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MEMS封装用胶点2012-12


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MEMS 封装

序、MEMS 介绍

一、MEMS 硅麦克风
二、MEMS 压力传感器 三、MEMS 加速度计 四、MEMS 陀螺仪 五、MEMS RF

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序、MEMS介绍
MEMS是微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems)的英文缩写。MEMS是美国的叫
法,在日本被称为微机械,在欧洲被称为微系统,它是指可批量制作的,集微型机构、微型传感 器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。 MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的,目前MEMS

加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域,从而进行生物化学等实验室技术流程
的芯片集成化。 目前,常用的制作MEMS Die的技术主要有三种: 第一种是以日本为代表的利用传统机械加工手段,即利用大机器制造小机器,再利用小 机器制造微机器的方法。 第二种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工,形成硅 基MEMS 器件。 第三种是以德国为代表的LIGA(即光刻、电铸和塑铸)技术,它是利用X 射线光刻技术, 通过电铸成型和塑铸形成深层微结构的方法。 LIGA 技术可用来加工各种金属、塑料和陶瓷等材 料,并可用来制做深宽比大的精细结构(加工深度可以达到几百微米),因此也是一种比较重要的 MEMS 加工技术。

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序、MEMS介绍

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序、MEMS介绍

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序、MEMS介绍

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一、MEMS 硅麦克风

用胶点: 1、Die attach固晶:DC-7920、厚度大于2mil(高粘结强度、低应力,抗跌 落); 2、ASIC Die Coating:DC-7920或单组份COB环氧胶(电路保护) 案例和客户:(硅麦克风全部用DC-7920) 苏州楼氏、深圳瑞声声学(AAC)、山东歌尔、山东共达电声、无锡芯奥微
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二、MEMS 压力传感器

用胶点: 1、MEMS Die 固晶:大量程用DC-7920、小量程用DA6501(高粘结强度、 低应力); 2、MEMS Die coating:4-8022(低应力,单组分热固,耐油污性能好) X3-6211(低应力,UV快速固化) 低温固化PI胶(耐油污和水汽出色) 案例和客户:无锡华润安盛代工上海芯敏MEMS压力传感器用DA6501和48022,上海沪晶、无锡纳微、无锡康森斯克、苏州敏芯;

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三、MEMS 加速度计
1、加速度计的精度与价格 2、基本原理 3、加速度计的性能指标 4、工作原理:
压阻式 压电式 电容式 谐振式 隧穿式 热对流式 5、MEMS 加速度计用胶点

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1、加速度计的精度与价格

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2、基本原理
质量块运动方程 无阻尼固有频率 阻尼比 品质因子

? m?? ? cx ? kx ? ?ma x
r r r

k ? ? m c ? ? 2 mk
0

弹簧

读出传感器 壳体

加速度测量方向

Q?

1 2?

m

检测质量

拉氏变换得传递函数的幅值和相位分别 为

阻尼器

H (? ) ?

X (? ) 1 ? A(? ) (? ? ? ) ? (?? / Q)
r 2 2 2 0 0

2

?? ? ? tan
?1 2 0

0

Q

? ??

2
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2、基本原理
传递函数幅值

由图可见,为提高灵敏度,需要降低 固有频率。 降低固有频率有两个方案:降低刚度 或增大质量。

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2、基本原理
? 在单位阶跃加速度 作用下的响应为
其中 由图可见,对于开环加速度传 感器,为提高响应速度,传感 器应该具有较大的阻尼比(即 小品质因子)。

?0 t ? 0 a(t ) ? ? ?1 t ? 0

若采用力反馈控制,由于相对 位移基本被控制在零位,可以 采用小阻尼或大品质因子。

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3、加速度计的性能指标
? 量程 ? 灵敏度: 降低刚度 增加质量 ? 动态范围 提高加速度计的固有频率,但这与提高 灵敏度有矛盾。 ? 反应时间 提高固有频率
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4、工作原理
? ? ? ? ? ? ? 压阻式 压电式 电容式 谐振式 隧穿式 热对流式 ……

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压阻式加速度计
– – – – 读出电路非常简单 压敏电阻制作难度大 温度系数大 灵敏度不高

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压电式加速度计
– 结构简单 – 无法测直流(常加速度) – 温度系数较大

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电容式加速度计
– – – – – 敏感器件制作简单 不受温度影响 读出电路复杂 易受寄生参数影响 非线性

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电容式(Capacitor)
? 运动导致电容的变化

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谐振式加速度计
? (可用电阻热激振和压阻感知) – 直接数字输出 – 潜在的高精度:电漂移和热噪声影响小

a

m
振梁
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隧道加速度计
– 极高的灵敏度 – 低频噪音大(1/f噪声) – 必须闭环工作(工艺难度、 线性度、量程) – 重复性、一致性差

a

m
硅尖

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热对流式加速度计
– – – – 结构和读出电路简单 响应较慢 线性工作范围小 受温度影响大

加热电阻

a

+V

Vo

-V

热敏电阻
26

气腔
重庆大学 微系统研究中心
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热对流式加速度计
? MEMSIC ? 应用于较低频率

27

重庆大学 微系统研究中心

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4、MEMS 加速度计用胶点:
加速度计用胶点(典型封装方式LGA或QFN):
ASIC和MEMS Die平铺: ASIC与基板粘结:用7920(胶层要薄,控制在15um以下,方便后道打金线) MEMS Die与基板粘结:用7920(胶层要后,控制在50um以上,提升MEMS Die抗震抗噪及免受应力影响); ASIC和MEMS Die叠加: ASIC与基板粘结:用7920或环氧胶(胶层要薄,控制在15um以下,方便后道打 金线) MEMS Die to ASIC 粘结:用7920(胶层要后,控制在50um以上,提升MEMS Die抗震抗噪及免受应力影响);

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四、MEMS 陀螺仪
MEMS陀螺仪是科里奥利力的最常见应用, MEMS陀螺仪利用科里奥利力(旋转物体在 径向运动时所受到的切向力),旋转中的陀 螺仪可对各种形式的直线运动产生反映,通 过记录陀螺仪部件受到的科里奥利力可以进 行运动的测量与控制。为了产生这种力, MEMS陀螺仪通常安装有两个方向的可移动 电容板,“径向的电容板加震荡电压迫使物 体作径向运动,横向的电容板测量由于横向 科里奥利运动带来的电容变化。”这样, MEMS陀螺仪内的“陀螺物体”在驱动下就 会不停地来回做径向运动或震荡,从而模拟 出科里奥利力不停地在横向来回变化的运动, 并可在横向作与驱动力差90°的微小震荡。 这种科里奥利力好比角速度,所以由电容的 变化便可以计算出MEMS陀螺仪的角速度。
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一般的MEMS陀螺仪由梳子结构的驱动部分

Mass 质量块 Drive Direction 驱动方向 Sense Direction 感应方向

电容板形状的传感部分组成
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三轴陀螺仪MEMS细致结构 200um尺度显微照

以意法半导体的MEMS陀螺仪为例,其核心元件是一个微加工机械单元,在设计上 按照一个音叉机制运转(音叉机制的工作原理是通过安装在音叉基座上的一对压电 晶体使音叉在一定共振频率下振动,当音叉开关的音叉与被测介质相接触时,音叉 的频率和振幅将改变,音叉开关的这些变化由智能电路来进行检测,处理并将之转 换为一个开关信号)。电机驱动部分通过静电驱动方法,使机械元件前后振荡,产 生谐振,利用科里奥利力把角速率转换成一个特定感应结构的位移,两个正在运动 的质点向相反方向做连续运动。只要从外部施加一个角速率,就会出现一个力,力 的方向垂直于质点的运动方向。
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公开的MEMS陀螺仪均采用振动物体传感角速度的概念。利用振动来诱 导和探测科里奥利力而设计的MEMS陀螺仪没有旋转部件、不需要轴承, 已被证明可以用微机械加工技术大批量生产。

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四、MEMS 陀螺仪
package封装用胶点:(典型封装方式LGA和QFN,ASIC和MEMS Die一般都设计为叠加)
ASIC和MEMS Die叠加: ASIC与基板粘结:用7920或环氧胶(胶层要薄,控制在15um以下,方便后 道打金线) MEMS Die to ASIC 粘结:用7920(胶层要后,控制在50um以上,提升 MEMS Die抗震抗噪及免受应力影响);

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MEMS Die 对Die attach胶要求
? ? 1、MEMS Die微结构决定了本身能承受的外力非常低,即要求Die attach胶应 力尽可能低,同时满足MEMS Die底部粘结强度(容易满足); 2、杨氏模量(即弹性模量),它是沿纵向的弹性模量,也是材料力学中的名 词。1807年因英国医生兼物理学家托马斯· 杨(Thomas Young, 1773-1829) 所得 到的结果而命名。根据胡克定律,在物体的弹性限度内,应力与应变成正比 ,比值被称为材料的杨氏模量,它是表征材料性质的一个物理量,仅取决于 材料本身的物理性质。杨氏模量的大小标志了材料的刚性,杨氏模量越大, 越不容易发生形变。 3、线性应力计算:σ(正应力)=E(杨氏模量)*ε( 线性应变= 3 CET ) 4、MEMS标准工作温度: -40-100°C;

? ?

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MEMS Die attach胶选型对比
Silicone不导电 PROPERTIES Color Durometer Viscosity(cps) Working Time RT Heat Cure Time Unprimed Adhension Lap Shear(psi) Specific Gravity Back 71A 21000 >24hrs 30mins@150°C 7920 DA 6501 Translucent 31A 7300 >24hrs 3mins@150°C Red 11500 24hrs 30min ramp to 175°C+30min@175°C 38000 1.5 2.1E+15 Epoxy不导电 Ablebond 2025DSI Epoxy导电 Ablebond 84-1LMI Silver 30000 2weeks 60mins@150°C

1000 1.2

80 1 2.7E+16

38000 3 5.00E+04

Volume Resistivity ohm-cm 2.1E+15 Dielectric Strength volts/mil

450 5.5
240 -110°C 34.5 20-30/g

625 0.9
300 -110°C 6 120-150/g

260 3000/6
60/145 -34°C 11700/31.8 15-20/g

Young's Modulus(Mpa)
CET(膨胀系数,PPM) TG σ (正应力) price(RMB)

3000
55 103°C 11400 40-50/g
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MEMS Die attach胶推荐总结
? 1、在MEMS工作温度下:Silicone类Die attach胶应力远低 于Epoxy类Die attach胶,是MEMS Die attach胶最佳选择; ? 2、7920性价比高,线性应力低,适合于1mm*1mm以上 MEMS Die attach,如:加速度计、陀螺仪等; ? 3、DA 6501线性应力最低,非常适合于对线性应力极其敏 感的MEMS Die,适合于1mm*1mm以下的MEMS Die attach, 如:压力传感器;

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