采用綜合學(xué)科研究法有效封裝MEMS加速儀（二）

常規(guī)應(yīng)力分析用于確定不同封裝階段存在高應(yīng)力的位置。假設(shè)芯片邊緣沒(méi)有缺陷。圖3顯示了感應(yīng)單元基片在模壓階段存在高應(yīng)力的位置基片與外罩晶圓以及玻璃熔塊之間的接觸位置承受的彎曲壓力最大。因?yàn)橥庹志A與濕法腐蝕工藝存在一個(gè)~54o的角度，因此存在幾何不對(duì)稱以及一個(gè)應(yīng)力奇異性。這一區(qū)域的應(yīng)力量級(jí)對(duì)網(wǎng)狀形狀敏感，并且會(huì)隨著網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的加密而升高，但是應(yīng)力分布是有效的。高應(yīng)力位置區(qū)與觀察到的斷裂起始位置正好是重疊的。

圖3 感應(yīng)單元基片承受最大的張應(yīng)力

B. 斷裂力學(xué)分析

硅片的機(jī)械完整性主要取決于它所經(jīng)歷的工藝處理。這些工藝處理包括晶片磨薄、表面處理工藝（研磨、拋光、蝕刻）及將晶圓加工需要的尺寸。在進(jìn)行這些工藝加工期間，芯片表面或邊緣可能會(huì)出現(xiàn)缺陷。如果出現(xiàn)缺陷的位置正好位于應(yīng)力奇異性區(qū)域，那么芯片在后續(xù)的封裝過(guò)程和鑒定檢測(cè)期間就容易產(chǎn)生可靠性問(wèn)題。在斷裂力學(xué)分析中，假設(shè)基片的關(guān)鍵位置已經(jīng)存在缺陷。假設(shè)裂紋尺寸大約為芯片厚度的1/300。應(yīng)變能釋放率G是指促使裂紋擴(kuò)展的能量，其計(jì)算方式為：

其中，為圍繞裂紋尖端的任意路徑；W指應(yīng)變能；Ti是牽引向量；ui 是位移向量，nx 是Γ上的外向單位法向量的x部分。

從晶圓粘合、固晶、引線粘結(jié)、模壓到回流都建了模型，圖4顯示了在進(jìn)行晶圓粘合期間裂紋擴(kuò)展的能量?？梢钥闯?，對(duì)于當(dāng)前使用的固晶材料D，回流焊接是擴(kuò)展裂紋的最主要工藝。該產(chǎn)品此前使用固晶膠A設(shè)計(jì)，沒(méi)有出現(xiàn)裂紋。從圖4可以看出，與使用固晶D相比，使用固晶A時(shí)的裂紋擴(kuò)展的可能性非常低。然而，當(dāng)封裝安裝在板卡上時(shí)，固晶膠A會(huì)引起共振問(wèn)題。因此，要解決這個(gè)問(wèn)題，在選擇合適的固晶膠時(shí)，必須確保芯片不會(huì)出現(xiàn)裂紋且不會(huì)引起共振。

圖字：relative energy available for crack propogation：裂紋擴(kuò)展的相對(duì)能量；Energy for crack propogation relative to wafer bonding：晶片粘合期間裂紋擴(kuò)展的相對(duì)能量；Die attach-D：固晶膠D；Wafer bonding：晶圓粘結(jié); G-CELL Attach：感應(yīng)單元粘結(jié)；wire bonding：引線粘結(jié)；Molding：模壓；solder reflow：焊接回流

圖4 每個(gè)封裝工藝產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展能量

因?yàn)楣叹Р牧蠒?huì)引起芯片出現(xiàn)裂紋，因此需要對(duì)不同材料進(jìn)行評(píng)估。最初使用的固晶A在7 kHz的頻率下會(huì)引起感應(yīng)單元出現(xiàn)共振，這會(huì)引入信號(hào)失真故障。稍后用固晶膠D代替了固晶膠A，固晶膠D的共振頻率為400 kHz，不會(huì)引起信號(hào)失真。然而，固晶膠D會(huì)對(duì)已經(jīng)存在裂紋的芯片產(chǎn)生影響。因此，需要根據(jù)共振頻率和剛性尋找一種可接受的固晶材料。圖5顯示了失真可接受的固晶膠共振頻率。

可接受的標(biāo)準(zhǔn)是速度要小于1m/s。圖5顯示不管固晶膠的Q值是多少，最小固晶共振頻率為17 kHz。

圖字：Velocity error versus die attach resonant frequency：速度誤差與固晶共振頻率的對(duì)比；velocity error（m/s）：速度誤差（m/s）；frequency（kHz）：頻率（kHz）