采用綜合法封裝MEMS加速儀

　　MEMS(微機電系統)加速儀在汽車(chē)安全氣囊系統中作為碰撞感應器已經(jīng)有超過(guò)十年的歷史。最近，MEMS加速儀被進(jìn)一步應用到電子消費品中，例如手機、筆記本電腦、游戲控制器和手持PDA(個(gè)人數字助理)。加速儀產(chǎn)品需要經(jīng)歷兩種不同的制造流程，即傳感器制造和封裝流程。采用了一種表面微機械加工工藝，為加速儀感應器芯片的制造制作可移動(dòng)的指針并檢測質(zhì)量。有效地封裝MEMS器件通常會(huì )面臨許多挑戰，并且是阻礙MEMS技術(shù)實(shí)現突破性增長(cháng)和采用的主要因素之一[1-2]。MEMS封裝技術(shù)主要來(lái)自于微電子封裝技術(shù)。在集成電路中，封裝主要用于防止電子器件受到外部損害。MEMS封裝與此相反，它必須允許器件真正地接觸或觀(guān)察外部環(huán)境以實(shí)現感應功能，同時(shí)要保護器件避免受到損害和出現長(cháng)期的故障。感應器封裝的難題是，除了向PC板提供一個(gè)底座外，環(huán)境或封裝對變頻器產(chǎn)生的壓力不應當影響傳感器的性能。

　　MEMS加速儀包含一個(gè)MEMS器件，該器件與一個(gè)ASIC(專(zhuān)用集成電路)接口，ASIC可以將MEMS器件的電容輸出轉換為一個(gè)表示MEMS器件感受到的加速度的電壓。加速度綜合起來(lái)就是器件的速度。在安全氣囊應用中，當速度足夠高時(shí)，安全氣囊就會(huì )被展開(kāi)。MEMS加速儀發(fā)生的任何失真，例如過(guò)度的封裝壓力或器件振動(dòng)，都會(huì )導致在安全氣囊算法中引入錯誤的信號。安全氣囊感應器必須響應汽車(chē)碰撞產(chǎn)生的力量，同時(shí)隔離安全氣囊所在的振動(dòng)環(huán)境的反應。該封裝和傳感器的力學(xué)特征是非常重要的考慮因素。例如，在某些汽車(chē)應用中，振動(dòng)信號的頻率可以高達20kHz。如果封裝的一個(gè)或多個(gè)固有頻率與高能量輸入信號的頻率相同或與之接近，那么傳感器的封裝輸出信號將發(fā)生失真，甚至會(huì )使傳感器產(chǎn)生機械損傷。

　　飛思卡爾MEMS加速儀的傳感器是通過(guò)在硅基片上進(jìn)行表面微機械加工制作的。使用蝕刻空腔外罩晶圓將傳感器的活動(dòng)部件與外部環(huán)境隔絕，再使用玻璃熔塊將蝕刻空腔外罩晶圓密實(shí)地粘貼到基片上。粘合的傳感器晶圓成形后，通過(guò)固晶粘合到一個(gè)銅引線(xiàn)框架，然后用線(xiàn)與ASIC芯片連接在一起。傳感器外包一層凝膠涂層，組裝完成后再經(jīng)過(guò)超模壓處理。作為成本較低的解決方案，我們選用了16個(gè)引線(xiàn)的SOIC封裝，ASIC芯片和感應單元并排放置。研究發(fā)現，引起信號失真的主要原因與封裝共振和固晶共振有關(guān)。為了解決這些封裝問(wèn)題，我們采用罐封方式，并使用了硬固晶膠。遺憾的是，實(shí)施的硬固晶材料造成芯片斷裂的ppm(百萬(wàn)分率)性能很低。我們采用了一種綜合學(xué)科研究法來(lái)評估工藝和材料對芯片斷裂的影響，并提供更好的解決方案來(lái)徹底解決這一問(wèn)題。

　　問(wèn)題和解決方案

　　圖1(a)展示了16引線(xiàn)SOIC封裝的成品封裝模型及其加速儀的橫切面。封裝由一個(gè)傳感器芯片組成，其細節構造如圖1(b)所示，傳感器芯片與一個(gè)外罩粘合在一起，一部分外罩延伸到靠近焊線(xiàn)墊的基片上。ASIC和感應單元并排放置，芯片被連接到銅引線(xiàn)框架。在進(jìn)行超模處理之前，使用極低模量的有機硅凝膠覆蓋整個(gè)感應單元。