常規(guī)應力分析 - 采用綜合學科研究法有效封裝MEMS加速儀

常規(guī)應力分析用于確定不同封裝階段存在高應力的位置。假設芯片邊緣沒有缺陷。圖3顯示了感應單元基片在模壓階段存在高應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。因為外罩晶圓與濕法腐蝕工藝存在一個~54o的角度，因此存在幾何不對稱以及一個應力奇異性。這一區(qū)域的應力量級對網(wǎng)狀形狀敏感，并且會隨著網(wǎng)狀結構的加密而升高，但是應力分布是有效的。高應力位置區(qū)與觀察到的斷裂起始位置正好是重疊的。

圖3 感應單元基片承受最大的張應力

B. 斷裂力學分析

硅片的機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。在進行這些工藝加工期間，芯片表面或邊緣可能會出現(xiàn)缺陷。如果出現(xiàn)缺陷的位置正好位于應力奇異性區(qū)域，那么芯片在后續(xù)的封裝過程和鑒定檢測期間就容易產生可靠性問題。在斷裂力學分析中，假設基片的關鍵位置已經(jīng)存在缺陷。假設裂紋尺寸大約為芯片厚度的1/300。應變能釋放率G是指促使裂紋擴展的能量，其計算方式為：

其中，為圍繞裂紋尖端的任意路徑；W指應變能；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、模壓到回流都建了模型，圖4顯示了在進行晶圓粘合期間裂紋擴展的能量。可以看出，對于當前使用的固晶材料D，回流焊接是擴展裂紋的最主要工藝。該產品此前使用固晶膠A設計，沒有出現(xiàn)裂紋。從圖4可以看出，與使用固晶D相比，使用固晶A時的裂紋擴展的可能性非常低。然而，當封裝安裝在板卡上時，固晶膠A會引起共振問題。因此，要解決這個問題，在選擇合適的固晶膠時，必須確保芯片不會出現(xiàn)裂紋且不會引起共振。

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

圖4 每個封裝工藝產生的裂紋擴展能量

因為固晶材料會引起芯片出現(xiàn)裂紋，因此需要對不同材料進行評估。最初使用的固晶A在7 kHz的頻率下會引起感應單元出現(xiàn)共振，這會引入信號失真故障。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，不會引起信號失真。然而，固晶膠D會對已經(jīng)存在裂紋的芯片產生影響。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。

可接受的標準是速度要小于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比；velocity error（m/s）：速度誤差（m/s）；frequency（kHz）：頻率（kHz）

圖5 速度誤差與固晶膠共振頻率的對比