ANSYS 谐振梁加速度计封装应力研究(2)
1.1 MEMS 封装技术概述 封装业是半导体产业中市场需求大、投资收益快、发展迅速的产业，是发展中国家进军半导体产业的直通车。 我国的半导体封装业是整个产业链中发展最早、规模最大的一个行业，一直占据着整个半导体产业的半壁江山。 封装的功能通常是提供保护和支持，实现电源和信号的连接。随着机械电子器件朝着高性能、多功能、高可靠、小型化、便携化及低成本的趋势发展，对封装技术提出了新的要求。MEMS 封装基本上继承了 IC 封装中比较成熟适合的技术，比如 FC 技术、BGA 技术和MCM技术，在此基础上又发展了许多新的技术，比如芯片尺寸的圆片级封装技术、系统封装技术和自组装装配技术等[3]。合理先进的封装技术是实现 MEMS 商业化的关键要素。 谐振梁加速度计工作时，其测控电路的电子元器件工作过程中产生热量以及工作环境的温度变化等都引起了谐振梁加速度计周围温度变化。温度变化会引起残余应力，残余应力包括加工应力和封装应力，其中封装应力是由于各种封装材料的热膨胀系数(CTE)不匹配造成的结构体变形而产生的热应力，它会使器件出现裂纹、翘曲，严重时甚至会造成结构损坏和失效[4]。所以封装应力是封装引线焊点、器件疲劳失效的主要原因，严重影响器件性能，如何减小封装应力是 MEMS 技术中亟待解决的问题之一。
1.2 国内外研究现状 随着封装体密度越来越高，MEMS 的构造更加复杂，封装过程中的热设计将更加重要,由热膨胀系数差异引起的封装热应力将会使元件某些结构失效。因此国内外学者对减小封装应力的方法作了大量研究。如何减小或消除应力对器件性能的影响，对加快 MEMS 商业化进程具有十分重要的价值。 早在 80 年代，Lau[5]就用有限元分析方法对塑料封装器件的表面组装和连接进行了热应力研究。Kotake[6]等引入光弹模型法，然后设计实验探索了温度循环中双列引线封装内部 IC的热应力分布。其中光弹模型法要求使用透明的树脂材料，与实际材料还有一定差距，所以得出的结果只是近似线性。Miller[7]等人用 PMSI 仪器对封装件在热载荷作用下的变形进行了测量，并通过有限元公式计算出了封装器件的应变。 Marina Santo Zarnik[8]等人使用虚拟样机方法估计了封装过程参数的影响，用有限元分析（FEA）研究了硅传感器芯片和聚合物粘合剂在固化过程中引起的残余应力的分布，并确定了结构和影响传感器输出特性变化的材料参数。利用设计实验（DOE），确定了影响传感器特性的最重要因素，最后确定了最佳封装工艺参数。 Jamil[9,10]等人使用有限元分析的方法建立了封装件的二维模型，加载模型时，在均匀温度载荷下考虑了功率耗散并分析了芯片和基底之间粘合层各部位的温度适配和位移曲线。然后对局部热载荷下器件的应变情况和温度进行了实验分析，通过比较整体和局部热加载条件的差异得出结论：相对于整体均匀加热载，局部温度载荷比较合理。 Mercado[11]等人和Tee[12]等人采用非线性有限元分析法模拟了封装材料特性导热系数、填充材料和热膨胀系数等和封装结构的工艺参数焊球高度、基底厚度、阻焊膜孔径大小、芯片厚度等对其可靠性的影响。Tee[13]等人还发现TFBGA应变能密度最大处位于最外层对角线上锡球的最上层拐角处。 Stephen F-Bart[14]等人基于单元库法模型的思想首先提出了 MEMS 封装协同设计的概念，使用有限元模拟的方法，把一个完整的 MEMS 系统分离为器件单元和封装单元，分别讨论它们之间的相互影响，以提升器件性能达到优化设计的目的。