MEMS-гироскоп сочетает в себе традиционную технологию интегральных схем и различные технологии микрообработки, которые постепенно развивались и совершенствовались в последние годы. С быстрым развитием проектирования и подготовки MEMS-гироскопов разработке и производству MEMS-гироскопов уделяется все больше внимания. В процессе изготовления, хранения и использования MEMS-гироскопов множество внешних факторов окружающей среды могут негативно сказываться на надежности MEMS-гироскопов. Например, вибрация и удары вызывают разрушение, ползучесть, прилипание, износ, расслоение, загрязнение частицами и усталость внутренних компонентов модуля, а изменение температуры вызывает разрушение, ползучесть, деградацию электролита, расслоение и усталость.
В этой статье предлагается новая технология упаковки для MEMS-датчиков - технология упаковки со ступенчатым углублением.
Проблемы метода инкапсуляции LCC
В настоящее время методом упаковки MEMS-гироскопов является метод упаковки с откидным чипом (LCC-упаковка). Чтобы предотвратить выход из строя MEMS-гироскопов из-за остаточного теплового напряжения, вызванного плохим тепловым согласованием материалов во время упаковки или использования, в упаковках LCC обычно используется базовый наполнитель, чтобы решить проблему плохого теплового согласования между паяными соединениями чипов и подложкой упаковки. Однако из-за небольшого размера модели датчика процесс использования наполнителя для подложки сильно усложнится, а стоимость производства в определенной степени возрастет, поэтому традиционная схема упаковки не может быть хорошо применена. Во-вторых, самая простая схема улучшения комплектации заключается в изменении геометрии области максимальной концентрации напряжений на нижней пластине. Однако, поскольку форма кварцевой нижней пластины влияет на частоту ее колебаний, простое изменение ее формы повлияет на работу датчика и ограничит повышение точности изделия. При изменении формы любого положения нижней пластины необходимо соответствующим образом скорректировать форму всего электрода. Это значительно увеличивает стоимость упаковки.
Для решения вышеуказанных технических проблем в данной статье предлагается технология упаковки с использованием MEMS-гироскопа со ступенчатым глубоким отверстием. Конструкция упаковки со ступенчатым глубоким отверстием включает кварцевую подложку, металлическую оболочку, чип, золотую проволоку и ступенчатое глубокое отверстие, как показано на рисунке 1.
Рис. 1. Структура пакета MEMS-гироскопов с лестницей и глубоким отверстием
Где，
1-Кварцевая подложка
2-Металлическая оболочка
3-Чип
4-Отверстия в чипе
5-Внутренняя подложка чипа
6-Ступенчатые отверстия в кварцевой подложке
8-Ступенчатое отверстие в подложке
9-Золотая нить
10-Кварцевая подложка внутри ступенчатых отверстий
11-Отверстие для внутренней нижней ступени кварцевой подложки
16-Вентиляционное отверстие
Этапный технологический процесс упаковки с глубоким отверстием
Конкретный процесс использования ступенчатой упаковки с глубокими отверстиями показан на рисунке 2. Сначала чип укладывается на кварцевую подложку, и отверстия в чипе совмещаются с отверстиями в кварцевой подложке с помощью инструмента позиционирования. Затем выравнивание проверяется с помощью светосильного объектива. Процесс склеивания золотой проволокой - это разновидность технологии производства, которая соединяет золотую проволоку с поверхностью электронных устройств. Этот процесс широко используется при производстве полупроводниковых чипов и других микроэлектронных устройств. Это один из необходимых процессов для производства и упаковки электронных компонентов. Соединение между металлической проволокой и электродом осуществляется сваркой горячим прессованием. После того, как соединение золотой проволоки завершено, глубокое ступенчатое отверстие заполняется двухкомпонентным заливочным клеем с добавками, чтобы обеспечить затвердевание кварцевой подложки и кристалла. В результате реакции избыточного добавления двухкомпонентного адгезива для заливки, происходит сшивание и отверждение в высокоэффективный эластомер, который может отверждаться при комнатной температуре или ускоряться при высокой температуре ниже 80 ℃, при этом материал не имеет явной усадки и повышения температуры реакции во время отверждения. Отвержденный эластомер обладает отличными электрическими свойствами, стойкостью к старению, высоким и низким температурам, водо- и влагостойкостью, хорошим глубоким отверждением, не вызывает коррозии контактирующего материала и не загрязняет окружающую среду. Наконец, благодаря установлению фиксированного соединения между металлической оболочкой и кварцевой подложкой чип помещается в металлическую оболочку. После того, как металлическая оболочка закреплена, пространство между чипом и металлической оболочкой заполняется и затвердевает двухкомпонентным клеем для герметизации отверстий, чтобы завершить упаковку всего чипа. В процессе упаковки MEMS шаг гироскопа с глубоким отверстием ступенчатая структура, образованная между чипом и кварцевой подложкой, удобна для электрического подключения накладки и позволяет лучше снимать напряжение для повышения точности изделия.
Рис. 2. Процесс упаковки глубоких отверстий под гироскопическую лестницу MEMS
Вывод
В этой статье предлагается новый метод упаковки, отличный от LCC, для решения проблем плохого теплового соответствия и концентрации напряжений между материалами во время упаковки или использования MEMS-гироскопа. Предлагаемая технология упаковки со ступенчатым углублением MEMS gyros заключается в создании ступенчатых отверстий внутри кварцевой подложки, совмещении с отверстиями внутри чипа, соединении кварцевой подложки с чипом методом склеивания золотой проволокой и использовании двухкомпонентного герметизирующего клея для заполнения, затвердевания и снятия давления. Кривая смещения и кривая напряжения при обоих способах упаковки изменяются в зависимости от периодических колебаний температурной нагрузки, и экстремальное значение напряжения постоянно увеличивается. Смещение стружки и напряжение при традиционном процессе упаковки LCC значительно больше, чем при ступенчатой упаковке с глубокими отверстиями, при этом последнее смещение составляет примерно 19-27% от прежнего смещения, а последнее напряжение составляет примерно 18-57% от прежнего напряжения. Результаты показывают, что ступенчатая конструкция корпуса с глубокими отверстиями может эффективно уменьшить деформацию и концентрацию напряжений во внутренних компонентах модуля.
LCC - это надежный традиционный метод упаковки, и до сих пор существуют превосходные MEMS-гироскопы, использующие LCC-упаковку. Например, ER-MG2-50/100, который в основном используется для наземного определения направления на север, имеет нестабильность смещения нуля от 0,01 до 0,02°/час и случайные колебания угловой скорости от 0,0025 до 0,005°/час. ER-MG2-300/400 - это MEMS-гироскоп для воздушной и морской навигации с нестабильностью смещения нуля 0,03-0,05° в час и случайными колебаниями угловой скорости 0,01-0,025° в час.
Если вы заинтересованы в MEMS-гироскопе, пожалуйста, свяжитесь с нами.