有限元分析软件在封装结构变形影响中的应用

0　引言

压阻式加速度计采用的主要结构基本都是相同的[1],包括一个悬臂梁悬挂的质量块,而悬臂梁连接到一个固定的外框上。封装结构的变形会引起悬臂梁发生变形,从而影响微加速度计的性能。通常,封装结构需要具有4种主要功能[2-3]:1)信号的输入输出端向外界的过渡手段;2)电源的输入输出同外界的过渡手段;3)散热;4)保护器件不受外界环境的影响。Tanner等[4]曾对封装好的加速度计在冲击环境下的可靠性进行了很多实验研究,Davies[5]提出了高g值加速度计封装设计上的几个原则,吴含琴等[6]曾对开关封装结构热形变对芯片性能的影响进行过研究,董健[7]对冲击硅微机械加速度传感器进行了封装性能分析,但只进行了模态分析,没有指出影响的具体数值。为此,引入有限元分析软件Cov-entor Ware的Package模块进行定量分析。

1　Coventor Ware简介

有限元分析软件Coventor Ware是目前分析MEMS结构的专业软件,包括MEMS工艺的模拟、压阻分析、压电分析、静电分析、电磁分析等,其中的Package分析模块能对MEMS器件进行封装分析,计算出封装结构变形对封装芯片性能的影响,并给出具体的影响值数值。

在Package分析模块中,首先分析出传感器工作时由于工作环境发生变化,封装结构产生变形的情况,然后将封装结构变形情况,施加在传感器芯片上,从而分析出封装结构变形对芯片性能的影响。

2　Package模块的应用

本文采用Coventor Ware有限元分析软件进行建模和仿真分析。该压阻式加速度计,测量垂直于加速度计方向的重力加速度,量程为10 000~50000g。加速度计包含一个两端固定梁,悬于支撑架上,梁中间有一质量块,用于在承受加速度载荷时增加梁的变形。质量块长1 200μm,宽640μm,两端固定梁长和宽分别为6 400μm和420μm,厚度为300μm。压阻材料嵌入质量块与两端固定梁连接处,建立的模型如图1所示。

本文的封装方法采用文献[7]中提供的思路进行封装。封装结构采用TUNGSYEN-kyocera材料,这种材料相对于可伐合金有较好的散热性、优良的电磁屏蔽性能以及良好的力学性能。用钛丝连接芯片的铝布线压点和管脚,使它具有良好的延展性,用环氧树脂粘结金属基板与芯片。

模拟分析思路:首先利用Coventor Ware进行建模,然后借助Coventor Ware中Package分析模块,分析出封装结构由于工作环境发生变化而产生的变形,最后将得到的分析结果作为分析加速度计芯片时的初始条件,以此来模拟封装结构变形对加速度计芯片性能的影响。分析示意图如图2所示。

封装壳体的材料参数和结构参数如表1和表2所示。