采用综合学科研究法有效封装MEMS加速仪（二）

选择固晶材料

飞思卡尔MEMS加速仪采用了活动和固定板。一旦感应单元的频率达到了其限幅点，MEMS中板就会以机械方式碰撞制动装置，防止碰到感应板的顶部和底部，从而避免引起静摩擦和短路。标准处理会使MEMS器件出现位移，对顶板和底板的制动装置产生不对称的作用力，这会使高加速输入信号出现输出失真。在固晶共振频率下，信号失真会Q倍增加。

利用球跌落测试检测失真并验证器件的能力。将一个金属球掉落到一个悬挂的不锈钢板上，当金属球撞击到钢板上时将产生多种频率。如果MEMS加速仪出现了任何失真，那么综合速度不会回到0 kph。

图字：board1-balldrop 45cm，400ms，potted：板1-球跌落高度为45厘米，时间为400毫秒，灌封；velocity（kph）：速度（kph）；die-attach A：固晶胶A；die-attach D：固晶胶D；Time（s）：时间（秒）

图 6 对不同固晶胶执行球跌落测试时的速度

在上图中，固晶胶D的测试结果是最理想的，没有出现任何失真，而固晶胶A由于失真产生了-0.2 kph的误差。根据球跌落测试，感应单元限幅点的频率大约为20 kHz。任何大于这个值的封装频率将不会引起共振问题。对使用不同固晶胶的封装进行了基于有限元的模型分析。由于在平面运动中，只有这两个移动与感应单元的X和Y轴有关，因此只给出了固有频率的第一和第二模态。表1列出了各种固晶材料的属性，并针对给定固晶胶和产生的封装共振频率进行了分析。这些材料分属两种极端类别。硬固晶胶如固晶胶D满足封装共振条件，但是会引起芯片裂纹。软固晶胶如固晶胶A不会引起芯片裂纹，但是封装不符合共振要求。

表1材料特性和各种固晶的固有频率

因此进行了一项研究，确定理想的固晶材料的属性的范围，以及对封装共振频率和芯片应力的影响。图5给出了根据固晶模量计算的感应单元的固有频率，以及感应单元基片承受的相应的最大张应力。

图字：gcel natural frequency（kHz）：感应单元固有频率（kHz）；1st mode：第一模态；2nd mode：第二模态；die max stress：芯片最大应力；Max tensile stress on die（Mpa）：芯片承受的最大张应力（Mpa）

图5 根据固晶模量计算得出的感应单元基片的最大张应力和封装共振频率

研究发现，与修改热膨胀系数［4］相比，芯片应力对固晶模量更加敏感。从图5可以看出，模量接近10的固晶材料具有较低的芯片应力，并且满足共振频率要求。

经过一些研究后，我们发现固晶材料E满足我们的性能要求。为了确保采用新固晶胶的芯片的共振性能足够满足要求，我们对材料模量随温度的变化进行了测量。同时进行了动态力学分析（DMA）。对测试样本进行了处理，将材料放到一个扁平的预成型的腔中并进行固化处理。然后测试样本随温度的变化。图6显示了材