Upload
alban-davis
View
220
Download
5
Tags:
Embed Size (px)
Citation preview
MEMS PackagingMEMS Packaging
& Damping Mechanisms& Damping Mechanisms
ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרומכניים
ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרומכניים
Wafer -> Chip First Level Package : Chip-
Scale-Packaging (Single or Multi-chip Module) .
Second Level Package : PCB or Card.
Third Level Package : Mother Board
Electronic Packaging HierarchyElectronic Packaging Hierarchy
ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרומכניים
Step 1: Wafer Dicing Step 2: Die Placement Step 3: Die Attach Step 4: Wire Bonding Step 5: Encapsulation/Molding Step 6: Lead Forming Step 7: Solder Bumping Step 8: Package Inspection Step 9: Package Test Step 10: Laser Marking Step 11: Singulation
Step 12: Packing and Shipping
Typical Packaging Flow - ElectronicsTypical Packaging Flow - Electronics
ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרומכניים
ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרומכניים
ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרומכניים
Applications : air bag and rollover detection sensors for automotive applications.
Hermetically Sealing and Protection from : corrosion , moisture, and debris , contamination.
“Stress Free” Package
Wafer level packaging protection involves an extra fabrication process where the micro-machine wafer is bonded to a second wafer which has appropriate cavities etched into it.
MEMS PackagingMEMS Packaging
MEMS - PackagingMEMS - Packaging
ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרומכניים
Functions of MEMS Packages:
* Mechanical Support
* Protection From Environment
* Electrical Connection to Other System Components
* Thermal Considerations
MEMS MEMS –– Packaging (cont.) Packaging (cont.)ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרומכניים
Types of MEMS Packages
* Metal Packages
* Ceramic Packages
* Thin-Film Multilayer Packages
* Plastic Packages
MEMS MEMS –– Packaging (cont.) Packaging (cont.)ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרומכניים
Package-to-MEMS Attachment: Die Attachment
MEMS MEMS –– Packaging (cont.) Packaging (cont.)ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרומכניים
Chip Scale Packaging
* Flip Chip
Controlled Collapse Chip Connection (C4) is an interconnect technology developed by IBM during the 1960s as an alternative to manual wire bonding.
Often called "flip-chip," C4 attaches a chip with the circuitry facing the substrate. C4 uses solder bumps (C4 Bumps) deposited through a Bump Mask onto wettable chip pads that connect to matching wettable substrate pads (Figure 8-4). MEMS technology initially may not use flip chip packaging but the drive toward miniaturization may necessitate its incorporation into future designs.
MEMS MEMS –– Packaging (cont.) Packaging (cont.)ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרומכניים
* Flip Chip (cont.)
ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרומכניים
The primary advantage of C4 is its enabling characteristics. Specific advantages include:
Size and weight reduction
Applicability for existing chip designs
Increased I/0 capability
Performance enhancement
Increased production capability
Rework/chip replacement
Key considerations include:
Additional wafer processing vs. wire bond
Supplemental design groundrules
Wafer probe complexity for array bump patterns
Unique thermal considerations
ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרומכניים
Wire BondingWire Bonding
ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרומכניים
Tape Automated BondingTape Automated Bonding
ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרומכניים
BGA PackageBGA Package
Ball Grid Array is a surface mount chip package that uses a grid of solder balls as its connectors. It is noted for its compact size, high lead count and low inductance, which allows lower voltages to be used. BGAs come in plastic and ceramic varieties. It essentially has evolved from the C4 technology whereas more I/Os can be utilized in the same area as in a peripherally leaded package (or chip). The CBGA and PBGA are not truly Chip Scale Packaging but the evolution to the BGA has come out of the experience the industry has gained from the CBGA and PBGA packages.
ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרומכניים
BGA PackageBGA Package
ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרומכניים
BGA PackageBGA PackageThe uBGA package is constructed utilizing a thin, flexible circuit tape for its substrate
and low stress elastomer for die attachment. The die is mounted face down and its electrical
pads are connected to the substrate in a method similar to TAB bonding. After bonding these
leads to the die, the leads are encapsulated with an epoxy material for protection. Solder balls
are attached to pads on the bottom of the substrate, in a rectangular matrix similar to other BGA
packages. The backside of the die is exposed allowing heat sinking if required for thermal
applications. Ball pitches available today are 0.50, 0.75, 0.80, and 1.0 mm. Other features and
benefits include: 0.9 mm mounted height, excellent electrical and moisture performance, 63/37
Sn/Pb solder balls, and full in-house design services.
ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרומכניים
Solder Solder BumpsBumps
ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרומכניים
MCM (Multi-Chip-Modules)MCM (Multi-Chip-Modules)
ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרומכניים
ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרומכניים
Failure by Stiction and Wear.
Delamination.
Environmentally induce failures
Cyclic mechanical fatigue
Dampening Effect.
Packaging and development of testing methodologies .
Typical MEMS Packaging Failure ModesTypical MEMS Packaging Failure Modes
ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרומכניים
WLP for MEMS PackagingWLP for MEMS Packaging
ד"ר דן סתר תכן וייצור התקנים מיקרומכניים
WLP for MEMS PackagingWLP for MEMS Packaging
“Recent Development in WLP” - AMKOR
“Wafer level “Hermetic” packaging for sensors / MEMS” - MOTOROLA
ד"ר דן סתר ריסון במיקרומערכות הנדסת מיקרומערכות
Damping in MicrosystmesDamping in MicrosystmesThere are two main damping mechanisms in Mycrosystems:
The motion of a free standing planeThe motion of a free standing plane
A cantilever or a membrane, moving in a fluid without any interaction with another solid body. The damping is mainly due to the fluid properties such as: viscosity, density, pressure and temperature.
The relative motion of planes in the fluidThe relative motion of planes in the fluid
Planes (micorostructures) that are moving one raltive to the other in the fluid:Perpendicular motion: Electrostatic motion perpendicular to the
substrate, Tuning fork beams.
Parallel motion: Comb Drive.
The damping is influenced mainly by the gap size between the solid surfaces, the fluid properties, the pressure and the motion amplitude.
ד"ר דן סתר ריסון במיקרומערכות הנדסת מיקרומערכות
The 1 DOF SystemThe 1 DOF SystemQ: The quality factor:Q: The quality factor:Equation of motion:
Solution The natural frequency:
mF
C
K
tFKXXCXm sin0 tFKXXCXm sin0
22
1
1
2;sin)(
n
ntgtRtX
22
1
1
2;sin)(
n
ntgtRtX
m
Kn
The damping ratio:Km
C
2
Non dimensional definition of the state solution: tR
KF
Xd sin
0 tR
KF
Xd sin
0
Rd is the dimensionless response factor
Non velocity solution: tRKF
Xv sin
0
tR
KF
Xv sin
0
ד"ר דן סתר ריסון במיקרומערכות הנדסת מיקרומערכות
Lower damping Q increasing. The “quality” of the system is higher
2
1
nQ
2
1
nQ
2/max/ dvR
RV, Rd(RV)max ; (Rd)max
n
In microsystems high Q values are needed:
103 < Q < 105
ד"ר דן סתר ריסון במיקרומערכות הנדסת מיקרומערכות
Damping of the motion of a free standing planeDamping of the motion of a free standing plane
The low pressure region: The surrounding damping is negligible relative to the inner damping in the material.
Empirical Q f(P)
The molecular region: The damping mechanism is due to momentum transfer between single molecules of the surrounding and the solid.
The high pressure region: Continuity region. The damping is due to pressure, viscosity – drag.
ד"ר דן סתר ריסון במיקרומערכות הנדסת מיקרומערכות
Damping of the relative motion of surfaces in a fluidDamping of the relative motion of surfaces in a fluid
* The pressure regions , the properties of flow and the damping mechanism is determined by the “Knudsen no”:
mn h
K
– The mean free path between the moledules
hm – Mean thickness of the fluid layer or the nominal gap between the surfaces.
2a – Length of the membrane side
hm
aaP
P 0
The index 0 indicates the value for 1 atm:
0 (1 atm) = 9.3510-6 [cm] for air
hm < Kn > 1 The molecular region
<hm < 100 10-2 < Kn < 1 Knudsen flow
hm > 100 Kn < 10-2 Continuity
ד"ר דן סתר ריסון במיקרומערכות הנדסת מיקרומערכות
ד"ר דן סתר ריסון במיקרומערכות הנדסת מיקרומערכות
ד"ר דן סתר ריסון במיקרומערכות הנדסת מיקרומערכות
ד"ר דן סתר ריסון במיקרומערכות הנדסת מיקרומערכות