Трансфертное формование при производстве инкапсулированных микроэлектромеханических систем (МЭМ)

Введение в процесс формования для переноса MEMS Encapsulation

Микроэлектромеханические системы (MEMS) представляют собой миниатюрные устройства, которые интегрируют механические элементы, датчики, исполнительные механизмы и электронику на общей кремниевой подложке. Эти устройства стали незаменимыми в различных отраслях промышленности, от автомобильных инерциальных датчиков и медицинских диагностических чипов до микрофонов и радиочастотных переключателей бытовой электроники. Однако хрупкие движущиеся части и экспонированная схема MEMS требуют надежной защиты от факторов окружающей среды, таких как влага, пыль, механический шок и тепловой цикл. Поэтому инкапсуляция - процесс включения компонента MEMS в защитный материал - является критическим шагом в производстве. Среди различных методов инкапсуляции, передаточное формование появилось в качестве предпочтительной техники для производства MEMS большого объема, высокой надежности. Эта статья подробно исследует процесс передаточного формования, охватывая его принципы, материалы, оборудование, преимущества, проблемы и будущие направления.

Процесс трансфертного формования объяснили

Трансфертное формование представляет собой версию литья под давлением, адаптированную для инкапсуляции предварительно размещенных компонентов. В отличие от обычного литья под давлением, где полость формы пуста во время инъекции, литье под давлением вводит соединение формования в полость, которая уже содержит устройство MEMS. Процесс может быть разбит на следующие этапы.

Пошаговый процесс

  1. Приготовление пресс-формы и размещение устройства.] Устройство MEMS, обычно устанавливаемое на свинцовой раме или подложке, точно расположено внутри полости пресс-формы. Форма состоит из двух половинок: блока полости и передаточного горшка. Устройство может удерживаться на месте вакуумом, механическими зажимами или клейкой лентой.
  2. Материальная зарядка и предварительный нагрев.] В передаточный горшок помещают предварительно измеренную гранулу или таблетку формовочного соединения (обычно термореактивную эпоксидную кислоту). Горшок нагревают для размягчения материала, повышая его температуру до 100-120 °C для многих эпоксидных составов. Это смягчает соединение, не инициируя полного сшивания.
  3. Перенос и инъекция. Прыгун толкает смягченное соединение из передаточного горшка через ели и систему бегуна в полость плесени. Давление инъекции прикладывается при 10–30 МПа (1500–4500 пси), заставляя материал течь вокруг структуры MEMS. Низкая вязкость на этой стадии позволяет соединению заполнять сложные особенности.
  4. Очистка и затвердевание.] Плесень поддерживается при более высокой температуре (150-180°С) для активации сшивающей реакции термореактивного полимера. Время отверждения зависит от материала и толщины детали, как правило, в пределах от 60 до 180 секунд. Во время отверждения материал превращается из вязкой жидкости в жесткое, химически сшитое твердое вещество.
  5. Складка и пост-лекарство. После отверждения формовка открывается и инкапсулированное устройство выбрасывается.Некоторые применения требуют послеоперационной обработки печи (1-4 часа при 150-175°С) для завершения сшивания и стабилизации свойств материала. Флэш или избыток материала обрезают при необходимости.

Сравнение с компрессией и литьем под давлением

Трансфертная формовка дает явные преимущества перед компрессионной формовкой (где устройство помещается в форму и материал нажимается над ней) и стандартной литьевой формовкой. В компрессионной формовке высокая сила сжатия может повредить нежные структуры MEMS во время фазы формовки. Инъекционная формовка, в то время как отличная для высокоскоростного производства автономных деталей, менее подходит для инкапсуляции предварительно размещенных компонентов, потому что передняя часть расплава может захватывать воздух и создавать пустоты. Трансферная формовка достигает баланса: материал впадает в полость под контролируемым давлением, сводя к минимуму нагрузку на устройство, все еще позволяя высокую пропускную способность.

Материалы, используемые в MEMS Transfer Molding

Выбор формовочного соединения является одним из наиболее важных решений в процессе инкапсуляции. Материал должен защищать устройство MEMS, не вмешиваясь в его функцию. К ключевым семействам материалов относятся.

Соединения для литья под эпоксией (EMCs)

ЭМС являются наиболее широко используемыми материалами для инкапсуляции MEMS. Они состоят из эпоксидной смолы, затвердевателя, частиц наполнителя (обычно плавленого кремнезема), антипирена и других добавок. Содержание наполнителя уменьшает тепловое расширение, улучшает теплопроводность и снижает стоимость. ЭМС обеспечивают отличную адгезию к кремнию, свинцовым рамам и подложкам, а также высокую химическую стойкость и механическую прочность. Коэффициент теплового расширения (CTE) может быть адаптирован для соответствия кремнию (2,6 ppm / ° C) путем регулирования нагрузки наполнителя, минимизируя тепловое напряжение. Примеры включают литьевые соединения из Генкеля или Сумитомо бакелит .

Силиконовые формовочные соединения

Для устройств MEMS, которые требуют более низкого упругого модуля (например, датчиков давления с нежными мембранами) или более высокой температурной стабильности, соединения на основе силикона предлагают преимущества. Силиконы имеют очень низкую температуру стеклования (Tg) и поддерживают гибкость в широком температурном диапазоне. Однако их механическая прочность ниже, чем у эпоксидных смол, и они могут поглощать влагу, поэтому они часто используются для нишевых применений.

Жидкие кристаллические полимеры (LCP)

LCP — это высокоэффективные термопласты, которые можно обрабатывать с помощью переливного формования. Они обеспечивают низкое поглощение влаги, отличные диэлектрические свойства и высокотемпературные характеристики. LCPs набирают интерес к упаковке MEMS в суровых условиях, таких как автомобильные или нефтегазовые датчики. Их обработка требует точного контроля температуры, чтобы избежать деградации.

Параметры процессов и их влияние

Успешное формование зависит от тщательного контроля нескольких взаимосвязанных параметров.

температура

Температура переносного горшка (претепло), температура плесени и температура гелефикации материала должны быть оптимизированы. Слишком низкая температура плесени может вызвать неполное отверждение или длительное время цикла; слишком высокая может инициировать преждевременное сшивание перед заполнением полости, что приводит к коротким выстрелам. Типичные температуры плесени для EMC варьируются от 150°C до 180°C, с предварительным нагреванием передающего горшка при 90-120 °C.

Давление инъекций и скорость передачи

Давление и расход должны быть сбалансированы, чтобы избежать повреждения конструкций МЭМС. Высокое давление может вызвать проволочную проволоку (изгиб проводов связи) или наклон кристалла (движение кремниевой кристаллики). Скорость передачи контролируется скоростью плунжера; медленная начальная стадия уменьшает турбулентность, в то время как более быстрая конечная стадия обеспечивает полное заполнение перед гелированием. Современные прессы для формования передачи позволяют многоступенчатые профили впрыска.

Время отверждения

Реакция сшивания зависит от температуры во времени. Недостаточное излечение оставляет материал хрупким и подверженным растрескиванию. Чрезмерное отверждение может привести к деградации полимера. В таблице данных производителя для формовочного соединения предусмотрены рекомендуемые графики отверждения. Встроенный мониторинг давления в полости плесени или диэлектрических свойств может подтвердить правильное излечение.

Соображения дизайна плесени

Макет плесени, расположение ворот, размеры бегунов и вентиляции имеют решающее значение. Ворота должны быть расположены так, чтобы избежать прямого столкновения с хрупкими структурами. Бегуны должны быть сбалансированы, чтобы обеспечить равномерное заполнение нескольких полостей. Венты позволяют улавливать захваченный воздух, предотвращая пустоты. Кроме того, плесень должна быть спроектирована для легкого демольдинга, часто с использованием штифтов или пластин стриптизерши.

Преимущества трансферного формования для MEMS

Проблемы и стратегии смягчения

Несмотря на свои преимущества, литье под давлением представляет собой несколько проблем, которые требуют тщательного проектирования.

Пустое образование

Захваченный воздух или летучие вещества могут создавать пустоты внутри инкапсуляции, что ставит под угрозу надежность. Пустоты действуют как концентраторы напряжения и пути для влаги. Смягчение включает в себя надлежащее вентиляционное отверстие формы, вакуумное формование (где полость эвакуируется перед инъекцией) и оптимизацию геометрии ворот и бегуна для содействия ламинарному потоку.

Прослушка и смена света

Во время потока материала провода связи, соединяющие MEMS-диафрагму, могут быть смещены. Это известно как проволочная проволока. Увеличение диаметра провода, снижение скорости потока и использование материалов с более высокой вязкостью могут помочь. Аналогично, сдвиг отмирания происходит, когда кремниевая матрица перемещается из своего предполагаемого положения. Использование клеевой кристаллической привязи и более медленные профили впрыска снижает риск.

Термические и механические стрессы

Несоответствие CTE между формовочным соединением, кремнием и свинцовым каркасом создает напряжение во время охлаждения и теплового цикла. Это может вызвать растрескивание упаковки или расслоение. Использование низкострессовых формовочных соединений с соответствующим CTE, оптимизация содержания наполнителя и последующее отжиг может облегчить стресс.

Извержение материалов

Термореактивные материалы выделяют небольшое количество летучих побочных продуктов во время отверждения. Они могут конденсироваться на близлежащих компонентах или прокладках корродированных связей. Вакуумное формование и правильный выбор материала (с низкими дегазирующими составами) являются эффективными решениями.

Уборка и техническое обслуживание плесени

Накопление остаточного соединения на поверхности плесени приводит к дефектам с течением времени.Для поддержания качества деталей необходимы автоматизированные циклы очистки, покрытия для выпуска плесени и периодическая ручная очистка.

Приложения в устройствах MEMS

Трансферное формование используется в широком спектре продуктов MEMS.

Достижения и будущие тенденции

Промышленность MEMS продолжает настаивать на меньших упаковках, более высокой надежности и более низких затратах. Несколько разработок формируют будущее трансферного формования.

Формирование при помощи кинофильмов

В этом варианте тонкая полимерная пленка помещается между поверхностью формы и соединением перед инъекцией. Пленка предотвращает адгезию соединения к плесени, устраняет вспышку и защищает нежные особенности. Также она позволяет формовать многоступенчатые полости без сложных слайдов плесени. Пленочная трансферная формовка набирает тягу для усовершенствованных сенсорных упаковок.

Формирование на уровне вафера

Вместо сигулированных устройств все чаще применяется трансфертное формование в масштабе пластин. Целая пластина с сотнями или тысячами MEMS-смертей формуется за один шаг, затем выдается. Это снижает затраты на обработку и обеспечивает однородную инкапсуляцию. Проблемы включают контроль изменения толщины и предотвращение деформации пластин.

Передовые разработки материалов

Новые формовочные соединения спроектированы с более низким CTE, более высокой теплопроводностью и улучшенной адгезией. Жидкокристаллические полимеры и термопласты с перерабатываемыми плавом характеристиками обеспечивают возможность вторичной переработки и более быстрое время цикла. Кроме того, разрабатываются проводящие формовочные соединения для электромагнитного экранирования.

Моделирование процессов и цифровой двойник

Вычислительная динамика текучей среды и программное обеспечение для анализа потока плесени (например, Moldex3D, Autodesk Moldflow) позволяют инженерам моделировать поток материала, теплообмен и лечить кинетику перед созданием плесени. Это уменьшает пробную и ошибочную работу и сокращает время разработки. Использование цифровых двойников в производстве позволяет в режиме реального времени коррекцию процесса.

Заключение

Трансфертное формование остается краеугольной технологией инкапсуляции устройств MEMS, обеспечивая точность, надежность и масштабируемость, требуемые современными приложениями. От автомобильных датчиков до медицинских имплантатов, способность заключать тонкие микроструктуры в прочный, защитный полимер имеет важное значение. В то время как такие проблемы, как контроль пустоты, проволочная проволока и тепловой стресс, сохраняются, постоянные достижения в материалах, дизайн формы и моделирование процессов продолжают раздвигать границы того, что возможно. Поскольку устройства MEMS становятся более сложными и их среда использования более требовательными, передаточное формование будет развиваться для удовлетворения этих потребностей, гарантируя, что завтрашние микросистемы являются надежными и экономически эффективными. Инженеры и производители, которые овладевают взаимодействием материаловедения, технологической инженерии и дизайна формы, будут хорошо расположены для доставки инкапсулированных MEMS самого высокого качества.