Un nou encapsulat multixip per a acceleròmetres piezoresistius

Abstract

Aquest treball descriu el desenvolupament d'un sistema Smart Sensor per a acceleròmetres piezoresistius emprant la tecnologia de mòduls multixip de tipus D (MCM-D). <br/>En el camp dels Smarts Sensors existeixen dues aproximacions bàsiques: l'aproximació monolítica que integra el sensor i els circuits en el mateix xip, i la versió multixip, que integra de forma híbrida tant el sensor com els circuits, fabricats per separat. Les dues tecnologies emprades en aquest treball han estat, la dels acceleròmetres piezoresistius en oblies BESOI i la dels mòduls multixip, silici sobre silici, mitjançant la tècnica de muntatge flip-chip. Aquesta tècnica proporciona a l'encapsulat de sensors nivell d'integració més elevat, a la vegada que redueix els problemes termo-mecànics pel fet d'emprar un substrat de silici.<br/>En aquest estudi s'ha treballat en el desenvolupament d'aquest Smart Sensor per tal, principalment, d'aconseguir un encapsulat robust i lliure d'estrès. En aquest sentit, s'ha dut a terme el disseny d'una cavitat hermètica per a la protecció de les parts mòbils de l'acceleròmetre. L'hermeticitat s'obté mitjançant la pasta de soldadura que s'aplica en el mateix moment en que es fan les connexions elèctriques o solder bumps. Aquest fet ha requerit d'una modificació en la tecnologia de pads del sensor. Per altra banda, s'han dut a terme una sèrie de simulacions per elements finits per tal d'avaluar en les etapes de disseny l'estrès que podia aportar l'encapsulat a aquests dispositius sensibles a esforços mecànics. Els resultats de les simulacions demostren que si bé es dóna un cert grau d'estrès, aquest no arriba a perjudicar el comportament del sensor.<br/>Les caracteritzacions tant elèctriques com mecàniques realitzades a l'encapsulat multixip, demostren que aquest encapsulat no modifica els paràmetres elèctrics més importants, com ara la sensibilitat o la tensió d'offset. La caracterització dinàmica demostra, però, que l'encapsulat multixip afegeix un més elevat grau d'esmorteïment modificant així la resposta del sensor. Aquesta variació es tradueix en una disminució de la freqüència de ressonància i del guany del sensor a aquesta freqüència. Aquest fet, en aplicacions DC, és una característica apreciada doncs evita una eventual ruptura del sensor.

This work describes the development of a Smart Sensor system for piezoresistive accelerometers using Multi Chip Module type D (MCM-D) technology. <br/>There are two main approaches in the Smart Sensors field: The monolithic integration of the process circuitry with the sensor itself in the same chip, and the multichip approach, where both parts are independently fabricated and connected using hybrid integration. Two technologies have been used in the present work: CNM's piezoresistive accelerometers technology based on BESOI wafers and silicon-on-silicon multichip module technology, based on the flip-chip interconnection. This technique provides higher levels of integration for the packaging of sensors. In addition, the inclusion of a silicon substrate reduces thermo-mechanical problems.<br/>The development of the Smart Sensor has been mainly oriented to obtain a robust and unstressed package. In this sense, mobile parts of the accelerometer have been protected with an specifically designed hermetic cavity. This cavity is built using solder paste, and is defined simultaneously with the electrical connections or solder bumps. This point required modifications of the sensor's pad technology. Furthermore, finite element simulations have been performed in order to evaluate the package induced stresses on the sensor, which is extremely sensitive to mechanical efforts. The simulation results showed that even if small stress appear, they don't adversely affect the behaviour of the sensor. <br/>Electrical and mechanical characterisation of the multichip Smart Sensor, showed that the packaging process doesn't modify the main electrical parameters, such as sensitivity and off-set voltage. Vibration tests showed that multichip package increases mechanical damping, modifying the dynamic response of the sensor. In this sense, the resonance frequency and the gain of the sensor at this frequency decrease. This behaviour is useful for DC applications, preventing the failure of the sensor.