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Sensores MicroeletrônicosIE012

Interligação e Encapsulamento(I&E)

Professor Fabiano Fruett

UNICAMP – FEEC - DSIFSala 207

www.dsif.fee.unicamp.br/~fabiano

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O encapsulamento deve propiciar:

• Canal de contato ou exposição ao meio (transmissão dos sinais)

• Suporte mecânico• Interface elétrica• Proteção do die contra agressões ambientais

– Umidade– Vibração– Luz

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Características desejáveis

• Baixo custo• Tamanho reduzido• Compatibilidade eletromecânica• Boa condutividade térmica• Minimização do stress mecânico• Minimização do Crosstalk

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Packaging engineering• O encapsulamento representa um grande desafio

no desenvolvimento de sensores microeletrônicos.• Técnicas de encapsulamento de sensores

microeletrônicos são desenvolvidas a partir de técnicas padrões para semicondutores.

• O desenvolvimento do encapsulamento deve ser feito em conjunto com o sensor.

• O desafio é desenvolver um encapsulamento que satisfaça as necessidades do sistema sensor e ao mesmo tempo minimize custos.

• Elemento chave na confiabilidade do sistema

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O encapsulamento microeletrônico padrão é constituído de:

• Base (cerâmica ou metálica)• Adesivo (Attach)• Chip de silício• Interconexões (Bond-wires)• Cobertura (epoxy moldado, tampa metálica)

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Tipos de encapsulamento microeletrônico

• Cerâmico– Prototipagem e desenvolvimento– Pontos de teste disponíveis– Técnica de montagem híbrida– Permite trimagem pós-packaging

• Metálico– Confiabilidade e robustez– Possibilita selagem hermética– Alto custo

• Plástico moldado– SIP, DIP SMD ...– Baixo custo– Problemas com umidade e stress mecânico– Não possibilita selagem hermética

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Encapsulamentos industriais

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Encapsulamento cerâmico para prototipagem

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Selagem hermética para encapsulamento cerâmico

Fonte: 2000 Packaging databook, Intel

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Principais etapas do processo de encapsulamento

• Die Attaching• Wire Bonding• Molde plástico• Teste

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Die-attach

Propriedades desejáveis:+ Estabilidade mecânica+ Baixo stress residual+ Boa condutividade elétrica+ Boa condutividade térmica

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Stress mecânico induzido pelo die attach

Silicon dieAttachmentSubstrate

+ εmax

- εmax

Normal strain distribution

Electronic devices

(b)

(c) (d)

(a)

σxxσyy

σzz

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Adesivos mais utilizados

• Ligas metálicas– Eutética– Soldas macias

• Adesivos orgânicos– Polímeros

• Epoxy• Poliamida

– Silicones• Elastómeros• RTV

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Adesivo eutético

Silício ligando com ouro à 425°C• Excelente condutor térmico e elétrico• Material com baixa compliance• Stress mecânico considerável

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Adesivo a base de solda 95Pb-5Sn

• Temperatura de fusão 300°C• Característica térmica-elétrica próxima ao

eutético• Baixo stress de rendimento => reduz a

quantidade de stress no die.• Susceptível a fatiga e quebra

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Adesivos orgânicosSFG e SFE

• Baixo custo• São misturados a pó de prata para melhorar

a condutividade elétrica e térmica• Temperatura de cura próxima de 150°C• Baixo stress mecânico induzido• Atrativo para sensores químicos e

biológicos, que podem ter partes sensíveis ao calor

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Adesivos a base de silicones e elastómeros

RTV- Room Temperature Vulcanization• Excelente estabilidade tempo/temperatura• Baixa condutividade térmica/elétrica• Baixa resistência à substâncias corrosivas• Baixa resistência quando exposto

prolongadamente a altas temperaturas

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Wire bonding

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Wire bonding

Proporciona a conexão elétrica entre os pads do sensor e os terminais externos do encapsulamento.

São os maiores responsáveis por falhas em sistemas microeletrônicos

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Partes do Wire-Bonder

CAPILLARY

Au or Al WIRE

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Tipos de wire bonder

• Termocompressão (calor)

• Ultrasônico ou termosônico

A diferença entre os dois está no tipo de energia utilizada

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Etapas do processo de wire bonding

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Molde Plástico

• Polímero a base deepoxy

• Materiais a base deelastómero são introduzidos

• O molde plástico deve evitar a absorção de umidade ao longo do tempo

Fonte: 2000 Packaging databook, Intel

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MicrosistemasTendência forte de concentração de sistemas em um só Chip (SoC), cada vez mais compacto.

Uma tecnologia intermediária ao SoC é a tecnologia SiP (System in a Package).

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Exemplo SiP

Acelerômetro Motorola antes do molde plástico

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Fluxograma de um processo de encapsulamento microeletrônico

Fonte: SSCS IEEE

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Microsistemas requerem encapsulamento especial

• Canal de comunicação com o ambiente• Isolação térmica e/ou mecânica• Controle contra contaminantes • Redução do Crosstalk, histerese e deriva• Fatiga mecânica (MEMS)

Entender os fundamentos e característica dos processos e materiais pode reduzir falhas

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Considerações elétricas

• Redução de interferências, crosstalk e sinais parasitas

• Acoplamentos resistivos, capacitivos e indutivos

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Considerações térmicas

• Manter a temperatura do sistema dentro dos parâmetros evitando falhas e degradação.

• Necessidade de boa condução térmica, principalmente para sensores térmicos

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Considerações mecânicas

• Minimização do stress induzido pelo descasamento das propriedades dos materiais

• Minimização do stress induzido por carga externa

• Prevenção de falhas mecânicas durante serviço

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Stress termo-mecânico

• Sempre preocupante, tornando-se dominante na análise de falhas e desvios

Proporcional a:

• Complexidade dos sistemas• Tamanho das pastilhas• Variação de temperatura (fabricação e utilização)

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TCEs de alguns materiais

Fonte: Ristic L., Sensor tech. and devices

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Outras propriedades importantes

S i l í c io m o n o c r i s t a l in o K n o o p

H a r d n e s s [ 1 0 9 K g /m 2 ]

Y o u n g ’ s m o d u lu s [ 1 0 1 1 P a ]

Y ie ld S t r e n g th [ 1 0 9 P a ]

T h e r m a l E x p a n s . [ 1 0 - 6 / o C ]

0 .8 5 -1 .1 0 1 .2 -1 .9 2 .8 -7 .0 2 .6

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Stress Termo-induzido

Silicon dieAttachmentSubstrate

+ εmax

- εmax

Normal strain distribution

Electronic devices

(b)

(c) (d)

(a)

σxxσyy

σzz

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Predizer o tipo e magnitude do stress que será gerado no encapsulamento fabricado a partir de vários componentes é um problema complexo que requer um esforço de análise.

Métodos de análise:• Analítico• Numérico• Empírico

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Simulação do stress com FEM

[MPa]

Substrato metálico

Silicio

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Considerações particulares em sensores:

• Magnéticos• Térmicos• Radiantes• Mecânicos• Químicos

Devem ser utilizados materiais não magnéticos para não distorcer o campo magnético que está sendo medido. Geralmente são utilizados encapsulamentos plásticos com condutores não magnéticos.

Livro Popovic p. 203 – texto interessante sobre packaging

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Encapsulamento moldado em plástico

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39IE012

Considerações particulares em sensores:

• Magnéticos• Térmicos• Radiantes• Mecânicos• Químicos

Devem ser utilizados materiais com boa condutividade térmica. Encapsulamentos plásticos são utilizados para reduzir custo e nem sempre oferecem o melhor desempenho.

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Sensor de temperatura

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Considerações particulares em sensores:

• Magnéticos• Térmicos• Radiantes• Mecânicos• Químicos

Janelas transparentes aos comprimentos de onda detectados são necessárias. Em certas aplicações uma lente é necessária. As propriedades óticas dos materiais devem ser mantidas durante toda a vida útil do sensor.

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CCDs

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Considerações particulares em sensores:

• Magnéticos• Térmicos• Radiantes• Mecânicos• Químicos

Devem transferir o sinal mecânico ao elemento sensor sem perturbações.

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Considerações particulares em sensores:

• Magnéticos• Térmicos• Radiantes• Mecânicos• Químicos

Sensores químicos necessitam de uma seleção criteriosa de materiais. O elemento químico a ser medido deve estar em contato direto com a superfície ativa do sensor.

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Sensores de pressão relativa

Fonte: High Density Packaging Group - ETH

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Sensores de umidade

Smartec

Capacitivo Resistivo

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Chip coatings• Utilizados para isolar o die ou sua superfície

de stress gerado pelo invólucro.

• Poliamida ou elastómeros a base de silicone são os mais utilizados

Fonte: Ristic L., Sensor tech. and devices

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Wafer-Level packaging

Fonte: Ristic L., Sensor tech. and devices

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Flip-Chip

• Elimina wire-bonding (reduz efeitos parasitas)

• Tamanho reduzido• Adequado para montagens híbridas (SiP)

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Sensor de fluxo

Fonte: K.A.A. Makinwa and J.H. HuisingT.U. Delft

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O encapsulamento deve-se moldar a aplicação

Fonte: MIT Medialab and Media Lab Europe

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Encapsulamento de sensores

Fonte: High Density Packaging Group - ETH

Oportunidades:

• Encapsulamento específico• Alto valor agregado• Maquinário de baixo custo

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http://www.imaps.org/

• P.V.Dressendorfer, Packaging trends: Using Integrated Circuits in Critical Applications Workshop, Sandia National Labs

• Microelectronics Packaging Handbook, Editor R.R. Tummala

Referências

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Referências

• P.V.Dressendorfer, Packaging trends: Using Integrated Circuits in Critical Applications Workshop, Sandia National Labs

• Microelectronics Packaging Handbook, Editor R.R. Tummala