シリコンキャップ付きMEMSのレーザによる非接触振動測定

マイクロシステムアナライザ MSA-650 IRIS

シリコンキャップで封止されたMEMSの非接触振動測定

MEMS デバイスの動的特性を測定し、機械的な応答を可視化することは、製品開発やトラブルシューティング、FE モデルの検証において重要です。ポリテックの MSA マイクロシステムアナライザは、面外振動（OOP）や面内振動（IP）を高速かつ正確に非接触で測定します。これまでは、光学的にアクセス可能な梱包されていないデバイスに限られていました。しかし、ポリテックの MSA-650 IRIS マイクロシステムアナライザでは、慣性センサ、MEMS マイクロフォン、圧力センサなど、カプセル化されたマイクロデバイスのシリコンキャップを透過して測定することができます。

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特長

Siキャップデバイスの異なる層を通してMEMSダイナミクスを測定するIR機能
25MHzまでの面外応答をリアルタイムに測定（後処理なし）
サブピコメートルの面外変位分解能
パッケージ状態にあるMEMSのFEモデル検証をシンプル化
デバイスの各層に対する光学的に優れた分離性
2.5MHzまでの面内運動を測定するストロボビデオ顕微鏡
生産現場に適した自動化システム（プローブステーション対応）

デバイス各層を光学的に分離

MSA-650 IRIS マイクロシステムアナライザは、コントローラ、ファンクションジェネレータ、ソフトウェア、赤外線レーザを採用したセンサヘッドで構成されています。専用のIRカメラと低コヒーレンスSLD光源を搭載し、動作条件下でシリコンキャップを介してサンプル層全体を捉えることができる優れたスキャニング振動測定システムです。この特許取得済みの干渉計技術は、デバイス層の優れた分離性により、優れたデータ品質を実現します。

シリコン封止型MEMSのモーダルテスト

波長1050 nm以上の近赤外領域の光は、シリコンを透過するため、赤外線レーザを用いた振動測定は、カプセル化されたMEMSの検査を実現することができます。ポリテックの最新の干渉計技術は、特許を取得しており、MEMSデバイスの各層の分離に優れているため、最高のデータ品質を実現します。専用の SWIR カメラと低コヒーレンス SLD 光源を搭載した MSA-650 IRIS マイクロシステムアナライザは、この特許技術を採用した世界初の測定システムであり、面内振動（30 nm 分解能）、面外振動（最大25 MHz、ピコメータ以下の分解能）をリアルタイムに測定でき、シリコン封止型デバイスのダイナミクスを可視化できます。

2軸加速度計（FHG ENAS）のSWIRカメラ画像とスキャニングレーザドップラ振動計で取得した動作時の変形アニメーション

PMA(Planar motion analysis)による2軸加速度計 (FHG ENAS) の面内測定と50倍対物レンズによるカメラ画像

MSA-650 IRISシステムは、IRセンサーヘッド、ファンクションジェネレーターとDMSを含むフロントエンド、解析ソフトウェア、オプションのスタンドとXY位置決めステージで構成されています

Polytec MSA-650 IRIS integrated into a MPI probe stationポリテックMSA-650 IRISとMPI製プローブステーション

振動解析の最先端技術を駆使して

レーザドップラ振動計（LDV）を用いて封止されたMEMSを解析するためには、シリコンの光学特性を調べる必要があります。シリコンは、可視光に対しては不透明ですが、1050nm付近からの近赤外領域では良好な透過率を示すことが知られています。しかし、1550nmでの屈折率が約3.4と高いため、境界面でのフレネル反射が大きくなり、透過率に限界があります。

特許を取得したポリテックのアプローチは、短コヒーレント光を使用して精度を向上させることでした。レーザ光とは対照的に、スーパールミネッセンスダイオードからの低コヒーレント光は、干渉計内の光路が光源のコヒーレンス長内でバランスしている場合にのみ干渉します。これにより、焦点の外側からの光を排除することができます。この原理は、白色干渉計や光干渉断層計などに利用されていますが、今回、初めてレーザドップラ振動計（LDV）に採用されました。封止されたMEMS上で、25 MHzの帯域幅と100 fm/√Hzの振幅分解能を持つスキャニングレーザドップラ振動計による測定が可能になります。

異なる表面からの相対的なの強度寄与（左）と、異なる光学構成における反射源からの距離に応じた光強度（右）

MSA-650 IRISのメリットとは

市場不具合を未然に防止するための
気密シール欠陥検査

開発および製造サイクルの早期段階で気密シールの不具合を捉えることは、手戻り防止、コストの削減、そしてブランドの信頼性を保つことにつながります。MSA-650 IRISを使用すれば、設計検証からウェハレベルのスクリーニングに至るまで、シリコンキャップを被せたままの状態で包括的な機械的品質評価を行うことができ、デバイスが出荷される前にMEMSの信頼性を確保できます。

不良品が出る前に検証を。MEMS設計の最適化。

MSA-650 IRISを使用すれば、パッケージングされたMEMSデバイスにおいて、破壊試験となるキャップの開封(デキャッピング)を行うことなく、有限要素モデルと実際のデバイス挙動を検証できます。シリコンキャップをした状態で、固有モード形状、共振周波数、応力による周波数シフトをピコメートル分解能で測定します。設計ミスを数週間で発見し、試作回数を最小限に抑え、初回での成功を実現します。シミュレーションを、推測から確実な予測へと進化させることで、開発コストを削減し、市場投入までの時間を短縮します。

真のQ値を把握する — 気密性能に確信を。

MSA-650 IRISは、シリコンキャップ越しに機械的Q値を直接測定できるため、電気的テストでは捉えきれない、実際の減衰特性や真空封止の状態を明らかにします。パッケージのリーク（漏れ）を数時間以内に検知。機械的ななQ値と電気的なアーティファクト（疑似信号）を明確に判別し、気密性の定量的な判定基準を確立します。市場投入後の故障を減らし、莫大なコストを伴う信頼性トラブルを排除。客観的な品質指標を提供することで、ブランドの信頼性と規制への準拠を強固なものにします。

パッケージング応力による「不測の事態」を排除 — 周波数安定性を確立

MSA-650 IRISは、パッケージング工程で生じる周波数シフトと応力分布をリアルタイムに可視化。ダイアタッチ材の選定、硬化条件、組立プロセスの最適化を、定量的なフィードバックに基づいて行えます。熱応力に起因する共振周波数の変動を直接測定。最適な接着剤の厚みを特定し、応力隔離構造の妥当性を「封止されたままの状態」で検証します。周波数のばらつきを抑え、初期試作から仕様適合を実現。補正が必要なドリフトを最小限に留めることで、キャリブレーション（校正）コストを劇的に削減します。

ウェハレベルでのスマートな試験 — 「良品」のみを次工程へ

MSA-650 IRISをプローブステーションに統合すれば、パッケージング工程への投資前に、自動化されたメカニカル品質管理を実現できます。量産サイクルタイム内で、共振周波数、モード形状の健全性、Q値の適合性を全数検査。シリコンキャップの剥離、真空封止の不備、電気的テストでは検知不能な構造欠陥を確実に特定します。機械的な検証をパスしたデバイスのみを出荷。市場での故障を最小限に抑え、貴社のブランド価値を確固たるものにします。

不具合解析を迅速に — 破壊せずに「根本原因」を特定

パッケージ化されたMEMSをシリコンキャップ越しに非破壊で解析。証拠を損なうことなく、不具合の機械的な根本原因を明らかにします。振動子の固着、異常減衰、キャップの剥離、そして設計ミスかプロセス異常かの切り分けを、デキャップによる二次的な損傷なしに実行できます。解析時間を大幅に短縮し、憶測ではなく「実機データ」に基づいた再発防止策を策定。定量的な機械的なデータにより、顧客要求や規制に対し、継続的な品質改善を強力に証明できます。