TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 10, Octobe r 20 14, pp. 7202  ~ 720 8   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i8.638 9          7202     Re cei v ed  Jun e  13, 2014; Revi sed  Jul y  1 5 , 2014; Acce pted Augu st 2, 2014   Theory of the Solution of Inventive Problems for  Flexure Design in Micro-Electro-Mechanical Systems      Huiling Yu,  Shanshan Cui*  Dep a rtment of informati on an d computer e n g in eer i ng, Nort heast forestr y   univ e rsit y ,  C h i na,   Harbi n  cit y   of Heil on gji a n g  Provinc e , 26 He xing R oad,    Xi an fan g  Distri c t, Northeast F o restr y  U n iv ers i t y , 15 004 0,   *Corres p o ndi n g  author, em ail :  cuishans ha n5 101 22@ 16 3.co m)      A b st r a ct  In this pa per  d e tail  of the o p ti mi z a t i o n  of a fl exure  desi gn w h ich  is use d  i n   ma ny MEMS d e vices w ill  be   prese n ted.  Du e to  a  differe n c e i n  th ermal   expa nsio n c o e fficients b e tw een th e fl ip-ch i p b o n ded  ME MS  devic e an d the substrate, cool i ng after bo ndi n g  can c aus e th e MEMS to buckle; It is necessary to decre as e   the i n flue nce   of distorti on  b y  usin g th e co rrect materi a l  selecti on,  w e ld ing metho d ,  w e ld des ign,  fixt ur e   desi gn, te mper ature co ntrol a nd T R IZ . W e  can se ek  out pr incip l es th at ca n solve th e pr obl e m . It can  b e   concl ude d th at an  opti m al fl e x ure  desi gn w i ll i n clu d e   the  l ong est fol d  l e ngth  an d s m a l lest fol d  sp aci n g   possi ble. By solvin g the d e fo rmati on pr obl e m  of MEMS  de vices can pr o m ote th e dev el op me nt of flip chi p   techno lo gy, an d mak e  for the further app licat ion of  the T R IZ  theory in the s t udy of forestry equi p m ent.     Ke y w ords :  TRIZ conflict m a trix, coefficient of thermal  exp a n s ion, pi le w e ldi ng, para m eter chan ges     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  With the  a d vancement s  of MEMS fou n d ry  serv i c e s   and  TRIZ  too l s, the  flexure de sig n   [1] in MEMS  device s   can   be cost -effect ively desig ne d. In this  pap er  we d e tail t he optimi z ati on of  a flexure d e si gn that is  use d  in many M E MS  device s . Due to a  differen c e in th ermal  expan sion  coeffici ents [2] between  the flip-chi p b onde d ME M S  device  a n d  the  su bst r ate, co oling   after  bondi ng  can   cau s e  the M E MS to bu ckl e. It is the r ef ore  ne ce ssary to de cre a se the i n fluen ce of   distortio n  by usin g the co rrect mate rial  sele cti on, wel d ing metho d , weld de sign,  fixture desig n,  temperature  control and T R IZ as Fig u re  1 sho w s.       Figure 1. Wel d ing Desi gn  Con n e c tion       Since mi cro-electroni c co mpone nts a n d  micr o-syste m s have  a re volutionary i m pact o n   peopl es’ life, MEMS [4] trie d to make m e ch ani cal  co mpone nts o r  system s, sen s or, a c tuato r  an d   instru ment e quipme n t min i aturization. T hat ca n fore see MEMS ca n make a g r e a t differen c e  to   pers o ns  in the future. With the increas i ng  integ r a t ion of ele c tronic  co mpon ents, pa ckag e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Theo ry of the  Solution of Inventi v e Pro b l e m s  for Flexu r e De sig n  in … (Huili ng Y u )  7203 dimen s ion s   d e velop to wa rds  su b mi cro n  grade  even  deep  sub m i cro n . MEMS , photoele c tron  and mi cro - se nso r s  have v a riou s fo rms,  compl e x st ru cture  and  non -stan d a r d, wh ich p u ts forward  a big ch allen ge for pa cka ge tech nolo g y . To preven t the device  (due to the r mal mism atch)   prod uci ng to o  mu ch  stre ss  is the  key p r o b lem in  pa ckage te ch nolo g y, whi c h l e a d s to  de crea sing   reliability in t he processes of dy namic  resource encapsul ating. In   order to  solv e this probl em ,  TRIZ is u s e d  in packa ge tech nolo g y. This pa pe r  uses the LE D  of the infrare d  cam e ra  as the   obje c t of stu d y and  com b ine s  TRIZ  confli ct matri x  (Table  1).  Find the o p t imization of  the   para m eters a nd the det eri o ration  of  the  para m eters,  and the n  se e k  out a P r inci ple to solve the  probl em.       Table 1. TRIZ  Conflict Matri x     The possible deterioration of en gi neering pa ramet e rs  The invention  creation principle  1     2    …    …   39      The possible  improvement  of engineering  paramete r s  1Weight of  moving object    ---     …    …    …  35,3  24,37     Separation     1  2 Weight of  stationar y   object    …    ---     …    …    1,28  15,35   …   2    …      …    …    …    ---       …    …    …  39  Production  efficiency  35,26   24,37   28,27   15,3    …      …    ---   Pure gas  environment     39     Compound  material     40      2. Technolo g y  Inno v a tion Theor y  Based on TRIZ  Theor y   TRIZ [5] is a  method fo r creating a  scie nce.  It is o r ie nted to gui de  peopl e to in novation.  To operate a nd Implement  accordi ng to the different  p r oble m s, different stag es, so the invention  can b e  qu anti f ied and  cont rolled. T R IZ analysi s  tool s includ e ARIZ  algorithm, S u -field a nalysis,  confli ct analysis an d functi onal analy s is.  Those  tool s are u s ed for  analyzi ng, problem mod e l and   conve r si on. I n  the p r o c e s s of techni cal co nflic t, check  the  c o nflic t matrix. Different c o ntrol  para m eters  (A value of 1  or 2 )  will p r o duce diffe re nt techni cal  co nflict (conflict  1 and  confli ct 2).  Cho o se p r op er p a ra meters in  ord e r to seek out  a  correct  prin cipl e. Then  apply t he ap plicatio n of   confli ct matri x  and inventi on pri n ci ple to form  the i nnovation p r i n cipl e sol u tio n  (As  sho w n  in   Figure 2).         Figure 2. Con f lict Analysis  Process  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  720 2  – 7208   7204 3. Flexible Design Innov a t ion Meth od s in Flip Welding Techno log y   3.1. Flip Chip Bonding T echnology   Flip chip  bon ding [6 -8] i s   that the  chip  ele c trod e  wi ll be  pla c ed  face  do wn.  T he  chip   electrode mu st be in alignment with the sub s trate  pads. Throu gh heating a nd pre s suri zi ng   method,   after the got-up rack on the chip ele c trod e   or su bstrate  pad in adva n ce  colla pse s  or  melts, the chip ele c tro d e  is co uple d  with  the sub s trate  co rre spondi ng wel d ing a r ea. T he  advantag es  of flip chi p   bondi ng,  ①   Remove  the  co nne ction  requ est to  th e wi re  bon ding.   Shorten the i n terconn ectio n  distan ce.  ②  Improve t he input / ou tput (I/O) de nsity.  ③  Occupy  small  sp ace  on th e  circuit boa rd.  ④  Com p ly wit h  the  cu rren t trend  of hi gh d e n s ity and  miniaturi z atio n of micro e le ctroni c pa cka g ing. In  the Flip TAB weldi ng, the chip  on the su bstrate  install s  up sid e  down. As shown  in Figu re 2, com pare flip TAB with the ordina ry TAB, placing  chip  clo s e to the metal cov e r is the big g e st  advanta g e , which can  control heat  effectively. F o r   the ordina ry  TAB (Figu r e  3), flip TAB (Figure  2 )  ha s the  assem b ly of high er den sity and  the   better ra diatio n effect.    Figure 3. Flip TAB (down)    Figure 4. TAB up      3.2. The Rea s on of th e Bonding Failure in Infrared  Camera   Although  a lo t of MEMS d e vice s u s e d  f lip chip  TAB, they also exi s t the  bon din g  failure   .The rea s on s as follo ws:  T here  will  be  a  co mpress ive  or ten s ile  stress of th e int e rface b e twe en  different mate rials. Th e device s  are often  subj e c ted to thermal  cyclin g durin g ope ration becau se  of a  differen c e in th erm a l  expan sion  co efficients bet wee n  the  flip -chi p  bond ed  MEMS d e vice  and the  su bst r ate. Thi s  rea s on  ca n p r od uce th e pe rio d ic she a r stre ss on weldi n g   su rface  du rin g   operation. So lder  cra c k ev en the wafer cra c k  wo uld  be forme d  caused by the  perio dic  she a r  stre ss. Eventually lead to  device fail ure due to t h e r mal fatigu e. In the chi p  a nd the b ondi ng   layer, the  maximal  thermal  shea r defo r mation [9] ca n be estimate d by a formul a.    d T D S 2 /                                                       (1)                            Here, S i s  th e the r mal  sh ear defo r mati on; D is  chip  diag onal  si ze; d i s   weldi ng laye r  t h ick n e ss;   ∆ T = Tmax -Tmin,  Tmax is the  solidifi c ation  of  the solde r   wire  tempe r at ure, Tmi n  i s  t he  lowe st tempe r ature screeni ng device;  ∆α  is the the r ma l expansi on  coefficient s be tween th e chi p   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Theo ry of the  Solution of Inventi v e Pro b l e m s  for Flexu r e De sig n  in … (Huili ng Y u )  7205 and th e sub s trate m a terial.  Wh en  ∆α  is  bigger, S becomes more.  T he increase of S will l ead to  buckle of the  device mo re  easily.   3.3. The Solution of the  Bonding F a ilure in Infrare d  Camera   In this pa per,  we rega rd th e wel d ing p r oce s s a s  the  resea r ch obj ect. Accordin g to the  basi c   solvin g  step s of the   pro c e s s inn o v ation, discu s s the  flexure  de sign  inn o vation m e thod  of  Weldi ng te ch nology. Solve the ba si c  probl em s in  weldi ng p r o c ess ba se d o n  TRIZ  co nflict  res o lv ing the o rie s .  The ba si c  element s of  weldi ng te chn o logy in n o vation met hod s in clud e  confli c t   para m eters a nd  p r in ciple s  about we ldi n g process. T he weldin g p r ocess  of co nflict pa ramet e rs  refer to  the p a ram e ter  hav ing the o ppo site be hav ior in  wel d ing proce s s.  The p r inci ple s  can be  received  by t hese  confli ct  para m eters i n  T R IZ  c onfli ct mat r ix. Accordin g to  the  factors  (affe cting   the weldi ng  pro c e s s) an d  the flexure  desi gn [10], cha ngin g  pa rameters (fol d  spa c ing, fol d   length) can re duce  the  wa rpage.   Fold  sp acin g and fol d  length can  be sh own in Figure 5.      Figure 5. Parameters for t he Flexure Desig n       Thro ugh te ch nical an alysi s  and abst r a c t, 10 weldin g p a ram e ters an d the prin cipl es of  the weldin g p r ocess are  su mmari zed. I n  the p r a c tical  appli c ation,  u s e  2 p a ra met e rs of th e 1 0   weldi ng pa ra meters to sh ow the two  si des in the  co nflict with the  internal p e rf orma nce.   Us e  the  conflict m a trix  to sho w  confli ct  rel a tions  bet wee n   para m eters i n  the  wel d ing  pro c e s s. Th e   spe c ific  conte n ts are li sted  in Table 2.       Table 2. The  Confli ct Para meters of the Weldi ng Pro c ess  Serial number      Parameters   1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  Weight of non-m o ving object   Area of non -moving object  Volume of non-m o ving object  Tension, pressur e    Stability  of object   Reliability   Manufacturabilit y   Convenience of  use  Reparabilit y   Adaptability       The conflict  para m eters a r e u s ed in th e fiel d of wel d ing technol o g y innovation ,  a part  from u s ing T R IZ to explai n and  state i n  the wel d ing  pro c e ss, a n o t her pa rt from  the sum m ary of  the weldi n g  techniq ue (flexure de sig n ). In  the actual weldin g pro c e ss,  becau se of the  cha r a c teri stic para m eters  of itse lf, there  is the  confli ct betwe en  with the same  p a ram e ters. Such   as " s pe ed" p a ram e ter,  wh ich  contai ns t he weldin g speed,  wire fe ed rate, wi re  melting  spe ed,  cooli ng spee d. When th e wire fe ed spe ed is imp r ove d , the weldin g spe ed  can  be take n a tu rn   for the worse.  Therefore, in novat ive person con s ide r s  confli ct relatio n shi p s b e twe en pa ramete rs  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  720 2  – 7208   7206 comp re hen si vely, in orde r to gain b e st  innovati on so lutions of  eve r y  paramete r  comp re hen si ve   perfo rman ce.   In orde r to solve the confl i ct, the confli ct  relation shi p s of 10 conf lict para m ete r s in the   weldi ng p r o c ess are sho w n in Tabl e 3.  A row  re p r e s ents the  opti m ization  of the paramete r s and   a column  rep r esents the  d e terio r ation  o f  the p a ram e ters.  The  p r in ciple s   are  li sted in  this tabl e,  the figure s  in front is the re comm end ed  choi ce p r in cip l e.      Table 3. Welding Pro c e s s Confli ct Matri x  Table    The possible deterioration of en gineering pa ramet e rs  1 2  3  4 5 6  7 8  9  10      The   possible  improvement  of  engineering  paramete r s  1                  2                  3                  4      35,24         35,16         5                  6                   7                  8                  9                 10                      Her e ， the r e a r e two p a irs o f  conflict pa ra meters.  Seek out the prin ci ple in orde r to solve   the probl em o ne by one.   (1) In creasi n g  the fold length can b e  use d  in flexure d e sig n .  The st ron g  vibration  of the  micro scale  atom  refle c ts the existen c e of the temp eratu r e.  The  tem perature gradient between  different m a terial s  will produce  the heat.  Heat [11-12], as  everyone  kn o w s, move s in  three  ways:  con d u c tion,  convectio n  an d radi ation. Condu ction i s  the   main mod e  of solid he at transfer.  Intro d u c e the first way: condu ctio n.    ) / ( dX dT k q                                                      (2)    Here, q is th e heat flow  den sity along  a gi ven dire ction; k is th e heat co nd uctivity;  (dT/dx) is th e temp eratu r e g r adie n t. Increa sing  th e temp eratu r e g r adie n t  can p r o duce  more  heat. Flexure  desi gn  can  be u s ed t o  red u ce the  wa rpag e by  increa sing  fold len g th. T h e   optimizatio n of the para m eter is the  stre ss a nd  pre s sure (4 ) and the de terioration of  the   para m eter i s   the volume o f  non-movin g  object (3) ， so we  can u s e paramete r  cha nge s (35) in   the confli ct matrix (Table 3 ) .   The explan ation is given a s  follows; we  can use the formula (3 ) to explain it.    A Ws /                                                                 (3)    In the formul a (3 ),  σ  i s  th e  sh ear st re ss;  Ws i s  the  sh ear fo rce; A i s  the  cro s s section a l  area.  T he cro ss se ction a l area  i s   p r op o r tional  to the  fold length, o n  the contra ry,  σ  is inversely  prop ortio nal t o  that of the   cro s s  se ction a l area.   Whe n  we in crea se the fold  len g th, A (the  cross   se ctional a r e a ) will in crea se, in a result,  σ  will minish. Therefo r e,  increa sing th e fold length  can   be used in fle x ure de sign t o  redu ce the  warpag e.  In theory, we  can confirm  that incre a si n g   the fold length can redu ce the warp a ge. We  can  prove  it throu gh exp e riments.  Chan ge the le ngt h  of the fold le ngth at different tempe r at ure s   (0.7  ℃ , 26.7 ℃ ), and  we  can g e t the a m ount of def ormatio n  valu e (Ta b le 4, T able 5 ) . We  can  con c lu de that  the amount  of deformatio n  value is n o t always  pro p o rtional to the  fold length. T hat  is to  say, wh en the l ength  of the fold l ength ex cee d s a  value, i n crea sing  th e fold le ngth  can   cau s e the d e c re ase of def ormatio n . Ho wever, in cr ea sing the fold l ength can ca use the in cre a se   of the cro s s section a l are a . We ca n co nfirm that con c l u sio n  again.       Table 4. The r mal Defo rmat ion Value s  M easure d  at 0.7 Ԩ   Length （） mm   0  8  16  24 32  40  48 56  Deformation （） um   0  2.9538  4.3132   4.8852  5.8664  8.174   5.8664  4.8852   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Theo ry of the  Solution of Inventi v e Pro b l e m s  for Flexu r e De sig n  in … (Huili ng Y u )  7207 Length （） mm   64  72  80          Deformation （） um   4.3132   2.9538   0          Table 5. The r mal Defo rmat ion Value s  M easure d  at 26 .7 Ԩ   Length （） mm   0  8  16 24  32 40 48  56  Deformation （） um   0  6.8972  10.275  11.454   12.606  15.325  12.606   11.454   Length （） mm   64  72  80          Deformation （） um   10.275   6.8972   0              A g r ap h is d r a w n b y  the s e tw o ta b l es . Th r o ug h  the a nalysi s   of   the grap h, we ca n  d r a w  a   con c lu sio n  that this is an a x is of symmetry (As sho w n  in Figure 6).   .     Figure 6. Sch e matic Di ag ram of Differe nt  Body Surface The r mal E x pansi on Val ues      (2)  Red u ci ng  the fold spa c i ng ca n be u s ed in flexure  desi g n   Flexure  de sig n  ca n be  use d  to red u ce the  warp age  by redu cin g  the fold  spa c i ng. The   optimizatio n of the para m eter is the  stre ss a nd  pre s sure (4 ) and the de terioration of  the   para m eter i s  the manufa c tura bility   (7) ， so we can  also u s e p a r amete r  chan ges  (35 )  in the  confli ct matri x  (Table 3).  As is mentio ned ab ove ， i n  the formul a (S=D ∆α∆ T / 2d). Wh en  we   reduce the fold spac ing, D (the diagonal size of chi p ) w ill decrease, in a result,  s will mi nish.  Therefore, de cre a si ng the fold sp aci ng can be u s ed in  flexure desi g n to redu ce th e warpag e.      4. Summar y   Solve the p r oblem  of chi p  bo nding  fa ilure  by u s in g TRIZ  confli ct matrix. Break the   traditional  wa y (ignori ng th e cha r a c teri st ic pa ramete rs of geom etri c sh ape s) on  its con s trai nts,  whi c h e n co urage d e sig n s t o  co nsi der th e influen ce from seve ral  a s pe cts  (ha r d n e ss ， num be r of  folds a nd  so  on). Usin g T R IZ theo ry to solve  the  pro b lem of LE D  defor m a tion  can extend th e  life   of the therm a l infrared ca mera a nd promote t he d e velopme n t of remote se nsin g tech nol ogy,  whi c h i s  very  helpful to  obt ain info rmatio n of fo restry  and p r om ote  the appli c atio n of T R IZ the o ry  in forest ry eq uipment.       Ackn o w l e dg ment  This stu d y i s   sup p o r ted  by the  Fu ndame n tal  Re sea r ch F und s fo r th e Central  Universitie s  (DL1 2EB010 2 ,  DL12 CB05 ) and  Natru a l  Scien c e F o undatio n for Retu rne s s  o f   Heilo ngjian g  Province of China (L C2 011 C25 )       Referen ces   [1]  Krijnen B. Flexures  fo r l a rg e  s t r o k e  el e c tr o s tatic actuation in MEMS.  Jo ur nal  Of Micro m echa nics A n d   Microen gi neer i n g . 201 4; 24(1) .    [2]  Con n ie Y ang a, Wen-Bin Yo un gb. T he effective perme ab ilit y of the u n d e r f ill flo w  d o ma i n  in fli p -chi p  packa gin g .  Ap plie d Mathe m a t ical Mod e ll ing .  2013.    [3]  Li T e sheng. A ppl yi ng T R IZ  and AHP to d e v e lo p in novativ e  desig n for a u tomated  assem b l y  s y stems.   Internatio na l Journ a l Of Adva nced Ma nufact u rin g  T e chn o lo gy . 2010; 4 6 (1- 4 ).   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  720 2  – 7208   7208 [4]  Bogu e Ro bert. T he fast-moving  w o rl d of MEMS technol og y.  Assem b ly Automation.  200 9; 29(4).   [5]  Hsieh  HT . Using T R IZ  methods i n  frictio n  stir  w e l d in g d e sig n .  Internati ona l Jo urna l  Of Advance d   Manufactur i ng T e chno logy . 2 010; 46( 9-1 2 )   [6]  Sutanto, Jem m y . Packa gin g  and  Non- H e rmetic Enca psul ation T e chno log y  for  F lip Ch ip o n   Implantable M E MS Devices.  Journ a l Of Microel ectro m ech a n ical Syste m s.  201 2; 21(4).   [7]  Desmul liez, M a rc PY. Des i g n , F abric ation,  and  Ch aracteri zation  of F l i p - C hip  Bo nd ed  Microin ductors .   Ieee T r ansacti ons On Magn e t ics . 2009; 45( 8).  [8]  Sutanto, Jem m y . Packa gin g  and  Non- H e rmetic Enca psul ation T e chno log y  for  F lip Ch ip o n   Implantable M E MS Devices.  Journ a l Of Microel ectro m ech a n ical Syste m s . 201 3;  21(4).   [9]  Yang, H y u n ji n.  He at  transfer in gran ular   ma terial s:  effects of no nli n e a r h eat co nd uction  an d visc o u s   d i ssi pa ti on .  Mathematica l  Methods In T he Ap plie d Scie nces .  2013; 3 6 (14).   [10]  Lee, YC. Com puter-a ide d  de sign for  microe lectromec han ic al s y stems (M EMS).  Internationa l Journ a l   Of Materials & Product T e chn o lo gy . 200 3.   [11]  Massou d i M.  On the h eat  flux vector for  flo w i ng  gran ular m a teria l s, Pa rt 1: Effective therm a l   cond uctivit y  an d  backgr o u nd.  Mathe m atic al  Methods i n  the  Appli ed Sci e n c es . 2006.   [12]  Massou d i M. On the heat fl ux v e ctor for flo w in g gra n u l ar  materials, Par t  2: Derivatio n  and sp ecia l   cases.  Mathe m atical Meth ods  in the App l i ed  Scienc es.  200 6.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.