I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute r  E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   10 ,   No .   1 ,  Feb r u ar y   2020 ,   p p .   494 ~ 4 99   I SS N:  2088 - 8708 ,  DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v 10 i 1 . pp 4 9 4 - 499           494       J o ur na l  ho m ep a g e :  h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m/in d ex . p h p /I JE C E   Reducing   the  hy g ro sco pic sw elling   in ME M S sens o r  usi ng   diff er ent  m o ld   ma terials         P in k y ,   K uld ee p Si ng h ,  Anuj  Sin g a l   De p a rt m e n t  El e c tro n ics   a n d   Co m m u n ica ti o n   En g i n e e rin g ,    G u ru   Ja m b h e sh w a r  Un iv e rsit y   o f   S c ien c e   a n d   T e c h n o l o g y ,   In d ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J an   1 7 ,   2 0 1 9   R ev i s ed   A p r   1 9 ,   2 0 1 9   A cc ep ted   A u g   2 9 ,   2 0 1 9       T o d a y ,   H y g ro sc o p ic  s w e ll in g   is  o n e   o f   th e   b ig g e st  c h a ll e n g in g   p ro b lem   o f  Ep o x y   m o ld   c o m p o u n d   ( EM C)  in   p a c k a g in g   w it h   M icro e lec tro m e c h a n ica l   s y ste m   (M EM S )  d e v ice s.  T o   o v e r c o m e   th is  h y g ro sc o p ic  s w e ll in g   p ro b lem   o f  EM C  a n d   g u a rd   t h e   d e v ice s,  M EM S   d e v ice s  a re   m o ld e d   in   th is   p a p e r  w it h   d if fe re n t  M o ld   Co m p o u n d   (M C)   i. e .   ti tan iu m   a n d   c e r a m ic  e tc.  d u rin g   th e ir   in terc o n n e c ti o n   w it h   th e   b o a rd .   A lso ,   a   c o m p a ra ti v e l y   p e rf o r m a n c e   a n a l y sis   o f   th is  v a rio u s   m o ld   c o m p o u n d   with   M EM S   p re ss u re   se n s o r  h a s  b e e n   stu d ied   in   th is  p a p e r  a t  6 0 %   h u m id it y ,   1 4 0   m o l/ m 3   sa tu ra ti o n   c o n c e n t ra ti o n   a n d             25  o C.   It  w a s  o b se rv e d   th a t  h y g ro sc o p ic  sw e ll in g   d o e s  n o t  tak e   p lac e   in     th e   ti tan i u m   m o ld   c o m p o u n d .   B u t,   ti ta n iu m   is  v e r y   c o stl y   so   we   h a v e   to   c o n sid e r  s o m e th in g   c h e a p e r  m a teri a l  i. e .   c e ra m ic  in   th is  p a p e r.     T h e   H y g ro sc o p ic  sw e ll in g   in   Ce ra m ic  M o ld   C o m p o u n d   a f ter  1   y e a r  is  n e a rly   0 . 0 5   m m ,   w h ich   is  v e r y   les s th a n   e p o x y .   K ey w o r d s :   EMC   H y g r o s co p ic  s w el lin g   MC   MEMS   Co p y rig h t  ©   2 0 2 0   In stit u te o f  A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e .    All  rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   An u j   Sin g a l,    Dep ar te m en t o f   E lectr o n ics a n d   C o m m u n icatio n   E n g in ee r i n g ,   Gu r u   J a m b h es h w ar   Un iv er s it y   o f   Scien ce   a n d   T ec h n o lo g y ,   His ar ,   Har a y an a - 125001 .   E m ail:  a n u j . s i n g al0 8 @ g m ail. c o m       1.   I NT RO D UCT I O N   No w   d a y s ,   m icr o elec tr o m ec h an ica l  s y s te m s   ( ME MS)   s en s o r   d ev ice s   ar e  b ei n g   v e r y   p o p u lar     an d   w o r t h w h ile  f o r   in d u s tr y ,   in s tr u m e n tat io n ,   m ed ical,   n av ig a tio n ,   d ef e n s e  a n d   v eh ic le  s ec u r it y   s y s te m s     etc.   [ 1 ,   2 ] .   Hig h - p r ec is io n   s en s o r   is   r eq u ir ed   in   m a n y   o f   th e s e  ap p licat io n s   d u r in g   s e m ico n d u cto r   p ac k a g i n g .   I n   ad d itio n ,   t h e  d is to r tio n   s ta b ilit y   a n d   a  h ig h   le v el  o f   m e asu r e m en t   is   n ee d ed   in   ME MS  s e n s o r s   d ev ices   ir r esp ec tiv e  o f   ex ter n al  ec o lo g ical  cir cu m s tan ce s   [ 3 ,   4 ] .   I n   ME MS  s en s o r   d ev ices,  E p o x y   Mo ld   C o m p o u n d   ( E MC)  ar e  b ei n g   u s ed   as  a  m aj o r   p ac k ag in g   m ater ial  d u e  t o   its   h i g h   p r o d u cti v it y ,   lo w er   m ater ial  as  w e ll  as   m an u f ac t u r in g   co s t  a n d   g r ea t  ef f ec tiv e n e s s   [ 5 ,   6 ] .   B u t,  it  ab s o r b s   m o is t u r e  w h e n   it  is   o p e r ated   in   th e  h u m id   en v ir o n m e n t.  T h is   m o is t u r e   ab s o r p tio n   w h ich   i s   k n o wn   as  h y g r o s co p ic  s w elli n g   af f ec ts   t h e  m a ter ial  ch ar ac ter s tics   w h ic h   ca n   n o t  b e  n eg lecte d .   Du e  to   th is   m o i s tu r e  ab s o r p tio n ,   a  v is co elasti cit y   tr an s f o r m atio n   an d   s w elli n g   is   o b s er v ed   in   m ater ial  p ac k ag i n g .   T h er ef o r e,   h y g r o s co p ic  s w elli n g   in   Mo ld   C o m p o u n d   ( MC)  is   o n e  o f   th e  cr itical  i s s u es i n   d es ig n in g   o f   elec tr o n ics p ar ts   o f   ME MS  s en s o r   d ev ices [ 7 - 1 0 ] .   T h e  p ac k ag i n g   in   ME MS  s e n s o r   d ev ice s   ar e  h ig h l y   s e n s itiv e  to   t h e  e n v ir o n m en tal  c o n d itio n s .   Mo r eo v er ,   a  c o m p o s ite  m at er ials   h av e  d i f f er e n t  th er m o - m ec h a n ical  an d   h y g r o   p r o p er ties .   Du e  to   th is   m ater ials   p r o p er ty   m i s m atch i n g ,   it  i n d u ce s   h y g r o s co p ic  s tr ess es   th a t  ca n   b e  m ea s u r e  in   s a m e  w a y   a s   t h er m al   s tr ess   in to   t h e  elec tr o n ic  m ate r ial  p ac k ag i n g .   I n   ad d itio n ,   th i s   in d u ce d   h y g r o s co p ic  s tr ess e s   ca n   f u r t h er   ca u s es   th e  cr a ck s ,   d ela m i n atio n   an d   d ef o r m atio n   in   t h e  m ater ial   p ac k ag e  [ 1 1 - 1 4 ] .   T h e  h y g r o s co p ic  an d   th er m al   s tr ess   ar e  m o s t l y   i g n o r ed   d u r in g   t h e  p er f o r m a n ce   an al y s i s   o f   ME MS  s e n o r   d ev ice  is   j u s t  b ec au s e  o f   lack   o f   ch ar ac ter izatio n   tech n iq u e   li k e  u n f a m i liar it y   w it h   h y g r o s c o p ic  m o d elin g   a n d   m o is t u r e   d if f u s io n ,   lack   o f   m ater ial  h y g r o s co p ic  s w el lin g   ch ar ac ter is t ics  an d   u n d er   o r   o v er   ev alu atio n   o f   t h e  h y g r o s co p ic  s tr es s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8708       R ed u cin g   t h e  h yg r o s co p ic  s w ellin g   in   MEMS   s en s o r   u s in g   d i ffer en t m o ld   ma teri a ls   ( P in ky )   495   m ag n it u d e.   T h er ef o r e,   it  i s   i m p o r ta n t  to   id e n ti f y   an d   e v a lu ate  t h e  h y g r o s co p ic  s w e lli n g   d u r in g   m ater ial   pa ck ag i n g   i n   o r d er   to   o p ti m ize  th e   p er f o r m a n ce   o f   ME MS  s e n s o r   d e v ic e  a n d   it s   r eliab ilit y   [ 1 5 ,   1 6 ] .   I n   th e  p ast,  a  lo t  o f   r esear ch   w as  also   ca r r ied   o u t  to   u n d er s tan d   th e  i m p ac t  o f   h y g r o - th er m o - m ec h a n ical   s tr ess e s   in d u ce d   in   ME MS  s en s o r   d ev ice  p ac k ag e s   [ 1 7 - 22] .   A ls o ,   in   t h is   p ap er ,   w e  an a l y ze   th e  i m p ac t  o f   h y g r o s co p ic  s w ell in g   a n d   s tr ess   o n   ME MS  s e n s o r   d ev ice  a n d   u s ed   d if f er en t  m a ter ials   to   m iti g ate   th is   p r o b le m .   P r o b lem   State m en t:   T h e  m ai n   co n tr ib u tio n   o f   t h i s   p ap er   is   s u m m ar ized   b elo w :   a.   ME MS  d ev ices   ar e  m o ld ed   w it h   d i f f er en t  Mo ld   C o m p o u n d   ( MC)  i.e .   tita n i u m   a n d   c er a m ic  etc.   to   o v er co m e  th e  h y g r o s co p ic  s wellin g   p r o b lem   o f   E MC.   b.   A   co m p ar ati v el y   p er f o r m a n ce   an al y s is   o f   th e  v ar io u s   m o ld   co m p o u n d   i.e .   ep o x y ,   tita n i u m   a n d   ce r a m ic   w it h   ME MS   p r ess u r e  s e n s o r   h as  b ee n   s t u d ied   at  6 0 %  h u m id it y ,   1 4 0   m o l/ m 3   s at u r atio n   co n ce n tr atio n     an d   2 5   o C.   T h e  r e m ain d er   o f   t h i s   r esear c h   p ap er   h a s   b ee n   o r g a n ized   a s   f o llo w s .   Sectio n   2   p r o v id es   a n   o v er v ie w  o f   ME MS   Se n s o r   Mo d el.   T h e  s i m u latio n   r esu lts   ar e  d is c u s s ed   i n   t h e  S ec tio n   3   an d   f i n all y   co n clu s io n s   ar e   d r a w n   i n   S ec tio n   4 .       2.   M E M S SE NSO R  M O DE L   I n   t h is   s ec tio n ,   w e  co n s id er   a   b asic  ME MS  s e n s o r   m o d el   w i th   M C ,   w h ic h   i s   p r ese n ted   as   s h o w n   i n   Fig u r e  1 .   I n teg r atio n   i n   m icr o elec tr o n ic  cir cu it s ,   ME MS  an d   o th er   elec tr o n ic  d ev ices  ar e  o f ten   m o ld ed   w it h   d if f er e n t  Mo ld   C o m p o u n d   ( MC)  to   g u ar d   t h e   d ev ices   a n d   th eir   i n ter co n n ec tio n   w i th   t h e  b o ar d .   T h e  ep o x y ,   p o ly m er s   etc.   ar e  s u b j ec t  to   m o is t u r e  ad s o r p tio n   an d   h y g r o s co p ic  s w el lin g ,   w h ic h   ca n   ca u s e  d ela m i n atio n   b et w ee n   t h e  MC   an d   th e   b o ar d   o r   to   in co r r ec t  b eh a v io r   o f   ME MS   co m p o n e n t s .   I t  i s   s u f f icie n t  to   m o d el     a  q u ar ter   o f   t h e  w h o le  s tr u ct u r e  d u e  to   th e   s y m m etr y .   T h e  g eo m etr y   o f   ME MS  s en s o r   m o d el  is   co m b in a tio n   o f   FR 4   b o ar d   an d   a  p r ess u r e  s en s o r   d ies [ 2 3 ]   as e x p lain ed   b elo w :    T h e  lo w er   p ar t  o f   th e  ME MS  m o d el  i s   tak e n   as  a   FR 4   b o ar d   an d   o n   w h ic h   th e  p r ess u r e  s e n s o r   d ie  is   g lu ed .   Her e,   th e  p r ess u r e  s e n s o r   d ie  is   b asicall y   m ad e  o f   t h r ee   p ar ts   as p r esen ted   b elo w :    a.   A   s ilico n   co m p o n e n t  w it h   a  p r o ce s s ed   m e m b r a n e.   T h is   m e m b r a n e  i s   m o d eled   w it h   a  s h e ll  in ter f ac e  a n d   s tr ain   o n   t h e  m e m b r a n e  s u r f ac e  is   u s ed   to   m ea s u r e  t h e  p r es s u r e.     b.   A   s ilica  g lass   ca p p in g   is   u s ed   t o   p r o tect  th e  s ilica  g las s   m e m b r an e.   c.   A   Mo ld   C o m p o u n d   t h at  co v e r s   th e   d ie  an d   a   lar g e  p ar t  o f   t h e  b o ar d .   W h en   e x ter n a l  p r es s u r e  i s   ap p lied   o n   t h e  b o tto m   f ac e   o f   th e   m e m b r a n e,   t h e  m e m b r an e  d e f o r m s   an d   th e   s tr ai n   i s   m ea s u r e d   b y   m ea n s   o f     a  W h ea ts to n e  b r id g e  m ad e  o f   p iezo - r esis to r s .           Fig u r e  1 .  ME MS  s en s o r   m o d el  [ 2 3 ]       I n   th e  ab o v e  Fi g u r e  1 ,   w e  h a v e  co n s id er ed   v ar io u s   p ar a m eter   w h ich   ar e  s u m m ar ized   in   T ab le  1 .    T h e  in itial  m o is t u r e  co n ce n tr atio n   af ter   m o ld in g   is   s et  to   4 0   m o l/ m 3 .   T h is   v al u e  ca n   b e  also   tak en   a s   r ef er en ce   f o r   h y g r o s co p ic  s w e llin g   b ec au s e  all  t h e  s tr ess e s   ar e  ass u m ed   r elax ed   j u s t  af ter   m o ld in g .   I n   o r d er   to   av o id   p r o b lem s   t h at  ca n   b e  ca u s ed   b y   t h e  d is co n t in u it y   o f   co n ce n tr atio n   a t  in i tial  s ta te,   th e  co n ce n tr atio n   b o u n d ar y   co n d itio n   is   ap p lie d   s m o o th l y   a n d   a  b o u n d ar y   la y er   t y p e  m es h   is   u s ed   n ea r   th o s e  b o u n d ar ies.    T h e  r esp o n s e  o f   a  ME MS  p r ess u r e  s e n s o r   is   co m p u ted   f o r   a  p er io d   o f   o n e  y ea r   [ 2 4 ,   2 5 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  10 ,   No .   1 ,  Feb r u ar y   2 0 2 0   :   494   -   499   496   As   h y g r o s co p ic  s w elli n g   in d u ce s   a  o n e - w a y   co u p li n g   b et w ee n   co n ce n tr atio n   a n d   m ec h a n ic s .     T h e  co n ce n tr atio n   is   ca lc u late d   in   a  f ir s t  ti m e - d ep en d en t  s tu d y   a n d   th e n   th e  s tr u ct u r al  d o m ai n s   ar e  co m p u te d   in   a  s tat io n ar y   s t u d y .   T h is   s e q u en tial  ap p r o ac h   r ed u ce s   t h e   co m p u tatio n   ti m e  co m p ar ed   to   a  s in g le  s o l u tio n   in cl u d in g   all  p h y s ica l in ter f ac es.       T ab le  1 .   P ar am eter s   u s ed   in   d e s ig n i n g   o f   ME MS  s e n s o r   d ev i ce   [ 2 3 ]   S r .   N o .   P a r a me t e r   V a l u e   1.   L e n g t h   o f   t h e   d e v i c e   ( L )   2 0 [ mm ]   2   W i d t h   o f   d e v i c e   ( W )   1 5   [ mm ]   3   L e n g t h   o f   M o l d   c o mp o u n d   ( L MC )   1 5 [ mm ]   4   W i d t h   o f   M o l d   c o mp o u n d   ( W MC )   1 0 [ mm ]   5   T h i c k n e ss o f   M o l d   c o m p o u n d   ( T MC )   1 . 5 [ mm ]   6   S i d e   l e n g t h   o f   se n so r   ( L D i e )   1 . 2 [ mm ]   7   S i d e   l e n g t h   o f   me m b r a n e   ( L M )   0 . 7 [ mm ]   8   S i d e   l e n g t h   o f   h o l e   i n   F R 4   ( L H )   0 . 8   [ mm ]   9   T h i c k n e ss o f   F R 4   ( T F R 4 )   1 [ mm ]   10   T h i c k n e ss o f   si l i c o n   ( T Si )   0 . 2   [ mm ]   11   T h i c k n e ss o f   me mb r a n e   ( T M )   0 . 0 2 [ mm ]   12   T h i c k n e ss o f   g l a ss w a f e r   ( T G )   0 . 2 [ mm ]       3.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O NS   I n   th is   s ec t io n ,   f ir s tl y   w e  ex a m i n ed   th e  h y g o s co p in g   s w e llin g ,   r elaitiv e  m ass   co n ce n tr atio n   an d   d is p alce m t  f o r   v ar io u s   ti m e  d u r atio n   i n   E M C   co n tai n g   ME MS  s e n s o r   m o d el  f r o m   F ig u r e   2   to   F ig u r e  7 .   Fu r t h er ,   th e    t h e  v ar io u s   M C   i.e .   tita n iu m   a n d   ce r a m ic   etc.   is   u s ed   to   r ed u ce   th e  h y g o s co p in g   s w el lin g   p r esen ts   in   E MC .  So ,   t h e  h y g o s co p in g   s w elli n g   r ed u ct io n   p er f o r m a n ce   an al y s is   is   p r esen ted   i n   F ig u r e s   8 - 9  f o r   tita n iu m   MC   an d   F ig u r e  1 0   an d   1 1   f o r   ce r a m ic   MC.   He r e,   w e  a n al y ze d   t h e  r es u lt  w it h   co n s id er atio n   o f   6 0 % h u m id it y ,   1 4 0   m o l/ m 3   s at u r atio n   co n ce n tr atio n   a n d   2 5   o C   te m p er at u r e  co n d itio n   d u r i n g   th e  s i m u la tio n .     3 . 1 .     E po x y   m o ld co m po un d  ( E M C)   I n   F i g u r e  2   w e  an a l y ze   t h e  m o is tu r e   co n ce n tr atio n   i n   t h e  E MC  af ter   2   d ay s .  Her e,   F ig u r e  2   d ep icts   th at  t h e  m o is t u r e  d if f u s es  p r o g r ess i v el y   in   t h e  E MC  a n d   it  h as  r ea ch ed   p ar tiall y   t h e  to p   f ac e  o f   th e  d ie  af ter   2   d ay s .   I n   t h e  s i m u lat io n s   r es u lts ,   it   is   n o ticed   th at   t h e  m o i s tu r e  co n ce n tr atio n   a t  t h e  d ie   lo ca tio n   s tar ts   to   in cr ea s e  a f ter   2   d a y s   a n d   it  r ea ch ed   to   m a x i m u m   v al u e  i n   ap p r o x im a tel y   1 0 0   d a y s   a s   s h o w n   i n   F ig u r e  3 .     T h is   r esu lt s   is   also   co n f ir m ed   b y   th e  m a s s   u p tak e  a s   s h o w n   i n   F i g u r e  4 ,   w h er e  th e   m a x i m u m   v alu e  is   r ea c h ed   af ter   th e  s a m e  t i m e.     I n   F i g u r e  5 ,   w e   an al y ze   t h e  s u r f ac e  to tal  d is p lace m en t   in   E MC  a f ter   2 d a y s .   T h e  r es u lt s   i n   F i g u r e  5   s h o w s   ap p r o x i m a tel y   0 . 3 5   u m   d i s p lace m e n t  o n   th e  E M C   s u r f ac e  an d   E MC  s w e lls   o n l y   o n   its   b o u n d ar ies   d u r in g   th e  f ir s t  2   d ay s .   B u t,  it  s w ells   e v er y w h er e  af ter   o n e  y ea r   as  s h o w n   in   F i g u r e  6 .   Du r i n g   t h e  f ir s t  2   d ay s ,   th e  ex p an s io n   o n   th e  e x ter io r   b o u n d ar ies  im p lie s   a  s tr etch in g   o n   th e  m e m b r a n e  an d   th u s   an   in cr ea s e  o f     th e  m ea s u r ed   s tr ain .   Ho w e v er e,   th e  ex p an s io n   o f   t h e  ce n ter   i m p lies   co m p r e s s io n   o n   t h e  d ie  an d   a  d ec r ea s e  o f   th e  s tr ain   alo n g   th e   ax e s   a s   s h o w n   i n   F i g u r e  7 .   T h e  m o i s tu r e  ad s o r p tio n   an d   h y g r o s c o p ic  s w elli n g   h av e   s ig n i f ica n t  e f f ec t  o n   th e   s e n s o r   s en s ib il it y ,   w h ic h   h a v e  to   b e  tak en   i n   ac co u n t   d u r in g   t h e  m ea s u r e m en ts   o r   d esig n in g   t h e  s e n s o r .           Fig u r e  2 .   Mo is tu r e  co n ce n tr ati o n   in   t h e  E MC a f ter   2   d ay s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8708       R ed u cin g   t h e  h yg r o s co p ic  s w ellin g   in   MEMS   s en s o r   u s in g   d i ffer en t m o ld   ma teri a ls   ( P in ky )   497       Fig u r e  3 .   Mo is tu r e  co n ce n tr ati o n   at  d ie  lo ca tio n   o v er   ti m e  f o r   E MC           Fig u r e  4 .   T o tal  m a s s   u p tak e  i n   th e  E MC           Fig u r e  5 .   Dis p ac e m e n t   af ter   2   d ay s       Fig u r e  6 .   T o tal  m a s s   u p tak e  i n   th e  E MC           Fig u r e  7 .   T o tal  m a s s   u p tak e  i n   th e  E MC   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  10 ,   No .   1 ,  Feb r u ar y   2 0 2 0   :   494   -   499   498   3 . 2 .     T it a niu m   m o ld co m po u nd   ( T M C)   Her e,   F ig u r e  8   an d   Fig u r e  9   d ep icts   th e  h y g o s co p i n g   s w e ll in g   f o r   T MC  co n tain in g   ME MS  s y s te m   af ter   2   an d   1 0 0   d ay s   r esp ec ti v el y .   I n   t h e  s i m u latio n   r esu l ts ,   n o   d is p lace m e n t  is   o b s er v ed   in   T MC   af ter   2   d a y s   as  s h o w n   i n   F i g u r e  8 .   A ls o ,   s i m ilar   r esu l ts   is   o b tain ed   in   T MC  af ter   1   y ea r .   T h er ef o r e,   T MC  r e d u ce s     th e  i m p ac t o f   h y g r o s co p ic  s w e llin g   w h ich   i s   co m p ar ativ e l y   v er y   lar g e  in   E M C .           Fig u r e  8 .   Dis p ac e m e n t a f t y er   2   d ay s       Fig u r e  9 .   Dis p ac e m e n t a f t y er   1   y ea r       3 . 3 .     Cer a m ic  m o l d c o m po un d  ( C M C)   I n   t h e  p r ev io u s   s ec tio n   3 . 2 ,   w e  h a v e  n o ticed   th a t  T MC  r ed u ce s   th e   i m p ac t   o f   h y g r o s co p i c  s w elli n g   in   a  v er y   e f f ec ti v e  m a n n er .   B u t,  th e  co s t  o f   tita n iu m   is   c o m p ar ati v el y   v er y   lar g e  t h an   ep o x y .   So ,   h er e  we   an al y ze   th e  r elati v e  m as s   u p d ate  an d   s u r f ac e  to tal  d is p lace m en t  f o r   C M C   as  h o w n   in   F ig u r e  1 0   an d   Fig u r e  11  r esp ec tiv el y .   T h e  r es u lts   s h o ws  t h at  r elati v e  m a s s   u p tak e   i n   ce r a m ic  m o ld   co m p o u n d   is   r e ac h ed   to   m ax i m u m   v alu e  a f ter   t h e  s a m e  ti m e  as  i n   ca s e  o f   E M C .   B u t,  it  h a v e  r elativ el y   les s   m as s   u p ta k e  an d   s u f ac e  d is p ac e m e n t   th an   E M C .           Fig u r e  1 0 : T o tal  m a s s   u p tak e  i n   th e  C MC       Fig u r e  1 1 : D is p lace m e n t a f ter   1   y ea r       4.   CO NCLU SI O N   I n   th i s   p ap er ,   ME MS  d ev ices   ar e  m o ld ed   w it h   d if f er e n t  M o ld   C o m p o u n d   ( MC)  i.e .   tita n iu m   a n d   ce r a m ic  etc.   to   o v er co m e  t h e  h y g r o s co p ic  s w elli n g   p r o b le m   o f   E M C .   T h is   H y g r o s c o p ic  s w ell in g   h av e   s ig n i f ica n t  ef f ec t  o n   th e  s e n s o r   s en s ib ilit y ,   w h ic h   h a v e  to   b e  tak en   in   ac co u n t  d u r i n g   th e  m ea s u r e m en ts ,     o r   w h e n   d esi g n in g   t h e  s e n s o r .   A l s o ,   a  co m p ar ativ el y   p er f o r m an ce   a n al y s i s   o f   t h e  v ar io u s   m o ld   co m p o u n d   i.e .   ep o x y ,   titan iu m   a n d   ce r a m ic  w it h   ME MS   p r es s u r e  s e n s o r   h as  b ee n   s tu d ied   at  6 0 %  h u m id it y ,   1 4 0   m o l/ m 3   s atu r atio n   co n ce n tr atio n   an d   2 5   o C .   T h e  s i m u latio n   r esu lts   p r o v es  t h at   h y g r o s co p ic  s w e llin g   d o es  n o t  ta k e   p lace   in   titan i u m   m o ld   co m p o u n d .   Ho w e v er ,   it  in cr ea s e s   th e  co s t  o f   t h e  d ev ices  d u e  t o   th e  h ig h   co s t  o f     th e  T itan i u m .   T h er ef o r e,   w e  h av e   u s ed   C er a m ic  Mo ld   C o m p o u n d   to   r ed u ce   t h is   h ig h   co s t  w it h   v er y   les s   h y g r o s co p ic  s w elli n g .   F u r th e r ,   th e  C er a m ic  Mo ld   C o m p o u n d   h a v e  co m p ar ativ e l y   v er y   le s s   h y g r o s co p ic   s w elli n g   i.e .   ap p r o x i m ate l y   0 . 0 5   m m   d is p lace m en t t h a n   ep o x y .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8708       R ed u cin g   t h e  h yg r o s co p ic  s w ellin g   in   MEMS   s en s o r   u s in g   d i ffer en t m o ld   ma teri a ls   ( P in ky )   499   RE F E R E NC E S   [1 ]   M .   K.  Na ji ,   A .   D.  F a rh o o d ,   A .   H.  A li ,  " No v e l  d e sig n   a n d   a n a l y sis   o f   RF   M EM S   sh u n t  c a p a c it iv e   sw it c h   f o r  ra d a r   a n d   sa telli te  c o m m u n ica ti o n s , "   In d o n e sia n   J o u rn a l  o f  El e c trica l   En g i n e e rin g   a n d   C o mp u ter   S c ie n c e   ( IJ EE CS ) ,    v o l.   1 5 ,   n o .   2 ,   pp .  9 7 1 - 9 7 8 ,   A u g .   2 0 1 9 .   [2 ]   M .  J.   A d a m so n ,   " T h e r m a l  e x p a n sio n   a n d   sw e ll in g   o f   c u re d   e p o x y   re sin   u se d   in   g ra p h i te/e p o x y   c o m p o site   m a teria ls , "   In ter n a ti o n a l  J o u rn a l  o f  M a ter ia ls  S c ien c e ,   v o l.   1 5 ,   n o .   7 ,   p p .   1 7 3 6 - 1 7 4 5 ,   1 9 8 0 .   [3 ]   I.   Kh a li l u ll a h ,   T .   Re z a ,   L .   Ch e n ,   A .   K.  M .   M o n a y e m ,   H.  M a z u m d e r,   J.  F a n ,   C.   Qia n ,   G .   Zh a n g   a n d   X .   F a n ,   " In - S it u   Ch a ra c teriz a ti o n   o f   M o ist u re   A b so rp ti o n   a n d   Hy g ro sc o p ic  S w e ll i n g   o f   S il ico n e / P h o sp h o r  C o m p o site  F il m   a n d   Ep o x y   M o ld   C o m p o u n d   i n   L ED   P a c k a g in g , "   IEE E   In tem a ti o n a l  Co n fer e n c e   o n   T h e rm a l,   M e c h a n ica l  a n d   M u lt i - Ph y sic s S imu l a ti o n   a n d   Exp e rime n ts  in   M icr o e lec tro n ics   a n d   M icr o sy ste ms ,  p p .   1 - 9 ,   A p r .   2 0 1 7 .   [4 ]   E.   H.  W o n g ,   R.   Ra jo o ,   S .   W .   Ko h   a n d   T .   B.   L i m ,   " T h e   M e c h a n ics   a n d   Im p a c t  o f   H y g ro sc o p ic  S w e ll in g   o f  P o ly m e ric  M a teria ls  in   El e c tro n ic  P a c k a g in g , "   T ra n sa c ti o n s  o f   th e   AS M E  J o u rn a l  o f  El e c tro n ic  Pa c k a g in g ,    v o l.   1 2 4 ,   p p .   1 2 2 - 1 2 6 ,   2 0 0 2 .   [5 ]   H.  A rd e b il i,   E.   H.  W o n g ,   a n d   M .   P e c h t ,  " H y g ro sc o p ic  s w e ll in g   a n d   a b so r p ti o n   c h a ra c teristics   o f   e p o x y   m o ld in g   c o m p o u n d s  u se d   in   e lec tro n ic  p a c k a g in g ,"   IEE E  T ra n sa c ti o n   o n   Co mp o n e n ts,   Pa c k a g i n g   a n d   M a n u fa c t u rin g   T e c h n o l ogy ,   v o l.   2 6 ,   n o .   1 ,   p p .   2 0 6 - 2 1 4 ,   M a r.   2 0 0 3 .   [6 ]   S u n i l  K.  Ka ra d ,   " M e c h a n ism s   o f  m o istu re   a b so rp ti o n   b y   c y a n a te es ter  m o d if ied   e p o x y   re sin   m a tri c e s :  th e   c lu ste rin g   o f   wa ter  m o lec u les , "   In ter n a ti o n a l  J o u rn a l  o f  P o lym e r , v o l.   46 ,   p p .   2 7 3 2 - 2 7 3 8 ,   2 0 0 5 .   [7 ]   P .   No g u e ira,  " Eff e c t  o f   W a ter  S o rp ti o n   o n   t h e   S tru c t u re   a n d   M e c h a n ica l  P r o p e rti e s  o f   a n   Ep o x y   Re sin   S y st e m , "   J o u rn a l  o f  A p p li e d   Po lym e r S c ien c e ,   v o l.   8 0 ,   p p .   7 1 - 8 0 ,   2 0 0 1 .   [8 ]   R.   L iu ,   H.  W a n g ,   J.  W a n g ,   H.   H.  L e e ,   a n d   S .  B .   P a rk ,   " M o istu re   Dif f u sio n   a n d   Hy g ro sc o p ic  S w e ll in g   o f     A d h e siv e s   in   El e c tro n ics   P a c k a g i n g ,"   IEE E  In tem a ti o n a l  Co n fer e n c e   o n   El e c tro n ic  Co mp o n e n ts  a n d   T e c h n o l o g y ,    p p .   2 2 0 3 - 2 2 0 9 ,   M a y   2 0 1 6 .   [9 ]   N.  A .   M .   Ja m a il ,   M .   A .   M .   P i a h ,   N.  A .   M u h a m m a d ,   a n d   Q.  E.   Ka m a ru d in ,   " P DC  A n a l y sis  o f   LL DP E - NR  Na n o c o m p o site  f o r  Ef f e c t  o f   M o i stu re   A b so rp ti o n, "   I n ter n a ti o n a l   J o u rn a l  o f   El e c trica l  a n d   C o mp u ter   En g in e e rin g   ( IJ ECE ),   v o l.   7 ,   n o .   6 ,   p p .   3 1 3 3 - 3 1 3 9 ,   De c .   2 0 1 7 .   [1 0 ]   X .   M a ,   K.  M .   B.   Ja n se n ,   G .   Q.  Zh a n g ,   L .   J.   Ern st ,   " H y g ro sc o p ic   Eff e c ts   o n   S w e ll in g   a n d   V i sc o e las ti c it y   o f  El e c tro n ic  P a c k a g in g   Ep o x y ,"   IE EE   In te ma t io n a l   Co n fer e n c e   o n   E lec tro n ics   Pa c k a g in g   T e c h n o l o g y ,   p p .   1 - 5 ,   2 0 0 6 .   [1 1 ]   H.  C.   Hs u ,   Y.  T .   Hs u ,   W .   L .   Hs ich ,   M .   C.   W e n g ,   S .   T .   Zh a n g Jia n ,   F .   J.  Hs u ,   Y .   F .   C h e n ,   S .   L .   F u ,   " H y g ro sc o p ic   S w e ll in g   Eff e c t  o n   P o ly m e ric  M a teria ls  a n d   T h e rm o - h y g ro - m e c h a n ica l  De sig n   o n   F in g e r  P ri n ter  P a c k a g e , "   In ter n a t io n a l  C o n fer e n c e   o n   M icr o sy ste ms ,   Pa c k a g i n g ,   Asse mb ly  &   Circ u it s T e c h n o l o g y ,   p p .   2 9 1 - 2 9 4 ,   Oc t.   2 0 0 8 .   [1 2 ]   W .   Zh u ,   P .   L a i,   S .   Ya n g ,   " Eff e c t  o f   H y g ro - th e r m o - M e c h a n ica l  S tres s  o n   Re li a b il it y   o f   S tac k e d   Die   P a c k a g e , "     IEE E  In ter n a ti o n a l  S y mp o si u m o n   Ad v a n c e d   P a c k a g in g   M a ter ia ls ,  p p .   2 0 4 - 2 0 8 ,   Oc t.   2 0 1 1 .   [1 3 ]   S .   Yo o n ,   C.   Ja n g ,   a n d   B.   Ha n ,   " No n li n e a r  stre ss   m o d e li n g   s c h e m e   to   a n a l y z e   se m i c o n d u c t o r  p a c k a g e s  su b jec ted   t o   c o m b in e   th e rm a l  a n d   h y g ro sc o p ic   lo a d i n g , "   In ter n a ti o n a l   J o u r n a l  o n   El e c tro n ic P a c k a g in g ,   v o l .   13 ,   n o .   2 ,   2 0 0 8 .   [1 4 ]   M .   D.  P lac e tt e ,   X .   J.  F a n ,   J. - H .   Z h a o   a n d   D.  E d w a rd s,  " Du a l  sta g e   m o d e li n g   o f   m o istu re   a b so rp ti o n   a n d   d e so rp ti o n   in   e p o x y   m o ld   c o m p o u n d s,"   M icr o e lec tro n ics   Relia b il i ty ,   v o l.   5 2 ,   p p .   1 4 0 1 -   1 4 0 8 ,   2 0 1 2 .   [1 5 ]   R.   H.  Kro n d o rf e r  a n d   Y.  K.  Kim ,   " P a c k a g in g   e ffe c t  o n   M EM S   p re ss u re   se n so r  p e rf o rm a n c e , "   IEE E  T ra n sa c ti o n   o n   Co mp o n e n t  Pa c k a g in g   T e c h n o ly ,   v o l.   3 0 ,   n o .   2 ,   p p .   2 8 5 – 2 9 3 ,   Ju n .   2 0 0 7 .   [1 6 ]   J.  Ke ll e r,   " E ff e c t  o f   m o istu re   s w e ll in g   o n   M EM S   p a c k a g in g   a n d   in teg ra ted   se n so rs,"   In ter n a ti o n a l  J o u rn a l  o n   M icr o e lec tro n .   Rel. ,   v o l .   5 3 ,   p p .   1 6 4 8 – 1 6 5 4 ,   2 0 1 3 .   [1 7 ]   E.   S tellrec h t,   H.  Bo n g tae   a n d   M .   G .   P e c h t,   " Ch a ra c teriz a ti o n   o f   h y g ro sc o p ic  s we ll in g   b e h a v io r  o f   m o ld     c o m p o u n d s  a n d   p las ti c   p a c k a g e s,"   IEE E  T ra n sa c ti o n s  o n   Co m p o n e n ts  a n d   Pa c k a g in g   T e c h n o l o g ies ,   v o l.   2 7 ,     p p .   4 9 9 - 5 0 6 ,   2 0 0 4 .   [1 8 ]   D.  L iu   a n d   S .   P a rk ,   " A  n o te  o n   th e   n o rm a li z e d   a p p ro a c h   to   sim u latin g   m o istu re   d iff u sio n   in   a   m u lt ima teria l    s y ste m   u n d e r  tran sie n t  t h e rm a l  c o n d it i o n s u sin g   A NSYS   1 4   a n d   1 4 . 5 , "   J o u r n a l  o n   El e c tro n ic   P a c k a g in g . ,   v o l .   1 3 6 ,     n o .   3 ,   2 0 1 4 .   [1 9 ]   D.  G  Ya n g ,   Ja n se n ,   L .   G .   Wan g ,   L .   J.  Ern st,  G .   Q.  Zh a n g ,   H.  J.  L .   Bre ss e rs,  X .   J.   F a n ,   " M icro m e c h a n ica l  m o d e li n g   o f   stre ss   e v o lu ti o n   in d u c e d   d u ri n g   c u re   in   a   p a rti c le - f iIl e d   e lec tro n ic  p a c k a g in g   p o ly m e r, "   IEE E  T ra n sa c ti o n s  o n   Co mp o n e n ts  a n d   P a c k a g i n g   T e c h n o l o g ies ,   v o l .   2 7 ,   n o .   4 ,   p p .   6 7 6 - 6 8 3 ,   2 0 0 4 .   [2 0 ]   S .   Yo o n ,   B .   Ha n ,   S .   Ch o ,   a n d   C. - S .   Ja n g ,   " No n - li n e a r  f in it e   e le m e n t  a n a ly sis   f o r  e lec tro n ic  p a c k a g e s  su b jec ted   to   c o m b in e d   h y g ro sc o p ic  a n d   t h e rm o - m e c h a n ica l  stre ss e s, "   Pro c e d in g   o n   El e c tro n .   P a c k a g .   T e c h n o l.   Co n f.   ( EP T C) ,  v o l.   2 ,   p p .   5 6 9 – 5 7 4 ,   De c .   2 0 0 5 .   [2 1 ]   S e o k b e o m   Ki m ,   Bo ra   L e e ,   Ye o w o n   Yo o ,   T h o m a s  T h u n d a t,   a n d   Ju n g c h u l   L e e ,   " S tatic  a n d   d y n a m ic  o p e ra ti o n   o f   m e tal - c o a ted   h y d ro g e l  c a n ti lev e r  h u m id it y   se n so rs  b a se d   o n   h y g ro sc o p ic  m is m a t c h , "   IEE E  In tem a ti o n a l   Co n fer e n c e   o n   S o li d   S t a te  S e n so r s,  Actu a to r  a n d   M icr o sy ste m ( T ra n sd u c e rs ),   p p .  18 - 2 2 ,   Ju n .   2 0 1 7 .   [2 2 ]   Y.  Ki m ,   D.  L iu ,   H.  L e e ,   R.   L iu ,   D.  S e n g u p ta  a n d   S .   P a rk ,   " In v e stig a ti o n   o f   S tres s  in   M EM S   S e n so r   De v ic e   Du e   to   H y g ro sc o p ic  a n d   V isc o e las ti c   B e h a v io r  o f   M o l d i n g   Co m p o u n d , "   IEE E  T ra n sa c ti o n s   o n   Co m p o n e n ts  P a c k a g in g   a n d   M a n u f a c tu rin g   T e c h n o lo g y ,   v o l.   5 ,   n o .   7 ,   p p .   9 4 5 - 9 5 5 ,   2 0 1 5 .   [2 3 ]   E.   H.  W o n g ,   S .   W .   Ko h ,   K.   H.  L e e   a n d   R.   Ra j o o ,   " Co m p re h e n siv e   T re a t m e n t  o f   M o istu re   I n d u c e d   F a il u re   Re c e n t   A d v a n c e s,"   IEE E  T ra n s.  O n   El e c t ro n ics   Pa c k a g in g   M a n u f a c tu ri n g ,   v o l.   2 5 ,   n o .   3 ,   p p .   2 2 3 - 2 3 0 ,   2 0 0 2 .   [2 4 ]   C.   Ja n g ,   B.   Ha n ,   a n d   S .   Yo o n ,   " Co m p re h e n siv e   m o istu re   d if f u sio n   c h a ra c teristics   o f   e p o x y   m o ld in g   c o m p o u n d s   o v e r  so ld e r  re f lo w   p ro c e ss   te m p e r a tu re , "   IEE E  T ra n s.  C o mp o n .   Pa c k a g .   T e c h n o l. ,   3 3 ( 4 ) ,   p p .   8 0 9 – 8 1 8 ,   De c .   2 0 1 0 .   [2 5 ]   C.   Ja n g ,   S .   Yo o n ,   a n d   B.   Ha n ,   " M e a su re m e n t  o f   th e   h y g ro sc o p ic  sw e ll in g   c o e ff ici e n t  o f   th in   f il m   p o ly m e r s  u se d   in   se m ico n d u c to r   p a c k a g in g , "   IEE E  T ra n s.  o n   Co mp o n .   P a c k a g .   T e c h n o l. ,   v o l.   3 3 ,   n o .   2 ,   p p .   3 4 0 – 3 4 6 ,   Ju n .   2 0 1 0 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.