超声键合振动与层间热应力对MEMS器件影响的研究

发布时间：2020-03-31 19:21

【摘要】：MEMS技术在许多方面具有传统机电技术不具备的优势,在许多领域内拥有着非常重要的地位。在MEMS传感器制造的过程中,通常通过超声键合技术将硅芯片管壳或电路互联,然而在使用超声键合技术焊接引线过程中劈刀以一定的速度撞击芯片并在芯片产生高频振动,当撞击速度过高或者振动频率与MEMS芯片固有频率接近时都可能导致MEMS芯片内部结构产生破坏甚至断裂失效。同时MEMS传感器的使用过程中经常会在高温环境下,由于传感器内部不同材料的热膨胀系数不一样,这导致了由热失配引起的热机械应力,较大的热机械应力会使整个MEMS器件失效。为了探究超声键合和层间热应力对MEMS器件的具体影响,本文采用有限元方法,首先研究了加速度计的各种模态、响应分析以及劈刀在不同速度下撞击芯片时对焊盘和芯片产生的损害,然后研究了不同因素对影响层间热应力的影响以及推导出一种计算剥离应力的公式。得到的结论对研究MEMS器件失效具有重要意义和参考价值。论文的主要工作如下:(1)通过有限元方法首先对微加速度计中悬臂梁的模态和谐响应进行了分析,得到了其产生共振的频率范围,然后通过分析劈刀与焊盘的撞击,得到了不同速度下焊盘和芯片所受的应力和变形。(2)通过有限元方法首先分析了芯片、粘接层和基板在不同尺寸下对层间热应力的影响,然后推导出了一种计算层间剥离应力的方法,通过与有限元仿真以及现有的一种剥离应力计算方法对比验证其结果的准确有效性。
【图文】：

图 1-1 超声引线键合系统Fig.1-1 Ultrasonic wire bonding system 层间热应力对 MEMS 器件的影响ESM 器件在使用的过程中经常伴随着高温环境，而在 MEMS 器件封基板结构是比较常见的封装形式。芯片和基板需要通过粘接剂连接，部各组件材料的热膨胀系数（CTE）的不同，在这种高温的环境下，粘接层和基板会相对于封装中心产生热膨胀，导致粘接层间会产生界大的界面应力会使封装内部的芯片和基板产生热应力变形。因为器片上刻蚀各种各样的微机械结构器件，所以一旦产生变形就会使其生误差，，也就是常说的温度漂移现象，严重的可能导致芯片碎裂从而此可知，引线键合和热失配引起的界面层应力对 MEMS 器件的失效的作用。因此在提高 MEMS 器件的质量和可靠性的时候，我们需要键合和热失配引起的界面应力对 MEMS 器件的影响。

图 1-2 失效形式Fig.1-2 Failure form1.3 国内外研究现状目前世界上对 MEMS 器件的研究还没有一个科学、有效的分析方法和实验手段，因此对于其可靠性还处在摸索当中。保证 MEM 器件稳定可靠性工作的核心主要是能够找到产品在生产和使用的周期内产生失效的原因，以便来确定其失效模式，通过运用科学的方法对这些失效的模式进行分析并且决问题。美国 Sandia 国家实验室是研究 MEMS 可靠性的先驱。在 1997 到 1999 的三年时间里其对 MEMS 可靠性进行了大量的研究。Sandia 实验室在不同环境下对微发动机进行了失效模式的研究，并且最终开发出了微机械表面摩擦磨损的理论模型，事实证明其比较可靠。此模型综合考虑了强度、黏附磨损、临界体积等各种各样的因素。在与现实中的物理实验得出的结论相比较中发现此模型结果与其非常的接近，具有很好的实用意义。美国喷气推进实验室（JPL）1999 年发布了《MEMS 空间应用的可靠性保障指
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH-39

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本文编号：2609471