热失配对MEMS上层芯片变形的影响和测量

发布时间：2020-04-17 10:00

【摘要】：微机电系统器件由于其微型化和高度集成化,目前广泛的应用在航空航天、汽车、医疗以及消费电子等领域。在MEMS传感器的加工制造过程中,其封装的要求和造价都占到了整个器件的很大比例。板载芯片作为目前比较广泛的一种芯片封装方式,将上层芯片通过封装胶粘贴固定在基板上。其中,微加速度计等MEMS器件在持续热载荷的工作状态下,由于内部硅芯片与封装胶、基板等封装材料间的热膨胀系数不匹配,会导致因为热失配而引起芯片结构的热应力和热变形,甚至是封装结构的剥离和分离,严重时可以导致整个MEMS器件的失效。针对封装结构因热失配导致硅芯片表面的热变形和应变,我们通过有限元和实验进行分析表面变形和应变的分布情况。首先,建立基板-粘结层-硅芯片有限元分析模型,利用有限元方法分析了封装胶、陶瓷基板及上层硅芯片的厚度变化对上层硅芯片表面热变形和应变的影响;然后,通过实验来测量封装结构的上层硅芯片表面变形和应变,实验结果达到了预期的目的和要求,也提供了一种微尺度下测量MEMS上层芯片表面应变的方法。实验结果和有限元分析的结果基本吻合,证明了实验的可行性。论文的主要工作如下:(1)通过建立基板-粘结层-硅芯片热变形分析有限元模型,研究了粘结层、陶瓷基板厚度和硅芯片在不同厚度的情况下,对MEMS封装结构的上层硅芯片表面的热变形和应变分布影响情况;(2)针对MEMS上层硅芯片在微尺度情况下的表面应变测量,提出了一种结合光学显微视觉、硅芯片表面特征图案的光刻工艺技术和数字图像处理技术的方法。通过测量硅芯片的热膨胀系数,测量值与理论值的平均相对误差值在10%以内。表明该方法可成功应用于MEMS上层硅芯片表面应变的测量。因此,采用此方法进行试验,最终得到硅芯片表面的热变形和应变分布情况,与同条件下的仿真分析作对比,结果基本相吻合,说明了实验具有真实性和可行性。
【图文】：

过程图,双列直插式封装,过程

器、压力传感器等等，广泛地应用在航空航天、军事、汽车、生物医学、工业等领域[2]。我们可以说当前对于 MEMS 器件的应用已经涉及到人类生活的方方面面，在未来由于集成电路与制造工艺的进一步发展与提高，MEMS 器件会变得愈加小型化，功能愈加强大，随之的应用领域也会进一步拓宽。MEMS 器件一般具有以下四个特点：(1)微型化。一般指微机械电子器件的尺寸在毫米级甚至是微米级，也有一些在特殊环境下使用的器件能达到纳米级尺寸。随着微纳制造工艺技术的快速发展，微小型化已趋于常态化； (2)能批量制造。硅在自然环境中是含量第二丰富的资源，，由其制造出的MEMS器件，在来源的获取上是比较方便的，在成本的控制上是比较低廉的，同时利用现有的制造技术能进行批量生产；(3)集成化程度高。如同在前面介绍到一块 MEMS 器件上通常封装有多个模块，在有限的尺寸上要装载这些模块，需要发展到更高的集成化程度，同时制造工艺也需要提高； (4)多学科交叉的产物。MEMS 器件是结合了电子、机械、材料、信息、物理、化学等多种学科的知识，应运而生的一种产物，在当前全球信息化的背景下，运用这种结合了多种学科知识技术来制造出 MEMS 器件，以解决目前一些处于复杂环境中的一些问题。如处于核辐射中的机器人目标救援、青藏高原的复杂地质环境测量、外太空的物质探索等等，都是需要这种多学科交叉技术[3]。

封装结构,热应力,器件,热失配

1 绪论1.2.1 封装结构的热失配对 MEMS 器件表面力学的影响研究微机电系统封装结构一般包括了基板、封装胶和硅芯片等部件，它们的热膨胀值通常都相差较大，芯片及集成电路在正常工作情况下会产生和散发一定的热量热载荷的工作条件下，不同材料间的热失配会导致封装结构中产生层间热应力和形，结构界面之间的剥离应力和剪切应力会导致封装结构出现脱层和翘曲等现象重的时候会造成微机电器件的损坏。
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH-39

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