石英MEMS传感器芯片与盒盖封装的热应力分析

发布时间：2017-09-09 19:13

  本文关键词：石英MEMS传感器芯片与盒盖封装的热应力分析

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【摘要】：微机电系统（Micro-electro-mechanical Systems）技术是采用各种前沿的微纳加工技术，并辅以最新的现代信息电子及技术发展起来的高科技前沿学科。随着深入的研究，MEMS器件的结构也越来越复杂，在一个微小的三维空间里集成的各种材料的元器件也越来越多。在此情况下，，MEMS器件的性能也备受关准，MEMS器件的失效问题也变得日益突出。对于热应力造成的失效，主要是由于器件在封装或者工作过程中内部产生的热残余应力会对其造成很多不同形式的失效。在MEMS器件中，由于各种材料之间的热膨胀系数的差异（俗称热匹配不良），以及各种材料键合在一起形成的各种锋利的形状，更容易产生热应力集中现象，从而使器件发生失效。 本论文中研究课题来源于日本产业技术综合研究所（NEDO）和早稻田大学植田研究室的合作开发项目，分别从封装和芯片两个不同的角度，分析了一款MEMS氢气传感器芯片及LTCC盒盖封装的热应力分布。所有的分析过程均通过有限元分析方法来实现，并对分析的结果进行再设计、再分析。其中对于石英晶体这样的各项异性材料，通过一系列的坐标转换方法，得到了其在分析所需要的特定晶向坐标系下的材料属性，针对石英MEMS器件，设计了相应的实验来测量边界热载荷，即通过石英的晶振特性，通过测量晶振频率来获得相应的热载荷的数值。然后分别使用Comsol Multiphysics和ANSYS Workbench软件以及相应的CAD软件建立起三维有限元模型，先对模型进行温度场的分析，然后再运用热、结构耦合模块对模型在封装以及工作过程中的热应力分布进行了模拟，找出了最容易发生失效的部分。并再次结合有限元方法，提出了多种改善方案。最后经过综合比较，得出最可行的方案。
【关键词】：MEMS 封装 有限元分析 热应力
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP212;TH-39
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第一章 绪论9-18
• 1.1 MEMS 技术简述9-12
• 1.1.1 常见的 MEMS 失效模式10-11
• 1.1.2 环境与失效模式之间的关系11-12
• 1.2 MEMS 封装技术及其主要失效模式12-14
• 1.3 课题国内外研究现状14-16
• 1.4 课题来源及主要研究内容16-18
• 第二章 理论基础18-31
• 2.1 温度场理论18-22
• 2.1.1 热传递的三种方式19-20
• 2.1.2 初始条件和边界条件20-21
• 2.1.3 稳态传热21
• 2.1.4 瞬态传热21-22
• 2.2 热弹性力学理论22-24
• 2.3 有限元热分析技术24-30
• 2.3.1 有限元法的基本思想24-25
• 2.3.2 有限元建模方法与步骤25-26
• 2.3.3 有限元法的收敛准则及其解的性质26-27
• 2.3.4 有限元法在 MEMS 结构和热分析方面的应用27-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第三章 石英 MEMS 氢气传感器芯片的热应力分析31-57
• 3.1 石英 MEMS 氢气传感器介绍31-37
• 3.1.1 几何结构介绍31-33
• 3.1.2 芯片的设计及制作过程33-37
• 3.2 有限元建模过程37-50
• 3.2.1 有限元模拟中需要的材料属性37-41
• 3.2.2 热边界条件测定实验41-46
• 3.2.3 有限元模型的建立46-50
• 3.3 仿真结果与讨论50-56
• 3.3.1 有限元仿真结果50-53
• 3.3.2 结果讨论53-56
• 3.4 本章小结56-57
• 第四章 LTCC 盒盖封装的热应力分析57-71
• 4.1 低温共烧陶瓷（LTCC）57-60
• 4.1.1 LTCC 的制备及材料57-60
• 4.2 建模仿真过程60-64
• 4.2.1 结构和材料属性60-62
• 4.2.2 边界条件设定62-64
• 4.3 仿真分析结果64-70
• 4.3.1 仿真结果64-66
• 4.3.2 仿真结果讨论66-70
• 4.4 本章小结70-71
• 第五章 总结与展望71-73
• 5.1 本文的主要贡献71-72
• 5.2 研究展望72-73
• 致谢73-74
• 参考文献74-77
• 攻硕期间取得的研究成果77-78

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 陈一梅,黄元庆;MEMS封装技术[J];传感器技术;2005年03期

2 黄新波,贾建援,王卫东;MEMS技术及应用的新进展[J];机械科学与技术;2003年S1期

3 张昱,潘武;MEMS封装技术[J];纳米技术与精密工程;2005年03期

本文编号：822261