封装残余应力对MEMS微加速度计长期性能稳定性影响机理研究

发布时间：2020-05-09 09:56

【摘要】：MEMS封装残余应力是在封装工艺过程中由于材料热失配而在芯片上产生的残余应力,它对于高精度MEMS微加速度计的可靠性和长期贮存稳定性有着重要的影响,然而目前的研究尚不能较为清晰地解释封装残余应力在长期贮存条件下的演变机理以及其对微加速度计稳定性的作用效果,进而无法从根源上解决长期贮存的微加速度计的性能漂移问题。因此,对封装残余应力进行深入的机理研究,将有助于提升微加速度计的长期贮存稳定性,改善微加速度计产品的使用质量。本文的主要研究工作如下:(1)针对封装残余应力难于直接测量的难题,提出了一种基于在片应力放大结构和显微拉曼光谱法结合的极低封装残余应力测量方法。利用理论公式模型和3D有限元仿真,对应力放大结构设计方案进行了详尽分析,并提炼总结出应力放大结构的三个尺寸设计要求。基于SOI硅片提出了一套MEMS加工工艺流程,成功加工出在片应力放大结构,并通过实验测量验证了应力测量方法的可行性。(2)研究了封装残余应力在长期贮存时的变化规律和机理。首先基于新开发的封装应力测量技术,利用加速试验的方法,监测了长期贮存的封装应力变化规律。随后分别从两个方面探究了其变化机理,即粘接胶和硅材料内应力释放。通过实验测量了粘接胶在不同高温贮存下的松弛模量,并推导出常温贮存时的弹性模量松弛规律和完全松弛时间。此外,通过加速试验和拉曼光谱技术监测了长期贮存的硅片和未封装芯片的残余应力。本研究的结果从深层次的机理方面解释了封装残余应力应力在长期贮存时变化的原因不在于硅材料内应力,而是粘接胶的应力松弛。(3)基于封装残余应力在长期贮存时的变化机理,以粘接胶应力松弛和时间为主要参数研究了长期贮存过程中平板电容微加速度计的输出性能变化。首先针对封装残余应力对微加速度计所产生的影响,建立了变形极板的电容输出公式模型。随后通过3D有限元分析,仿真了长期贮存条件下由于粘接胶应力松弛所导致的芯片形变变化和零位输出变化。
【图文】：

残余应力,形变,微结构

２５０逦１６0ｉ逦１ｓｔ邋ｍｏｄｅ邋－＊－２ｎｄｍｏｄｅ逡逑ｏｏｅ逦３ｒｄ邋ｍｏｄｅ逦—４ｌｈｍｏｃｌｅ逡逑ｉ逦１４０．邋－＾－５！ｈｍｏｄｅ邋－＊－６ｔｈｍｏｄｅ＾逡逑，＼逦一一一一＾一逦ｉ邋ｆ逦一一＾＾逡逑￣Ｔ￣逦—ａＫ＾邋ｆｌ２０．逡逑ｒ逦：＇ｉ－邋ｉ逦ｉ邋ｓ0逦逦逦＝？逡逑ｉ邋？逦：＝邋３Ｗ邋ｉ逦１６０一一逡逑％邋ｉｏ邋２0邋３0邋４0邋ｓｏ＇＇邋？３邋ｔｏ邋ｓｏ邋ｓｏ邋１０ｃ逦０逦２００逦４００逦６００逦８００逦１０００逡逑Ｎｏｎ－ｏｍｅｆｔｔｗｗ邋Ａｔｍ邋Ｌｏａｄ邋（．＾）逦Ｒｅｓｉｄｕａｌ邋ｓｔｒｅｓｓ邋（ＭＰａ）逡逑图１．１微梁响应频率变化逦图１．２陀螺仪模式频率变化逡逑此外，残余应力还会导致微结构产生形变。形变则会对ＭＥＭＳ系统产生更为复杂逡逑的影响，形变会导致微结构出现失效，如粘附、断裂、分层等等［３７＿４１］。如图１．３，通扫描隧道显微镜观察微梁结构在残余应力较大时发现微梁出现了塌陷，从而使整个系失效ｔ％。在ＭＥＭＳ压力传感器中，尽管外部气压处于稳定状态，残余应力也能够对压逡逑力传感器的临界压力产生巨大影响，图１．４所示为残余应力导致梁上出现裂纹（红色分）［４０］。逡逑

曲率图,曲率,基底,拉曼光谱法

Ｘ射线衍射法（ＸＲＤ）基本原理是Ｂｒａｇｇ衍射现象，如图丨．７，残余应力产生的局逡逑部晶体结构改变，尤其是晶面间距的改变会对Ｂｒａｇｇ衍射图样产生影响，通过特定波长逡逑和角度入射的Ｘ射线的衍射图样，可以计算出相应的晶距和残余应力情况其优点逡逑在于能够很好地反映晶体结构，然而由于薄膜中的应力和应变分布不均，，使得Ｘ射线衍逡逑射法在测量时误差较大，准确度很低［４９＿％。拉曼光谱法源于印度物理学家拉曼所发现的逡逑拉曼散射现象，其原理如图１．８［５１１当残余应力存在时，入射到被测样品中的光会出现逡逑频率偏移，被称为斯托克斯－拉曼散射分量，其频移与残余应力大小存在一定的关系，逡逑则通过光谱分析就可以计算出残余应力大小。拉曼光谱法的优点在于分辨率高，对被测逡逑样品无破坏性，且测量速度快，是目前微系统应力测量的最常用手段。拉曼光谱法也存逡逑在一定的缺陷，例如拉曼散射谱很弱，不易观测，此外，测量多晶硅应力时，应力一频逡逑移模型较为复杂。逡逑丨－？ｂ？ｒＭ0ｒ｝邋ｍｏｎＫｎ＊ｉｒ逦Ｊｒ’，．：邋＇逡逑：逦ｌｅａ逡逑ＢＯｆｌｄｔＤＱ邋ｉｎｌ６ｒｆｄ０６逦＆？ａｔｌｃｒ？４Ｌｃｋｌｔ邋ＩｔａｃＫｋＭ邋ｕｕｃｔ逡逑Ｌ＾ｏ，逦ｌ邋ｔｒ邋—逦。／＜逡逑ｘ＇ｒａｙｓ－逡逑
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH824.4

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