高性能热式风速计关键工艺研究

摘要

随着半导体技术的发展，MEMS热式风速传感器基于其体积小，功耗小，可批量化生产等方式，逐渐替代了传统的具有可动结构的风速计，大批量的应用于天气预测、交通指引、农业种植，工业制造等领域，为人们的生活带来极大的便利。 本文针对实验室已有的二维热式风速传感器芯片，提出了一种基于低温共烧陶瓷工艺（Low Temperature Cofired Ceramic,LTCC）的MEMS热式风速计芯片的封装方式，采用低温共烧硅片陶瓷替代原有的手工胶贴硅片陶瓷的方式。本文所提出的封装方式改善了原有封装导热胶不均匀性带来的传感器一致性问题，减小了封装层面积，同时为芯片隔热槽提供了支撑作用，旨在提高风速计的灵敏度。首先通过COMSOL进行风场模拟，初步验证其性能。 其次对低温共烧陶瓷的工艺进行研究，通过COMSOL进行热应力仿真，为实验提供导向作用，再针对本文所涉及对象，调整工艺流程，反复进行多次实验，旨在将陶瓷完全烧结在硅片表面，同时保证其粘附性、表面致密度、热应力满足风速传感器封装的要求。 最后，对实验样品进行测试分析，通过对不同实验样品的表面形态、致密度、厚度收缩率、粘附性、热应力等参数的分析，获得最佳的实验结果。实验表明，匀胶机转速系数处于7.5-12.5之间时，陶瓷的表面致密度大；升温速度选择10℃/min，封装层热应力在允许范围内，达到封装要求；最低烧结温度为850℃时，玻璃的流动性满足烧结要求；保温时间选取3h，即可给予玻璃熔融物充足的流动时间。实验参数满足上述条件时，陶瓷配比50%，气孔率为7%左右；陶瓷配比为40%时，气孔率接近0。

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