利用玻璃微腔进行MEMS圆片级气密封装研究

摘要

微机电系统(MEMS)封装主要为MEMS芯片提供电气连接、机械保护和环境支持等功能。很多MEMS器件(如MEMS加速度计和陀螺仪)通常包含一些可动部分,极易受到划片和装配过程中的灰尘、气流、水汽、机械等因素的影响,从而造成器件损坏或整体性能的下降:有些MEMS器件需要在稳定气氛的环境下工作,以保持性能稳定。因此,很多MEMS器件需要进行气密性封装。由于MEMS封装存在很多非标准工艺,因此通常采用单芯片封装,封装的成本已占到整个MEMS器件成本的50％～80％,成为MEMS产业化的一大瓶颈。本文主要研究一种利用热成型制备的玻璃微腔对MEMS器件进行圆片级气密封装方法,并对封装结构的气密性与可靠性进行了评估。
　　 首先,研究了圆片级玻璃微腔的热成型制备新方法。通过实验和模型相结合,研究了正压热成型和负压热成型制备圆片级玻璃微腔的方法,揭示了成型温度和成型时间等参数对于玻璃微腔尺寸的影响,获得了尺寸可控的圆片级玻璃微腔。
　　 其次,采用自行研制的热成型玻璃微腔对MEMS器件进行了气密性封装研究。利用微组装技术,将MEMS芯片组装在设有引线的硅衬底上,再通过阳极键合工艺,利用单个玻璃微腔对硅衬底上的MEMS器件进行了气密封装,从而获得了一种新的MEMS器件单芯片、气密性封装方法。还成功进行了圆片级的玻璃微腔与载有MEMS器件的硅衬底二次阳极键合,实现了MEMS器件的圆片级封装的原理验证。
　　 然后,对上述MEMS封装的气密性进行了研究。利用氦质谱检漏仪测试了封装样品的气密性；利用激光多普勒测振仪研究了玻璃微腔封装的MEMS谐振器的振动特性；利用玻璃微腔具有透光性的特点,采用激光多普勒测振仪,研究了MEMS可动部件的振动特性与环境气氛的关系。漏率测试的结果表明,该封装结果的气密性的漏率于5×10-9Pa.m3／s,达到美国军用标准要求:激光多普勒振动测试的结果表明,封装后的MEMS器件的振动特性能够保持长期稳定。
　　 最后,对封装结构进行力学分析,利用有限元软件对封装结构的耐冲击性进行了仿真,并通过冲击实验对仿真的结果进行了验证。结果表明,实验与仿真结果相符合,本文设计的特定尺寸的玻璃微腔MEMS封装结构可以承受至少30000g的冲击加速度。
　　 本研究获得的MEMS器件气密性封装方法具有工艺简单、密封效果好、透光等优点；采用的Pyrex7740玻璃与硅热膨胀系数相近(～3ppm),因而封装过程产生的热应力低；它是一个圆片级的封装过程,因此成本低。它在光电子封装、生物封装等方面也具有潜在的应用前景。