热致封装效应对MEMS器件性能影响的研究

摘要

尽管MEMS产品市场不断增长，但是MEMS产业化的进程却不顺利，大量MEMS产品构想陷入了困境。许多阻碍MEMS产业化进程的因素逐渐凸现出来，而封装与可靠性则是其中最为关键的因素之一。进入高密度时代以来的微电子封装常采用多种材料的叠层结构，各层材料热膨胀系数(CTE)的差异将导致显著的热失配现象，在整个封装结构中引入热应力和热变形，与IC相比，大多数MEMS器件对应力更为敏感，由封装引入的结构应力将对MEMS器件的性能和可靠性产生无法忽视的影响，设计不当时甚至会使器件发生根本性破坏，即热致封装效应。目前关于MEMS封装的研究，大多数仍然是沿用传统IC 封装研究思路，提供一个后续封装方案或者研究封装的可靠性，很少会从MEMS——封装协同设计的角度出发，研究MEMS封装后发生的性能漂移，即研究封装效应；本文则分别从理论和实验角度对MEMS热致封装效应进行研究，同时辅以ANSYS有限元模拟分析。 在前人研究的基础上，本文建立了分析多层封装结构表面热应变分布的有效适用解析模型，并选取具有普遍意义的表面微机械加工多晶硅固支梁为研究对象，分析热致封装效应对其基本性能——固有谐振频率的影响。 与理论分析相对应，本文的实验主要分为两部分，分别是多层封装结构的热变形测试和热致封装效应对MEMS基本梁器件性能影响的测试。 首先，利用新颖的数字散斑相关方法(DSCM，Digital Speckle Correlation Method)实际测量了多层封装结构在温度载荷下的变形，并将理论计算、有限元模拟与之对比，互为验证。讨论了封装基板类型、温度载荷、及材料参数等对热变形分布的影响，得到了一些对实际富有指导意义的结论。该表面变形正是MEMS器件在封装后发生性能漂移的主要因素。 其次，利用激光多普勒振动测试系统测量了MEMS固支梁在贴片封装后发生的频移特性。在样品制备阶段讨论了相关测试结构的设计思路和具体实现方法，包括结构的优缺点与改进，提出了一种新的热致封装效应面内应变的测试结构，改进了常用电学测试电路，避免了短路现象对设备的损坏和测试误操作；频率测试主要采用压电陶瓷激振，光学拾振的方式，并改进测试数据处理方法得到了更为准确的结果；分析了梁的几何尺寸与锚区形状、工艺残余应力、环境温度变化、激振方式等对测试结果的影响；利用ANSYS有限元模拟和振动理论分析了梁的振动特点，并与实验结果进行了对比。 本文的研究表明常见多层封装结构的热机械耦合变形对MEMS器件性能的影响显著，分析热致封装效应有助于为MEMS——封装协同设计提供有益的理论指导，对改善MEMS器件性能、提高设计效率具有积极意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 MEMS封装概述

1.1.1 MEMS封装的特点

2.2 MEMS封装工艺及主要技术

1.2 MEMS封装技术的新发展

1.3 MEMS封装效应与可靠性

1.4 MEMS—封装协同设计

1.5本篇论文的主要工作

第二章热致封装效应分析

2.1热致封装效应概述

2.2多层封装结构热失配问题

2.2.1多层结构热变形理论研究

2.2.2多层封装结构热变形的实验测量

2.3 MEMS热致封装效应研究现状与存在问题

2.4本章小结

第三章多层MEMS封装结构的热机械耦合效应理论分析

3.1多层MEMS封装结构热机械耦合效应的理论建模

3.2热致封装效应对MEMS基本梁器件性能的影响分析

3.2.1固支梁结构的振动力学方程及频率计算

3.2.2热致封装效应对固支梁谐振频率的影响分析

3.3本章小结

第四章多层MEMS封装结构热变形的实验测量

4.1数字散斑相关方法测量原理及特点

4.2样品制备与实验测量

4.2.1样品制备

4.2.2实验测量

4.3多层封装结构的热—机械耦合效应的有限元分析

4.4结果分析

4.4.1多层封装结构热变形理论计算值、有限元模拟与实验测量值的对比分析

4.4.2温度变化与热变形的关系

4.4.3不同封装基板对多层封装结构热变形分布的影响

4.4.4材料各向异性对COB封装结构热——机械耦合效应的影响

4.5结论与讨论

4.6本章小结

第五章热致封装效应对MEMS器件性能影响的实验测量

5.1样品制备

5.1.1结构设计

5.1.2版图设计

5.1.3工艺流程

5.1.4芯片释放

5.1.5贴片封装

5.2谐振频率测量

5.2.1激光多普勒测振原理及特点

5.2.2实验测量

5.3热致封装效应对MEMS梁器件谐振频率的影响

5.3.1实验测量结果

5.3.1有限元模拟结果

5.4结果分析与讨论

5.4.1芯片释放质量与存放环境的影响

5.4.2释放后的芯片形变与残余应力的影响

5.4.3梁的几何尺寸及锚区的影响

5.4.4环境温度变化的影响

5.4.5激振方式的影响

5.5 结论

5.6本章小结

第六章总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文