石英MEMS传感器芯片与盒盖封装的热应力分析

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。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 MEMS技术简述

1.1.1 常见的MEMS失效模式

1.1.2 环境与失效模式之间的关系

1.2 MEMS封装技术及其主要失效模式

1.3 课题国内外研究现状

1.4 课题来源及主要研究内容

第二章 理论基础

2.1 温度场理论

2.1.1 热传递的三种方式

2.1.2 初始条件和边界条件

2.1.3 稳态传热

2.1.4 瞬态传热

2.2 热弹性力学理论

2.3 有限元热分析技术

2.3.1 有限元法的基本思想

2.3.2 有限元建模方法与步骤

2.3.3 有限元法的收敛准则及其解的性质

2.3.4 有限元法在MEMS结构和热分析方面的应用

2.4 本章小结

第三章 石英MEMS氢气传感器芯片的热应力分析

3.1 石英MEMS氢气传感器介绍

3.1.1 几何结构介绍

3.1.2 芯片的设计及制作过程

3.2 有限元建模过程

3.2.1 有限元模拟中需要的材料属性

3.2.2 热边界条件测定实验

3.2.3 有限元模型的建立

3.3 仿真结果与讨论

3.3.1 有限元仿真结果

3.3.2 结果讨论

3.4 本章小结

第四章 LTCC盒盖封装的热应力分析

4.1 低温共烧陶瓷（LTCC）

4.1.1 LTCC的制备及材料

4.2 建模仿真过程

4.2.1 结构和材料属性

4.2.2 边界条件设定

4.3 仿真分析结果

4.3.1 仿真结果

4.3.2 仿真结果讨论

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文的主要贡献

5.2 研究展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果