微惯性器件的三维封装设计与实现

摘要

微惯性器件是采用微细加工技术制作而成的一种MEMS器件，利用内部设计的敏感结构和信号调理电路能够检测到载体在运动时的参量（加速度、角速度）。为了测量多个方向的运动参量，同时考虑到单片集成多维惯性器件的难度，采用三维封装技术将多个微惯性器件进行高密度集成，可以满足多维运动参量的测量要求。经三维封装后的器件尺寸更小、互连线更短，非常适合多个微惯性器件集成封装的要求。本文结合 LTCC技术在集成封装方面的优势，将两个单轴硅微机械加速度计集成在一个陶瓷封装体中，制作了用于多维惯性参量测量的微加速度计器件，并对封装结构的可靠性和工艺实现的可行性进行了详细分析验证，最后对器件性能进行了实验研究。主要的研究内容和结论有：
　　1、分析了微惯性器件的基本原理，针对微机械加速度计封装的要求设计了一种三维封装结构。该结构由上下两层陶瓷腔体构成，芯片内置于腔体中，利用焊料实现结构的密封和互连。
　　2、对三维封装结构进行热仿真分析。在ANSYS软件中建立封装结构模型，对散热性能进行了仿真，结果表明该结构的散热性能优异，符合芯片封装设计要求。
　　3、鉴于焊料对封装体密封和互连性能的影响重大，本文通过切条的方式建立了热循环仿真模型，对焊点的应力应变进行了深入的分析：分析中发现塑性应变对焊点应变起主导作用，塑性应变随着循环周期的增加而不断积累，由此解释了焊料在长期使用后出现失效的主要原因。利用Darveaux寿命预测模型计算出了密封失效和互连失效危险焊点的寿命，得出最先发生的失效将是气密失效，另外分析了焊点尺寸对寿命预测结果的影响。
　　4、分析了封装结构的抗冲击性能，包括模态分析和半正弦冲击响应分析。通过模态分析，得到了前六阶模态频率和相应的振型，分析了结构尺寸对模态频率的影响。半正弦冲击响应的仿真中，在幅值为2000g的半正弦载荷作用下，封装结构仍有比较好的动态响应。
　　5、采用LTCC技术完成了管壳的加工并完成了三维封装结构的组装，封装后器件的尺寸为：7mm×8mm×4.1mm。搭建了测试平台，对器件的性能进行测试和试验分析。

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缩略词表

第一章 绪论

1.1 微惯性器件概述

1.2 微惯性器件的三维封装技术

1.3 主要研究内容

第二章 三维封装结构的热分析

2.1 有限元分析方法

2.2 热分析相关原理

2.3 稳态热分析

2.4本章小结

第三章 三维封装结构的热循环和冲击可靠性

3.1 热循环分析

3.2模态分析

3.3 半正弦冲击响应

3.4本章小结

第四章 基于LTCC技术的三维封装设计与实现

4.1 LTCC技术

4.2 陶瓷管壳的设计和加工

4.3 三维封装体的组装

4.4测试

4.5本章小结

第五章 总结

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果