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高量程MEMS加速度计封装研究

蒋玉齐  
【摘要】:高量程MEMS加速度传感器是测量高冲击过程的核心器件。由于加速度很高(几万g~几十万g),封装成为器件制造的难点与器件可靠性的关键所在。本论文对一种先进的高量程双悬臂梁压阻式MEMS加速度传感器的封装进行了系统研究,主要包括如下两方面的内容: 1)对加速度计的封装结构进行了有限元模拟分析,从模态、静态、动态角度分析和优化了加速度计的封装结构和封装材料。模态分析研究了封装结构的振动特性,而响应分析分别在10万g静态与半正弦的动态沖击加速度加载下进行,并将惠斯登电路检测原理应用于模型的响应计算中。 对封装管壳内灌封胶弹性模量影响进行了系统分析。模态分析表明:随着封装管壳内灌封胶弹性模量(E)的提高,封装结构同一振型的模态频率也提高;当弹性模量E1 GPa时,灌封胶对振动很敏感,封装结构表现为灌封胶的振动;在通常灌封胶弹性模量下(E1GPa),封装结构的模态频率主要取决于管壳的模态频率。动态载荷下等效应力分析表明:芯片粘结胶、芯片及其硅盖板之间封接胶环的等效应力随着灌封胶弹性模量(E)的增加而减小;E5 GPa时封接胶环的最大等效应力趋于稳定,封装结构在加速度加载方向振型的模态频率稍高于管壳的模态频率,这样的灌封胶适宜于保护芯片。动态响应分析表明:灌封胶对加速度计输出信号峰值的影响可以忽略,各种弹性模量下的响应曲线基本重合。 分析了不同管壳材料的影响,发现管壳材料拘比模量(E/ρ)越大,封装结构的模态频率越高,封装结构其他材料的应力也越小。使用铝合金、钛合金或不锈钢管壳时加载方向振型的模态频率均为150kHz左右,明显高于敏感梁的基频(81.58kHz),提高了器件的抗冲击性能。 在沖击作用时间内加速度计的响应是外界冲击载荷下的响应,由稳态响应和瞬态响应组成,前者与半周期、峰值均和外界加速度脉冲相同的加速度简谐激励有关,后者与悬臂梁的固有频率特性有关。冲击作用结束后,加速度计的响应为有阻尼的自由振动。输出信号峰值与加速度载荷之间线性关系很好。静态加速度下的输出灵敏度可达到1.28μV/g。模拟输出电压值与解析解及测试结果都接近。 2)对高量程加速度计的封装工艺进行了研究,侧重于先进的圆片级封装,它代表了高量程MEMS加速度传感器的发展趋势,是MEMS加速度计产业化的关键所在。 研究了单芯片封装方法,对工艺各环节的相关技术进行了探讨,对芯片的下面和 蒋玉齐:高量程MEMS加速度计封装研究 背面保护的可靠性问题进行了失效机理分析等深入探索。提出须采用圆片级封装才能 根本地解决芯片保护的可靠性问题,尝试采用了两种不同的有机粘结剂圆片级封装方 法:点胶涂胶方法(dispensing)和旋涂涂胶方法(sPin coating)。分别摸索了一套适合 于MEMS加速度计圆片级封装的工艺和参数。其流程为先用硅一玻璃键合来保护芯片 背面,再通过芯片盖板粘结来保护芯片的正面,同时为芯片留出互连通道。对于点胶 涂胶方法,尝试应用了各种表面贴装有机胶,获得了均匀、稳定、大小适中的有机胶 线条图形,在低温(150℃)和较低的辅助压力下实现了高量程加速度计模拟原型的 圆片级封装,并对相关的胶体选择、影响涂胶质量的设备因素、胶体因素、几何构型 因素等进行了优化。对于旋涂涂胶方法,尝试应用了一种新型的电子封装材料BCB 胶(苯并环丁烯),可实现对器件中心区域的完全密封,信号线通过BCB胶时被埋置 其中。创造性地采用了直接在有结构的芯片盖板上旋涂胶,进行圆片级选择性键合的 简化新工艺。在低温(250℃)和适当压力辅助下(毛2.SBar)初步实现了高量程加 速度计的圆片级封装,并对与该技术相关的旋涂、键合、气氛、压力等诸多工艺参数 进行了初步优化。结果表明有机粘结剂用于高量程加速度计的圆片级封装的技术路线 是可行的,具有低温键合、与CMOS工艺兼容性好、工艺适应性强等优点,具有潜 在的产业化应用价值。


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