【摘要】：微機電系統(tǒng)器件由于其微型化和高度集成化,目前廣泛的應(yīng)用在航空航天、汽車、醫(yī)療以及消費電子等領(lǐng)域。在MEMS傳感器的加工制造過程中,其封裝的要求和造價都占到了整個器件的很大比例。板載芯片作為目前比較廣泛的一種芯片封裝方式,將上層芯片通過封裝膠粘貼固定在基板上。其中,微加速度計等MEMS器件在持續(xù)熱載荷的工作狀態(tài)下,由于內(nèi)部硅芯片與封裝膠、基板等封裝材料間的熱膨脹系數(shù)不匹配,會導致因為熱失配而引起芯片結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力和熱變形,甚至是封裝結(jié)構(gòu)的剝離和分離,嚴重時可以導致整個MEMS器件的失效。針對封裝結(jié)構(gòu)因熱失配導致硅芯片表面的熱變形和應(yīng)變,我們通過有限元和實驗進行分析表面變形和應(yīng)變的分布情況。首先,建立基板-粘結(jié)層-硅芯片有限元分析模型,利用有限元方法分析了封裝膠、陶瓷基板及上層硅芯片的厚度變化對上層硅芯片表面熱變形和應(yīng)變的影響;然后,通過實驗來測量封裝結(jié)構(gòu)的上層硅芯片表面變形和應(yīng)變,實驗結(jié)果達到了預(yù)期的目的和要求,也提供了一種微尺度下測量MEMS上層芯片表面應(yīng)變的方法。實驗結(jié)果和有限元分析的結(jié)果基本吻合,證明了實驗的可行性。論文的主要工作如下:(1)通過建立基板-粘結(jié)層-硅芯片熱變形分析有限元模型,研究了粘結(jié)層、陶瓷基板厚度和硅芯片在不同厚度的情況下,對MEMS封裝結(jié)構(gòu)的上層硅芯片表面的熱變形和應(yīng)變分布影響情況;(2)針對MEMS上層硅芯片在微尺度情況下的表面應(yīng)變測量,提出了一種結(jié)合光學顯微視覺、硅芯片表面特征圖案的光刻工藝技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的方法。通過測量硅芯片的熱膨脹系數(shù),測量值與理論值的平均相對誤差值在10%以內(nèi)。表明該方法可成功應(yīng)用于MEMS上層硅芯片表面應(yīng)變的測量。因此,采用此方法進行試驗,最終得到硅芯片表面的熱變形和應(yīng)變分布情況,與同條件下的仿真分析作對比,結(jié)果基本相吻合,說明了實驗具有真實性和可行性。
【圖文】：

器、壓力傳感器等等，廣泛地應(yīng)用在航空航天、軍事、汽車、生物醫(yī)學、工業(yè)等領(lǐng)域[2]。我們可以說當前對于 MEMS 器件的應(yīng)用已經(jīng)涉及到人類生活的方方面面，在未來由于集成電路與制造工藝的進一步發(fā)展與提高，MEMS 器件會變得愈加小型化，功能愈加強大，隨之的應(yīng)用領(lǐng)域也會進一步拓寬。MEMS 器件一般具有以下四個特點：(1)微型化。一般指微機械電子器件的尺寸在毫米級甚至是微米級，也有一些在特殊環(huán)境下使用的器件能達到納米級尺寸。隨著微納制造工藝技術(shù)的快速發(fā)展，微小型化已趨于常態(tài)化； (2)能批量制造。硅在自然環(huán)境中是含量第二豐富的資源，，由其制造出的MEMS器件，在來源的獲取上是比較方便的，在成本的控制上是比較低廉的，同時利用現(xiàn)有的制造技術(shù)能進行批量生產(chǎn)；(3)集成化程度高。如同在前面介紹到一塊 MEMS 器件上通常封裝有多個模塊，在有限的尺寸上要裝載這些模塊，需要發(fā)展到更高的集成化程度，同時制造工藝也需要提高； (4)多學科交叉的產(chǎn)物。MEMS 器件是結(jié)合了電子、機械、材料、信息、物理、化學等多種學科的知識，應(yīng)運而生的一種產(chǎn)物，在當前全球信息化的背景下，運用這種結(jié)合了多種學科知識技術(shù)來制造出 MEMS 器件，以解決目前一些處于復(fù)雜環(huán)境中的一些問題。如處于核輻射中的機器人目標救援、青藏高原的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境測量、外太空的物質(zhì)探索等等，都是需要這種多學科交叉技術(shù)[3]。

1 緒論1.2.1 封裝結(jié)構(gòu)的熱失配對 MEMS 器件表面力學的影響研究微機電系統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)一般包括了基板、封裝膠和硅芯片等部件，它們的熱膨脹值通常都相差較大，芯片及集成電路在正常工作情況下會產(chǎn)生和散發(fā)一定的熱量熱載荷的工作條件下，不同材料間的熱失配會導致封裝結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生層間熱應(yīng)力和形，結(jié)構(gòu)界面之間的剝離應(yīng)力和剪切應(yīng)力會導致封裝結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脫層和翹曲等現(xiàn)象重的時候會造成微機電器件的損壞。
【學位授予單位】：西南科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TH-39

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本文編號：2630742