微機電系統(tǒng)（MEMS）封裝殘余應(yīng)力是在封裝工藝過程中芯片上產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,它對于MEMS器件的熱穩(wěn)定性和長期貯存穩(wěn)定性有著十分重大的影響,故而對MEMS封裝殘余應(yīng)力的高精確度測量有利于封裝應(yīng)力的研究。由于封裝殘余應(yīng)力十分微小,因此無法利用目前的測量手段直接測量封裝應(yīng)力,本文針對這個問題提出了一種基于應(yīng)力放大結(jié)構(gòu)和拉曼光譜法的封裝應(yīng)力測量方法,可以測量出MEMS器件中封裝應(yīng)力的平均水平。基于理論分析建立了原始封裝模型與應(yīng)力放大結(jié)構(gòu)之間的放大關(guān)系,并提出應(yīng)力放大結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則。接著采用3D有限元（FEM）仿真對一款高精確度MEMS微加速度計的封裝應(yīng)力測量進(jìn)行了分析,其結(jié)果與理論分析具有很高吻合度。最后,針對該微加速度計的封裝應(yīng)力測量,成功制作了應(yīng)力放大結(jié)構(gòu)的芯片樣片,并進(jìn)行封裝,隨后拉曼光譜法被用于測量樣片中的最大應(yīng)力,進(jìn)而計算出待測微加速度計中平均封裝應(yīng)力大小。實驗結(jié)果與仿真分析具有很好的吻合度,證明本文所提出的測量方法具有相當(dāng)?shù)目煽啃浴?nbsp;

【文章來源】：太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報. 2020,18(03)北大核心

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

指針結(jié)構(gòu)受力與形變示意圖

?000μm，厚度400μm。應(yīng)力放大結(jié)構(gòu)的芯片總體尺寸與封裝模型相同，滿足前提條件1)的要求；其敏感結(jié)構(gòu)厚度為20μm，外框?qū)挾葹?00μm，滿足前提條件2)中外框剛度遠(yuǎn)大于敏感結(jié)構(gòu)剛度的要求；敏感結(jié)構(gòu)中支撐梁寬度為400μm，指針寬度為20μm，滿足前提條件3)中支撐梁剛度遠(yuǎn)大于指針剛度的要求。指針長度為40μm，代入式(7)計算出其理論放大率為187倍。此外，原始封裝模型和應(yīng)力放大結(jié)構(gòu)封裝模型封裝應(yīng)力仿真所使用的封裝條件相同：封裝膠厚為10μm，四點布膠，材料為環(huán)氧樹脂膠；封裝溫度變?yōu)?0℃到20℃，基底為陶瓷材料。圖4和圖5分別為原始封裝模型和應(yīng)力放大結(jié)構(gòu)封裝模型的有限元仿真結(jié)果。通過有限元分析計算出微加速度計下極板原始封裝應(yīng)力平均大小約為0.31MPa，為壓應(yīng)力。而經(jīng)過應(yīng)力放大結(jié)構(gòu)放大后，其指針上最大殘余應(yīng)力約53.3MPa，同樣是壓應(yīng)力，集中在指針根部，代入式(8)計算得待測封裝應(yīng)力平均值為0.285MPa。對比封裝應(yīng)力直接仿真結(jié)果和使用本文測量方法的仿真結(jié)果，二者誤差為8%，吻合度很高，證明本文提出的測量方法在仿真上具有可信度。3實驗為了驗證封裝應(yīng)力測量方法的可行性，本文針對前文所述的一款高精確度微加速度計進(jìn)行了封裝應(yīng)力測量實驗，目的是通過本文提出的測量方法測量其芯片下極板中的平均封裝應(yīng)力大校實驗首先完成了對應(yīng)力放大結(jié)構(gòu)的測量樣片的工藝設(shè)計和制作，接著進(jìn)行封裝和指針上最大Fig.4FEMresultofresidualstressoforiginalpackagemodel圖4原始封裝模型參與應(yīng)力仿真結(jié)果3.17161053.11197105equivalentstress/Pa6.203106max5.08781063.97261062.85751061.74231066.271510569576minFig.5Stressdistributiononprobeo

μm，厚度400μm。應(yīng)力放大結(jié)構(gòu)的芯片總體尺寸與封裝模型相同，滿足前提條件1)的要求；其敏感結(jié)構(gòu)厚度為20μm，外框?qū)挾葹?00μm，滿足前提條件2)中外框剛度遠(yuǎn)大于敏感結(jié)構(gòu)剛度的要求；敏感結(jié)構(gòu)中支撐梁寬度為400μm，指針寬度為20μm，滿足前提條件3)中支撐梁剛度遠(yuǎn)大于指針剛度的要求。指針長度為40μm，代入式(7)計算出其理論放大率為187倍。此外，原始封裝模型和應(yīng)力放大結(jié)構(gòu)封裝模型封裝應(yīng)力仿真所使用的封裝條件相同：封裝膠厚為10μm，四點布膠，材料為環(huán)氧樹脂膠；封裝溫度變?yōu)?0℃到20℃，基底為陶瓷材料。圖4和圖5分別為原始封裝模型和應(yīng)力放大結(jié)構(gòu)封裝模型的有限元仿真結(jié)果。通過有限元分析計算出微加速度計下極板原始封裝應(yīng)力平均大小約為0.31MPa，為壓應(yīng)力。而經(jīng)過應(yīng)力放大結(jié)構(gòu)放大后，其指針上最大殘余應(yīng)力約53.3MPa，同樣是壓應(yīng)力，集中在指針根部，代入式(8)計算得待測封裝應(yīng)力平均值為0.285MPa。對比封裝應(yīng)力直接仿真結(jié)果和使用本文測量方法的仿真結(jié)果，二者誤差為8%，吻合度很高，證明本文提出的測量方法在仿真上具有可信度。3實驗為了驗證封裝應(yīng)力測量方法的可行性，本文針對前文所述的一款高精確度微加速度計進(jìn)行了封裝應(yīng)力測量實驗，目的是通過本文提出的測量方法測量其芯片下極板中的平均封裝應(yīng)力大校實驗首先完成了對應(yīng)力放大結(jié)構(gòu)的測量樣片的工藝設(shè)計和制作，接著進(jìn)行封裝和指針上最大Fig.4FEMresultofresidualstressoforiginalpackagemodel圖4原始封裝模型參與應(yīng)力仿真結(jié)果3.17161053.11197105equivalentstress/Pa6.203106max5.08781063.97261062.85751061.74231066.271510569576minFig.5Stressdistributiononprobeofstre

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]粘片工藝對MEMS器件應(yīng)力的影響研究[J]. 吳慧,段寶明,秦盼,謝斌,李蘇蘇.  新技術(shù)新工藝. 2016(06)
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本文編號：3583420