發(fā)布時(shí)間：2022-01-11 20:33

　　微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）封裝殘余應(yīng)力是在封裝工藝過(guò)程中芯片上產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,它對(duì)于MEMS器件的熱穩(wěn)定性和長(zhǎng)期貯存穩(wěn)定性有著十分重大的影響,故而對(duì)MEMS封裝殘余應(yīng)力的高精確度測(cè)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(wú)法利用目前的測(cè)量手段直接測(cè)量封裝應(yīng)力,本文針對(duì)這個(gè)問(wèn)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(cè)量方法,可以測(cè)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(jì)原則。接著采用3D有限元（FEM）仿真對(duì)一款高精確度MEMS微加速度計(jì)的封裝應(yīng)力測(cè)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(duì)該微加速度計(jì)的封裝應(yīng)力測(cè)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(cè)量樣片中的最大應(yīng)力,進(jìn)而計(jì)算出待測(cè)微加速度計(jì)中平均封裝應(yīng)力大小。實(shí)驗(yàn)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(cè)量方法具有相當(dāng)?shù)目煽啃浴?nbsp;

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

【文章頁(yè)數(shù)】：7 頁(yè)

【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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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(zhǎng)度為40μm，代入式(7)計(jì)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(diǎn)布膠，材料為環(huán)氧樹(shù)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(guò)有限元分析計(jì)算出微加速度計(jì)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(guò)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(jì)算得待測(cè)封裝應(yīng)力平均值為0.285MPa。對(duì)比封裝應(yīng)力直接仿真結(jié)果和使用本文測(cè)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(cè)量方法在仿真上具有可信度。3實(shí)驗(yàn)為了驗(yàn)證封裝應(yīng)力測(cè)量方法的可行性，本文針對(duì)前文所述的一款高精確度微加速度計(jì)進(jìn)行了封裝應(yīng)力測(cè)量實(shí)驗(yàn)，目的是通過(guò)本文提出的測(cè)量方法測(cè)量其芯片下極板中的平均封裝應(yīng)力大校實(shí)驗(yàn)首先完成了對(duì)應(yīng)力放大結(jié)構(gòu)的測(cè)量樣片的工藝設(shè)計(jì)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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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(zhǎng)度為40μm，代入式(7)計(jì)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(diǎn)布膠，材料為環(huán)氧樹(shù)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(guò)有限元分析計(jì)算出微加速度計(jì)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(guò)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(jì)算得待測(cè)封裝應(yīng)力平均值為0.285MPa。對(duì)比封裝應(yīng)力直接仿真結(jié)果和使用本文測(cè)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(cè)量方法在仿真上具有可信度。3實(shí)驗(yàn)為了驗(yàn)證封裝應(yīng)力測(cè)量方法的可行性，本文針對(duì)前文所述的一款高精確度微加速度計(jì)進(jìn)行了封裝應(yīng)力測(cè)量實(shí)驗(yàn)，目的是通過(guò)本文提出的測(cè)量方法測(cè)量其芯片下極板中的平均封裝應(yīng)力大校實(shí)驗(yàn)首先完成了對(duì)應(yīng)力放大結(jié)構(gòu)的測(cè)量樣片的工藝設(shè)計(jì)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(duì)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)
[2]三明治型微加速度計(jì)溫度漂移封裝膠關(guān)系研究[J]. 戴強(qiáng),蘇偉,張德,彭勃,蔣剛.  太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào). 2015(01)



本文編號(hào)：3583420