本文關(guān)鍵詞：石英MEMS傳感器芯片與盒蓋封裝的熱應(yīng)力分析

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【摘要】：微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-electro-mechanical Systems）技術(shù)是采用各種前沿的微納加工技術(shù)，并輔以最新的現(xiàn)代信息電子及技術(shù)發(fā)展起來的高科技前沿學(xué)科。隨著深入的研究，MEMS器件的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，在一個微小的三維空間里集成的各種材料的元器件也越來越多。在此情況下，，MEMS器件的性能也備受關(guān)準(zhǔn)，MEMS器件的失效問題也變得日益突出。對于熱應(yīng)力造成的失效，主要是由于器件在封裝或者工作過程中內(nèi)部產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力會對其造成很多不同形式的失效。在MEMS器件中，由于各種材料之間的熱膨脹系數(shù)的差異（俗稱熱匹配不良），以及各種材料鍵合在一起形成的各種鋒利的形狀，更容易產(chǎn)生熱應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而使器件發(fā)生失效。 本論文中研究課題來源于日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（NEDO）和早稻田大學(xué)植田研究室的合作開發(fā)項目，分別從封裝和芯片兩個不同的角度，分析了一款MEMS氫氣傳感器芯片及LTCC盒蓋封裝的熱應(yīng)力分布。所有的分析過程均通過有限元分析方法來實(shí)現(xiàn)，并對分析的結(jié)果進(jìn)行再設(shè)計、再分析。其中對于石英晶體這樣的各項異性材料，通過一系列的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，得到了其在分析所需要的特定晶向坐標(biāo)系下的材料屬性，針對石英MEMS器件，設(shè)計了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)來測量邊界熱載荷，即通過石英的晶振特性，通過測量晶振頻率來獲得相應(yīng)的熱載荷的數(shù)值。然后分別使用Comsol Multiphysics和ANSYS Workbench軟件以及相應(yīng)的CAD軟件建立起三維有限元模型，先對模型進(jìn)行溫度場的分析，然后再運(yùn)用熱、結(jié)構(gòu)耦合模塊對模型在封裝以及工作過程中的熱應(yīng)力分布進(jìn)行了模擬，找出了最容易發(fā)生失效的部分。并再次結(jié)合有限元方法，提出了多種改善方案。最后經(jīng)過綜合比較，得出最可行的方案。
【關(guān)鍵詞】：MEMS 封裝 有限元分析 熱應(yīng)力
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TP212;TH-39
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第一章 緒論9-18
• 1.1 MEMS 技術(shù)簡述9-12
• 1.1.1 常見的 MEMS 失效模式10-11
• 1.1.2 環(huán)境與失效模式之間的關(guān)系11-12
• 1.2 MEMS 封裝技術(shù)及其主要失效模式12-14
• 1.3 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-16
• 1.4 課題來源及主要研究內(nèi)容16-18
• 第二章 理論基礎(chǔ)18-31
• 2.1 溫度場理論18-22
• 2.1.1 熱傳遞的三種方式19-20
• 2.1.2 初始條件和邊界條件20-21
• 2.1.3 穩(wěn)態(tài)傳熱21
• 2.1.4 瞬態(tài)傳熱21-22
• 2.2 熱彈性力學(xué)理論22-24
• 2.3 有限元熱分析技術(shù)24-30
• 2.3.1 有限元法的基本思想24-25
• 2.3.2 有限元建模方法與步驟25-26
• 2.3.3 有限元法的收斂準(zhǔn)則及其解的性質(zhì)26-27
• 2.3.4 有限元法在 MEMS 結(jié)構(gòu)和熱分析方面的應(yīng)用27-30
• 2.4 本章小結(jié)30-31
• 第三章 石英 MEMS 氫氣傳感器芯片的熱應(yīng)力分析31-57
• 3.1 石英 MEMS 氫氣傳感器介紹31-37
• 3.1.1 幾何結(jié)構(gòu)介紹31-33
• 3.1.2 芯片的設(shè)計及制作過程33-37
• 3.2 有限元建模過程37-50
• 3.2.1 有限元模擬中需要的材料屬性37-41
• 3.2.2 熱邊界條件測定實(shí)驗(yàn)41-46
• 3.2.3 有限元模型的建立46-50
• 3.3 仿真結(jié)果與討論50-56
• 3.3.1 有限元仿真結(jié)果50-53
• 3.3.2 結(jié)果討論53-56
• 3.4 本章小結(jié)56-57
• 第四章 LTCC 盒蓋封裝的熱應(yīng)力分析57-71
• 4.1 低溫共燒陶瓷（LTCC）57-60
• 4.1.1 LTCC 的制備及材料57-60
• 4.2 建模仿真過程60-64
• 4.2.1 結(jié)構(gòu)和材料屬性60-62
• 4.2.2 邊界條件設(shè)定62-64
• 4.3 仿真分析結(jié)果64-70
• 4.3.1 仿真結(jié)果64-66
• 4.3.2 仿真結(jié)果討論66-70
• 4.4 本章小結(jié)70-71
• 第五章 總結(jié)與展望71-73
• 5.1 本文的主要貢獻(xiàn)71-72
• 5.2 研究展望72-73
• 致謝73-74
• 參考文獻(xiàn)74-77
• 攻碩期間取得的研究成果77-78

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 陳一梅,黃元慶;MEMS封裝技術(shù)[J];傳感器技術(shù);2005年03期

2 黃新波,賈建援,王衛(wèi)東;MEMS技術(shù)及應(yīng)用的新進(jìn)展[J];機(jī)械科學(xué)與技術(shù);2003年S1期

3 張昱,潘武;MEMS封裝技術(shù)[J];納米技術(shù)與精密工程;2005年03期

本文編號：822261