【摘要】：MEMS封裝殘余應(yīng)力是在封裝工藝過程中由于材料熱失配而在芯片上產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,它對于高精度MEMS微加速度計的可靠性和長期貯存穩(wěn)定性有著重要的影響,然而目前的研究尚不能較為清晰地解釋封裝殘余應(yīng)力在長期貯存條件下的演變機理以及其對微加速度計穩(wěn)定性的作用效果,進而無法從根源上解決長期貯存的微加速度計的性能漂移問題。因此,對封裝殘余應(yīng)力進行深入的機理研究,將有助于提升微加速度計的長期貯存穩(wěn)定性,改善微加速度計產(chǎn)品的使用質(zhì)量。本文的主要研究工作如下:(1)針對封裝殘余應(yīng)力難于直接測量的難題,提出了一種基于在片應(yīng)力放大結(jié)構(gòu)和顯微拉曼光譜法結(jié)合的極低封裝殘余應(yīng)力測量方法。利用理論公式模型和3D有限元仿真,對應(yīng)力放大結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行了詳盡分析,并提煉總結(jié)出應(yīng)力放大結(jié)構(gòu)的三個尺寸設(shè)計要求。基于SOI硅片提出了一套MEMS加工工藝流程,成功加工出在片應(yīng)力放大結(jié)構(gòu),并通過實驗測量驗證了應(yīng)力測量方法的可行性。(2)研究了封裝殘余應(yīng)力在長期貯存時的變化規(guī)律和機理。首先基于新開發(fā)的封裝應(yīng)力測量技術(shù),利用加速試驗的方法,監(jiān)測了長期貯存的封裝應(yīng)力變化規(guī)律。隨后分別從兩個方面探究了其變化機理,即粘接膠和硅材料內(nèi)應(yīng)力釋放。通過實驗測量了粘接膠在不同高溫貯存下的松弛模量,并推導出常溫貯存時的彈性模量松弛規(guī)律和完全松弛時間。此外,通過加速試驗和拉曼光譜技術(shù)監(jiān)測了長期貯存的硅片和未封裝芯片的殘余應(yīng)力。本研究的結(jié)果從深層次的機理方面解釋了封裝殘余應(yīng)力應(yīng)力在長期貯存時變化的原因不在于硅材料內(nèi)應(yīng)力,而是粘接膠的應(yīng)力松弛。(3)基于封裝殘余應(yīng)力在長期貯存時的變化機理,以粘接膠應(yīng)力松弛和時間為主要參數(shù)研究了長期貯存過程中平板電容微加速度計的輸出性能變化。首先針對封裝殘余應(yīng)力對微加速度計所產(chǎn)生的影響,建立了變形極板的電容輸出公式模型。隨后通過3D有限元分析,仿真了長期貯存條件下由于粘接膠應(yīng)力松弛所導致的芯片形變變化和零位輸出變化。
【圖文】：

２５０邐１６0ｉ邐１ｓｔ邋ｍｏｄｅ邋－＊－２ｎｄｍｏｄｅ逡逑ｏｏｅ邐３ｒｄ邋ｍｏｄｅ邐—４ｌｈｍｏｃｌｅ逡逑ｉ邐１４０．邋－＾－５�。瑁恚铮洌邋澹叮簦瑁恚铮洌澹掊义希苓娨灰灰灰唬抟贿姡殄澹孢娨灰唬蓿掊义希裕姟幔耍掊澹妫欤玻埃义希蜻姡海В椋澹檫姡殄澹�0邐邐邐＝？逡逑ｉ邋？邐：＝邋３Ｗ邋ｉ邐１６０一一逡逑％邋ｉｏ邋２0邋３0邋４0邋ｓｏ＇＇邋？３邋ｔｏ邋ｓｏ邋ｓｏ邋１０ｃ邐０邐２００邐４００邐６００邐８００邐１０００逡逑Ｎｏｎ－ｏｍｅｆｔｔｗｗ邋Ａｔｍ邋Ｌｏａｄ邋（．＾）邐Ｒｅｓｉｄｕａｌ邋ｓｔｒｅｓｓ邋（ＭＰａ）逡逑圖１．１微梁響應(yīng)頻率變化邐圖１．２陀螺儀模式頻率變化逡逑此外，殘余應(yīng)力還會導致微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生形變。形變則會對ＭＥＭＳ系統(tǒng)產(chǎn)生更為復(fù)雜逡逑的影響，形變會導致微結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失效，如粘附、斷裂、分層等等［３７＿４１］。如圖１．３，通掃描隧道顯微鏡觀察微梁結(jié)構(gòu)在殘余應(yīng)力較大時發(fā)現(xiàn)微梁出現(xiàn)了塌陷，從而使整個系失效ｔ％。在ＭＥＭＳ壓力傳感器中，盡管外部氣壓處于穩(wěn)定狀態(tài)，殘余應(yīng)力也能夠?qū)哄义狭鞲衅鞯呐R界壓力產(chǎn)生巨大影響，圖１．４所示為殘余應(yīng)力導致梁上出現(xiàn)裂紋（紅色分）［４０］。逡逑

Ｘ射線衍射法（ＸＲＤ）基本原理是Ｂｒａｇｇ衍射現(xiàn)象，如圖丨．７，殘余應(yīng)力產(chǎn)生的局逡逑部晶體結(jié)構(gòu)改變，尤其是晶面間距的改變會對Ｂｒａｇｇ衍射圖樣產(chǎn)生影響，通過特定波長逡逑和角度入射的Ｘ射線的衍射圖樣，可以計算出相應(yīng)的晶距和殘余應(yīng)力情況其優(yōu)點逡逑在于能夠很好地反映晶體結(jié)構(gòu)，然而由于薄膜中的應(yīng)力和應(yīng)變分布不均，，使得Ｘ射線衍逡逑射法在測量時誤差較大，準確度很低［４９＿％。拉曼光譜法源于印度物理學家拉曼所發(fā)現(xiàn)的逡逑拉曼散射現(xiàn)象，其原理如圖１．８［５１１當殘余應(yīng)力存在時，入射到被測樣品中的光會出現(xiàn)逡逑頻率偏移，被稱為斯托克斯－拉曼散射分量，其頻移與殘余應(yīng)力大小存在一定的關(guān)系，逡逑則通過光譜分析就可以計算出殘余應(yīng)力大小。拉曼光譜法的優(yōu)點在于分辨率高，對被測逡逑樣品無破壞性，且測量速度快，是目前微系統(tǒng)應(yīng)力測量的最常用手段。拉曼光譜法也存逡逑在一定的缺陷，例如拉曼散射譜很弱，不易觀測，此外，測量多晶硅應(yīng)力時，應(yīng)力一頻逡逑移模型較為復(fù)雜。逡逑丨－？ｂ？ｒＭ0ｒ｝邋ｍｏｎＫｎ＊ｉｒ邐Ｊｒ’，．：邋＇逡逑：邐ｌｅａ逡逑ＢＯｆｌｄｔＤＱ邋ｉｎｌ６ｒｆｄ０６邐＆？ａｔｌｃｒ？４Ｌｃｋｌｔ邋ＩｔａｃＫｋＭ邋ｕｕｃｔ逡逑Ｌ＾ｏ，邐ｌ邋ｔｒ邋—邐。／＜逡逑ｘ＇ｒａｙｓ－逡逑
【學位授予單位】：中國工程物理研究院
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TH824.4

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本文編號：2655967