【摘要】：微機(jī)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(chē)、醫(yī)療以及消費(fèi)電子等領(lǐng)域。在MEMS傳感器的加工制造過(guò)程中,其封裝的要求和造價(jià)都占到了整個(gè)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(guò)封裝膠粘貼固定在基板上。其中,微加速度計(jì)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(huì)導(dǎo)致因?yàn)闊崾涠鹦酒Y(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(yán)重時(shí)可以導(dǎo)致整個(gè)MEMS器件的失效。針對(duì)封裝結(jié)構(gòu)因熱失配導(dǎo)致硅芯片表面的熱變形和應(yīng)變,我們通過(guò)有限元和實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(duì)上層硅芯片表面熱變形和應(yīng)變的影響;然后,通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量封裝結(jié)構(gòu)的上層硅芯片表面變形和應(yīng)變,實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的目的和要求,也提供了一種微尺度下測(cè)量MEMS上層芯片表面應(yīng)變的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元分析的結(jié)果基本吻合,證明了實(shí)驗(yàn)的可行性。論文的主要工作如下:(1)通過(guò)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(duì)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(duì)MEMS上層硅芯片在微尺度情況下的表面應(yīng)變測(cè)量,提出了一種結(jié)合光學(xué)顯微視覺(jué)、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(guò)測(cè)量硅芯片的熱膨脹系數(shù),測(cè)量值與理論值的平均相對(duì)誤差值在10%以?xún)?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(cè)量。因此,采用此方法進(jìn)行試驗(yàn),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(duì)比,結(jié)果基本相吻合,說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)具有真實(shí)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(chē)、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)等領(lǐng)域[2]。我們可以說(shuō)當(dāng)前對(duì)于 MEMS 器件的應(yīng)用已經(jīng)涉及到人類(lèi)生活的方方面面，在未來(lái)由于集成電路與制造工藝的進(jìn)一步發(fā)展與提高，MEMS 器件會(huì)變得愈加小型化，功能愈加強(qiáng)大，隨之的應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)進(jìn)一步拓寬。MEMS 器件一般具有以下四個(gè)特點(diǎn)：(1)微型化。一般指微機(jī)械電子器件的尺寸在毫米級(jí)甚至是微米級(jí)，也有一些在特殊環(huán)境下使用的器件能達(dá)到納米級(jí)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(lái)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(shí)利用現(xiàn)有的制造技術(shù)能進(jìn)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(gè)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(shí)制造工藝也需要提高； (4)多學(xué)科交叉的產(chǎn)物。MEMS 器件是結(jié)合了電子、機(jī)械、材料、信息、物理、化學(xué)等多種學(xué)科的知識(shí)，應(yīng)運(yùn)而生的一種產(chǎn)物，在當(dāng)前全球信息化的背景下，運(yùn)用這種結(jié)合了多種學(xué)科知識(shí)技術(shù)來(lái)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(wèn)題。如處于核輻射中的機(jī)器人目標(biāo)救援、青藏高原的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境測(cè)量、外太空的物質(zhì)探索等等，都是需要這種多學(xué)科交叉技術(shù)[3]。

1 緒論1.2.1 封裝結(jié)構(gòu)的熱失配對(duì) MEMS 器件表面力學(xué)的影響研究微機(jī)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(huì)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(huì)導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致封裝結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脫層和翹曲等現(xiàn)象重的時(shí)候會(huì)造成微機(jī)電器件的損壞。
【學(xué)位授予單位】：西南科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TH-39

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本文編號(hào)：2630742