MEMS慣性器件低應(yīng)力封裝過渡層研究

段 杰 ，趙萬良，成宇翔，楊 浩，慕蓉欣

(1.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109；2.上海慣性工程技術(shù)研究中心，上海 201109)

0 引言

MEMS慣性器件是隨著微機(jī)械加工技術(shù)和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展而逐漸成長起來的,由于微機(jī)械慣性器件具備體積小、質(zhì)量小、功耗低、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化、可用于大規(guī)模生產(chǎn)等特點(diǎn)，在精度要求不高的民用市場已經(jīng)逐漸取代了價格昂貴且體積龐大的傳統(tǒng)慣性傳感器，在汽車工業(yè)、生物醫(yī)療、消費(fèi)電子行業(yè)等諸多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。

MEMS慣性器件一般采用掩膜、光刻、腐蝕、刻蝕、淀積、鍵合等微加工工藝制造微結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)物理量敏感、力/力矩輸出等多種功能。但由于微結(jié)構(gòu)的尺寸常常在微米量級，其運(yùn)動特性受加工制造工藝和環(huán)境條件的影響較大，對應(yīng)力應(yīng)變的變化極為敏感[2]。

MEMS慣性器件封裝技術(shù)作為產(chǎn)品生產(chǎn)制造的關(guān)鍵技術(shù)，最終決定了產(chǎn)品的體積、可靠性和成本等。工藝性的好壞不僅關(guān)系到器件性能的優(yōu)劣，而且會直接影響器件的制造成本，一般封測成本占整個產(chǎn)品價格的50%以上[3]。封裝工藝的主要作用是實(shí)現(xiàn)器件的機(jī)械支撐、電氣連接、物理保護(hù)、外場屏蔽、應(yīng)力緩和、散熱防潮、尺寸過渡、規(guī)格化和標(biāo)準(zhǔn)化等多種功能[4]。MEMS慣性器件在封裝過程中，由于封裝對象間材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，會產(chǎn)生熱應(yīng)力，而熱應(yīng)力會改變MEMS慣性器件的諧振頻率，并降低其性能[5]。因此，封裝應(yīng)力的控制是封裝工藝需要解決的關(guān)鍵問題[6]。

本文采用有限元分析的方法，分析了不同粘接材料參數(shù)對陶瓷管殼基底上的三層結(jié)構(gòu)MEMS陀螺芯片封裝應(yīng)力的影響，研究了不同封裝形式和不同封裝結(jié)構(gòu)的封裝過渡層對MEMS陀螺芯片封裝應(yīng)力的影響，摸索出一套適用于該類產(chǎn)品的封裝應(yīng)力控制方案，從而降低了封裝熱應(yīng)力，提高了硅微機(jī)械陀螺儀的輸出性能。

1 MEMS陀螺儀封裝應(yīng)力影響分析

MEMS封裝一般分為3個層次：圓片級封裝、器件級封裝和系統(tǒng)級封裝[7]，單芯片封裝屬于器件級封裝的范疇。由于MEMS的封裝比微電子封裝更為復(fù)雜，并且沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因而不同的MEMS其封裝差別很大[8]。本文的主要研究對象為三層結(jié)構(gòu)MEMS陀螺儀的陶瓷空腔封裝形式，屬于單芯片封裝，其典型的工藝流程一般如圖1所示。

圖1 典型陶瓷空腔封裝工藝流程Fig.1 Typical ceramic packaging process

貼片工藝前的流程為MEMS陀螺儀芯片制造過程，本文不做深入研究。封裝過程中的貼片工藝會引入應(yīng)力，該過程應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制大致可以分為兩類，第一類是由于MEMS陀螺儀內(nèi)部不均勻的溫度梯度分布,使得器件各部分熱脹冷縮的程度不同從而形成相互約束，在MEMS陀螺儀內(nèi)部形成熱應(yīng)力；第二類是由于器件是由不同材料組合而成，在受到同樣的溫度載荷時，由于機(jī)械約束及封裝體各部件的熱膨脹系數(shù)不匹配、熱脹冷縮程度不同而形成相互制約，最終在封裝體內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)變和熱應(yīng)力。以粘接接觸面上一點(diǎn)為參考點(diǎn)，其封裝前后應(yīng)變情況如圖2所示。

圖2 粘接面參考點(diǎn)應(yīng)變圖Fig.2 Reference point strain diagram on the bonding surface

未封裝前

(1)

(2)

式中，ε膠為固化膠的應(yīng)變值，ε硅為MEMS陀螺儀的應(yīng)變值，α膠為固化膠的熱膨脹系數(shù)，α硅為硅的熱膨脹系數(shù)。

封裝后

(3)

Δα為封裝膠與MEMS陀螺儀芯片材料的熱膨脹系數(shù)不匹配值。

第二類封裝熱應(yīng)力為

σ硅(T)=E硅(T)Δε1

(4)

σ膠(T)=E膠(T)Δε2

(5)

粘接接觸面上的應(yīng)力大小相等，因此

σ硅(T)=σ膠(T)

(6)

E硅(T)Δε1=E膠(T)Δε2

(7)

則

(8)

(9)

(10)

第一類封裝熱應(yīng)力為

(11)

封裝后，MEMS陀螺儀的輸出性能會受到溫度變化的影響，因此陀螺儀都會做溫度補(bǔ)償。對于封裝好的陀螺儀，其驅(qū)動軸的系統(tǒng)剛度可以表示為[9]

K=K0+KE+Kσ

=K0[1+(kE+λσσ熱(T))(T-T0)]

(12)

式中，K0為陀螺儀管芯在T0時的剛度；KE為溫度變化引起的材料楊氏模量變化所產(chǎn)生的剛度變化量；Kσ為溫度變化時，由于封裝應(yīng)力引起的剛度變化量；λσ為封裝應(yīng)力引起的剛度變化系數(shù)。

E(T)=E(T0)+kEE(T0)(T-T0)

(13)

式中，E(T)和E(T0)分別為硅材料在溫度為T和T0時的彈性模量;kE為硅材料彈性模量溫度變化系數(shù)。

陀螺儀系統(tǒng)剛度K與彈性模量E成正比，E變化引起K的變化

KE=K0kE(T-T0)

(14)

式中，KE和K0分別為溫度為T和T0時的系統(tǒng)剛度。

由于MEMS陀螺儀溫度分布不均以及封裝應(yīng)力傳遞等因素引起的剛度變化量為

Kσ=K0λσσ熱(T)

(15)

則陀螺的諧振頻率為

(16)

式中，I為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量。諧振頻率ω、彈性模量E、線性尺寸L以及密度ρ與溫度T之間的關(guān)系如下所示[10]

(17)

式中，除硅材料線性膨脹系數(shù)為正外，其余各項(xiàng)均為負(fù)數(shù)。彈性模量溫度系數(shù)為

(18)

ω(T)=

(19)

由于kE+λσσ熱(T)的數(shù)量級較小，可以將式(19)在T=T0處泰勒展開，忽略二階以上余項(xiàng)，簡化可得

ω(T)=

(20)

由式(20)可以看出，封裝應(yīng)力對微機(jī)械陀螺的諧振頻率有影響。MEMS器件芯片級封裝面臨的主要問題是熱機(jī)械應(yīng)力耦合，也是MEMS器件的致命弱點(diǎn)。熱機(jī)械應(yīng)力的存在使得MEMS器件在復(fù)雜溫度環(huán)境下，產(chǎn)品的輸出(如線性度和零偏等)性能和可靠性難以保證和維持，即影響封裝應(yīng)力的主要因素為材料的楊氏模量、CTE差異、封裝形式和結(jié)構(gòu)形式等。

2 MEMS陀螺儀封裝過渡層

MEMS陀螺儀芯片與襯底間的連接固定是通過位于芯片和襯底間的一層過渡層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，其主要作用是連接固定和平衡應(yīng)力。該過渡層一般的形式為一層封裝貼片膠，要求具備良好的粘接力、抗回流、低吸水性等，該層作為與芯片直接接觸的一層結(jié)構(gòu)，除了起到固定連接芯片的作用外，還直接影響著粘接熱應(yīng)力，因此對其材料熱物理特性和結(jié)構(gòu)形式的研究顯得尤為重要[11]。本文將針對過渡層的熱物理特性和結(jié)構(gòu)形式展開研究，旨在指明過渡層熱物理參數(shù)、粘接形式和結(jié)構(gòu)形式對芯片封裝應(yīng)力應(yīng)變的影響。

2.1 不同材料參數(shù)下封裝應(yīng)力分析

產(chǎn)品性能輸出與封裝材料性能息息相關(guān)[12]，本文利用COMSOL的參數(shù)掃描功能分析了不同楊氏模量和熱膨脹系數(shù)的粘接膠所產(chǎn)生的封裝應(yīng)力，MEMS陀螺儀工作環(huán)境溫度設(shè)置為80℃，研究對象如圖3所示，材料參數(shù)設(shè)置如表1所示。楊氏模量利用參數(shù)掃描分別取：1×106、1×108、1×109、5×109、1×1010、1×1011；熱膨脹系數(shù)?。?×10-5、2×10-5、3×10-5、4×10-5、5×10-5、6×10-5、7×10-5、8×10-5、9×10-5、10×10-5。參數(shù)的選擇范圍是基于商用膠水實(shí)際的數(shù)值，膠水厚度為0.1mm，底部為全膠形式，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，陶瓷管殼底面為固定約束。

圖3 三層結(jié)構(gòu)MEMS陀螺儀Fig.3 Structure of three-layer MEMS gyroscope

表1 材料屬性Tab.1 Material property

取某型常用膠水的參數(shù)為仿真分析輸入條件，其楊氏模量E=10000Mpa，熱膨脹系數(shù)CTE=30×10-6。通過分析可得，MEMS陀螺的應(yīng)力應(yīng)變分布情況如圖4～圖6所示，芯片的總應(yīng)變規(guī)律為上層應(yīng)變大于下層膠接面附近結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，剛度較大的支撐柱和芯片邊緣的應(yīng)變小于與剛度較小的空腔結(jié)構(gòu)的應(yīng)變。芯片應(yīng)力整體分布規(guī)律為上層應(yīng)力小于下層膠接面附近的應(yīng)力，芯片邊緣和支撐柱附近存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖4 MEMS陀螺總體應(yīng)變Fig.4 Strain distributions of MEMS gyroscope

(a)上視圖

(b)截面圖圖5 芯片應(yīng)變Fig.5 The strain in the chip

(a)非膠接面

(b)膠接面圖6 芯片應(yīng)力Fig.6 Stress in the chip

為了研究楊氏模量E和熱膨脹系數(shù)CTE對MEMS陀螺儀應(yīng)力應(yīng)變的影響規(guī)律，定義如圖7所示的應(yīng)力應(yīng)變分析參考點(diǎn)。

1)楊氏模量E，對封裝芯片應(yīng)力應(yīng)變的影響：CTE:33 ×10-6，楊氏模量E=(1×106、1×108、1×109、5×109、1×1010、1×1011)

由圖8可知，封裝膠的楊氏模量越大，所產(chǎn)生的應(yīng)力就越大，應(yīng)變呈減小趨勢。

圖7 參考點(diǎn)定義Fig.7 Definition of reference point

圖8 楊氏模量對參考點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變的影響Fig.8 Effect of young’s modulus on stress and strain at reference point

2)熱膨脹系數(shù)CTE，對封裝芯片應(yīng)力應(yīng)變的影響：

a.由圖9(a)可以看出，MEMS陀螺芯片與封裝膠接觸面存在熱膨脹系數(shù)匹配現(xiàn)象，當(dāng)熱膨脹系數(shù)合適時，接觸面的封裝應(yīng)力最??；而由9(c)和(d)可以看出，對MEMS陀螺儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的影響不盡相同，總體規(guī)律是熱膨脹系數(shù)越大，封裝應(yīng)力越大，但是也存在熱膨脹系數(shù)致應(yīng)力極小值；而由9(b)和(d)可以看出，在商用封裝貼片膠的熱膨脹系數(shù)選型范圍內(nèi)，不同種類的膠對MEMS陀螺儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的影響也不同，楊氏模量較小的硅膠類產(chǎn)品比模量較大的環(huán)氧類膠所產(chǎn)生的封裝應(yīng)力小1個數(shù)量級，但是它們對應(yīng)變的影響一致，熱膨脹系數(shù)越大所引起的應(yīng)變越大。因此，一般在實(shí)際工藝中，在保證粘接強(qiáng)度能滿足使用要求的前提下，會選擇楊氏模量較小且熱膨脹系數(shù)匹配的貼片膠。

(a)E=1×106 CTE(max)=1×10-4

(b)E=1×106 CTE(max)=1×10-3

(c)E=10×109 CTE(max)=1×10-3

(d)E=10×109 CTE(max)=1×10-3

(e)E=1×106 CTE(max)=1×10-4

(f)E=10×109 CTE(max)=1×10-4圖9 熱膨脹系數(shù)對參考點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變的影響Fig.9 Effect of CTE on stress and strain at reference point

2.2 不同封裝形式下封裝應(yīng)力分析

MEMS陀螺儀的封裝應(yīng)力不僅與材料的參數(shù)有關(guān)，還與貼片膠的粘接面積、厚度、點(diǎn)膠圖案等不同的封裝形式有關(guān)[13]。圖10所示為常見的點(diǎn)膠方案，本文通過研究不同封裝形式對封裝的影響，摸索出合理的封裝形式。

圖10 常用點(diǎn)膠圖案Fig.10 Common dispensing pattern

1)封裝形式對封裝芯片應(yīng)力應(yīng)變的影響：當(dāng)封裝膠厚度均為0.1mm時，以某型環(huán)氧類粘接劑的材料參數(shù)作為仿真輸入條件，仿真結(jié)果如圖11所示。

(a)圖案1(底部全膠)

(b)圖案2

(c)圖案3(與封裝形式2粘接面積相同)圖11 不同封裝形式下的應(yīng)力應(yīng)變分布情況Fig.11 Stress and strain distribution with different adhesive patterns

由圖11和圖12所示可知，封裝形式3的封裝效果最優(yōu)。與封裝形式1相比，封裝形式2有利于緩解結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力集中的問題，三種封裝形式的最大應(yīng)力都集中在接觸面邊界區(qū)域，這些區(qū)域的極限應(yīng)力與封裝可靠性息息相關(guān)。

圖12 不同封裝形式下的應(yīng)力應(yīng)變峰峰值Fig.12 Peak value of stress and strain withdifferent packaging forms

2)封裝膠層厚度對封裝芯片應(yīng)力應(yīng)變的影響：

膠層厚度也會影響封裝應(yīng)力[14]，為了研究膠層厚度對封裝應(yīng)力應(yīng)變的影響，以封裝形式1為研究對象，膠層厚度分別取(mm)：0.05、0.08、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5，分析結(jié)果如圖13所示。

圖13 不同封裝膠層厚度下的應(yīng)力應(yīng)變峰峰值Fig.13 Peak value of stress and strain with different adhesive layer thick

由圖13可知，合適的封裝膠層厚度所產(chǎn)生的封裝應(yīng)力最小，而應(yīng)變隨著膠層厚度的增加而變大。因此，封裝工藝中會嚴(yán)格地控制出膠量等工藝參數(shù)以保證得到合理的膠層厚度[15]。

2.3 不同結(jié)構(gòu)形式下封裝應(yīng)力分析

除了材料參數(shù)和封裝形式外，不同過渡層結(jié)構(gòu)形式也會對封裝產(chǎn)生影響[16]。圖14所示為兩種不同的過渡層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)a為常見的結(jié)構(gòu)形式，這種封裝方式被大量地應(yīng)用在精度較低的民用產(chǎn)品上；結(jié)構(gòu)b這類封裝形式比較少見，由于工藝相對復(fù)雜，成本較高，因此，在高精度的軍用產(chǎn)品中應(yīng)用較多。為了研究不同結(jié)構(gòu)形式對封裝應(yīng)力應(yīng)變的影響，本文以點(diǎn)膠圖案2為參考圖案。

(a)結(jié)構(gòu)a

(b)結(jié)構(gòu)b圖14 不同結(jié)構(gòu)形式過渡層Fig.14 Different structure of transition layer

(a)結(jié)構(gòu)a

(b)結(jié)構(gòu)b圖15 不同結(jié)構(gòu)形式過渡層應(yīng)力應(yīng)變對比圖Fig.15 Stress and strain comparison diagram of transition layer with different structure

圖16 MEMS陀螺儀內(nèi)部關(guān)鍵參考節(jié)點(diǎn)(藍(lán)色)Fig.16 Key reference node in MEMS gyro(blue)

由圖17和圖18可知，封裝結(jié)構(gòu)a和封裝結(jié)構(gòu)b所引起的MEMS陀螺儀支撐柱和諧振子圓盤上關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變近乎相等，但是封裝結(jié)構(gòu)b所產(chǎn)生的封裝應(yīng)力普遍比封裝結(jié)構(gòu)a所產(chǎn)生的封裝應(yīng)力小，但是結(jié)構(gòu)b的工藝更為復(fù)雜，實(shí)際生產(chǎn)中會根據(jù)精度要求和成本控制設(shè)計(jì)適合的結(jié)構(gòu)形式。

(a)結(jié)構(gòu)a

(b) 結(jié)構(gòu)b圖17 關(guān)鍵參考節(jié)點(diǎn)徑向應(yīng)力值Fig.17 Radial stress of key reference node

(a)結(jié)構(gòu)a

(b) 結(jié)構(gòu)b圖18 關(guān)鍵參考節(jié)點(diǎn)徑向應(yīng)變值Fig.18 Radial strain of key reference node

3 結(jié)論

本文首先介紹了MEMS慣性器件的由來，總結(jié)了MEMS慣性器件的應(yīng)用領(lǐng)域以及技術(shù)發(fā)展方向和市場前景，分析了MEMS慣性器件加工制造的關(guān)鍵技術(shù)，推導(dǎo)出熱應(yīng)力與MEMS陀螺儀頻率的關(guān)系，并以三層結(jié)構(gòu)MEMS陀螺儀和為研究對象，利用COMSOL有限元仿真軟件分析了不同材料參數(shù)、不同封裝形式和結(jié)構(gòu)形式對MEMS陀螺儀封裝應(yīng)力應(yīng)變的影響。研究發(fā)現(xiàn)：

1)封裝膠的楊氏模量越大所產(chǎn)生的封裝應(yīng)力越大，應(yīng)變呈減小趨勢。

2)熱膨脹系數(shù)對封裝應(yīng)力存在熱膨脹系數(shù)匹配現(xiàn)象，當(dāng)熱膨脹系數(shù)合適時，封裝應(yīng)力最小，但總體規(guī)律為熱膨脹系數(shù)越大，封裝應(yīng)力越大，應(yīng)變越大，實(shí)際工藝中會選擇楊氏模量較小且熱膨脹系數(shù)匹配的貼片膠。

3)改變封裝形式、膠層厚度和封裝結(jié)構(gòu)均能有效地控制封裝應(yīng)力應(yīng)變。

在生產(chǎn)制造過程中可以根據(jù)精度要求和成本控制等因素，綜合考慮設(shè)計(jì)具體的封裝產(chǎn)品。