微納系統(tǒng)微區(qū)感應(yīng)加熱技術(shù)的研究進展

吳德志 陳 卓 海振銀 陳 亮 葉 坤 王凌云 趙立波

1.廈門大學(xué)機電工程系，廈門，3610052.航空工業(yè)自控所慣性技術(shù)航空科技重點實驗室，西安,710065 3.西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院，西安，710049

0 引言

微機電系統(tǒng)(MEMS)具有微型化、集成化的特征，是現(xiàn)代高端智能傳感的核心器件[1-3]。微流控芯片利用微通道網(wǎng)絡(luò)將不同功能模塊相互連接，通過微流體的驅(qū)動與控制，實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷、藥物合成與篩選、細(xì)胞分析[4-7]。MEMS和微流控芯片作為典型的微納系統(tǒng)，其制造和應(yīng)用涉及的封裝鍵合與熱驅(qū)動對加熱技術(shù)的清潔性、經(jīng)濟性和可靠性等要求日益提高。傳統(tǒng)的電阻絲、高溫爐等全局加熱裝備的加熱范圍難以控制，不適合內(nèi)部含有大量對溫度敏感結(jié)構(gòu)的微納系統(tǒng)，因此亟需選擇一種適宜的加熱技術(shù)來消除高溫對器件性能的影響，保證器件不被損壞。

電磁感應(yīng)加熱是一種利用感應(yīng)渦流克服導(dǎo)體內(nèi)部電阻產(chǎn)生焦耳熱的加熱技術(shù)，自19世紀(jì)末以來，主要用于冶金、熱處理、密封、電子等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域[8-10]。隨著電力電子技術(shù)[11-12]、控制算法[13-14]、磁性元件設(shè)計[15]的發(fā)展，高頻、射頻感應(yīng)加熱設(shè)備的成本降低且逐漸商業(yè)化。

作為電磁感應(yīng)加熱的延伸，微區(qū)感應(yīng)加熱(micro-area induction heating, MIH)具有局部加熱的特性，已在微納系統(tǒng)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。這種加熱方式溫度可控、熱效率高，不僅能實現(xiàn)微小區(qū)域的快速升溫和冷卻，避免對非目標(biāo)位置的熱損傷，減小全局熱應(yīng)力，還大幅度降低對加熱環(huán)境的要求，促進微納系統(tǒng)向小型化、集成化方向發(fā)展。本文簡要介紹微區(qū)電磁感應(yīng)加熱的基本原理，重點闡述其在微納系統(tǒng)的研究進展，提出待解決的關(guān)鍵問題，最后總結(jié)微區(qū)感應(yīng)加熱在微納系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢并展望發(fā)展趨勢。

1 微區(qū)感應(yīng)加熱的基本原理

如圖1所示，典型MIH系統(tǒng)主要包括加熱電源、線圈和加熱樣品，其中，加熱電源為系統(tǒng)提供高頻交流電場，線圈將電源輸出的能量耦合到加熱樣品預(yù)設(shè)的微小區(qū)域上。由電磁感應(yīng)理論[16]可知，當(dāng)感應(yīng)線圈通入頻率為f的交變電流I后，線圈內(nèi)部會產(chǎn)生交變磁場，被加熱的導(dǎo)電樣品受交變磁通量Φ(隨感應(yīng)線圈中的交變電流I和樣品材料的磁導(dǎo)率μr增大而增大)作用產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E：

E=-NdΦ/dt

(1)

式中，N為線圈匝數(shù)。

進而產(chǎn)生感應(yīng)電流If。

圖1 微區(qū)感應(yīng)加熱系統(tǒng)Fig.1 MIH system

感應(yīng)電流If在導(dǎo)電樣品內(nèi)形成回路，通過焦耳效應(yīng)產(chǎn)生熱流熱量Q。If大小取決于感應(yīng)電動勢E和渦流回路的阻抗z，滿足

If=Ef/z

(2)

其中，Ef為感應(yīng)電動勢的有效值。由式(2)可知，被感應(yīng)加熱導(dǎo)體的阻抗較小時，可在樣品表面誘導(dǎo)產(chǎn)生明顯的渦電流，且升溫快。

導(dǎo)體中有交流電或交變電磁場時，導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布不均勻，電流主要集中在導(dǎo)體表面薄層的現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)[17]。受趨膚效應(yīng)的影響，導(dǎo)體中某點的電流密度J隨該點與導(dǎo)體表面的距離x呈指數(shù)減小，滿足

J(x)=J0exp(-x/δ)

(3)

其中，J0為導(dǎo)體表面的電流密度；δ為趨膚深度，即電流密度為0.37J0的點到物體表面的距離。在趨膚深度區(qū)域內(nèi)，86%的電能轉(zhuǎn)化為熱量。趨膚深度δ與電源頻率f的關(guān)系為[18]

(4)

式中，μ0為真空磁導(dǎo)率；ρ為材料電阻率。

可見，趨膚深度取決于加熱樣品的材料參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)，通過選擇具有不同電阻率和磁導(dǎo)率的材料以及電源頻率，可調(diào)控加熱樣品的溫升特性。對于相同電磁環(huán)境中具有不同磁導(dǎo)率的物體，圖2a展示了微區(qū)感應(yīng)加熱的區(qū)域選擇特性，磁導(dǎo)率較大的加熱區(qū)可在短時間被加熱，磁導(dǎo)率較小的非加熱區(qū)升溫很慢或幾乎不被加熱。對于單個加熱樣品，利用趨膚深度與電源頻率的可調(diào)控關(guān)系(圖2b)，在給定期望加熱深度后，由式(4)計算得到基準(zhǔn)頻率f0。電源頻率大于基準(zhǔn)頻率時，實際加熱深度小于期望深度；電源頻率小于基準(zhǔn)頻率時，實際加熱深度大于期望深度。微區(qū)感應(yīng)加熱電源頻率常為中頻(50 Hz～10 kHz)、高頻(10～500 kHz)和射頻(500 kHz以上)，加熱尺度可聚焦在微米/納米級。

(a)微區(qū)感應(yīng)加熱選擇性加熱

2 微區(qū)感應(yīng)加熱的研究進展

如表1[18-31]所示，MIH在微納系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛且優(yōu)勢明顯，按照主要研究場景可分為在MEMS、微流控系統(tǒng)、微納材料以及電子器件中的應(yīng)用。

表1 MIH在微納系統(tǒng)中的應(yīng)用及特點

2.1 MEMS系統(tǒng)的微區(qū)感應(yīng)加熱應(yīng)用研究

可靠的封裝鍵合是保證MEMS器件高性能的重要環(huán)節(jié)，其成本一般約占器件總成本的75%[32]。常見的MEMS鍵合主要采用全局高溫加熱方式，包括熔融鍵合[33]、陽極鍵合[34]、共晶鍵合[35]等，但它們都存在一定的缺陷，如硅-硅熔融鍵合溫度超過1000 ℃，會直接破壞器件；陽極鍵合需要置于高壓電場下，極易發(fā)生離子污染；硅-金共晶鍵合對溫度和時間的控制要求較高。一些低溫鍵合方法如等離子體活化鍵合[36]可實現(xiàn)晶圓的室溫直接鍵合，但在鍵合面易形成空洞，鍵合強度低，密封性差。微區(qū)加熱可將溫升范圍限制在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，從而實現(xiàn)MEMS器件選區(qū)加熱鍵合[37]。與微波加熱[38]、激光加熱[39]相比，MIH兼具響應(yīng)快、溫度可控和鍵合強度高等優(yōu)點，是最具潛力的一種MEMS標(biāo)準(zhǔn)化封裝方法。

2.1.1器件級鍵合

MEMS器件級的感應(yīng)加熱鍵合已有深入研究。SOSNOWCHIK等[40]利用MIH鍵合諧振式應(yīng)變傳感器，采用該方法鍵合的器件靈敏度較利用環(huán)氧樹脂粘接的傳感器提高5.4倍。CHEN等[41]提出MIH低溫硅-玻璃陽極鍵合工藝，在350 ℃、600 V條件下獲得的鍵合界面拉伸強度達(dá)10.42 MPa。陳明祥[19]、LIU等[42]采用高頻MIH系統(tǒng)對陀螺儀陶瓷殼體進行封裝，鍵合過程中可伐蓋板邊緣溫度達(dá)320 ℃，但陶瓷管殼底部溫度僅有130 ℃，可有效防止底部芯片被高溫破壞，加熱4.5 s后，鍵合完成，器件的平均鍵合強度達(dá)13.96 MPa，未出現(xiàn)氣孔和裂紋，氣密性良好。

MIH還能減小全局加熱封裝對非鍵合區(qū)域的熱損傷，提高器件性能。SOSNOWCHIK等[43]利用MIH在3～5 s內(nèi)將附有低溫共晶焊料的硅片鍵合在彈簧鋼表面，鍵合過程中的最高加熱溫度為230 ℃，鍵合完成后，鋼材表面熱損傷極小。PENG等[44]針對全局加熱封裝后的深紫外發(fā)光二極管(DUV-LED)熱損傷和熱應(yīng)力明顯、器件的伏安特性顯著改變的問題，利用MIH封裝DUV-LED玻璃帽和陶瓷殼體，如圖3a所示。由圖3b可以看出，相比于全局加熱，利用感應(yīng)加熱鍵合的器件性能幾乎不受加熱影響，伏安特性與封裝前一致，線性度良好。

(a)DUV-LED封裝系統(tǒng)

2.1.2晶圓級鍵合

晶圓級鍵合可避免單個器件劃片、分片帶來的污染和損壞問題，鍵合的成品率和可靠性高。THOMPSON等[45]在5 min內(nèi)完成4對晶圓的直接鍵合，首次展示了MIH用于晶圓級鍵合的潛力。隨后，YANG等[20]采用MIH實現(xiàn)4英寸晶圓的硅-硅鍵合。實驗表明，電源頻率100 kHz、電流25 A時，焊料可在1 min內(nèi)回流，器件的鍵合強度高于18 MPa，溫度敏感器件在鍵合過程中的最高溫度僅為110 ℃。LIU等[46-49]從感應(yīng)加熱系統(tǒng)設(shè)計、有限元建模、PCB鍵合試驗等方面系統(tǒng)研究感應(yīng)加熱MEMS晶圓的鍵合，發(fā)現(xiàn)電源頻率13.56 MHz、功率700 W下的玻璃圓片鍵合只需20 s。HOFMANN等[18]利用感應(yīng)加熱Cu-Sn合金焊料完成了6英寸硅-玻璃晶圓級鍵合，如圖4所示，金屬框架升溫冷卻時間少于 6 s，鍵合過程在120 s內(nèi)完成，基板界面僅受輕微熱應(yīng)力，比傳統(tǒng)Cu-Sn鍵合時間縮短了約60%～90%，硅-玻璃晶圓級鍵合率大于93%。

(a)硅-玻璃晶圓級鍵合加熱系統(tǒng)

2.2 微流控系統(tǒng)的微區(qū)感應(yīng)加熱應(yīng)用研究

集成和密封是微流控系統(tǒng)制備的關(guān)鍵，MIH不僅能避免傳統(tǒng)熱壓封裝聚合物基微流控芯片時造成的管道熱變形，還可實現(xiàn)大面積微流控芯片元件和多層微流體結(jié)構(gòu)的封裝[21,50]。此外，微泵、微閥、細(xì)胞芯片等大多采用加熱進行系統(tǒng)驅(qū)動和控制，而傳統(tǒng)的電阻絲加熱需要復(fù)雜的電氣引線，存在器件體積大、制作困難的問題，阻礙了系統(tǒng)的微型化和集成化。MIH具有無線化的特點，能顯著減小器件尺寸，僅改變微線圈/加熱板的結(jié)構(gòu)就使能量集中于需要較高功率密度的地方，升溫快，能量效率及經(jīng)濟效益高。

2.2.1微流道熱氣體驅(qū)動

目前，基于MIH的微流道熱氣體驅(qū)動主要有兩種形式：熱氣泡驅(qū)動和加熱化學(xué)反應(yīng)氣體驅(qū)動。熱氣泡驅(qū)動起源于氣泡噴墨打印，通過加熱微流道液體、蒸發(fā)溶液產(chǎn)生微型氣泡，利用熱氣泡沖擊來實現(xiàn)驅(qū)動。HOU等[22]利用MIH進行熱氣泡驅(qū)動，當(dāng)通入1.0 A的高頻電流時，微腔內(nèi)部只需0.3 s即可產(chǎn)生熱氣泡，系統(tǒng)響應(yīng)迅速。該課題組還基于該加熱方式做了一系列工作：開發(fā)了圖5a所示的微噴頭，當(dāng)施加0.60～0.65 A、100 kHz的交流電時，該微噴頭可噴出總體積18.84～49.87 nL的連續(xù)液滴[51]；以平板電磁線圈為加熱器，研制出的微泵最大流量為102.25 μL/min[52]，如圖5b所示；設(shè)計出的微助推器最大推力為970 μN[53]，如圖5c所示。

(a)熱氣泡微噴頭[51]

與高溫加熱、使液體氣化生成熱氣泡不同，加熱誘導(dǎo)腔內(nèi)化學(xué)反應(yīng)、生成氣體可減少系統(tǒng)對微流道推進劑和液體環(huán)境的依賴。JO等[23]提出一種基于高頻感應(yīng)加熱的無線驅(qū)動給藥系統(tǒng)。如圖5d所示，該系統(tǒng)腔內(nèi)集成直徑5～6 mm、厚度100 μm的半圓形銅盤加熱元件，在160 μT磁感應(yīng)強度下，利用感應(yīng)加熱偶氮二異丁腈(AIBN)生成的氮氣進行壓力驅(qū)動來釋放藥物，藥物的釋放流量可達(dá)6 μL/s。

2.2.2微閥流量控制

用于流量調(diào)節(jié)的微閥是微流控系統(tǒng)的重要組成部分。BAEK等[24]基于MIH設(shè)計出一種無線多微閥系統(tǒng)，通過順序開閥控制微流體的流量。該系統(tǒng)以銅/鎳為加熱材料，將石蠟制作的流動塞集成在微流體通道中，利用不同厚度金屬元件熱響應(yīng)的差異，實現(xiàn)短間隙和長間隙的微閥開啟控制。實驗結(jié)果顯示，分別使用兩套加熱元件(100 μm厚銅盤和50 μm厚鎳盤， 200 μm厚銅盤和100 μm厚鎳盤)，在電源頻率312 kHz、磁場強度80～168 μT下實現(xiàn)了短間隔(1～5 s)和長間隔(15～23 s)的閥門開啟動作。這種利用無線感應(yīng)加熱的多微閥系統(tǒng)不僅具有制造工藝簡單的特點，還可以方便地集成到片上實驗室，實現(xiàn)可編程流量控制，缺點是只能實現(xiàn)開操作，無法重復(fù)連續(xù)開關(guān)動作。為解決這一問題，LIU等[25,54]設(shè)計出一種可重復(fù)開關(guān)的MIH多微閥系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用一層較薄的柔性薄膜將填充有石蠟復(fù)合材料的驅(qū)動腔與流體通道分離，石蠟加熱熔融后體積膨脹，關(guān)閉微通道；激勵線圈電源關(guān)閉后石蠟受柔性薄膜彈性力的擠壓然后冷卻收縮成固態(tài)，膜片恢復(fù)到原來的狀態(tài)，從而打開微通道，實現(xiàn)重復(fù)開關(guān)和順序控制。該實驗結(jié)果顯示，該微腔可在8～10 s內(nèi)關(guān)閉，且閥門關(guān)閉后可承受高達(dá)40 kPa的進口壓力而不泄漏。

2.2.3微流控芯片無線感應(yīng)加熱

細(xì)胞生物學(xué)研究中，細(xì)胞裂解是物質(zhì)提取和分析的第一道工序，其質(zhì)量影響后續(xù)的細(xì)胞分析[55]。傳統(tǒng)的機械裂解法、化學(xué)裂解法、歐姆加熱法等局限大、操作困難。BAEK等[26]研制的微區(qū)感應(yīng)加熱微流控芯片有3個用于細(xì)胞樣品裂解的微腔，可從大腸桿菌中提取DNA和RNA。芯片微腔內(nèi)埋有厚度0.1 mm的鎳加熱元件，熱元件表面厚度20 μm的聚二甲基硅氧烷保護層可避免熱元件與細(xì)胞直接接觸。實驗中，感應(yīng)線圈置于加熱元件正下方，磁場強度為0.1 mT時，加熱8 s后，細(xì)胞全部失活。該加熱方式用于微流控芯片細(xì)胞裂解不僅具有裂解快、易于制造的特點，而且與超聲細(xì)胞裂解的結(jié)果基本一致。便攜式核酸熱循環(huán)芯片在臨床診斷領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值[56]。PAL等[57]設(shè)計出一種基于MIH的微芯片熱循環(huán)器，通過優(yōu)化加熱器尺寸和電源頻率，加熱、冷卻的速率分別達(dá)到6.5 ℃/s和4.2 ℃/s，加熱的溫度誤差可控制在±0.2 ℃以內(nèi)。此外，MIH非接觸式加熱的特征克服了傳統(tǒng)加熱器需要精確定位的缺陷。

2.3 微納材料的微區(qū)感應(yīng)加熱應(yīng)用研究

2.3.1微納材料生長

微區(qū)感應(yīng)加熱結(jié)合物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)等工藝可實現(xiàn)材料的快速生長。2006年，CHEN等[58]在感應(yīng)加熱爐中用物理蒸汽輸運法(PVT)生長碳化硅塊狀晶體，隨后YOSHIKAWA等[59]利用感應(yīng)加熱法加熱溶液生長SiC(生長速率達(dá)90～260 μm/h)。SOSNOWCHIK等[60]將薄層鈦蒸發(fā)到懸浮的MEMS結(jié)構(gòu)上，利用MIH系統(tǒng)在MEMS表面生長形狀獨特的單晶納米結(jié)構(gòu)，以用作納米開關(guān)、納米杠桿和納米探針等。此外，MIH還可在10 s內(nèi)快速制備呈現(xiàn)二維結(jié)構(gòu)、比表面積大的CuO納米薄片[27]。

碳納米管(CNTs)等納米材料具有優(yōu)異的力學(xué)、導(dǎo)電和傳熱性能而備受青睞。研究表明，通過MIH制備的這類材料產(chǎn)量高、缺陷少，可減少能源消耗、縮短總反應(yīng)時間[61]。OKAMOTO等[62]首次使用基于射頻MIH的冷壁反應(yīng)器，以Fe/Co為催化劑，在大氣環(huán)境下配合催化醇?xì)庀喑练e法(CCAVD)在沸石粉體上合成了單壁碳納米管(SWCNTs)。該系統(tǒng)充分利用MIH的快速加熱特性，使催化劑可在短時間內(nèi)有效活化而不會發(fā)生聚集。結(jié)果顯示，該反應(yīng)器在900 ℃、1000 ℃下制備的SWCNTs直徑分別為0.9～1.8 nm和1.2～2.2 nm，拉曼光譜G/D值約為25，這表明制備的SWCNTs雜質(zhì)少、純度高。LI等[63]利用高頻MIH快速合成純度約95%的高質(zhì)量SWCNTs(直徑0.8～1.0 nm，長度達(dá)10 μm)。BIRIS等[64-65]對比全局加熱和射頻MIH制備的多壁碳納米管(MWCNTs)發(fā)現(xiàn)，利用射頻MIH制備的MWCNTs具有較小的外徑，外徑與內(nèi)徑比為2.0～2.5。SOSNOWCHIK等[66]在室溫環(huán)境下使用MIH技術(shù)分別在圖案化MEMS微結(jié)構(gòu)和硅片上批量合成CNTs(圖6a)，結(jié)果顯示，CNTs生長速率達(dá)0.2 mm/min，平均直徑為6.8 nm。

2.3.2微納材料形態(tài)控制

觀察石墨烯生長過程及形態(tài)演變需要準(zhǔn)確中止石墨烯的成核和生長。中斷石墨烯生長的傳統(tǒng)方式是快速切斷碳源氣體和直接冷卻，但上述方法分別存在控制效率低、降溫慢的缺陷，導(dǎo)致難以快速停止石墨烯生長。MIH配合CVD不僅能大規(guī)模制造1～5層的高質(zhì)量石墨烯[67]，還能利用這種工藝快速升降溫的淬火特性準(zhǔn)確中斷石墨烯的成長過程，獲得不同的生長結(jié)構(gòu)。WU等[28]利用MIH-CVD系統(tǒng)制備了可控的枝狀、六角形和圓形的石墨烯結(jié)構(gòu)(圖6b)。實驗顯示，當(dāng)高頻電流作用于該系統(tǒng)的鎢絲時，銅箔被選擇性地快速加熱。電源切斷后，銅箔在不到5 s內(nèi)從1050 ℃降至700 ℃，具有極高的冷卻速度，從而控制不同形狀單晶石墨烯的成形。

2.3.3微納材料與金屬互連

納米結(jié)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)之間可靠接觸的關(guān)鍵是形成機械強鍵和大接觸面積。納米沉積、超聲焊接能誘導(dǎo)形成良好連接，但是極易破壞其他結(jié)構(gòu)。CHEN等[29]利用射頻MIH連接CNTs與金屬電極。由圖6c可以看到，感應(yīng)加熱后，電極表面的CNTs被金屬覆蓋，未發(fā)生熱熔，金屬通過選擇性加熱而局部熔化，完成CNTs在電極上的互連，接觸電阻由1 MΩ降為10 kΩ，這表明熔融金屬浸濕了碳納米管接觸區(qū)域的表面，形成了碳和金屬原子之間的牢固連接；接觸面積的增大增強了電子在接觸界面的傳輸能力，使界面電阻減小?？梢?，感應(yīng)渦流誘導(dǎo)的表面電荷可以改善金屬原子與碳納米管表面的潤濕性能，建立可靠的連接。

(a)在MEMS上生長CNTs[66]

2.4 微區(qū)感應(yīng)加熱在電子器件封裝應(yīng)用的研究

目前，電子器件封裝如球柵陣列(BGA)封裝為了施加高溫、使無鉛焊料回流，常采用多區(qū)熱風(fēng)對流、紅外烘箱加熱等手段，但是這類全局高溫加熱方式普遍存在易使印刷電路板翹曲、電子元件損傷的風(fēng)險。此外，加熱不均勻還導(dǎo)致元件一端焊料熔融良好浸潤、另一端未完全熔融的“立碑”現(xiàn)象[68]。MIH可以使焊料快速回流，減小封裝熱應(yīng)力，為電子器件封裝帶來了新的思路。OH等[30]在聚醚砜(PES)基板上對比了MIH和全局加熱兩種方式加熱回流Sn3.5Ag焊錫膏。MIH系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7a所示。由圖7b可以看到，在加熱溫度250 ℃、加熱時間120 s的情況下，加熱板上的PES基板發(fā)生翹曲，感應(yīng)加熱的PES基板卻幾乎沒有變化。文獻[69-71]通過理論分析、有限元仿真和實驗驗證了高頻(300 kHz)電磁感應(yīng)加熱直接用于BGA封裝的可行性，探究了電磁場頻率對焊點形狀控制的影響。圖7c為感應(yīng)加熱BGA封裝的示意圖，電流為27 A、焊球直徑為0.76 mm時，升溫速率約為200 ℃/s，焊錫球與環(huán)氧玻璃布層壓板(FR4)間的冷卻速率約為50 ℃/s，這種快速升降溫環(huán)境有利于晶粒細(xì)化和化學(xué)性能的提高。此外，加熱過程中，還觀察到焊接頭外部被融化而內(nèi)部未受影響的局部熔融現(xiàn)象，并且隨著加熱頻率增高，這種現(xiàn)象更明顯。這種由MIH帶來的加熱溫度梯度特性可用于控制焊接頭的形狀，獲得壽命更長的沙漏形焊接頭。

(a)感應(yīng)加熱倒裝芯片[30](b)PES基板分別被感應(yīng)加熱和全局加熱[30]

微區(qū)感應(yīng)加熱BGA封裝的關(guān)鍵是焊錫球的渦流功率。渦流功率與焊錫球直徑和焊錫粉在焊膏中摻雜量有關(guān)。直徑小于50 μm或摻雜量太小時，渦流功率損失太小，不能引起回流。為此，HABIB等[72]提出一種在交流磁場中使用焊料-磁顆粒復(fù)合材料回流焊的新方法。該方法將FeCo磁性納米顆粒(MNPs)與Sn30Ag5Cu無鉛錫膏機械混合，得到焊料-磁顆粒復(fù)合材料。頻率280kHz的交流磁場作用下，無摻雜磁顆粒的錫膏溫度沒有明顯上升，錫膏-MNPs復(fù)合材料中磁顆粒濃度為2%或更大時，溫度明顯上升且能發(fā)生回流。因此，通過改變磁性顆粒的濃度或直徑有望控制焊錫膏的回流時間和升溫速率。

3 待解決的關(guān)鍵問題

3.1 加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)影響溫度均勻性

目前，MIH線圈大多來源于工業(yè)加熱線圈或螺線管線圈、圓盤形線圈、錐形線圈等特殊線圈[73]，這些線圈受幾何特性影響，存在磁感線分布不均勻的問題，如圓柱螺旋管線圈磁感線從線圈中心到邊沿的密度增大。磁感線分布不均會使大面積加熱應(yīng)用如MEMS晶圓級鍵合、BGA封裝等加熱線圈內(nèi)部各個位置的加熱溫度不一致、加熱樣品表面存在溫度梯度的缺陷。這種缺陷導(dǎo)致加熱區(qū)域內(nèi)某些焊料由于溫度低于期望溫度，使得內(nèi)部的合金組織不能轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)更穩(wěn)定的化合物[18]，鍵合強度無法保證，影響同一批次不同位置器件的封裝一致性和可靠性，甚至出現(xiàn)“立碑”現(xiàn)象。

近年來，國外學(xué)者通過有限元仿真[74]、數(shù)值分析[75-76]等方法優(yōu)化線圈，利用控制算法動態(tài)控制加熱參數(shù)等手段改善溫度分布均勻性。PLESHIVTSEVA等[77]基于AGDEMO進化算法和最優(yōu)控制理論的參數(shù)優(yōu)化交替方法，并結(jié)合有限元進行電磁溫度耦合場的優(yōu)化，優(yōu)化后溫度偏差只有2 ℃。如圖8a所示，TOOLS等[78]研制的五繞組曲流線圈通過2個不同的繞組節(jié)距，使內(nèi)外磁場適應(yīng)晶圓金屬框架的布局，利用該線圈加熱2 s后，6英寸玻璃圓片Cu-Sn框架的平均升溫速率為160 K/s，溫度梯度最大為55 K(圖8b)。NISHA等[79]利用區(qū)域控制感應(yīng)加熱方法設(shè)計出一種用于半導(dǎo)體加工的多線圈感應(yīng)加熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先通過控制60°的相位差順序激勵每個工作線圈產(chǎn)生行波磁場，然后控制電流幅值以實現(xiàn)對石墨感受器的均勻加熱。

(a)五繞組曲流線圈感應(yīng)加熱裝置[78]

國內(nèi)研究人員探究了加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響因素，通過調(diào)整加熱元件的布局來改善感應(yīng)加熱過程中的溫度分布。MEI等[80]通過研究MIH高溫外延生長系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)在晶圓片下方增大氣隙可提高晶圓片的溫度均勻性，氣隙半徑為35 mm時，4英寸晶圓片的最小溫差為14.5 ℃。LI等[81]優(yōu)化了利用電磁感應(yīng)加熱的金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)反應(yīng)器，設(shè)計出的感受器具有環(huán)形槽結(jié)構(gòu)(圖8c)，可以改變內(nèi)部熱傳導(dǎo)的方向。圖8d顯示，優(yōu)化后，晶圓邊緣之外部分的溫度波動小于1 ℃，溫度分布標(biāo)準(zhǔn)差從12.8 ℃降到1.3 ℃，均勻性明顯提高。隨后，他們通過分析線圈匝數(shù)、線圈與感受器的距離，以及感受器高度對晶圓溫度分布的影響，發(fā)現(xiàn)把線圈布置在基座下可以改善晶圓溫度分布[82]。這種能使晶圓溫度分布均勻的感應(yīng)加熱反應(yīng)器，適合加熱單個甚至多個大尺寸晶圓，對于提高薄膜生長質(zhì)量具有重要意義。

3.2 樣品結(jié)構(gòu)尺寸影響溫升特性

MEMS器件、微流道、納米材料的尺寸可小至微米/納米級，感應(yīng)加熱時，與感應(yīng)磁場正交的不同加熱樣品的微圖案形狀、厚度、線寬、面積等因素主導(dǎo)微尺度的磁通量，顯著影響渦流路徑和加熱溫度。

YANG等[83-84]首先研究了薄膜微結(jié)構(gòu)在MIH中的結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)。由圖9a可以看出，相同磁場下，表面積(20.25 mm2)、厚度(10 μm)相同但形狀不同的3種圖案在感應(yīng)加熱90 s后，溫度分別為115 ℃(圓形)、111 ℃(矩形)和108 ℃(三角形)，其中，圓形的溫度最高、升溫最快，三角形的溫度最低。相同加熱環(huán)境下，厚度10 μm的字符“2005”溫度為161.71 ℃，厚度34 μm的字符“TRANSDUCERS”溫度為172.47 ℃，如圖9b所示，可見，相同加熱環(huán)境下，不同厚度和形狀的金屬圖案表現(xiàn)出不同的溫升特性。

劉勝課題組對MEMS封裝微金屬圖案做了類似的研究，磁感應(yīng)強度相同的情況下，隨著被加熱金屬環(huán)的外環(huán)線寬、直徑和厚度的增大，金屬環(huán)溫度升高[17,85-86]。如圖9c所示，不同金屬圖案的加熱效果差異明顯，這是由于圓環(huán)上的渦電流沿邊緣分布均勻，三角形和矩形邊角處的渦電流較小，邊角處溫度略低于各邊中部區(qū)域，U形圖案是開環(huán)結(jié)構(gòu)，磁通量和渦電流遠(yuǎn)小于其他三種閉合圖形。此外，金屬環(huán)的外環(huán)直徑d越大，環(huán)邊緣與環(huán)中央的溫度梯度越大(圖9d)?？傊袘?yīng)加熱圖案對微尺度下的溫升影響很大，如對溫度控制要求高，則需對微結(jié)構(gòu)進行精確設(shè)計。反之，也可利用微區(qū)感應(yīng)加熱的尺度效應(yīng)，通過設(shè)計不同加熱圖案結(jié)構(gòu)尺寸，在同一磁場中實現(xiàn)差異化加熱，以滿足不同的加熱需求。

(a)同一磁場下不同形狀金屬圖案溫升曲線[84]

3.3 焊接頭形貌演變影響封裝可靠性

微區(qū)感應(yīng)加熱用于BGA封裝，升降溫快，得到的焊接頭界面形貌與傳統(tǒng)加熱方式的焊接頭界面形貌有顯著差異，因此研究封裝界面焊接頭熱疲勞失效機理和界面形貌、組織結(jié)構(gòu)演變行為對封裝強度和可靠性極為重要。ZHANG等[31]發(fā)現(xiàn)，利用MIH加熱Sn3Ag0.5Cu(SAC305)焊料回流時，焊料與銅盤接觸界面形成的金屬間化合物(IMC)形貌與傳統(tǒng)加熱方式得到的IMC形貌明顯不同。傳統(tǒng)回流焊后，IMC內(nèi)形成了典型的扇貝狀Cu6Sn5層；而經(jīng)過MIH后，在IMC內(nèi)發(fā)現(xiàn)了棒狀層。圖10a展示了不同等溫時效時間后的焊接接頭高剪切速率沖擊測試的結(jié)果，可見在未經(jīng)過時效處理的情況下，感應(yīng)加熱焊接頭的最大沖擊強度優(yōu)于傳統(tǒng)加熱焊接頭，原因是其IMC層較薄。隨時效時間的延長，兩種加熱方法處理的焊接后的IMC層均增厚，焊接頭脆性增大，沖擊強度降低。CHEN等[87-88]研究了感應(yīng)加熱快速熱循環(huán)下SAC305-Cu焊接頭內(nèi)IMC組織的演變和生長特征，發(fā)現(xiàn)隨著加熱溫度升高和循環(huán)時間延長，熱量不能快速從焊接頭耗散，IMC呈鋸齒狀生長(圖10b)，疲勞裂紋沿IMC邊界擴散，導(dǎo)致焊接頭失效。此外，該團隊還揭示了影響焊點熱疲勞失效的三個重要因素：焊料與基底的熱膨脹系數(shù)不匹配、加熱溫度和時間。通過匹配焊料和連接面的熱膨脹系數(shù)，可減小焊接頭與基板邊界的集中剪切應(yīng)力，有效消除SAC305焊接頭的熱疲勞失效。文獻[89-90]研究了感應(yīng)加熱回流焊中Sn3.5Ag焊接頭剪切強度的時效演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)抗剪強度初始平均值為10.55 N，時效16天后變?yōu)?.61 N，降低約9%。YANG等[91]研究分段感應(yīng)加熱Sn3.5AgCu焊料時發(fā)現(xiàn)，隨著反應(yīng)時間的延長，Cu6Sn5晶粒在焊料基體中大量析出并有規(guī)律地分布，較小厚度的IMC具有抑制剪切過程中位錯和裂紋支撐的能力，使焊點的剪切強度顯著提高，而IMC厚度過大以及長時間反應(yīng)會造成焊接頭強度明顯下降。

(a)沖擊強度隨時效時間的變化[86]

4 結(jié)論和展望

MIH主要有以下幾大優(yōu)勢：

(1)非接觸。MIH無需引入傳統(tǒng)加熱單元，減小了微納系統(tǒng)對引線、導(dǎo)熱元件及復(fù)雜加熱環(huán)境的依賴，顯著減小了器件體積，有利于促進微納系統(tǒng)小型化、集成化發(fā)展。

(2)熱響應(yīng)快。MIH可在數(shù)秒內(nèi)完成高功率密度加熱，具有極高的加熱效率?？焖偕郎?、冷卻的淬火特性能控制微納材料的生長及回流焊焊接頭的形貌。

(3)區(qū)域選擇性。通過布局加熱線圈，依托不同加熱材料特性和鍵合圖案，可選擇加熱期望區(qū)域，保證器件內(nèi)部溫度敏感結(jié)構(gòu)不被破壞，減小熱應(yīng)力和熱損傷，顯著提高器件性能和可靠性。

MIH發(fā)展前景廣闊，隨著應(yīng)用領(lǐng)域和加熱需求的不斷拓展，對MIH的溫度特性、控制系統(tǒng)以及加熱系統(tǒng)提出更高的要求：

(1)復(fù)合材料拓展。MIH的局限主要在于僅適合加熱渦流損耗高的材料，渦流損耗小的材料不會被明顯加熱。將來可在被加熱材料中摻雜渦流損耗高的磁納米粒子制備復(fù)合材料，從而拓展加熱材料范圍[72]。

(2)瞬時溫度控制。MIH樣品的溫升特性影響因素眾多，包括材料特性、幾何尺寸、電源頻率、電流、位置等，雖然通過優(yōu)化加熱系統(tǒng)和仿真設(shè)計可在穩(wěn)態(tài)溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)對溫度分布均勻性的控制，但目前仍難以在加熱過程精確控制特定加熱位置瞬時的升溫和冷卻曲線，因此有必要提出模糊控制[92]，混頻、時分激勵等算法來實現(xiàn)高魯棒性的瞬時溫度控制，提高溫度均勻性。

(3)精準(zhǔn)快速溫度反饋。MIH作用于局部區(qū)域、升溫極快，而常用的溫度測量裝置，如熱電偶、溫度指示漆的精準(zhǔn)度低，紅外測溫儀存在一定的時延。如何高效、簡便地實現(xiàn)毫秒級的溫度反饋，對精準(zhǔn)控制MIH溫度具有重要意義。

(4)微型化、模塊化的感應(yīng)加熱系統(tǒng)。目前，MIH系統(tǒng)已朝著高頻化、射頻化方向發(fā)展，市場上已有的感應(yīng)加熱系統(tǒng)都存在體積大，頻率、電流范圍小，線圈切換困難，需要接入冷卻系統(tǒng)，無法長時間工作等缺陷。通過引入新工藝新方法(如3D打印、MEMS技術(shù)等)來實現(xiàn)加熱系統(tǒng)微型化、模塊化，有望促進MIH技術(shù)多樣化應(yīng)用。