一種高穩(wěn)定諧振芯片封裝技術(shù)研究

于 洋，孫 權(quán)，孟憲寧，李修鈺，張 強(qiáng)，劉 旭

(中國電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，哈爾濱 150028)

諧振芯片的封裝是整個諧振式傳感器制作過程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，封裝質(zhì)量對傳感器的性能有直接的影響，其中一個重要的問題是諧振芯片與封裝管座的熱膨脹系數(shù)不匹配。

由于硅材料與金屬管座之間的熱膨脹系數(shù)不匹配，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生改變時導(dǎo)致諧振芯片上的敏感薄膜發(fā)生變形，從而使諧振芯片的本征頻率發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器的溫度漂移[1-8]。為了解決該問題，采用隔離層技術(shù)，減小因熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力影響。

目前，通常采用二氧化硅等材料作為隔離層，其熱膨脹系數(shù)與硅相同，可在諧振芯片和管座之間起到緩沖作用，當(dāng)溫度變化時引起的預(yù)應(yīng)力較小。通過ANSYS仿真，比較了不同隔離層厚度對應(yīng)力隔離的影響，并通過試驗進(jìn)行對比分析。

1 傳感器工作原理及試驗方法

采用的諧振式傳感器芯片結(jié)構(gòu)如圖1所示。以靜電激勵/壓阻檢測為工作方式，采用三層硅結(jié)構(gòu)。力敏電阻在芯片內(nèi)部聯(lián)成惠斯通電橋，壓力敏感膜片與測量介質(zhì)接觸，在外界壓力作用下，壓力敏感膜片產(chǎn)生變形并傳遞到諧振子，引起振動頻率的變化，實現(xiàn)壓力測量。

圖1 諧振式傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Sketch map of the resonant sensor

當(dāng)傳感器受到應(yīng)力作用時，敏感膜片產(chǎn)生的變形會向諧振梁傳遞軸向力。

假設(shè)諧振敏感元件沿著X軸設(shè)置在[X1,X2]上，由壓力p引起的梁諧振敏感元件的初始應(yīng)力為[8]：

(1)

(2)

(3)

式中：σ0表示梁所受到的軸線方向應(yīng)力(Pa)；u1、u2表示梁在其兩個端點X1和X2處的軸線方向位移(m)；X1、X2為梁在方平膜片的直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值；L表示梁的長度(m)，且有L=X2-X1。

兩端固支梁的一階固有頻率為：

(4)

(5)

(6)

式中，ρm表示梁材料的密度(kg/m3)；h表示梁的厚度(m)。

敏感膜上力的變化會引起諧振結(jié)構(gòu)諧振頻率的變化。封裝過程中，如果采用芯片直接和金屬管座粘接的方法，當(dāng)溫度變化時，兩者的熱膨脹系數(shù)相差很大，會在敏感膜上引起預(yù)應(yīng)力，從而導(dǎo)致諧振芯片的固有頻率發(fā)生變化，導(dǎo)致溫度漂移的產(chǎn)生。

為了減小預(yù)應(yīng)力，采用隔離層技術(shù)，在芯片和金屬管座之間增加一層隔離層，減小熱應(yīng)力的產(chǎn)生。

2 ANSYS仿真分析

采用ANSYS軟件，對諧振式芯片的封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，分析其在不同隔離層厚度的情況下受溫度影響后的應(yīng)力變化情況，仿真模型如圖2所示：

圖2 仿真模型結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of simulation model

該仿真結(jié)構(gòu)包括3種材料：上層是硅材料，中間隔離層采用硼硅玻璃，管座采用鋼材料。

圖3給出了仿真結(jié)構(gòu)的截面圖。諧振芯片是C型硅杯結(jié)構(gòu)，與管座之間通過隔離層過渡。

圖3 仿真結(jié)構(gòu)截面圖Fig.3 Section of simulation structure

上述3種材料的熱膨脹系數(shù)如表1所示：

表1 熱膨脹系數(shù)Tab.1 Coefficient of thermal expansion

對該結(jié)構(gòu)施加溫度載荷，溫度為80℃，仿真敏感膜上的應(yīng)力變化，當(dāng)沒有隔離層時，仿真結(jié)果如圖4所示：

圖4 沒有隔離層的仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results without isolation layer

可以看出，在沒有制作隔離層時，由于熱膨脹系數(shù)不匹配，敏感膜上產(chǎn)生的應(yīng)力最大值為72.3 MPa。

當(dāng)隔離層厚度為2 mm時，仿真結(jié)果如圖5所示：

圖5 有隔離層的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results with isolation layer

可以看出，在隔離層的厚度為2 mm時，敏感膜上產(chǎn)生的應(yīng)力最大值為22.5 MPa。

從仿真結(jié)果可以看出，增加了隔離層之后，減小了由于熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力。

采用ANSYS響應(yīng)面方法進(jìn)行DOE分析，分析不同厚度隔離層的影響，設(shè)置過程如圖6所示，仿真結(jié)果如圖7所示：

圖7中，縱軸是產(chǎn)生的應(yīng)力值，橫軸是隔離層的厚度，可以看出，隨著隔離層厚度的增加，溫度變化引起的預(yù)應(yīng)力越小，諧振芯片的熱穩(wěn)定性就越好。

隨著玻璃片厚度的增加，劃片等工藝的加工難度會隨之增加，綜合各種因素考慮，采用隔離層厚度為2 mm和4 mm，分別設(shè)計諧振芯片的封裝結(jié)構(gòu)。

圖6 DOE仿真Fig.6 Simulation of DOE

圖7 不同隔離層厚度的影響Fig.7 Influence of different thickness of isolation layer

3 芯片制作及實驗標(biāo)定結(jié)果

通過靜電鍵合工藝，將器件層和隔離層鍵合在一起，這種鍵合溫度低、鍵合界面穩(wěn)定、長期穩(wěn)定性好，圖8為鍵合后的芯片。

圖8 諧振芯片F(xiàn)ig.8 Photo of resonant chip

將鍵合完成的芯片粘接在封裝管座上進(jìn)行封裝，完成的封裝結(jié)構(gòu)如圖9所示：

對封裝后的諧振芯片進(jìn)行實驗標(biāo)定，在不同的溫度下標(biāo)定其靜態(tài)特性。圖10為實驗用的高低溫試驗箱和壓力控制器。

圖9 封裝后的諧振芯片F(xiàn)ig.9 Resonant chip after packaging

圖10 實驗儀器Fig.10 Experimental instrument

為了比較不同隔離層厚度的影響，設(shè)計制造了兩種隔離層厚度的芯片封裝形式：一種隔離層厚度為2 mm，另一種為4 mm。

表2為隔離層厚度2 mm封裝結(jié)構(gòu)芯片的實驗結(jié)果，表3為隔離層厚度4 mm封裝結(jié)構(gòu)芯片的實驗結(jié)果。

表2 隔離層厚度2 mm的芯片實驗結(jié)果Tab.2 Experimental results of chip with isolation layer thickness of 2 mm

表3 隔離層厚度4 mm的芯片實驗結(jié)果Tab.3 Experimental results of chip with isolation layer thickness of 4 mm

通過實驗數(shù)據(jù)，計算諧振芯片的精度如表4所示。可以看出，當(dāng)溫度從-40℃變化到80℃時，2 mm隔離層厚度封裝的芯片的精度漂移為0.55%·℃-1，4 mm隔離層厚度封裝的芯片的精度漂移為0.14%·℃-1，證明隔離層厚度越厚精度的漂移越小，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

表4 不同溫度下的精度Tab.4 Accuracy at different temperatures

4 結(jié)論

采用隔離層技術(shù)進(jìn)行諧振芯片的封裝設(shè)計，通過ANSYS軟件，仿真隔離層對預(yù)應(yīng)力的影響，并制作不同隔離層厚度的樣品進(jìn)行實驗驗證。結(jié)果表明，當(dāng)溫度從-40℃變化到80℃時，2 mm隔離層厚度封裝的芯片的精度漂移為0.55%·℃-1，4 mm隔離層厚度封裝的芯片的精度漂移為0.14%·℃-1。

通過實驗證明，隔離層可有效減小熱膨脹系數(shù)不匹配造成的預(yù)應(yīng)力影響，減小諧振芯片的溫度漂移，且隔離層越厚，效果越明顯。