鮑愛(ài)達(dá)，徐香菊，龔 珊

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051)

0 引言

隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，各種類(lèi)型的MEMS傳感器在航天、軍事、商業(yè)、民用等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用［1］。國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)對(duì)各種用途的新型傳感器的研究熱度更是越來(lái)越濃。在某些復(fù)雜的物理過(guò)程中，既有小到幾個(gè)gn的加速度作用，又有成千上萬(wàn)個(gè)gn的加速度，用單一量程的加速度計(jì)很難精確測(cè)量到實(shí)際的加速度值，若用不同量程的加速度計(jì)，因靈敏度和安裝位置的不同，也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成很大誤差。為了適應(yīng)這種情況而研制了復(fù)合量程加速度計(jì)。它采用傳感器陣列的形式在同一硅片上制作量程分別為0～50，0～100，0～500，0～10 000 gn的4個(gè)單元，這樣對(duì)低gn值與高gn值加速度都敏感，達(dá)到精確測(cè)量的目的。

在芯片級(jí)封裝中采用了陽(yáng)極鍵合技術(shù)，但鍵合過(guò)程是在比較高的環(huán)境下進(jìn)行的，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)加速度計(jì)的零位輸出產(chǎn)生偏移，甚至在高溫下會(huì)對(duì)微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞［2～4］，以致對(duì)復(fù)合量程加速度計(jì)的使用狀況和大量發(fā)展受到了限制，因此，對(duì)其殘余熱應(yīng)力的研究是必要的。本文對(duì)復(fù)合量程加速度計(jì)的陽(yáng)極鍵合過(guò)程進(jìn)行了建模與仿真，分析了鍵合溫度、玻璃基底的厚度和框架的鍵合寬度對(duì)梁上殘余熱應(yīng)力的影響。

1 復(fù)合量程加速度計(jì)的設(shè)計(jì)

本文中研究的復(fù)合量程加速度計(jì)是利用硅的壓阻效應(yīng)制作的，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。將4個(gè)量程不同的加速度計(jì)單元制作在同一硅片上，每一個(gè)單元都采用了雙端四梁結(jié)構(gòu)。在4個(gè)懸臂梁上分別制作了2只力敏電阻器，當(dāng)有外力作用于加速度計(jì)時(shí)，質(zhì)量塊上下振動(dòng)，引起梁上的應(yīng)力變化，從而電阻器的阻值變化，通過(guò)惠斯通電橋可以將這種變化以電壓的形式表現(xiàn)出來(lái)。

圖1 復(fù)合量程加速度計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure diagram of multi-ranged accelerometer

2 復(fù)合量程加速度計(jì)殘余熱應(yīng)力的影響因素

復(fù)合量程加速度計(jì)的4個(gè)單元的結(jié)構(gòu)相似，分析方法也相同，這里僅以0～50 gn為例分析其零位偏移的影響因素。圖2是鍵合后的芯片剖面圖，主要由玻璃基底、質(zhì)量塊、彈性梁和外圍框架組成。采用陽(yáng)極鍵合的方法將整個(gè)結(jié)構(gòu)鍵合在一起。鍵合過(guò)程是在比較高的環(huán)境下進(jìn)行的，由于材料的熱膨脹系數(shù)等因素會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，以致影響傳感器的零位輸出［5］。

用Ansys軟件對(duì)復(fù)合量程加速度計(jì)的陽(yáng)極鍵合過(guò)程進(jìn)行建模與仿真:對(duì)如圖2所示的模型施加一定的初始溫度載荷，一定時(shí)間后，將其緩慢冷卻到室溫下，仿真求解得到梁端部應(yīng)力的變化［6］。之后再分別改變鍵合溫度、玻璃基底的厚度和框架鍵合的寬度，以確定梁上應(yīng)力與這些因素的關(guān)系。

圖2 鍵合后的芯片剖面圖Fig 2 Sectional view of chip after bonding

2.1 鍵合溫度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

先保持其他條件不變，使鍵合溫度分別從200～500℃變化，通過(guò)Ansys軟件仿真可以得到梁上殘余應(yīng)力的變化值，如表1所示。

表1 不同溫度下的應(yīng)力值Tab 1 Stress at different temperature

可以看出:梁端部的應(yīng)力隨鍵合溫度的增加而增加。為了減小這種殘余熱應(yīng)力的影響，應(yīng)改善鍵合工藝，在盡可能低的溫度下完成硅與玻璃的鍵合過(guò)程。

2.2 玻璃基底的厚度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

改變玻璃基底的厚度，使其他條件保持不變，分別取玻璃基底的厚度為200～800μm，對(duì)加速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，得到如表2所示的數(shù)據(jù)。

表2 基底厚度不同時(shí)的應(yīng)力值Tab 2 Stress with different thickness of glass substrate

可以看到，殘余應(yīng)力隨玻璃基底厚度的增加而增加。當(dāng)玻璃基底厚度超過(guò)450μm后，應(yīng)力增大的趨勢(shì)逐漸減緩。

因此，應(yīng)選擇比較薄的玻璃基底，可以降低加速度芯片性能和穩(wěn)定性受應(yīng)力的影響。

2.3 框架鍵合寬度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

經(jīng)過(guò)以上的分析，選取玻璃基底厚度為450μm，鍵合溫度為380℃，分別改變鍵合寬度，使其從140～640μm變化，仿真得到應(yīng)力隨鍵合寬度的變化，數(shù)值如表3所示。

表3 不同鍵合寬度時(shí)的應(yīng)力值Tab 3 Stress with different bonding width

可以看出:隨著鍵合寬度的增加，梁上殘余應(yīng)力先增大后減小，在鍵合寬度為350μm左右，應(yīng)力值達(dá)到最大;當(dāng)鍵合寬度大于350μm后，應(yīng)力值迅速減小，因此，鍵合寬度應(yīng)大于350μm。

3 結(jié)論

通過(guò)以上分析可以看出:陽(yáng)極鍵合過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力不能忽略，它會(huì)引起加速度計(jì)的零位失調(diào)，還會(huì)造成結(jié)構(gòu)的損傷［7］。梁上殘余應(yīng)力的大小與鍵合溫度、玻璃基底的厚度和框架鍵合寬度有關(guān)，且應(yīng)力隨鍵合溫度的升高成線性增加，隨玻璃基底厚度的增加而增加，隨鍵合寬度的增加先增大后減小。在鍵合過(guò)程中，在改善鍵合工藝的基礎(chǔ)上，使鍵合溫度盡可能的低，選取合適的鍵合寬度和薄的玻璃基底以減小梁上的殘余應(yīng)力。

［1］關(guān)榮鋒，汪學(xué)方，甘志銀，等.MEMS封裝技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)工藝研究［J］.封裝測(cè)試技術(shù)，2005，30(1):50－54.

［2］陳斌，王興妍，黃輝，等.Ⅲ－Ⅴ族半導(dǎo)體晶片鍵合熱應(yīng)力分析［J］.半導(dǎo)體光電，2005，26(5):421－427.

［3］許東華，張兆華，林惠旺，等.硅玻璃陽(yáng)極鍵合絕壓壓阻式壓力傳感器中的殘余應(yīng)力［J］.功能材料與器件學(xué)報(bào)，2008，14(2):452－456.

［4］游俠飛.MEMS加速度計(jì)溫度場(chǎng)及殘余應(yīng)力模型研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2012.

［5］He Guorong，Yang Guohua，Zheng Wanhua，et al.Analysis of Si/GaAs bonding stresses with the finite element method［J］.Chinese Journal of Semiconductors，2006，27(11):1906－1909.

［6］Huang Meijia，Chou Pokuai，Lin Mingchuan.Thermal and thermal stress analysis of a thin－film thermo－electric cooler under the influence of the thomson Effect［J］.Sensors and Actuators A，2006，126:122－128.

［7］趙翔，梁明富.MEMS封裝中陽(yáng)極鍵合技術(shù)的影響因素研究和設(shè)計(jì)因素分析［J］.新技術(shù)新工藝，2009(12):104－107.