張方媛，牛昊彬，閆 鑫，陳旭輝，李關(guān)紅

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)西安飛行自動(dòng)控制研究所，西安 710065）

MEMS 陀螺是一種基于MEMS 工藝制造的角速度敏感器[1]，已成為當(dāng)前慣性陀螺的重要發(fā)展方向之一。MEMS 陀螺以其在體積、重量和功耗上的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用在汽車導(dǎo)航、飛行器控制與導(dǎo)航、消費(fèi)電子等諸多領(lǐng)域[2,3]。

雙質(zhì)量結(jié)構(gòu)能夠有效消除軸向加速度等共模干擾的影響，其音叉式的工作方式使得MEMS 陀螺對(duì)環(huán)境不敏感，極大地提升了環(huán)境適應(yīng)性[4,5]。同時(shí)采用全解耦結(jié)構(gòu)方式將驅(qū)動(dòng)模態(tài)與檢測(cè)模態(tài)解耦，降低正交誤差影響，進(jìn)一步提升MEMS 陀螺的性能。雙質(zhì)量塊陀螺工作原理為[6,7]：陀螺工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)電極施加交變靜電產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，分別驅(qū)動(dòng)左右兩部分沿x 軸同頻、等幅、反向振動(dòng)。當(dāng)有z 軸角速度信號(hào)輸入時(shí)，產(chǎn)生科氏加速度，敏感質(zhì)量塊沿y 軸同頻、等幅、反向振動(dòng)。通過對(duì)檢測(cè)電容進(jìn)行差分運(yùn)算，可以解算角速率信號(hào)。

從圖1 可以看出，全解耦雙質(zhì)量塊MEMS 陀螺結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。圖中陰影部分大多是需要與外部電路的連接信號(hào)引出的區(qū)域，涉及驅(qū)動(dòng)模態(tài)以及檢測(cè)模態(tài)，至少有20 個(gè)。如果在區(qū)域上直接做引線孔，會(huì)導(dǎo)致芯片面積不夠用，工藝難度大幅度提升。因此如何將電信號(hào)引出并保證芯片設(shè)計(jì)面積和質(zhì)量是決定MEMS陀螺工作與否的重要工藝環(huán)節(jié)，內(nèi)部信號(hào)互聯(lián)成為首選思路。

圖1 雙質(zhì)量塊陀螺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of the double-mass gyroscope

1 MEMS 陀螺結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

當(dāng)前晶圓級(jí)封裝設(shè)計(jì)中， 基于硅通孔（Through-Silicon-Via, TSV）技術(shù)熱度很高[8,9]，引線通孔數(shù)量過多損耗芯片面積，限制了其它結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。而雙質(zhì)量陀螺結(jié)構(gòu)采用密封腔電極互聯(lián)鍵合技術(shù)，有如下優(yōu)勢(shì)：

1) 提升設(shè)計(jì)自由度。雙質(zhì)量塊陀螺結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要的引線孔很多，如果實(shí)現(xiàn)陀螺腔內(nèi)部互聯(lián)，則可以大大減少引線孔的數(shù)量，給設(shè)計(jì)留下很大的空間。

2) 減少了孔的數(shù)量，同時(shí)增大了陀螺有效敏感結(jié)構(gòu)的面積，從而使得陀螺的靈敏度得到提升。

3) 可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜信號(hào)引線布線。陀螺與電路的連接中，走線設(shè)計(jì)復(fù)雜，如果將一部分電路走線設(shè)計(jì)在陀螺內(nèi)部，將孔布局在同側(cè)，大大簡(jiǎn)化了外部與電路的連接引線，減小MEMS 陀螺體積。

雙質(zhì)量塊陀螺結(jié)構(gòu)采用內(nèi)互聯(lián)引線技術(shù)變化如圖2 所示。從圖2 中可見，雙質(zhì)量陀螺結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，在使用內(nèi)互聯(lián)引線技術(shù)后省去了結(jié)構(gòu)中央的鍵合錨點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜信號(hào)引線布線。而內(nèi)互聯(lián)引線的難點(diǎn)在于在密封腔內(nèi)應(yīng)用金屬導(dǎo)帶完成電信號(hào)導(dǎo)通，同時(shí)要保持密封，不能影響錨點(diǎn)鍵合質(zhì)量和真空封裝品質(zhì)因數(shù)Q 值。

圖2 采用內(nèi)互聯(lián)引線技術(shù)對(duì)比示意圖Fig.2 Schematic diagram of comparison of inter-connection lead technology

2 內(nèi)互聯(lián)引線設(shè)計(jì)

引線壓頭形狀既要考慮到陽(yáng)極鍵合的可靠性，又要保證電極導(dǎo)通性，因此我們考慮梳齒狀電極頭結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)對(duì)鍵合質(zhì)量影響最小，同時(shí)兼顧導(dǎo)通穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)齒狀電極引線端口如圖3 所示。主要設(shè)計(jì)參數(shù)有b（齒寬）、c（鍵合區(qū)壓入長(zhǎng)度）。依據(jù)現(xiàn)有工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了18 組不同長(zhǎng)度組合，用于開展引線鍍制厚度以及材料對(duì)比試驗(yàn)，如表1、表2 所示。

圖3 電極引線端口示意圖Fig.3 Schematic diagram of electrode lead port

將設(shè)計(jì)的不同電極端口制作在同一個(gè)帶孔玻璃片上，進(jìn)行陽(yáng)極鍵合密封，測(cè)量密封后的未鍵合區(qū)域長(zhǎng)度，進(jìn)而對(duì)參數(shù)選取進(jìn)行判斷。理論上未鍵合區(qū)域越小，證明對(duì)鍵合強(qiáng)度影響越小，如圖4 所示。

圖4 未鍵合區(qū)域示意圖Fig.4 Schematic diagram of unbounded area

將18 組圖形做在同一個(gè)玻璃片上，其分布如圖5所示，這樣能在同樣的鍵合參數(shù)下，對(duì)不同電極端口進(jìn)行比較，同時(shí)也能保證每種電極端口有足夠樣品量。

圖5 端口圖形分布示意圖Fig.5 Schematic diagram of port distribution

同時(shí)，準(zhǔn)備了10 片玻璃片，從工藝實(shí)現(xiàn)性和經(jīng)驗(yàn)方面考慮，進(jìn)行了電極厚度和電極材料的分類設(shè)計(jì)，如表2 所示。

表2 電極端口設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Parameters of the electrode port

表2 電極材料以及膜厚表Tab.2 Electrode material and film thickness

3 電極制作與實(shí)現(xiàn)

電極制作經(jīng)過清洗帶孔玻璃片、沉積金屬層、光刻、腐蝕、陽(yáng)極鍵合等工藝步驟，如圖6 所示。

圖6 電極制作過程示意圖Fig.6 Schematic diagram of electrode production

其中的陽(yáng)極鍵合參數(shù)為：溫度400 ℃，鍵合電壓-400 V，鍵合時(shí)長(zhǎng)45 min，鍵合氣壓為1E-4 mbar。形成的密封電極形貌清晰，鍵合區(qū)域合適，如圖7 所示。

圖7 鍵合后玻璃電極形貌Fig.7 The appearance of the electrode after bonding

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與設(shè)計(jì)參數(shù)選取

4.1 齒狀電極形貌

對(duì)每片玻璃片進(jìn)行了陽(yáng)極鍵合密封，分析未鍵合區(qū)域與c 的關(guān)系，如圖8 所示。

圖8 c 與未鍵合區(qū)域關(guān)系曲線Fig.8 The curve of the relationship between c and unbounded area

對(duì)于不同鍵合參數(shù)的玻璃電極片，總體趨勢(shì)是，b值一定的情況下，鍵合后c 的長(zhǎng)度（也就是嵌入至鍵合區(qū)內(nèi)的電極長(zhǎng)度）越小，未鍵合區(qū)域越小，鍵合質(zhì)量越好。尤其在c=5 μm 時(shí)，呈現(xiàn)直接鍵合的現(xiàn)象，沒有出現(xiàn)未鍵合的空腔。同樣，抽取2 號(hào)片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)c 的長(zhǎng)度一定時(shí)，b=10 μm 的曲線未鍵合區(qū)域最小，鍵合效果最好。

通過以上分析，b 和c 的長(zhǎng)度越短越好。但陀螺生產(chǎn)過程中，受到對(duì)準(zhǔn)誤差以及鍵合誤差等限制，需保證工藝可行性以及接觸穩(wěn)定性。對(duì)準(zhǔn)精度的改進(jìn)依靠更換新型的鍵合夾具，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)該考慮到這種偏差，不能將伸入鍵合區(qū)的電極長(zhǎng)度設(shè)置過短，增加工藝難度。結(jié)合數(shù)據(jù)分析并從工藝實(shí)現(xiàn)性考慮，選擇b=10 μm，c=20 μm 為合適參數(shù)。

4.2 電極材料選取

根據(jù)工藝條件，選Al 和AlCu 兩種電極材料進(jìn)行對(duì)比。從圖9 中可以看出，在相同的b、c 條件下，Al 材料的未鍵合區(qū)域較AlCu 小。因此，選用Al 作為電極首選材料。

圖9 不同電極材料鍵合比較圖Fig.9 Bonding comparison of different electrode material

4.3 電極厚度選取

選擇了Al 電極的三種厚度進(jìn)行比較，分別為0.2 μm、0.5 μm 和1 μm。圖10 中曲線是b=10 μm 時(shí)，不同的厚度所對(duì)應(yīng)的未鍵合區(qū)域。從圖10 中可知，在c 相同情況下，電極厚度越厚，未鍵合區(qū)域越大，鍵合效果越差。0.2 μm 的電極鍵合效果最好。

圖10 不同電極厚度鍵合比較圖Fig.10 Bonding comparison of different electrode thickness

對(duì)試驗(yàn)片進(jìn)行導(dǎo)通性測(cè)試，所有玻璃片上電極的電阻值統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見表3。從表3 中可知，Al 厚度為0.2 μm 的電極其電阻為1000 Ω 以下的最多，失效率最低，因此選擇電極厚度為0.2 μm 最佳，既能保證電極接觸電阻小，又能保證電極導(dǎo)通的穩(wěn)定性。

表3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistics

綜上所述，采用0.2 μm 的電極厚度作為正式產(chǎn)品的工藝參數(shù)。

5 基于內(nèi)互聯(lián)引線工藝的陀螺測(cè)試與分析

基于以上內(nèi)互聯(lián)引線的工藝參數(shù)，成功實(shí)現(xiàn)25只雙質(zhì)量塊MEMS 陀螺電信號(hào)導(dǎo)通，并實(shí)現(xiàn)了真空密封。經(jīng)測(cè)試，Q 值能夠達(dá)到20 萬以上的表頭數(shù)為24個(gè)，占比超過80%，如圖11 所示。

圖11 陀螺測(cè)試Q 值分布圖Fig.11 Chart of gyro test Q value distribution

陀螺受外界影響小，性能穩(wěn)定，內(nèi)互聯(lián)引線電信號(hào)連接可靠性較高。在室溫環(huán)境下，對(duì)陀螺進(jìn)行了1小時(shí)穩(wěn)定性的測(cè)試，測(cè)試零偏穩(wěn)定性達(dá)到7.7 °/h，如圖12 所示。

圖12 陀螺測(cè)試圖Fig.12 Chart of gyro test

雙質(zhì)量塊陀螺的孔數(shù)量減少，同時(shí)孔結(jié)構(gòu)分布在一側(cè)，為后端封裝也提供了便利空間。結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的實(shí)物圖如圖13 所示。

圖13 結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后陀螺表頭Fig.13 Gyro chip before and after structural improvement

6 結(jié) 論

本文采用齒狀電極作為雙質(zhì)量塊MEMS 陀螺內(nèi)互聯(lián)引線，確定伸入鍵合區(qū)長(zhǎng)度為20 μm，齒狀數(shù)目為10 個(gè)，為鍵合合適參數(shù)；同時(shí)，選擇Al 作為電極材料，并比較了電極的不同厚度對(duì)于鍵合面以及導(dǎo)通性的影響，確定電極厚度為0.2 μm。密封腔電極內(nèi)互聯(lián)引線工藝技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，使得MEMS 雙質(zhì)量陀螺避免中間通孔占用芯片面積，降低了通孔制作工藝難度，同時(shí)為整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高了自由度，避免復(fù)雜表面引線干擾，為MEMS 雙質(zhì)量塊陀螺性能進(jìn)一步優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)奠定了工藝基礎(chǔ)。