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(jī)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安,710065 3.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安，710049

0 引言

微機(jī)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(dòng)與控制，實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)、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(dòng)對(duì)加熱技術(shù)的清潔性、經(jīng)濟(jì)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(duì)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(duì)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(jì)[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(shí)現(xiàn)微小區(qū)域的快速升溫和冷卻，避免對(duì)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(duì)加熱環(huán)境的要求，促進(jìn)微納系統(tǒng)向小型化、集成化方向發(fā)展。本文簡(jiǎn)要介紹微區(qū)電磁感應(yīng)加熱的基本原理，重點(diǎn)闡述其在微納系統(tǒng)的研究進(jìn)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(shì)并展望發(fā)展趨勢(shì)。

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(chǎng)，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(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，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(dòng)勢(shì)E：

E=-NdΦ/dt

(1)

式中，N為線圈匝數(shù)。

進(jìn)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(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)的有效值。由式(2)可知，被感應(yīng)加熱導(dǎo)體的阻抗較小時(shí)，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(chǎng)時(shí)，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(diǎn)的電流密度J隨該點(diǎn)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(diǎn)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(duì)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(shí)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(duì)于單個(gè)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(jì)算得到基準(zhǔn)頻率f0。電源頻率大于基準(zhǔn)頻率時(shí)，實(shí)際加熱深度小于期望深度；電源頻率小于基準(zhǔn)頻率時(shí)，實(shí)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(jí)。

(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(jìn)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(shì)明顯，按照主要研究場(chǎng)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(diǎn)

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(huì)直接破壞器件；陽極鍵合需要置于高壓電場(chǎng)下，極易發(fā)生離子污染；硅-金共晶鍵合對(duì)溫度和時(shí)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(shí)現(xiàn)晶圓的室溫直接鍵合，但在鍵合面易形成空洞，鍵合強(qiáng)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(shí)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(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，是最具潛力的一種MEMS標(biāo)準(zhǔn)化封裝方法。

2.1.1器件級(jí)鍵合

MEMS器件級(jí)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(qiáng)度達(dá)10.42 MPa。陳明祥[19]、LIU等[42]采用高頻MIH系統(tǒng)對(duì)陀螺儀陶瓷殼體進(jìn)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(qiáng)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(duì)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(duì)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(jí)鍵合

晶圓級(jí)鍵合可避免單個(gè)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(duì)晶圓的直接鍵合，首次展示了MIH用于晶圓級(jí)鍵合的潛力。隨后，YANG等[20]采用MIH實(shí)現(xiàn)4英寸晶圓的硅-硅鍵合。實(shí)驗(yàn)表明，電源頻率100 kHz、電流25 A時(shí)，焊料可在1 min內(nèi)回流，器件的鍵合強(qiáng)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(jì)、有限元建模、PCB鍵合試驗(yàn)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(jí)鍵合，如圖4所示，金屬框架升溫冷卻時(shí)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(shí)間縮短了約60%～90%，硅-玻璃晶圓級(jí)鍵合率大于93%。

(a)硅-玻璃晶圓級(jí)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(shí)造成的管道熱變形，還可實(shí)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(jìn)行系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，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(jì)效益高。

2.2.1微流道熱氣體驅(qū)動(dòng)

目前，基于MIH的微流道熱氣體驅(qū)動(dòng)主要有兩種形式：熱氣泡驅(qū)動(dòng)和加熱化學(xué)反應(yīng)氣體驅(qū)動(dòng)。熱氣泡驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。HOU等[22]利用MIH進(jìn)行熱氣泡驅(qū)動(dòng)，當(dāng)通入1.0 A的高頻電流時(shí)，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(shí)，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(jì)出的微助推器最大推力為970 μN(yùn)[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(duì)微流道推進(jìn)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(dòng)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(qiáng)度下，利用感應(yīng)加熱偶氮二異丁腈(AIBN)生成的氮?dú)膺M(jìn)行壓力驅(qū)動(dòng)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(jì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)短間隙和長(zhǎng)間隙的微閥開啟控制。實(shí)驗(yàn)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(chǎng)強(qiáng)度80～168 μT下實(shí)現(xiàn)了短間隔(1～5 s)和長(zhǎng)間隔(15～23 s)的閥門開啟動(dòng)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(jiǎn)單的特點(diǎn)，還可以方便地集成到片上實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)可編程流量控制，缺點(diǎn)是只能實(shí)現(xiàn)開操作，無法重復(fù)連續(xù)開關(guān)動(dòng)作。為解決這一問題，LIU等[25,54]設(shè)計(jì)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(dòng)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(lì)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(shí)現(xiàn)重復(fù)開關(guān)和順序控制。該實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jī)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(gè)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(hù)層可避免熱元件與細(xì)胞直接接觸。實(shí)驗(yàn)中，感應(yīng)線圈置于加熱元件正下方，磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.1 mT時(shí)，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(diǎn)，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(jià)值[56]。PAL等[57]設(shè)計(jì)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(zhǎng)

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(shí)現(xiàn)材料的快速生長(zhǎng)。2006年，CHEN等[58]在感應(yīng)加熱爐中用物理蒸汽輸運(yùn)法(PVT)生長(zhǎng)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(zhǎng)SiC(生長(zhǎng)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(zhǎng)形狀獨(dú)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(shí)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(shí)間內(nèi)有效活化而不會(huì)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(zhǎng)度達(dá)10 μm)。BIRIS等[64-65]對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)過程及形態(tài)演變需要準(zhǔn)確中止石墨烯的成核和生長(zhǎng)。中斷石墨烯生長(zhǎng)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(zhǎng)。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(zhǎng)過程，獲得不同的生長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)高頻電流作用于該系統(tǒng)的鎢絲時(shí)，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(jī)械強(qiáng)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(qiáng)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(rùn)濕性能，建立可靠的連接。

(a)在MEMS上生長(zhǎng)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(duì)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(xiǎn)。此外，加熱不均勻還導(dǎo)致元件一端焊料熔融良好浸潤(rùn)、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(duì)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(shí)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(xiàn)[69-71]通過理論分析、有限元仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(chǎng)頻率對(duì)焊點(diǎn)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(shí)，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(zhǎng)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(shí)，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(chǎng)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(jī)械混合，得到焊料-磁顆粒復(fù)合材料。頻率280kHz的交流磁場(chǎng)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(shí)，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(shí)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(huì)使大面積加熱應(yīng)用如MEMS晶圓級(jí)鍵合、BGA封裝等加熱線圈內(nèi)部各個(gè)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(qiáng)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(guó)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(dòng)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(jìn)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(jìn)行電磁溫度耦合場(chǎng)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(gè)不同的繞組節(jié)距，使內(nèi)外磁場(chǎng)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(jì)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(lì)每個(gè)工作線圈產(chǎn)生行波磁場(chǎng)，然后控制電流幅值以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guó)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(zhǎng)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(shí)，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(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)反應(yīng)器，設(shè)計(jì)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(dòng)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(duì)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(gè)甚至多個(gè)大尺寸晶圓，對(duì)于提高薄膜生長(zhǎng)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(jí)，感應(yīng)加熱時(shí)，與感應(yīng)磁場(chǎng)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(chǎng)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(duì)MEMS封裝微金屬圖案做了類似的研究，磁感應(yīng)強(qiáng)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?，感應(yīng)加熱圖案對(duì)微尺度下的溫升影響很大，如對(duì)溫度控制要求高，則需對(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確設(shè)計(jì)。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(jì)不同加熱圖案結(jié)構(gòu)尺寸，在同一磁場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)差異化加熱，以滿足不同的加熱需求。

(a)同一磁場(chǎng)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(jī)理和界面形貌、組織結(jié)構(gòu)演變行為對(duì)封裝強(qiáng)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(shí)，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(shí)效時(shí)間后的焊接接頭高剪切速率沖擊測(cè)試的結(jié)果，可見在未經(jīng)過時(shí)效處理的情況下，感應(yīng)加熱焊接頭的最大沖擊強(qiáng)度優(yōu)于傳統(tǒng)加熱焊接頭，原因是其IMC層較薄。隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，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(qiáng)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(zhǎng)特征，發(fā)現(xiàn)隨著加熱溫度升高和循環(huán)時(shí)間延長(zhǎng)，熱量不能快速從焊接頭耗散，IMC呈鋸齒狀生長(zhǎng)(圖10b)，疲勞裂紋沿IMC邊界擴(kuò)散，導(dǎo)致焊接頭失效。此外，該團(tuán)隊(duì)還揭示了影響焊點(diǎn)熱疲勞失效的三個(gè)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(shí)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(xiàn)[89-90]研究了感應(yīng)加熱回流焊中Sn3.5Ag焊接頭剪切強(qiáng)度的時(shí)效演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)抗剪強(qiáng)度初始平均值為10.55 N，時(shí)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(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，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(cuò)和裂紋支撐的能力，使焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度顯著提高，而IMC厚度過大以及長(zhǎng)時(shí)間反應(yīng)會(huì)造成焊接頭強(qiáng)度明顯下降。

(a)沖擊強(qiáng)度隨時(shí)效時(shí)間的變化[86]

4 結(jié)論和展望

MIH主要有以下幾大優(yōu)勢(shì)：

(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(duì)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(jìn)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(zhǎng)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(duì)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(huì)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(shí)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(jì)可在穩(wěn)態(tài)溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)的升溫和冷卻曲線，因此有必要提出模糊控制[92]，混頻、時(shí)分激勵(lì)等算法來實(shí)現(xiàn)高魯棒性的瞬時(shí)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(cè)量裝置，如熱電偶、溫度指示漆的精準(zhǔn)度低，紅外測(cè)溫儀存在一定的時(shí)延。如何高效、簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的溫度反饋，對(duì)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(chǎng)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(zhǎng)時(shí)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(shí)現(xiàn)加熱系統(tǒng)微型化、模塊化，有望促進(jìn)MIH技術(shù)多樣化應(yīng)用。