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        一種高穩(wěn)定諧振芯片封裝技術(shù)研究

        2023-03-09 03:17:18孟憲寧李修鈺
        黑龍江科學(xué) 2023年2期
        關(guān)鍵詞:諧振預(yù)應(yīng)力芯片

        于 洋,孫 權(quán),孟憲寧,李修鈺,張 強,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??梢钥闯?,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。

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