倒裝芯片封裝對(duì)MEMS器件性能的影響.pdf

1、封裝與可靠性已成為MEMS技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的瓶頸?，F(xiàn)在許多MEMS產(chǎn)品的封裝還停留在沿用老的IC封裝工藝的階段，但是由于MEMS封裝要求的特殊性，傳統(tǒng)的封裝形式已不能滿足需要。倒裝芯片封裝，作為一種先進(jìn)封裝的代表性技術(shù)，在MEMS領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景。但是目前，MEMS倒裝芯片技術(shù)還大多數(shù)局限于實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)試驗(yàn)階段。其中一個(gè)關(guān)鍵問題就在于MEMS器件性能受封裝效應(yīng)的影響尤為明顯。因此，研究MEMS的倒裝芯片封裝技術(shù)及其相關(guān)的可靠性問題變得非

2、常重要。
　　 本文主要關(guān)注MEMS倒裝芯片封裝設(shè)計(jì)的相關(guān)可靠性問題。通常，由于封裝體中不同材料間的熱失配效應(yīng)，封裝工藝過程和環(huán)境溫度載荷會(huì)引起芯片表面的殘余應(yīng)力分布。這些應(yīng)力的影響可能會(huì)直接改變器件的性能。MEMS器件由于其微小尺寸和存在可動(dòng)部件，從本質(zhì)上對(duì)各種應(yīng)力敏感。本文中我們首先分析了倒裝芯片封裝應(yīng)力在芯片表面的分布情況，并預(yù)測了這些應(yīng)力分布會(huì)對(duì)MEMS器件性能造成的影響。設(shè)計(jì)了壓阻式應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)和相應(yīng)地制作流程，用于實(shí)

3、驗(yàn)檢測和驗(yàn)證。隨著高密度封裝技術(shù)的發(fā)展，一些先進(jìn)的封裝形式如三維疊層封裝已使封裝系統(tǒng)變的越來越復(fù)雜。對(duì)于大型封裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和模擬，利用傳統(tǒng)的軟件模塊和分析方法碰到了許多問題。節(jié)點(diǎn)分析方法，作為IC設(shè)計(jì)的經(jīng)典方法，在MEMS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中也展現(xiàn)出了很多的優(yōu)勢。依據(jù)MEMS分布節(jié)點(diǎn)分析法的基本原理，本文初步建立了溫度載荷下倒裝芯片封裝的節(jié)點(diǎn)模型。
　　 本文首先建立了倒裝芯片封裝應(yīng)力模擬的三維參數(shù)化有限元模型，分析了4x4面陣列凸點(diǎn)分

4、布形式下倒裝芯片表面熱應(yīng)力分布和變形情況。然后分別考察了2x2、6x6、8x8面陣列凸點(diǎn)分布形式和4x4單周、6x6單周與雙周的周邊陣列凸點(diǎn)分布形式的倒裝芯片表面應(yīng)力和變形的分布，并對(duì)所有分布加以比較和分析。4x4面陣列凸點(diǎn)分布形式倒裝芯片的應(yīng)力分布規(guī)律對(duì)其他凸點(diǎn)分布形式的倒裝芯片也基本適用。但是隨著凸點(diǎn)分布密度的增加，芯片表面的應(yīng)力和變形明顯增大。同時(shí)有限元模擬還考察了基板類型和基板厚度對(duì)應(yīng)力分布規(guī)律的影響。借助于有限元模擬的結(jié)果，分

5、別估測了一MEMS加工的懸臂梁器件和固支梁器件受封裝應(yīng)力影響后器件性能的改變情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于常規(guī)4×4面陣列情況，倒裝焊后的懸臂梁吸合電壓的最大相對(duì)變化率為5％，而固支梁一階固有諧振頻率最大相對(duì)變化率為110％。通過對(duì)倒裝芯片表面封裝應(yīng)力情況的模擬，得到了一些可以實(shí)際指導(dǎo)MEMS封裝設(shè)計(jì)的有效結(jié)論。同時(shí)也更深入了解了封裝應(yīng)力對(duì)器件性能的影響情況。
　　 文中利用節(jié)點(diǎn)法建模的基本思想，初步建立了溫度載荷下倒裝芯片行為分析的節(jié)點(diǎn)

6、模型，討論了面陣列凸點(diǎn)分布方案下芯片表面的變形和應(yīng)變情況，探討了4x4、6x6與8x8面陣列不同凸點(diǎn)分布方案對(duì)芯片表面變形和應(yīng)變分布的影響，并借助有限元模擬驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)模型。最后由節(jié)點(diǎn)法和有限元的結(jié)果計(jì)算了封裝變形對(duì)MEMS懸臂梁器件靜電吸合電壓的影響，并對(duì)疊層封裝的封裝效應(yīng)進(jìn)行了考察。
　　 最后，提出了倒裝芯片封裝應(yīng)力檢測的具體實(shí)驗(yàn)方案，給出了針對(duì)常用倒裝芯片封裝結(jié)構(gòu)的不同凸點(diǎn)分布的版圖設(shè)計(jì)和相應(yīng)的基板設(shè)計(jì)，以及焊接封裝的工藝