MEMS熱風速計的封裝.pdf

1、風速傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了很長的歷史。從最初的純機械裝置到現(xiàn)在使用CMOS+MEMS技術(shù)實現(xiàn)的熱風速傳感器,MEMS熱風速傳感器芯片已經(jīng)相對成熟。因此對MEMS熱風速傳感器的封裝技術(shù)研究變得很有必要。由于MEMS傳感器結(jié)構(gòu)的特殊性,它的封裝難度要比集成電路大。尤其是測量風速風向的傳感器,對它的封裝除了基本的保護芯片結(jié)構(gòu)和可靠的電氣連接功能以外,還要求芯片能夠與被測量的物理環(huán)境充分的接觸。包括作者所在的實驗室在內(nèi),國內(nèi)外的眾多科研機構(gòu)都圍繞著

2、這個課題做了大量的工作。本文首先總結(jié)了目前MEMS熱風速傳感器的封裝現(xiàn)狀,分析了它們各自存在的優(yōu)缺點。針對所要封裝的風速傳感器芯片,在了解芯片的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出了三種封裝結(jié)構(gòu)：采用引線鍵合工藝實現(xiàn)的封裝、采用倒裝焊工藝實現(xiàn)的封裝和將傳感器芯片與后續(xù)的信號處理電路一體封裝的電路集成封裝。由于芯片采用熱導率較高的陶瓷薄片作為襯底,三種封裝結(jié)構(gòu)都采用芯片背面作為與流體接觸的感風面。與現(xiàn)有的MEMS熱風速傳感器封裝結(jié)構(gòu)相比,這既對芯片的正面進行了

3、必要的保護又減少了使用額外過渡基板的熱損耗,對于減小傳感器功耗和提高傳感器的靈敏度都有積極意義。本文提出的三種封裝結(jié)構(gòu)中前兩種是針對芯片本身的單體封裝,而第三種結(jié)構(gòu)集成了處理電路完成了系統(tǒng)的功能。 ⑴采用ANSYS-CFX軟件成功的解決了傳感器芯片熱分析過程中存在的流-固耦合模擬精度不夠的問題,較為精確的實現(xiàn)了對傳感器芯片和封裝結(jié)構(gòu)的熱分析。同時也給出了使用該軟件進行流-固耦合模擬的一般方法和流程。論文對封裝前后的傳感器芯片風速

4、和風向性能進行了仿真模擬,模擬結(jié)果與理論吻合。 ⑵針對提出的封裝結(jié)構(gòu),進行了相關(guān)封裝工藝的實驗,其中主要討論倒裝焊工藝。利用SEC-850熱壓焊機,經(jīng)過反復試驗得到了成熟的工藝參數(shù),保證了倒裝焊較高的成功率。在此基礎(chǔ)上,進行電路集成封裝實驗。論文從最小化封裝體積角度出發(fā),采用ABS工程塑料設(shè)計制作了電路集成封裝所需的管殼。另外,從綠色封裝的角度出發(fā)進行了各向異性導電膠的嘗試性試驗,雖然實驗結(jié)果不是很理想,但是論文對試驗結(jié)果進行了

5、合理的分析,以期對以后這方面的工作有所幫助。 ⑶在恒功率控制模式下對電路集成封裝后的傳感器芯片風速和風向兩方面的性能進行了大量反復測試。論文采用三角函數(shù)測試法進行風向測試；對于風速,論文基于熱損失和熱溫差兩種原理進行了測試。從測試結(jié)果可以看出,封裝后的芯片仍然能夠按照原來的工作原理運行,并且和理想情況吻合；芯片的滯回特性也相當穩(wěn)定。由于傳感器本身工作原理上的限制,測試得到的風速量程是8m/s,風向測試范圍為360°.最大誤差控制

6、在6％以內(nèi)。為了考察封裝結(jié)構(gòu)對傳感器性能的影響,論文對封裝前的芯片做了相應(yīng)的測試。從封裝前后的測試數(shù)據(jù)看,封裝結(jié)構(gòu)對芯片檢測精度上影響很小,雖然降低了芯片的靈敏度但仍然能夠達到預(yù)訂指標。最后文章將測試得到的實驗數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進行了比較,兩者吻合較好,說明了軟件模擬的精確和實驗數(shù)據(jù)的可靠。 ⑷提出采用后成型塑料封裝方法實現(xiàn)這兩種結(jié)構(gòu),并且按照集成電路封裝標準,進行了尺寸設(shè)計,為后續(xù)工作打下基礎(chǔ)。對于電路集成封裝結(jié)構(gòu),未來的工作在于