基于感應(yīng)加熱的MEMS封裝技術(shù)與應(yīng)用研究.pdf

1、隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，封裝已成為阻礙MEMS商業(yè)化的主要技術(shù)瓶頸。從某種角度而言，封裝不僅是一門制造技術(shù)（Manufacturing technology），而且是一門基礎(chǔ)科學(xué)（Science）,良好的封裝需要對(duì)材料、工藝力學(xué)和熱學(xué)等物理本質(zhì)的理解和應(yīng)用。 本文應(yīng)用感應(yīng)加熱的原理，對(duì)感應(yīng)加熱封裝鍵合的設(shè)計(jì)、模擬、試驗(yàn)和具體應(yīng)用等方面進(jìn)行了深入研究。主要內(nèi)容如下： 1）介紹了圓片鍵合的原理、方法、質(zhì)量評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)與模擬等。

2、從材料選擇和工藝條件方面，對(duì)圓片直接鍵合、陽(yáng)極鍵合、共晶鍵合等常用MEMS鍵合方法進(jìn)行了對(duì)比分析。采用自制的陽(yáng)極鍵合機(jī)研究了陽(yáng)極鍵合后處理工藝對(duì)鍵合強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)冷卻速度過(guò)快導(dǎo)致了玻璃內(nèi)部熱應(yīng)力加大，鍵合強(qiáng)度降低，而一定溫度范圍內(nèi)的熱循環(huán)和熱沖擊有助于鍵合強(qiáng)度的提高。由于MEMS封裝是一種專用封裝，對(duì)每一種MEMS器件必須進(jìn)行獨(dú)立的封裝設(shè)計(jì)，而封裝模擬的目的就在于分析設(shè)計(jì)的可行性，加快研發(fā)進(jìn)程，降低工藝成本。 2）由于感應(yīng)加熱

3、具有加熱速度快，非接觸加熱及對(duì)材料和結(jié)構(gòu)具有選擇性，可實(shí)現(xiàn)精確局部加熱等特點(diǎn)，特別適合MEMS的封裝鍵合。文中分別從感應(yīng)電源（頻率與功率）、感應(yīng)器（結(jié)構(gòu)與尺寸）、鍵合層（材料與尺寸）、阻抗匹配等方面對(duì)感應(yīng)加熱鍵合設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。此外，由于高頻電磁場(chǎng)對(duì)人體的危害，必須對(duì)高頻感應(yīng)加熱裝置進(jìn)行電磁屏蔽。根據(jù)感應(yīng)加熱的特點(diǎn)，可以應(yīng)用紅外測(cè)溫儀或溫度指示漆對(duì)感應(yīng)加熱溫度進(jìn)行測(cè)量，而感應(yīng)加熱的模擬是電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合場(chǎng)計(jì)算。 3）基于感應(yīng)

4、加熱的原理和設(shè)計(jì)，對(duì)感應(yīng)整體和局部加熱鍵合進(jìn)行了試驗(yàn)研究和分析。對(duì)于感應(yīng)陽(yáng)極鍵合，由于電磁場(chǎng)的存在，加速了帶電粒子的遷移，可實(shí)現(xiàn)快速（幾分鐘內(nèi)）、低溫（低于250℃）下的陽(yáng)極鍵合，并且鍵合過(guò)程中的電壓對(duì)鍵合強(qiáng)度的影響降低；基于感應(yīng)加熱，文中對(duì)金硅共晶鍵合的原理和過(guò)程進(jìn)行了分析討論，由于鍵合速度快（幾秒鐘就可形成共晶相），感應(yīng)加熱金硅鍵合可有效降低鍵合過(guò)程中由于金擴(kuò)散到硅中造成的污染，提高了器件性能；對(duì)局部加熱封裝的原理、特點(diǎn)和方法進(jìn)行了

5、評(píng)述，基于MEMS工藝，對(duì)感應(yīng)局部加熱實(shí)現(xiàn)金硅共晶鍵合的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行了重點(diǎn)分析。采用有限元分析軟件（ANSYS）對(duì)感應(yīng)局部加熱鍵合過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，分析結(jié)果很好地驗(yàn)證了上述試驗(yàn)結(jié)果。此外，還進(jìn)行了感應(yīng)局部加熱金錫共晶鍵合和陽(yáng)極鍵合試驗(yàn)。 4）采用感應(yīng)加熱進(jìn)行了微型陀螺儀的局部加熱封裝試驗(yàn)。結(jié)果表明，由于熱量集中在鍵合焊料區(qū)，對(duì)陶瓷外殼底座上的陀螺儀芯片影響很小。封裝過(guò)程中的溫度測(cè)試和有限元模擬結(jié)果得到了相互驗(yàn)證。根

6、據(jù)發(fā)光二極管（LED）封裝散熱的要求，選用Cu－Sn合金作為芯片和熱沉間的封裝材料，應(yīng)用感應(yīng)局部加熱工藝實(shí)現(xiàn)了LED封裝，提高了其使用性能。 5）自行研制和組裝了陽(yáng)極鍵合機(jī)、高頻感應(yīng)加熱鍵合機(jī)、射頻感應(yīng)加熱鍵合機(jī)等三套試驗(yàn)設(shè)備，編寫(xiě)了氣密MEMS圓片級(jí)封裝技術(shù)規(guī)范(試行稿)。 總結(jié)全文，主要?jiǎng)?chuàng)新之處有： 1）在國(guó)際上首次系統(tǒng)研究了感應(yīng)加熱封裝鍵合過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題?；诟袘?yīng)加熱理論，從感應(yīng)電源選擇、感應(yīng)器和鍵合

7、層設(shè)計(jì)、阻抗匹配、溫度測(cè)量等幾個(gè)方面對(duì)感應(yīng)加熱鍵合進(jìn)行了具體分析和試驗(yàn)研究。應(yīng)用感應(yīng)加熱對(duì)微型陀螺儀和LED進(jìn)行了局部加熱封裝，提高了封裝效率和可靠性； 2）在國(guó)內(nèi)首次進(jìn)行了感應(yīng)加熱陽(yáng)極鍵合試驗(yàn)。由于電磁場(chǎng)加速了帶電粒子遷移，可實(shí)現(xiàn)快速低溫陽(yáng)極鍵合，并且鍵合過(guò)程中的電壓對(duì)鍵合強(qiáng)度影響降低；而感應(yīng)加熱金硅鍵合可有效降低鍵合過(guò)程中由于金擴(kuò)散到硅中造成的污染，提高了器件性能； 3）對(duì)陽(yáng)極鍵合后處理工藝對(duì)鍵合強(qiáng)度的影響進(jìn)行了具體