MEMS器件真空封裝的研究.pdf

1、MEMS 器件不同于集成電路的典型特征是具有傳感、致動(dòng)、三維結(jié)構(gòu)、功能多樣性，使得MEMS 封裝技術(shù)更具挑戰(zhàn)性，成為MEMS 器件走向市場(chǎng)應(yīng)用的一個(gè)技術(shù)瓶頸，其中真空封裝技術(shù)是一個(gè)多年來(lái)未能攻克的技術(shù)難題，許多很有創(chuàng)意、具有潛在市場(chǎng)應(yīng)用的MEMS 器件由于沒(méi)有可靠的真空封裝技術(shù)，只能停留在實(shí)驗(yàn)室做功能演示。本文采用理論、模擬、實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法系統(tǒng)地研究了MEMS 真空封裝中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，特別是一些共性的關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，研制了一臺(tái)

2、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電阻熔焊真空封裝設(shè)備，開(kāi)發(fā)了一套可靠的MEMS 器件級(jí)真空封裝工藝。研究的主要工作與創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下： (1) 在國(guó)內(nèi)首次系統(tǒng)地研究了MEMS 真空封裝工藝。從真空狀態(tài)下的氣體流動(dòng)、氣體吸附、滲透與擴(kuò)散的理論入手定量分析了吸附氣體的脫附、氣體的滲透以及封裝材料溶解氣體的排放對(duì)真空封裝效果的影響，研究結(jié)果表明MEMS 器件由于體積小，封裝殼體壁厚比較薄，這些因素的影響非常顯著。從理論上分析了真空封裝的要求，得到密封泄

3、漏率水平、真空壓力與壽命的相互關(guān)系，對(duì)真空封裝工藝的實(shí)現(xiàn)具有重要的指導(dǎo)意義。 從理論上揭示真空封裝要求非常低的密封泄漏率水平，一方面超出了目前常用的測(cè)試泄漏率儀器的測(cè)試范圍，另一方面在密封工藝上也很難達(dá)到。指出實(shí)現(xiàn)真空封裝只有兩個(gè)途徑，方法一就是系統(tǒng)設(shè)計(jì)封裝外殼使有效的泄漏率水平滿足真空封裝的要求；方法二就是采用吸氣劑來(lái)吸收泄漏的氣體，從而平衡泄漏，對(duì)于0.1Pa 以下的真空封裝只能采用吸氣劑實(shí)現(xiàn)。 (2) 第一次應(yīng)用音叉

4、石英晶振實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)封裝殼體內(nèi)的真空度變化，解決了MEMS器件由于體積小，無(wú)法采用商業(yè)真空規(guī)測(cè)試真空的技術(shù)難點(diǎn)。從壓電晶體的動(dòng)力學(xué)模型出發(fā)，得到了音叉晶振的諧振電阻與音叉晶振的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸、氣體阻尼系數(shù)、氣體壓力的解析關(guān)系，對(duì)石英晶振作為空氣壓力傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、以及應(yīng)用的拓展具有理論上的指導(dǎo)意義。對(duì)稀薄氣體下各種阻尼進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并通過(guò)石英晶振的諧振電阻的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，研制了晶振真空壓力檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)測(cè)試重復(fù)性、測(cè)

5、試量程、溫度的測(cè)試敏感性、以及老化特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。為研究真空封裝工藝提供了可靠的評(píng)價(jià)手段。 (3) 研制了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)電阻熔焊真空封裝設(shè)備，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)真空封裝設(shè)備的空白。 該設(shè)備把電阻熔焊與真空封裝工藝有機(jī)地結(jié)合在一起，在結(jié)構(gòu)上將手套箱體、真空烘箱、抽真空系統(tǒng)、焊接機(jī)構(gòu)等融為一體，為整個(gè)真空封裝工藝提供了可重復(fù)的工作環(huán)境，保證了真空封裝的質(zhì)量。在該設(shè)備上研究了金屬外殼的真空封裝工藝如焊接工藝參數(shù)、除氣工藝、夾具對(duì)真空分布

6、的影響等，總結(jié)了一套可靠的基于電阻熔焊的MEMS器件級(jí)真空封裝工藝。該設(shè)備已申請(qǐng)為專(zhuān)利產(chǎn)品。 (4) 詳細(xì)研究了泄漏模式與泄漏率的定量測(cè)量。對(duì)He 質(zhì)譜檢漏儀評(píng)價(jià)漏率的原理進(jìn)行了詳盡的分析，從理論和實(shí)驗(yàn)上證明He 質(zhì)譜檢漏儀在真空封裝研究中存在應(yīng)用的局限，一方面He 質(zhì)譜檢漏儀的檢測(cè)靈敏度不滿足真空封裝對(duì)漏率的要求；另一方面在真空下檢測(cè)漏率與實(shí)際漏率具有非線性關(guān)系，使得測(cè)試漏率只具有相對(duì)比較的意義，與實(shí)際漏率相差甚遠(yuǎn)。用晶振壓力監(jiān)

7、測(cè)的方法檢測(cè)的漏率與He 質(zhì)譜檢漏儀的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明在空氣中的實(shí)際漏率比He 質(zhì)譜檢漏儀的測(cè)試漏率至少低3個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)泄漏模式進(jìn)行充分的理論探討與實(shí)驗(yàn)分析，用基于漏孔的泄漏模型與基于材料吸附的放氣模型，對(duì)真空封裝殼體焊縫的泄漏實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了圓滿的解釋。指出僅僅通過(guò)提高焊接質(zhì)量是很難達(dá)到真空封裝5年以上長(zhǎng)時(shí)間真空保持的要求，因?yàn)楹附淤|(zhì)量的進(jìn)一步提高存在現(xiàn)實(shí)的困難。 (5)提出了帶真空緩沖腔的真空封裝外殼設(shè)計(jì)方案，從