懸空打線工藝在 MEMS 芯片固定中的應(yīng)用分析

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張晉雷

（華芯拓遠(yuǎn)（天津）科技有限公司）

摘要：

為解決 MEMS 加速度傳感器芯片貼裝過(guò)程中的外部應(yīng)力變化對(duì)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的消極影響，研究提出了微機(jī)械硅芯片懸空打線工藝，對(duì)加速度傳感器芯片進(jìn)行固定封裝，并運(yùn)用有限元仿真分析軟件，以加速度傳感器的動(dòng)力輸出參數(shù)為量化指標(biāo)，對(duì)比分析傳統(tǒng)黏合劑粘貼封裝和懸空打線封裝的實(shí)施效果。研究結(jié)果表明，懸空打線工藝可避免外部應(yīng)力變化對(duì) MEMS 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的消極影響，確保了 MEMS 芯片全溫環(huán)境下的參數(shù)穩(wěn)定；隨著模態(tài)階數(shù)的增加，封裝前后不同封裝方式的加速度傳感器的固有頻率均呈現(xiàn)非線性增加，前 4 階封裝前后的加速度傳感器固有頻率相近，而后 6 階中采用懸空打線工藝封裝的加速度傳感器芯片固有頻率明顯大于采用傳統(tǒng)黏合劑粘貼封裝的加速度傳感器固有頻率，且前者與封裝前的加速度傳感器芯片固有頻率較接近；封裝前加速度傳感器芯片的濾波前信號(hào)呈現(xiàn)劇烈的波動(dòng)，經(jīng)過(guò)濾波后的信號(hào)更加平滑，對(duì)信號(hào)的還原度更好，采用懸空打線工藝封裝加速度傳感器芯片的輸出，其濾波前后的信號(hào)變化規(guī)律與封裝前的信號(hào)變化規(guī)律較為一致，對(duì)于采用傳統(tǒng)黏合劑粘貼封裝的加速度傳感器芯片輸出信號(hào)呈現(xiàn)不同程度的失真。

引言

MEMS 芯片尺寸小巧精密，其工作性能極易受到安裝工藝和環(huán)境的影響，在傳統(tǒng)的黏合劑固定粘貼MEMS芯片時(shí)，需要再芯片上涂抹黏合劑，黏合劑的厚度和彈性模量成為影響硅片應(yīng)力和變形的重要因素 [1] 。為了使得 MEMS 芯片與陶瓷管殼之間的黏合彈性模量接近于零，本文提出了一種新型的芯片固定貼裝工藝，并運(yùn)用有限元仿真分析軟件，以加速度傳感器的動(dòng)力輸出參數(shù)為量化指標(biāo)，對(duì)比分析傳統(tǒng)黏合劑粘貼封裝和懸空打線封裝的實(shí)施效果 [2] 。研究成果可為 MEMS芯片的高質(zhì)量固定安裝提供參考。

1 微機(jī)電系統(tǒng)芯片懸空打線工藝

微機(jī)械硅芯片與基板的連接是高精度 MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）加速度計(jì)封裝中最關(guān)鍵的步驟之一。由于不同材料之間的 TCE（熱膨脹系數(shù)）不匹配，導(dǎo)致芯片貼裝過(guò)程中引起的應(yīng)力和應(yīng)變對(duì)加速度計(jì)傳感器的輸出特性產(chǎn)生不利影響，其中，彈性模量和黏合劑的厚度是影響硅片應(yīng)力和變形的最重要因素 [3] 。軟膠材料具有更好的應(yīng)力吸收能力，隨著膠層厚度的增加，硅片的應(yīng)力和變形減小。因此，需要在 MEMS 加速度計(jì)的芯片貼裝封裝中使用柔軟而厚實(shí)的黏合劑，彈性模量越低越好，理想狀態(tài)下彈性模量為零 [4-5] 。

本研究提出了一種新型的芯片固定貼裝工藝，即懸空打線工藝。如圖 1 所示，通過(guò)懸空打線工裝將MEMS 芯片固定于管殼中，管殼設(shè)置為陶瓷管殼，這是因?yàn)樘沾删哂休^高的絕緣性能和優(yōu)異的高頻特性，其線性膨脹系數(shù)與電子元器件非常接近，化學(xué)性能穩(wěn)定且熱導(dǎo)率高，隨后，對(duì) MEMS 芯片進(jìn)行打線，使得MEMS 芯片通過(guò)金屬線與管殼連接，金屬線可以為金線或者銅線，采用金線時(shí)其徑向尺寸為 25 μm，采用銅線時(shí)其徑向尺寸為 50 μm，伸長(zhǎng)量為 0.1 μm，完成打線之后通過(guò)外部的 PLC 控制器控制懸空打線工裝向上移動(dòng)脫離 MEMS芯片，此時(shí) MEMS 芯片受到金屬線自身的張力脫離管殼的內(nèi)壁底部向上微微抬起，使得 MEMS 芯片底部與管殼留有間隙呈懸空狀；隨后，采用黏度值為 14 500 cp 的膠水于 MEMS 芯片與金屬線連接所在表面進(jìn)行涂覆形成防護(hù)層，滿足固化條件后，對(duì)防護(hù)層進(jìn)行固化，涂覆厚度覆蓋 MEMS 芯片與金屬線連接處的焊點(diǎn) [6-7] 。具體而言，傳統(tǒng)未涂覆有防護(hù)膠的 MEMS 芯片而言其平均加速度 G 值為12，經(jīng)過(guò)涂覆防護(hù)膠之后的 MEMS 芯片的平均加速度G 值能達(dá)到 600，防護(hù)膠選用硬度值為 14 500 PA·s的絕緣硅橡膠，固化條件為 150 ℃的溫度環(huán)境，固化1 h，將防護(hù)層固化完成后將管殼轉(zhuǎn)移至真空爐中進(jìn)行封蓋處理，進(jìn)行封蓋處理的同時(shí)對(duì)管殼的腔室進(jìn)行抽真空操作，使得 MEMS 芯片與管殼之間的相對(duì)位置關(guān)系固定下來(lái)，確保了 MEMS 芯片在有限的范圍內(nèi)浮動(dòng)，避免了產(chǎn)品轉(zhuǎn)移過(guò)程上下輕微浮動(dòng)范圍過(guò)大可能對(duì)產(chǎn)品造成的損害或金屬線焊點(diǎn)處出現(xiàn)斷裂的情況。該新型工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作，實(shí)現(xiàn)了彈性模量為零的懸空打線過(guò)程，避免外部應(yīng)力變化對(duì) MEMS 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的消極影響，確保了 MEMS 芯片全溫環(huán)境下的參數(shù)穩(wěn)定。

該新工藝中提出的懸空打線工裝如圖 2 所示。由于 MEMS 芯片尺寸小巧精密（6 納米級(jí)），對(duì)精度要求高，懸空打線工裝通過(guò)設(shè)置包含彈性件、壓緊塊、定位柱在內(nèi)的緩沖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì) MEMS 芯片壓緊固定，同時(shí)也避免了工裝剛性壓緊固定可能對(duì) MEMS 芯片表面壓緊過(guò)度容易損壞芯片問(wèn)題的出現(xiàn)；懸空打線工裝通過(guò)設(shè)置一字槽有效限制了壓緊塊前后移動(dòng)的空間，由于一字槽兩側(cè)均開(kāi)設(shè)有圓孔，圓孔內(nèi)穿設(shè)有軸銷(xiāo)，壓緊塊面向 MEMS 芯片的一側(cè)開(kāi)設(shè)有定位槽，定位槽與軸銷(xiāo)相互配合能夠限制壓緊塊水平方向晃動(dòng)，從而避免了壓緊塊回復(fù)到初始位置時(shí)容易左右晃動(dòng)的問(wèn)題，進(jìn)一步提高了壓緊塊壓緊固定 MEMS 芯片時(shí)的穩(wěn)定性能。

2 基于懸空打線工藝的加速度傳感器輸出性能分析

為了研究懸空打線工藝在芯片固定中的應(yīng)用效果，借助有限元仿真分析軟件 ANSYS 程序，建立了有限元分析模型，研究懸空打線工藝對(duì)加速度傳感器輸出型號(hào)的影響。計(jì)算時(shí)，高致密氧化鋁陶瓷管殼的彈性模量為 296 GPa，泊松比為 0.28，密度為 3.97g/cm 3 ；加速度傳感器芯片的彈性模量為 131 GPa，泊松比為 0.28，密度為 2.33 g/cm 3 ；絕緣硅橡膠的彈性模量為 0.1 GPa，泊松比為 0.30，密度為 1.80 g/cm 3[8] 。計(jì)算模型采用 8 節(jié)點(diǎn) Solid45 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共計(jì)得到網(wǎng)格數(shù)量為 1 086 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為 2 027 個(gè)。

圖 3 和表 1 為封裝前后微機(jī)電系統(tǒng)加速度傳感器芯片不同封裝方式前 10 階的固有頻率計(jì)算結(jié)果。從圖 3 中可以看出，隨著模態(tài)階數(shù)的增加，封裝前后不同封裝方式的加速度傳感器的固有頻率均呈現(xiàn)非線性增加，采用懸空打線工藝封裝的加速度傳感器性芯片固有頻率增速較快，而采用傳統(tǒng)黏合劑粘貼封裝的加速度傳感器芯片固有頻率增速較慢，3 者的前 4階固有頻率相近，而后 6 階中采用懸空打線工藝封裝的加速度傳感器芯片固有頻率明顯大于采用傳統(tǒng)黏合劑粘貼封裝的加速度傳感器固有頻率，且前者與封裝前的加速度傳感器芯片固有頻率較接近。傳統(tǒng)黏合劑粘貼封裝的加速度傳感器芯片在高振動(dòng)模態(tài)的低固有頻率會(huì)導(dǎo)致芯片產(chǎn)生各種振動(dòng)和扭曲，進(jìn)而導(dǎo)致加速度傳感器芯片的輸出信號(hào)失真。

對(duì)封裝前后的加速度傳感器芯片施加矩形脈沖，矩形脈沖的周期為200 μs，0 μs~86 μs的持續(xù)加載速度為100 m/s 2 ，86 μs~200μs 的持續(xù)加載速度為 0 m/s 2 ，如圖 4 所示。以傳感器的振動(dòng)位移為輸出參量，采用傅里葉變換進(jìn)行頻率濾波，對(duì)比濾波前后的波形，結(jié)果如圖 5~ 圖 6 所示。

從圖 5 中可以看出，封裝前的加速度傳感器芯片濾波前信號(hào)呈現(xiàn)劇烈的波動(dòng)，在 0 μs~86 μs 的平均輸出為 - 7.86 μm，在 86 μs~200 μs 的平均輸出為0，表明輸出響應(yīng)與輸出較為一致，經(jīng)過(guò)濾波后的信號(hào)更加平滑，對(duì)信號(hào)的還原度更好，0 μs~86 μs 的平均輸出為 - 7.86 μm，在 86 μs~200 μs 的平均輸出為 0，能夠真實(shí)反應(yīng)輸入信號(hào)。如圖 6 所示，對(duì)于采用傳統(tǒng)黏合劑粘貼封裝加速度傳感器芯片的輸出，濾波前信號(hào)呈現(xiàn)劇烈的波動(dòng)，0 μs~86 μs 的平均輸出為- 7.23 μm，在 86 μs~200 μs 的平均輸出為 0，信號(hào)呈現(xiàn)不同程度的失真，這主要原因是因?yàn)樵谡迟N過(guò)程中膠層的厚度不易控制，導(dǎo)致其涂抹厚度較小，這也是傳統(tǒng)黏合劑粘貼封裝最大的缺點(diǎn)，濾波后的信號(hào)平滑效果較差，對(duì)信號(hào)的還原度明顯變差；如圖 7 所示，對(duì)于采用懸空打線工藝封裝加速度傳感器芯片的輸出，其濾波前后的信號(hào)變化規(guī)律與未封裝前的信號(hào)變化規(guī)律較為一致，濾波作用可以對(duì)信號(hào)起到較好的平滑效果，輸出型號(hào)能反映真實(shí)的信號(hào)特征，0 μs~86μs 的平均輸出為 - 7.48 μm，在 86 μs~200 μs 的平均輸出為 0。

3 結(jié)論

基于提出微機(jī)械硅芯片懸空打線工藝，對(duì)加速度傳感器芯片進(jìn)行固定封裝，并運(yùn)用有限元仿真分析軟件，以加速度傳感器的動(dòng)力輸出參數(shù)為量化指標(biāo)，對(duì)比分析傳統(tǒng)黏合劑粘貼封裝和懸空打線封裝的實(shí)施效果，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

（1） 懸空打線工藝是借助工裝將 MEMS 芯片固定于管殼中，對(duì) MEMS 芯片進(jìn)行打線，使得 MEMS 芯片通過(guò)金屬線與管殼連接；完成打線后將懸空打線工裝移走，MEMS 芯片通過(guò)金屬線與管殼連接且 MEMS芯片底部與管殼留有間隙呈懸空狀，避免了外部應(yīng)力變化對(duì) MEMS 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的消極影響，確保了MEMS芯片全溫環(huán)境下的參數(shù)穩(wěn)定。

（2） 隨著模態(tài)階數(shù)的增加，封裝前后不同封裝方式的加速度傳感器的固有頻率均呈現(xiàn)非線性增加，前4 階封裝前后的加速度傳感器固有頻率相近，而后6階中采用懸空打線工藝封裝的加速度傳感器芯片固有頻率明顯大于采用傳統(tǒng)黏合劑粘貼封裝的加速度傳感器固有頻率，且前者與封裝前的加速度傳感器芯片固有頻率較接近。

（3） 封裝前加速度傳感器芯片的濾波前信號(hào)呈現(xiàn)劇烈的波動(dòng)，經(jīng)過(guò)濾波后的信號(hào)更加平滑，對(duì)信號(hào)的還原度更好，采用懸空打線工藝封裝加速度傳感器芯片的輸出，其濾波前后的信號(hào)變化規(guī)律與封裝前的信號(hào)變化規(guī)律較為一致，對(duì)于采用傳統(tǒng)黏合劑粘貼封裝的加速度傳感器芯片輸出信號(hào)呈現(xiàn)不同程度的失真。

審核編輯 黃宇