文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
MEMS器件设计、封装工艺及应用研究
姓名:关荣锋
申请学位级别:博士
专业:物理电子学
指导教师:黄德修;刘胜
20050509
摘要
MEMS 封装是 MEMS 的关键技术之一,而且其封装占整个 MEMS 器件成本的 50~
80%。本文采用理论、数值模拟、实验等方法系统的研究了 MEMS 和光电子器件气
密封装工艺中的关键技术问题。本文同时在此基础上,开发了 MEMS 压力传感器和
硅微机械陀螺仪的批量化封装工艺。研究工作的创新点总结如下:
1)在国内首次系统的研究了 MEMS 封装工艺,建立了 MEMS 器件级封装工艺
规范。论文中以清洗、贴片、引线和气密封帽工艺为重点,研究了工艺中的技术难
点,提出了确保封装工艺稳定性和可靠性的技术要点。对焊料贴片工艺建立了四种
模型,分析了贴片工艺中焊料孔洞对器件导热性能的影响,其结果表明焊接层中的
孔洞对焊接结点导热性能的影响很大。当孔洞过大时,焊接结点的热阻会迅速增大,
芯片温度会迅速升高。以脊型波导激光器为例计算了孔洞对芯片温升的影响。研究
了粘胶贴片中贴片胶的热膨胀系数和杨氏模量对芯片翘曲的影响,在此基础上设计
了粘胶贴片工艺方法,并通过实验对贴片剪切强度进行了测量,测得贴片工艺的可
靠性和一致性都很好。用实验方法研究了等离子清洗工艺,建立了完整的等离子清
洗工艺流程,获得了提高引线键合强度的优化清洗工艺参数。研究成果为我国制定
MEMS 封装工艺标准打下了坚实的基础。
2)根据半导体激光器件(LD)的气密封装要求,设计了完整的封装工艺方法和
流程,应用有限元方法对封装工艺过程进行了模拟和优化,结果表明:在封装工艺
过程中,热应力引起激光芯片的位移略大于 1µm,平行缝焊工艺引起 LD 的温升为
37℃。这说明所设计的封装工艺是合理有效的。其封装工艺方法对其它光电子器件
的封装具有重要借鉴作用。
粱膜结构封装的耐高温(250℃)压力传感器已开始小批量生产和销售。但产品
贴片的成品率和批量化贴片生产是国内及待解决的技术难题。本文选择不同性质的
四种贴片材料,应用有限元方法对贴片工艺进行了模拟分析,结果表明选择合适的
焊接材料,优化贴片焊料厚度是提高成品率的关键。
3)应用半导体压阻效应原理和薄膜变形理论建立了 MEMS 压力敏感芯片设计准
则,分析了影响压力传感器性能的各种因数。系统的阐述了扩散硅压力传感器的设
IV
计方法,这些研究成果对设计压阻压力芯片具有重要指导意义。
4)系统研究了 MEMS 压力传感器封装工艺,建立了 TO 封装和隔离薄膜封装的
压力传感头的数学模型。设计了一种新型的 TO 封装压力传感头和隔离薄膜封装的压
力传感头,解决了传感器的零漂、温漂、时漂和滞回这一难题,建立了这两种传感
器的批量化封装工艺,并成功的研制出机油压力和空气压力传感器产品,在-40~
+125℃的工作温度范围,其精度达 %。建立了这两种传感器的批量化封装工艺,
并成功的研制出机油压力和空气压力传感器产品,该产品已开始在东风汽车股份公
司用于测量机油压力和空气压力,并开始小批量的对外供货。对推动我国的 MEMS 技
术向产业化方向发展具有重要意义。
5)与课题组成员一起研制出国内首台多功能真空封装机。应用气体分子运动理
论建立了微小密封真空腔体中气体分子所遵循的运动规律,指出了影响微小密封腔
真空度的原因,并由此提出了 MEMS 器件真空封装工艺原则。系统研究了硅微机械陀
螺仪的真空回流焊接工艺,对焊接工艺参数进行了优化,并成功的实现了陀螺仪的
真空封装。
6)在多功能真空封装机上研究了真空环境下的静电键合工艺,并与大气环境下
的静电键合工艺进行了比较,结果表明,真空环境下的静电键合工艺具有更优的键
合质量,其变形和应力更小。研究了真空密封微小腔体的静电键合工艺,并对剪切
强度进行了测量,测得剪切强度为 14MPa,这表明键合质量已满足一些应用场合的要
求。应用理论方法和 MEMS 三维动态测试仪对真空密封微小腔体的表面形貌进行了测
量和分析,其结果对设计 MEMS 微腔结构具有参考价值。
关键词: MEMS 设计封装工艺压力传感器硅微陀螺仪
V
Abstract
Packaging of MEMS (Micro-Electrical-Mechanical-Systems) is an enabling
technology for volume production of MEMS devices and systems and the packaging cost