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，對感應(yīng)加熱封裝鍵合的設(shè)計、模擬、試驗和具體應(yīng)用等方面進行了深入研究。主要內(nèi)容如下： 1）介紹了圓片鍵合的原理、方法、質(zhì)量評價、設(shè)計與模擬等。

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

3、具有加熱速度快，非接觸加熱及對材料和結(jié)構(gòu)具有選擇性，可實現(xiàn)精確局部加熱等特點，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）、阻抗匹配等方面對感應(yīng)加熱鍵合設(shè)計進行了分析。此外，由于高頻電磁場對人體的危害，必須對高頻感應(yīng)加熱裝置進行電磁屏蔽。根據(jù)感應(yīng)加熱的特點，可以應(yīng)用紅外測溫儀或溫度指示漆對感應(yīng)加熱溫度進行測量，而感應(yīng)加熱的模擬是電磁場和溫度場的耦合場計算。 3）基于感應(yīng)

4、加熱的原理和設(shè)計，對感應(yīng)整體和局部加熱鍵合進行了試驗研究和分析。對于感應(yīng)陽極鍵合，由于電磁場的存在，加速了帶電粒子的遷移，可實現(xiàn)快速（幾分鐘內(nèi)）、低溫（低于250℃）下的陽極鍵合，并且鍵合過程中的電壓對鍵合強度的影響降低；基于感應(yīng)加熱，文中對金硅共晶鍵合的原理和過程進行了分析討論，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程中由于金擴散到硅中造成的污染，提高了器件性能；對局部加熱封裝的原理、特點和方法進行了

5、評述，基于MEMS工藝，對感應(yīng)局部加熱實現(xiàn)金硅共晶鍵合的設(shè)計、試驗過程和結(jié)果進行了重點分析。采用有限元分析軟件（ANSYS）對感應(yīng)局部加熱鍵合過程進行了模擬分析，分析結(jié)果很好地驗證了上述試驗結(jié)果。此外，還進行了感應(yīng)局部加熱金錫共晶鍵合和陽極鍵合試驗。 4）采用感應(yīng)加熱進行了微型陀螺儀的局部加熱封裝試驗。結(jié)果表明，由于熱量集中在鍵合焊料區(qū)，對陶瓷外殼底座上的陀螺儀芯片影響很小。封裝過程中的溫度測試和有限元模擬結(jié)果得到了相互驗證。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)局部加熱工藝實現(xiàn)了LED封裝，提高了其使用性能。 5）自行研制和組裝了陽極鍵合機、高頻感應(yīng)加熱鍵合機、射頻感應(yīng)加熱鍵合機等三套試驗設(shè)備，編寫了氣密MEMS圓片級封裝技術(shù)規(guī)范(試行稿)。 總結(jié)全文，主要創(chuàng)新之處有： 1）在國際上首次系統(tǒng)研究了感應(yīng)加熱封裝鍵合過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題?；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、阻抗匹配、溫度測量等幾個方面對感應(yīng)加熱鍵合進行了具體分析和試驗研究。應(yīng)用感應(yīng)加熱對微型陀螺儀和LED進行了局部加熱封裝，提高了封裝效率和可靠性； 2）在國內(nèi)首次進行了感應(yīng)加熱陽極鍵合試驗。由于電磁場加速了帶電粒子遷移，可實現(xiàn)快速低溫陽極鍵合，并且鍵合過程中的電壓對鍵合強度影響降低；而感應(yīng)加熱金硅鍵合可有效降低鍵合過程中由于金擴散到硅中造成的污染，提高了器件性能； 3）對陽極鍵合后處理工藝對鍵合強度的影響進行了具體