基于倒裝芯片封裝的MEMS器件的可靠性研究.pdf

1、MEMS產(chǎn)品市場在不斷增長，但是MEMS產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程卻非常不順利，大量MEMS產(chǎn)品構(gòu)想陷入了困境。許多阻礙MEMS產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的因素逐漸凸現(xiàn)出來，而封裝與可靠性則是其中最為關(guān)鍵的因素之一?，F(xiàn)在許多MEMS產(chǎn)品封裝還是停留在沿用老的IC封裝工藝的階段。對于許多先進(jìn)的封裝形式，MEMS產(chǎn)品由于其特殊性，無法直接應(yīng)用。倒裝芯片封裝，作為一種先進(jìn)封裝的代表性技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在IC封裝中。MEMS的倒裝芯片封裝，由于種種原因，大多數(shù)還僅僅停留在實(shí)

2、驗(yàn)室的開發(fā)試驗(yàn)階段。因此，研究針對MEMS的倒裝芯片封裝及其可靠性就顯得尤為重要。本文的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)部分
　　 首先，對MEMS、MEMS封裝、以及倒裝芯片封裝技術(shù)進(jìn)行了綜述。介紹了MEMS以及MEMS封裝的定義和特點(diǎn)，MEMS封裝工藝以及相關(guān)技術(shù)以及MEMS先進(jìn)封裝技術(shù)等MEMS發(fā)展的現(xiàn)狀，其中對本文的研究對象——倒裝芯片封裝技術(shù)及其在MEMS中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。最后分析了MEMS封裝效應(yīng)對MEMS可靠性的影響，

3、然后介紹了MEMS——裝協(xié)同設(shè)計(jì)的概念。
　　 其次，在理論上進(jìn)行分析。首先闡述了熱致封裝效應(yīng)的概念，針對倒裝芯片封裝的多層結(jié)構(gòu)的熱機(jī)械耦合效應(yīng)進(jìn)行分析。當(dāng)傳統(tǒng)的經(jīng)典多層梁理論無法應(yīng)用到包含非均勻單元的倒裝芯片封裝結(jié)構(gòu)分析中時(shí)，我們根據(jù)層次化和單元庫設(shè)計(jì)思想采用分布節(jié)點(diǎn)分析方法進(jìn)行分析。分別對均勻的芯片、基板層和非均勻的焊球?qū)舆M(jìn)行建模，采用分布節(jié)點(diǎn)法進(jìn)行綜合，得到了倒裝芯片封裝結(jié)構(gòu)的理論模型；然后采用有限元分析的方法，對倒裝芯片

4、封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。針對不同焊球凸點(diǎn)分布、不同幾何參數(shù)的倒裝芯片封裝結(jié)構(gòu)在熱失配的情況下芯片表面的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行模擬，得出了許多對采用倒裝芯片封裝的MEMS器件設(shè)計(jì)有益的結(jié)果。最后還分析了因熱致封裝效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變對MEMS懸臂梁的pull-in電壓，以及MEMS固支梁的諧振特性的影響。
　　 再次，介紹了倒裝芯片封裝結(jié)構(gòu)制備的工藝及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。針對倒裝芯片封裝結(jié)構(gòu)中最重要的凸點(diǎn)下金屬層的制備進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。首先介紹了兩種制作凸

5、點(diǎn)下金屬層(UBM)的方法——電鍍法與化學(xué)鍍法，介紹了兩種焊料凸點(diǎn)的制備裝配工藝方法——模版印刷方法和微球裝配方法，然后給出了針對常用倒裝芯片封裝結(jié)構(gòu)的不同凸點(diǎn)分布的版圖設(shè)計(jì)和相應(yīng)的基板設(shè)計(jì)，最后介紹了倒裝芯片焊接封裝的工藝步驟，并給出了試驗(yàn)樣品的結(jié)果。
　　 最后，針對MEMS倒裝芯片需要的預(yù)封裝的特殊要求，介紹了一種采用陽極鍵合制備玻璃微腔的圓片級(jí)預(yù)封裝的技術(shù)。首先介紹了圓片級(jí)封裝的概念，以及陽極鍵合的原理，然后通過一步步工