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、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 器件走向市場應(yīng)用的一個技術(shù)瓶頸，其中真空封裝技術(shù)是一個多年來未能攻克的技術(shù)難題，許多很有創(chuàng)意、具有潛在市場應(yīng)用的MEMS 器件由于沒有可靠的真空封裝技術(shù)，只能停留在實驗室做功能演示。本文采用理論、模擬、實驗相結(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

2、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電阻熔焊真空封裝設(shè)備，開發(fā)了一套可靠的MEMS 器件級真空封裝工藝。研究的主要工作與創(chuàng)新點總結(jié)如下： (1) 在國內(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、氣體吸附、滲透與擴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，對真空封裝工藝的實現(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試泄漏率儀器的測試范圍，另一方面在密封工藝上也很難達到。指出實現(xiàn)真空封裝只有兩個途徑，方法一就是系統(tǒng)設(shè)計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吸收泄漏的氣體，從而平衡泄漏，對于0.1Pa 以下的真空封裝只能采用吸氣劑實現(xiàn)。 (2) 第一次應(yīng)用音叉

4、石英晶振實時監(jiān)測封裝殼體內(nèi)的真空度變化，解決了MEMS器件由于體積小，無法采用商業(yè)真空規(guī)測試真空的技術(shù)難點。從壓電晶體的動力學(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，對石英晶振作為空氣壓力傳感器的優(yōu)化設(shè)計、以及應(yīng)用的拓展具有理論上的指導(dǎo)意義。對稀薄氣體下各種阻尼進行了系統(tǒng)的研究，并通過石英晶振的諧振電阻的實測結(jié)果進行了對比驗證。在此基礎(chǔ)上，研制了晶振真空壓力檢測系統(tǒng)，對測試重復(fù)性、測

5、試量程、溫度的測試敏感性、以及老化特性進行了實驗研究。為研究真空封裝工藝提供了可靠的評價手段。 (3) 研制了國內(nèi)第一臺電阻熔焊真空封裝設(shè)備，填補了國內(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)、焊接機構(gòu)等融為一體，為整個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器件級真空封裝工藝。該設(shè)備已申請為專利產(chǎn)品。 (4) 詳細研究了泄漏模式與泄漏率的定量測量。對He 質(zhì)譜檢漏儀評價漏率的原理進行了詳盡的分析，從理論和實驗上證明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)譜檢漏儀的檢測靈敏度不滿足真空封裝對漏率的要求；另一方面在真空下檢測漏率與實際漏率具有非線性關(guān)系，使得測試漏率只具有相對比較的意義，與實際漏率相差甚遠。用晶振壓力監(jiān)

7、測的方法檢測的漏率與He 質(zhì)譜檢漏儀的測試結(jié)果進行了比較。實驗測試表明在空氣中的實際漏率比He 質(zhì)譜檢漏儀的測試漏率至少低3個數(shù)量級。對泄漏模式進行充分的理論探討與實驗分析，用基于漏孔的泄漏模型與基于材料吸附的放氣模型，對真空封裝殼體焊縫的泄漏實驗結(jié)果進行了圓滿的解釋。指出僅僅通過提高焊接質(zhì)量是很難達到真空封裝5年以上長時間真空保持的要求，因為焊接質(zhì)量的進一步提高存在現(xiàn)實的困難。 (5)提出了帶真空緩沖腔的真空封裝外殼設(shè)計方案，從