（微电子学与固体电子学专业论文）热致封装效应对mems器件性能影响的研究.pdf

摘要 尽管m e m s 产品市场不断增长，但是m e m s 产业化的进程却不顺利，大量m e m s 产品构想陷入了 困境。许多阻碍m e m s 产业化进程的因素逐渐凸现出来，而封装与可靠性则是其中最为关键的因素之一。 进入高密度时代以来的微电子封装常采用多种材料的叠层结构，各层材料热膨胀系数( c t e ) 的差异将 导致显著的热失配现象，在整个封装结构中引入热应力和热变形，与i c 相比，大多数m e m s 器件对应 力更为敏感，由封装引入的结构应力将对m e m s 器件的性能和可靠性产生无法忽视的影响，设计不当时 甚至会使器件发生根本性破坏，即热致封装效应。目前关于m e m s 封装的研究，大多数仍然是沿用传统 l c 封装研究思路，提供一个后续封装方案或者研究封装的可靠性，很少会从m e m s 封装协同设计的 角度出发，研究m e m s 封装后发生的性能漂移，即研究封装效应；本文则分别从理论和实验角度对m e m s 热致封装效应进行研究，同时辅以a n s y s 有限元模拟分析。 在前人研究的基础上，本文建立了分析多层封装结构表面热应变分布的有效适用解析模型，并选取 具有普遍意义的表面微机械加= 多晶硅固支梁为研究对象，分析热致封装效应对其基本性能固有谐 振频率的影响。 与理论分析相对应，本文的实验主要分为两部分，分别是多层封装结构的热变形测试和热致封装效 应对m e m s 基本梁器件性能影响的测试。 首先，利用新颖的数字散斑相关方法( d s c m , d i g i t 划s p e c k l ec o r r e l a t i o nm e t h o d ) 实际测量了多层 封装结构在温度载荷下的变形，并将理论计算、有限元模拟与之对比，互为验证。讨论了封装基板类型、 温度载荷、及材料参数等对热变形分布的影响，得到了一些对实际富有指导意义的结论。该表面变形正 是m e m s 器件在封装后发生性能漂移的主要因素。 其次，利用激光多普勒振动测试系统测量了m e m s 固支梁在贴片封装后发生的频移特性。在样品制 备阶段讨论了相关测试结构的设计思路和具体实现方法，包括结构的优缺点与改进，提出了一种新的热 致封装效应面内应变的测试结构，改进了常用电学测试电路，避免了短路现象对设备的损坏和测试误操 作；频率测试主要采用压电陶瓷激振，光学拾振的方式，并改进测试数据处理方法得到了更为准确的结 果；分析了梁的几何尺寸与锚区形状，工艺残余应力、环境温度变化、激振方式等对测试结果的影响； 利用a n s y s 有限元模拟和振动理论分析了梁的振动特点，并与实验结果进行了对比。 本文的研究表明常见多层封装结构的热机械耦合变形对m e m s 器件性能的影响显著，分析热致封装效 应有助于为m e m s 封装协同设计提供有益的理论指导，对改善m e m s 器件性能、提高设计效率具有积 极意义。 关键词：m e m s ，封装，协同设计，热致封装效应，热变形，谐振频率 a b s t r a c t m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) ，b yt h e i rn a t u r ea ss e n s o r sa n da c t u a t o r s ，r e q u i r ea p p l i c a t i o n s p e c i f i cp a c k a g i n g t h ep a c k a g ei st h en e a re n v i r o n m e n to f t h em e m s d e v i c ea n dh e n c eh a sad i r e c te f f e c to n i t st h e r m a lb e h a v i o r , o nm e c h a n i c a le f f e c t s , a n do ne n v i r o n m e n t a lc o m p a t i b i l i t ya n dc o m a m i n a t i o n t h e r e f o r e ， u n d e r s t a n d i n gt h ei n f l u e n c eo f t h ep a c k a g i n go nm e m sd e v i c ep e r f o r m a n c ei sc r i t i c a lt oas u c c e s s f u lc o u p l e d p a c k a g e d e v i c ec o - d e s i g n m u l t i l a y e rs t r u c t u r eo fi n h o m o g e n e o u sm a t e r i a lp r o p e r t i e sa t ew i d e l yu s e di nb o t hm e m sd e v i c e sa n d p a c k a g e s h o w e v e r , c t e ( c o e f f i c i e n t so ft h e r m a le x p a n s i o n ) m i s m a t c hb e t w e e nd i f f e r e n tm a t e r i a l sw i l ll e a d t oc o u p l i n gd e f o r m a t i o na n ds t r a i no f t h em u l t i l a y e rs t r u c t u r e sa n dg r e a t l ya f f e c tt h er e l i a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c e o fd e v i c e s f o rm e m sc a s e s t h i se f i b c ti sm u c hm o r ei m p o r t a n tb e c a u s em e m sa r ei n t r i n s i c a l l ys e n s i t i v et o s t r u c t u r a ls t r e s s t h e r e f o r ei ti si m p o r t a n tt os t u d yt h et h e r m a l l yi n d u c e dp a c k a g i n ge f f e c t i nt h i sp a p e r , p a c k a g i n ge f f e c to nas p e c i f i c a l l yd e s i g n e dt e s t i n gc h i pw a sm e a s u r e du s i n gad s c m i g i t a ls p e c k l e c o r r e l a t i o nm e t h o d ) p r o j e c t o ra n dal a s e rv i b r o m c t e r a n a l y t i c a la n df e ms t u d yw e r ea l s oc a r d e do u tt o v a l i d a t ea n da n a l y z et h ee x p e r i m e n t a ld a t a am o d i f i e dt h e o r e t i c a lm o d e lw a sf i r s te s t a b l i s h e dt op r e d i c tt h ew a r p a g ea n d $ 1 t a l nd i s t r i b u t i o no f at y p i c a l d i eb o n d i n gs t r u c t u r e ，w h i c hi sam u l t i l a y e rs t r u c t u r eb yi t sn a t u r e an o v e lo p i i c a lm e a s u r e l n c n ta p p r o a c h n a m e dd s c mw a sa p p l i e dt ov e r i f yt h ea c t u a lw a r p a g ei nt h ed i e - b o n d i n gs t r u c t u r eu n d e rc a f t a l nt e m p o r a t m e e x c u r s i o n s f e ms i m u l a t i o n sa r ea l s oi m p l e m e n t e d ，a n dt h er e s u l t sf r o me x p e r i m e n t ，t h e o r ya n df e ma g r e e d w e l lw i t l le a c ho t h e r p a r a m e t r i cs t u d yo nt h ee f f e c to fs u h s t r a t et y p e 。m a t e r i a lp r o p e r t i e sa n dt e m p e r a t u r el o a d a r ea l s op e r f o r m e d f o rc h a r a c t e r i z i n gt h ee f f e c to fd e f o r m a t i o no ft h ed i e - b o n d i n gp a c k a g eo nt h ep e r f o r m a n c eo fm e m s d e v i c e s ，al a s e rs c a n n i n gv i b r o m e t e rw a sf u l l yu s e db a s e do nt h e o r yo f v i b r a t i o na n a l y s i sa n ds i g n a lp r o c e s s i n 晷 a sac o m m o n l yu s e ds l t u c t u r ei nm e m sd e s i g n , t h es u r f a c em i c r o m a e h i n e dp o l y s i l i c o nf i x e d f i x e db e a mw a s c h o s e nt ob et e s t e do b j e c t i t sn a t u r a lr e s o n a n tf r e q u e n c i e sf r o mt h e1 “t ot h e5 也o r d e rw c r er e c o r d e db e f o r ea n d a f t e rd i eb o n d i n ga n dc o m p a r e dt od i s c o v e rt h es t r u c t u r a lc h a n g ei nt h em i c r o b e a m t h et e s ts t r u c t u r ei s m o d i f i e dt oo v e r c o m et h ep r e v i o u ss h o r t c o m i n g so fs u s c e p t i b i l i t yt oe l e c t r i c a ls h o r ta n ds t i c t i o n f a c t o r so f g e o m e t r i cd i m e n s i o n ，a n c h o re f f e c t , r e s i d u a ls l r e s s ，a n dt e m p e r a t u r ec h a n g ea n da c t u a t i o nc o n f i g u r a t i o nw e r e a l s oc a r e f u l l yc o n s i d e r e d r e s u l t ss h o w e dt h a tf r e q u e n c i e ss h i f t e dg r e a t l ya se x p e c t e dd u r i n gp a c k a g ep r o f e s s , a n ds i g n i f i c a n td i v e r s i t i e so f d i f f e r e n ts t r u c t u r ew e r ea l s oo b s e r v e d t h er e s e a r c hs u g g e s t st h a tt h et h e r m o - m e c h a n i c a lc o u p l i n gd e f o r m a t i o ni nt h em u l t i l a y e rp a c k a g i n gs t r u c t u r e a f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo fm e m sd e v i c ei nap r e d i c t a b l em a n n e r t h e r e f o r ei ti sp o s s i b l et oi n c l u d et h e p a c k a g ee f f e c ti nt h ep r i m a r yd e s i g nc i r c l eo fm e m sd e v i c e ，w h i c hm a ye n h a n c et h ed e v i c ep e r f o r m a n c ea n d s h o r t e nt h ed e s i g nc y c l e k e yw o r d s ：m e m s ，p a c k a g i n g , c o - d e s i g n ，p a c k a g i n ge f f e c t ，w a r p a g e ，r e s o n a n c ef r e q u e n c y 儿 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名： 妇 e t期：趔夕 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：粤虹 期：童里：! ：! 第一章绪论 第一章绪论 m _ e m s ( m i c r o - e l e c t r i c - m e c h a n i c a ls y s t e m ) 通常称为微机电系统，是指在微米量级内设计和制造， 集成微机构、微传感器、微执行器以及信号处理电路、控制电路、各种接口、通信和电源等于一体 的微型器件或系统i l1 1 。典型的m e m s 系统构成如图1 一l 所示i i “。电子系统和非电子系统的一体化 集成，可从根本上解决信息系统的微型化问题，实现许多以前无法实现的功能，将推进信息获取、 信息处理、信息操作等协调发展，它的应用也将涉及航空航天、军事、生物医学工程、通信及家用 电子等领域。因此，4 0 多年来m e m s 吸引了无数投资者的目光。尽管m e m s 产品市场不断增长， 前景令人鼓舞，但是m e m s 产业化的春天却没有如人们所期待的那样迅速到来，大量的m e m s 产 品还只是一个美好的设想或者停留在实验室研究阶段。许多阻碍m e m s 产业化进程的因素逐渐凸现 出来，而封装与可靠性则是其中最为关键的因素之一。 - l m e m s 系统封装 爹”孑霉薯豢 一微致魂器。 图1 - im e m s 系统构成组件 本章将在概述m e m s 封装的基础上，阐述封装对m e m s 器件性能的影响，提出m e m s 封 装协同设计的概念。 1 1m e m s 封装概述 大量的m e m s 产品构想陷入了困境，甚至失败，都是因为没有找到有效且合适的封装方法。而 在实际的m e m s 产品生产环节中，封装、组合、测试和调整仍然是最昂贵的部分。封装的发展和应 用将决定一个m e m s 产品的成败。但是学术机构大都忽略封装技术或者仅仅采用非常简单的方法， 而拥有自己产品的商业集团却对这样的凼难和挑战保持了沉默”。是它们不具有足够的知识含量和 工程挑战性吗? 恰恰相反，封装、测试和校准从本质上说是属于产业界和商业界的领域；对大学研 究人员而言，他们很难参与到问题的真正知识核心，因为这需要拥有大量的生产设备以及用于进行 制造级封装和修正的一i = 具。而封装、测试和校准的成功与否可以决定整个生产线的商业成败，厂商 常对这些工作的具体细节进行严格保密。产业界的出版物也趋向于泛泛描述而不是具体细节，那些 决定成败的细节往往成为商业机密”“。 1 1 1m e m s 封装的特点 众所周知，绝大部分基于硅衬底的m e m s 和微系统是采用与集成电路( 1 c ) 生产相同的微细加 东南大学硕士学位论文 工技术制作，这就造成了一种普遍的误解，认为m e m s 封装无非是微电子封装的延伸，可以采用标 准的i c 封装实现m e m s 封装。然而，实际上m e m s 在许多方面都与l c 有所区别，其与l c 的比较 如表1 - 1 所示。 表1 - 1m e m s 与l c 比较”3 1 m e m st 基于硅封宸)l c 复杂的三维结构主要为二维结构 很多系统含有可动的固体结构或液体固定的薄固体结构 需要将微结构和微电子进行集成不需要这种集成 在生物学、化学、光学以及电动机械方面可 为特定的电子功能实现电能传输 以实现不同的功能 很多组件需要接触工作介质并处于恶劣环 集成电路模板通过包装与工作介质相隔离 境之下 涉及各种不同的材料，如单晶硅、硅化合物、只涉及少量几种材料，如单晶硅、硅化合物、 g a a s 、石英、聚合物以及金属等塑料和陶瓷 很多元件需要组装少量元件需要组装 基底上的图形相对简单基底上的图形相对复杂且元件密度大 少量的馈电导体和导线大量的馈电导体和导线 缺少工程设计的方法和标准完备的设计方法和标准 封装技术处于起步阶段成熟的封装技术 主要采用人工进行组装具有自动化的组装技术 缺乏可靠性和性能测试的标准和技术 已有成文的标准和处理过程 多样的制造技术经过实践检验的成文的加工制作技术 在设计、制造、封装和测试方面没有可参考 完善的方法和处理过程 的工业标准 由衷1 i 可见，m e m s 封装不可能直接套用现成的i c 封装，而呈现自身的特点和难点： ( 1 ) 复杂的几何形状常常需要三维封装 虽然目前i c 的封装仍以d i p 、s o p t s o p 、q f p ，r q f p 与b g a 等传统封装为主，但是为了满足 产品轻、薄、短、小与系统初步整合的需求，各种新的封装结构正不断涌现。其中又以能符合轻薄 短小与高密度要求的圆片级封装( w a f e rl e v e lp a c k a g i n g ，w l p ) 与3 d 封装日渐受到重视。3 d 封装 为s i p ( s y s t e mi np a c k a g i n g ) 的一种，在结构上具有明显的优点，可以提高封装密度，亦可将不同 型态的芯片与m e m s 、光学及r f 组件结合在一起。3 d 封装的范例如i n t e l 的s t a c k e dc s pb g a ( 图 1 - 2 ) 。m e m s 产品不像l c 那样主要是二维结构，而是包含了大量可动的灵巧三维结构，因而也就决 定了m e m s 封装即使不是以提高封装密度为目的，也比l c 更需要三维封装。 2 第一章绪论 图i - 2 i n t e l3 d 封装实例 ( 2 ) 不同的产品需要不同的可靠封装 m e m s 多元化的产品和功能的复杂性使其对封装的具体要求也不同。例如，对用于汽车安全气 囊配备系统的惯性传感器的封装就与普通压力传感器封装的要求有很大的不同，它涉及对包括防止 移动质量块的系统密封，要求器件能够工作在灰尘、温度剧烈变化和有腐蚀性介质的环境下，以及 在汽车行驶状态的强烈振动中正常工作；对微流体和微光开关系统的封装也比常规微型器件的封装 要求严格得多，通常需要采用真空密封。这些因系统使用环境而定的封装要求，使得m e m s 封装迄 今为止未能形成如l c 封装那样的工业标准，厂家需要为每一个新的m e m s 产品投入巨额资金来研 究新的封装方法、封装设备等，这使得m e m s 封装成本一直居高不下，甚至占到了总生产成本的 9 5 喇o 1 ，这是制约m e m s 产业化的一个重要因素。 ( 3 ) 尺寸效应给m e m s 封装带来许多特殊的要求 m e m s 诱人的魅力就在于“微型化”实现了系统集成。但是微小尺寸给封装和组装带来了许 多特殊的问题。首先，大部分封装工艺过程实质上都是物理化学过程，这常常导致各种不良的 附加效应，如精密部件间的静摩擦、形状畸变甚至封装元件发生分层等；其次，m e m s 在封装和 组装时应该有恰当的容限要求，这对组装精度和成品质量都是至关重要的，但是由于m e m s 尺寸很 小，而且在微加工过程之中和之后都缺乏对组件或元件表面形态的控制，何况大部分元件的表面粗 糙度均达到了纳米甚至微米量级，使得如何确定恰当的尺寸容限成为工业界一个令人头痛的i 司题。 ( 4 ) 特殊的封装界面要求 m e m s 器件与工作介质以及恶劣环境之间的界面要求是m e m s 封装区别于i c 封装的一个重要 标志，m e m s 依据功能不同而相应地有如下类别的界面要求：生物医学界面、光学界面、机电界面、 微流体界面等。一方面封装要满足器件本来的能够实现功能的界面要求，另一方面又要认识到恶劣 环境可能对一些灵敏和精密微器件带来的严重影响。例如，真空封装的m e m s 系统使用黏合剂键合 或者密封，一段时间后，老化的有机物可能会释放出气体，这些气体可能会引入水汽，不仅破坏了 真空环境，还可能会腐蚀元件或产生静态摩擦；应用于航空航天的m e m s 封装时则应当考虑到宇宙 空间辐射性离子和粒子所带来的影响。 1 1 2m e m s 封装工艺及主要技术 m e m s 产品的封装在早期试图沿用i c 封装工艺，但是不同产品间的巨大差异，使得m e m s 封 装至今不能形成l c 封装那样的标准工艺，也不可能存在一套适用于所有产品的通用流程。图1 - 2 给 出一个相对常用的一般工艺流程。 为了成功实现m e m s 的商业化，近年来发展了很多新的封装技术，其中最为基本、最为实用的 技术有晶片切割，键合和密封技术等。 3 东南大学硕士学位论文 国囱一 崮一豳 巨丑圆圈一一画 图i - 2 常用m e m s 封装工艺流程1 1 2m e m s 封装技术的新发展 m e m s 封装很大程度上还是借鉴了i c 封装，沿用了i c 封装中许多成熟适用的技术，如 b g a ( b a l l - g r i d - a r r a y ) 技术，f c ( f l i p c h i p ) 技术，m c m 技术等，这也是m e m s 封装技术实现突破的 途径之一i lq ；但同时也出现了许多新的发展。 1 芯片尺寸的圆片级封装技术 近3 0 年来，1 c 的集成度一直遵循摩尔定律迅速增长，相应地封装尺寸却不断地减小，如图i - 3 所示。随着人们对电子产品响应速度和微型化的进一步追求，近年来，更是提出了圆片级封装的概 念。圆片级封装不同于传统封装的主要特征是：在已完成前工序的硅圆片上直接进行引出、封装甚 至测试，然后将这类圆片直接切割分离成单个独立器件，图l - 4 清晰地表达了这样特征。 图i - 3i c 封装的发展过程【”】 4 第一章绪论 图1 4 传统元件级封装与圆片级封装比较 显而易见，圆片级封装的加工过程决定了它具有下列优点1 1 。t i 9 ，l1 0 ，11 1 j ： ( 1 ) 封装效率高。因为是整片封装，在保证成品率的情况下，圆片的直径越大则效率越高，相 应地封装成本也就越低： ( 2 ) 封装尺寸小。圆片级封装具有倒装芯片和芯片尺寸封装所具有的优点：轻、薄、短、小； ( 3 ) 由于w l p 从芯片上的i o 焊盘到封装引出端的距离短，因此其引线电感、引线电阻等寄 生参数小，而引出端焊盘又都在芯片下方，故w l p 的电、热性能较好； ( 4 ) w l p 迎合了目前表面安装技术( s m t ) 的潮流。可使用当前标准的s m t 进行二级封装，易 于被二级封装用户所接受。 在以微型化为目标的m e m s 领域，结构或器件的尺寸也在不断减小，图1 - 5 所示为加速度计芯 片的尺寸变化，其对封装体积减小的要求更为迫切，对成本更为敏感，因而更应该推进w l p 的研究 和应用。 a d x l 5 0 1 9 9 l j a d x l 7 6 t t 9 9 6 ) a d x l j 3 ( 2 0 0 1 ) 图1 - 5 单芯片m e m s 加速度计尺寸的变化f “2 1 2 系统封装技术 随着蜂窝电话和数码相机的迅速普及以及它们对小型半导体封装尺寸的要求使得系统级封装 ( s i p ，s y s t e m i n p a c k a g e ) 解决方案变得越来越流行。但s i p 的优势不仅仅在尺寸方面。因为每个功能 5 东南大学项士学位论文 芯片都可以单独开发，而片上系统芯片( s o c ，s y s t e m - o n - c h i p ) 必, 须作为大型的单芯片设计来开发， 因此s i p 具有比s o c 更快的开发速度和更低的开发成本。同样，m e m s 系统由于集成了传感器、执 行器、控制电路芯片与一体，系统封装不失为一种好的选择“。1 。 3 自组装装配技术”j 随着集成电路( i c ) 和微机电系统( m e m s ) 的特征尺寸不断减小，而结构却日益复杂，对其 制造和装配提出了更高的要求；特别在m e m s ( n e m s ) 领域，常常涉及到不相容的加工工艺、可 动的执行或传感部件、复杂的几何外形和不同的制造材料，其产品的实现将在很大程度上依赖于微 细加工技术和微装配技术。 对于m e m s 器件，在整个装配过程中可动结构的处理是一个很重要的问题。传统的微装配需要 借助于辅助工具来完成的，本质上属于一种串行的装配方式，随着器件或结构的尺寸不断缩小，集 成度越来越高，一方面宏观领域可以忽略的干扰因素( 如加工缺陷、摩擦、热变形等) 的作用将越 来越明显，另一方面在市场竞争激烈的今天，产品的成本效率需要着重考虑，而且这种装配方式常 常在复杂的三维m e m s 结构面前束手无策。目前有很多研究致力于借助流体环境下使用自组装技术 来实现芯片集成n 1 5 , 11 6 1 , 作为一种并行的装配方式，自组装可以实现批量、高精度的装配。目前的 研究主要是结合形状识别技术和重力、毛细力、静电力、表面张力等来驱动自组装。例如，图】石 示意了毛细力驱动的自组装过程。需要组装的结构经刻蚀后进行亲水或疏水处理，形成亲( 疏) 水 膜；在流体中，因为水分子不能在疏水区域存在，所以疏水膜覆盖的组件就会相互靠近，在毛细作用 下滑动，直到平衡位置。组件滑动的过程受到界面自由能最小化的制约，最后利用紫外线照射来固 化胶脂。 ( a l( b ) 图1 6 毛细力驱动自组装示意( a ) 在空气中( b ) 在水中”川 结合形状识别技术和毛细作用驱动的自组装引起了广泛的研究兴趣，已经成功实现了纳米级蛋 白质、病毒、半导体微粒，微米级的胶乳粒子、聚合物粒子以及毫米量级的小物体在液固界面 或液液界面的自组装；x i a o m n gx i o n g 等人【“”应用毛细力结合电化学改性的方法，实现了在单 一基体上不同批次的、不同功能的微器件的自组装。c r b a r r y 等人“”利用毛细作用和液体焊料 表面张力自组装了l e d 显示器阵列，如图l - 7 所示。 幽1 7 自组装l e d 显示器阵列 6 第一章绪论 1 3m e m s 封装效应与可靠性 人们追求性能卓越的集成系统，合理的封装是m e m s 成功实现商业化的必要条件，但是封装常 常会使器件或系统的性能出现明显的衰减，比如信号延迟、传感器灵敏度降低等；或者在经受恶劣 的环境变化时，封装或者互连先于器件发生破坏而使器件失效，使器件的可靠性降低，这些都可以 称之为封装效应。图1 - 8 为美国s a n d i a 实验室的加速度计在4 0 0 0 0 9 冲击下封装破坏示意图。 图1 - 84 0 0 0 0 9 冲击f 加速度计封装破坏示意图1 2 0 l 封装效应主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 封装材料的特性和结构对m e m s 传感器性能的影响。z h a o n i a nc h e n g t l 2 1 j 利用有限元模拟 分析了不同封装结构和材料对高g 值加速度计器件振动模态中各阶周有频率及振型的影响。 ( 2 ) 封装寄生效应对m e m s 电性能的影响。与l c 一样，封装并不是芯片和外部之间的透明连 接，所有封装都会影响器件的电性能。由于系统频率和边缘速率的增加，封装影响变得更加重要。 这些影响以寄生器件的形式出现，包括连线或引线之间的电容耦合、电感和电阻值。封装的布局和 结构确定了寄生器件的值，这些值对m e m s 整体性能有重要影响。信号中由封装导致的寄生参数的 影响包括接地反弹和噪声、传播延迟、边缘速率、频率响应和输出引线时滞等。在r fm e m s 领域， 因为传输频率通常在i g h z 以上，使得键合线的寄生效应变得非常敏感，许多学者对键合线的影响 做过研究，f e d 甜c oa l i m e n t i l l 2 2 等人对单根和双根键合线建立了f d t d 模型和一个准静态模型，j u n y ic h u a n g t l2 3 瞎人对个用键合线连接的芯片进行测量和模拟，并提出了改进匹配的方法。目前封 装正朝着更小的c s p 封装发展，这可能会优化信号的传播延迟，但是却不一定能减少寄生效应。 ( 3 ) 热致封装效应对m e m s 器件性能的影响。 随着封装的密度越来越高，m e m s 的结构日益复杂，封装热设计将越来越重要。热的产生主要 包括器件工作过程中的散热，工作环境的温度变化等。热性能对m e m s 器件有重要影响，在较高温 度或者较大温差下，器件的电参数将下降，性能很快恶化；此外，为了改善信号性能，现代封装常 采用板上芯片( c o b ) 和倒装芯片方式以去掉大部分或者全部封装，也就是去掉了大部分或者全部 寄生器件。然而，由热膨胀系数( c t e ) 失配带来的热应力集中将会导致部分微元件、微结构失效。 此外，m e m s 封装的可加工性和成本也是影响m e m s 产业化进程的因素之一。 从上文的描述中可以看出，m e m s 器件的可靠性问题很大程度上来自于封装。m e m s 封装设计 的困难之一就是要考虑封装可能对m e m s 器件和结构造成的影响，而如果在m e m s 的早期设计阶 段，能够考虑剑封装效应，即两者协同设计，对于实现性能优越的m e m s 器件，加快m e m s 产业 化进程具有重要意义。 7 东南大学硕士学位论文 长久以来，在微电子领域，芯片、封装和电路板的设计都是相互分开的，但是，随着硅片面积 的不断缩小而复杂程度日益增加，彼此间的高墙正逐渐倒塌。不断增加的i o 引脚数和运行速度高 达1 0 g b p s 的接口，正推动着芯片封装走向协同设计。尽管倡导和实现芯片封装协同设计的 努力已经持续了很多年，但是只有在9 0 r i m 工艺线进入量产阶段，芯片与封装的协同设计才真正变 成现实，这种转变的迹象首先是该领域的许多e d a 公司纷纷推出了自己的芯片封装协同设计工 具。 图i - 9 芯片封装的传统设计流程与协同设计流程比较 对系统集成度、性能以及高额利润的追求是驱动芯片封装协同设计技术前进的动力之一， 从图1 - 9 芯片、封装传统设计流程与协同设计流程的比较可以看出：从起始阶段优化芯片i o 不仅缩 短了产品上市时间，而且还可以获得总体优化的互连方案。 对m e m s 来说，封装是其实现产业化的主要瓶颈之一，提倡芯片封装协同设计技术具有更 为重要的意义。s t e p h e nf - b a r t1 1 2 4 1 等人首先从有限元模拟的角度提出了m e m s 封装协同设计 的概念，基丁单元库法模型的思想，将一个完整的m e m s 系统分解为封装单元和器件单元来模拟分 析它们之间的相互影响，以达剑优化设计的目的。 8 第一章绪论 1 5 本篇论文的主要工作 封装在m e m s 产业化进程中具有重要意义，而封装对m e m s 器件的性能和可靠性的影响不容 忽视，协同设计能够将封装和芯片设计并行考虑，有利于优化产品性能、节省时间、降低成本。m e m s 结构在本质上是应力敏感的，因而对由于器件本身发热或者环境温度变化导致的封装效应的研究就 显得尤为重要。 图1 1 0 所示为本文所研究的主要对象，采用c o b ( c h i p - o n b o a r d ) 直接贴片的m e m s 基本梁 结构。本论文的研究重点在于热致封装效应对m e m s 器件性能的影响，结合理论建模、有限元模拟、 试验测量等手段分析多层封装结构的热机械耦合效应及其对m e m s 基本梁器件性能的影响，试图为 m e m s _ 封装协同设计提供有益的理论指导。 图1 1 0 本论文研究对象 本篇论文主要分为三部分：第一部分在概述m e m s 封装的基础上分析热致封装效应，提出 m e m s 封装协同设计的概念；第二部分建立多层m e m s 封装结构热机械耦合效应分析的解 析模型，并以双端固支梁为例，分析热致封装效应对其谐振频率的影响；第三部分为实验研究，包 括多层m e m s 封装结构热变形的测量和热致封装效应对谐振频率的影响测试。 9 东南大学硕士学位论文 第二章热致封装效应分析 由上一章的分析可知，封装对器件的影响是多方面的，但随着集成度的提高和功率密度的增大， 导致芯片的发热功率也随之增大，加之高密度封装中常采用多层材料的叠层结构，由热膨胀系数 ( c o e f f i c i e n to f t h e r m a le x p a n s i o n ，c t e ) 差异引起的结构耦合也对封装和器件的可靠性带来影响， 使得热致封装效应问题越来越突出。本章将讨论热致封装效应的现象、机理及影响，分析微电子封 装结构热变形的研究概况和经典理论，提出存在的问题和进一步研究的意义 2 1 热致封装效应概述 进入高密度时代以来的微电子封装，无论是增强型b g a ，小尺寸c s p 、w l p ，还是多芯片模块 m c m 、系统封装s i p ，其封装结构中必然包含多种不同的材料。以图2 - i b g a 封装结构为例，涉及 的材料包括硅、焊料、p c b 基板、环氧树脂、引线等，其典型的材料热膨胀系数如表2 - 1 所示。 b g am o d u l e ：s t a c k e d m u l t i - c h i p 图2 - 1b g a 封装模块示意图【2 l l 表2 - 1 典型封装材料热膨胀系数( p p m ，o 2 0 0 。c ，有机物为低于玻璃转化温度值) 2 2 1 由表2 1 可以看出材料的热膨胀系数有较大的差异，在系统由于散热或者环境温度发生变化时， 将引起热失配。大量的研究口”4 加1 表明热失配所造成的结构体耦合变形而产生的热应力，是封装引 线焊点、封装体疲劳失效的主要原因。此外，相对于i c 来说，m e m s 器件和结构本身对应力非常 敏感，因此关注的焦点绝不仅仅限于焊点的疲劳可靠性，应力对器件的性能影响不容忽视，在整个 加工及芯片工作过程中，如何控制应力已经成为m e m s 领域的一个重要研究方向。图2 - 2 所示为残 余应力导致器件破裂的示意图。 0 第二章热致封装效应分析 图2 - 2 残余应力导致m e m s 器件破裂示意图1 2 6 1 2 2 多层封装结构热失配问题 热失配是热致封装效应的主要诱导因素之一。而对多层结构热变形问题的研究却由来已久 1 2 7 , 28 09 j ”】，主要的研究方法不外乎理论建模、实验观测，近年来随着计算机技术的飞速发展，利用 有限元软件模拟分析也是一个有效的手段。 2 2 1 多层结构热变形理论研究 由于电子封装本质上属于多层结构，许多学者对多层材料结构的热应变分布进行了研究口“】， t i m o s h e n k 0 1 2 ”l 则是第一个应用单元梁理论推导了双层平板结构在均匀温度变化下的热应力解析模 型和自由翘曲变形，下面简单介绍t i m o s h e n k o 双层梁理论推导到三层结构的情况。分析模型如图2 - 3 所示。 l 、m 。 h l r 。 1 i + 1 、m m 。 l 、m + 2 h i + 2 l。 r ? 。 f f + 1 f i + 2 图2 3t i m o s h e n k o 理论推导模型 当图2 - 3 所示三层材料组成的平板结构的温度变化t 时，每层板将产生张力或压力f j ，弯矩 m i ，并使得整个结构以曲率1 p 弯曲变形。可得到下列方程式： 应变兼容：口，a t + f “e 曩) + 吩( 2 p ) = 口，“a t + f + l ( e + l 啊+ 。) 一t i , “( 2 p ) ( 2 i ) 力平衡：只= 0 力矩平衡： m ，+ nf ( 要+ n 玩) ：o l = 】，= l 二 i = i + l ( 2 2 ) ( 2 3 ) 东南大学硕士学位论文 ( 2 1 ) 式中第一项为不受应力作用时，因温度变化使材料产生的应变；第二项为温度变化产生 的力f 所导致的应变；第三项则是弯曲所产生的轴向应变。由于结构仅受温度变化，并无外力作用， 所以整个结构的力和力矩总和为零。在本文中所讨论的结构有三层，故n = 3 ，则有如下关系式： l e l 啊 0 1 啊+ 2 h 2 + 吃 2 由式( 2 4 ) 可得到： 1 = p o 点2 11 e 2 h 2e 3 吃 11 生堕o 硅 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中口、e 、氟，i = l ，2 ，3 分别为对应材料层的热膨胀系数，杨氏模量( y o u n g sm o d u l u s ) ， l3 厚度；i i ( i - 1 ，2 ，3 ) 为梁的转动惯量，有，= “，彳1 ，并根据m = 上织可得到如上方程。 ，l p 此后不断有学者对t i m o s h e n k o 理论进行修正，其中影响最大的是s u h i d 21 3 l 和c h e n l 2 。s u h i r 币 用 界面柔度假设改进了t i m o s h e n k o 的双层梁理论，这就是电子封装分析中常用的著名的s u h i r 方案。 c h e n 的分析基于二维弹性理论和w a s h i z u 所提出的能量补充变化理论，建立一个能够满足薄片梁自 由边界的解析模型。之后的同类研究大多是在s u h i r c f l c h e n 模型基础上展开的“j 。 2 2 2 多层封装结构热变形的实验测量 实验测量是一种直观而有效的研究手段，一宜为研究者所重视。同样在微电子和m e m s 封装领 域，多层封装结构的热应变，应力、热变形分布测量一直是研究的热点u 1 5 , 21 5 , 2 , 1 “。m 。 热应力，f 电变及热变形分布的测量主要有光学方法和电学方法。电学测量是把应变应力量转换为 电学变化量( 电阻、电容、电感) 输出，在微电子封装应变测量中常采用的是硅压阻应变计法。而 光学测量则是利用光的干涉、衍射等原理，测出应变场分布图，再结合数字图像处理技术进行分析 光学测量发展比较早，从经典的光弹性法，发展到云纹干涉法、全息干涉法、散斑干涉法、光钎传 感技术等，其中广泛使用的是云纹干涉法1 2 1 9 】。下面对硅压阻应变计法和云纹干涉法作简单介绍。 2 2 2 1 硅压阻应变计封装应力测量 固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。而半导体材料的这种效应 特别强。硅压阻芯片困为材料和结构与硅基集成电路相同，同时制作1 ：艺与微电子相兼容，在测量 过程中对芯片无外加干扰，能够反映集成电路封装应力的实际情况，因而获得了广泛的应用。其基 1 2 1j r r ) ) l 2 口口o o 一 一 2 ， 瑾 口 ( ( 学。赫。半学。事 第二章热r e _ t + 装效应分析 本工作原理如下： 电阻的相对变化量：塑r2 尘p + ( 1