（微电子学与固体电子学专业论文）mems热风速计的封装.pdf

摘要 风速传感器的发展经历了很长的历史。从最初的纯机械装置到现在使用c m o s + m e m s 技术实 现的热风速传感器，m e m s 热风速传感器芯片已经相对成熟。因此对m e m s 热风速传感器的封装 技术研究变得很有必要。由于m e m s 传感器结构的特殊性，它的封装难度要比集成电路大。尤其是 测量风速风向的传感器，对它的封装除了基本的保护芯片结构和可靠的电气连接功能以外，还要求 芯片能够与被测量的物理环境充分的接触。包括作者所在的实验室在内，国内外的众多科研机构都 围绕着这个课题做了大量的工作。 论文首先总结了目前m e m s 热风速传感器的封装现状，分析了它们各自存在的优缺点。针对论 文所要封装的风速传感器芯片，在了解芯片的结构基础上提出了三种封装结构：采用引线键合工艺 实现的封装、采用倒装焊工艺实现的封装和将传感器芯片与后续的信号处理电路一体封装的电路集 成封装。由于芯片采用热导率较高的陶瓷薄片作为衬底，三种封装结构都采用芯片背面作为与流体 接触的感风面。与现有的m e m s 热风速传感器封装结构相比，这既对芯片的正面进行了必要的保护 又减少了使用额外过渡基板的热损耗，对于减小传感器功耗和提高传感器的灵敏度都有积极意义。 论文提出的三种封装结构中前两种是针对芯片本身的单体封装，而第三种结构集成了处理电路完成 了系统的功能。 论文采用a n s y s - c f x 软件成功的解决了传感器芯片热分析过程中存在的流固耦合模拟精度 不够的问题，较为精确的实现了对传感器芯片和封装结构的热分析。同时也给出了使用该软件进行 流一同耦合模拟的一般方法和流程。论文对封装前后的传感器芯片风速和风向性能进行了仿真模拟， 模拟结果与理论吻合。 针对提出的封装结构，论文进行了相关封装工艺的实验，其中主要讨论倒装焊工艺。利用 s e c 8 5 0 热压焊机，经过反复试验得到了成熟的工艺参数，保证了倒装焊较高的成功率。在此基础 上，进行电路集成封装实验。论文从最小化封装体积角度出发，采用a b s 工程塑料设计制作了电路 集成封装所需的管壳。另外，从绿色封装的角度出发进行了各向异性导电胶的尝试性试验，虽然实 验结果不是很理想，但是论文对试验结果进行了合理的分析，以期对以后这方面的工作有所帮助。 论文在恒功率控制模式下对电路集成封装后的传感器芯片风速和风向两方面的性能进行了大量 反复测试。论文采用三角函数测试法进行风向测试；对于风速，论文基于热损失和热温差两种原理 进行了测试。从测试结果可以看出，封装后的芯片仍然能够按照原来的工作原理运行，并且和理想 情况吻合；芯片的滞回特性也相当稳定。由于传感器本身工作原理上的限制，测试得到的风速量程 是8 m s ，风向测试范围为3 6 0 。最大误差控制在6 以内。为了考察封装结构对传感器性能的影响， 论文对封装前的芯片做了相应的测试。从封装前后的测试数据看，封装结构对芯片检测精度上影响 很小，虽然降低了芯片的灵敏度但仍然能够达到预订指标。最后文章将测试得到的实验数据与模拟 结果进行了比较，两者吻合较好，说明了软件模拟的精确和实验数据的可靠。 对于论文提出的前两种封装结构，工作主要集中在关键的芯片电信号引出问题上。要使这两种 结构能够产品化，封装管壳必不可少。论文提出采用后成型塑料封装方法实现这两种结构，并且按 照集成电路封装标准，进行了尺寸设计，为后续工作打下基础。对于电路集成封装结构，未来的工 作在于将内部的信号处理电路用c m o s 标准工艺实现，降低封装成本并且获得更好的信号处理效 果，实现风速传感器系统的产业化。 关键词：m e m s ，热风速传感器，封装，测试 a b s t r a c t f r o mt h ep r i m a lp u r em e c h a n i c a le q u i p m e n tt ot h eu p - t o - t h e - m i n u t et h e r m a la n e m o m e t e rf a b r i c a t e d u s i n gc m o s + m e m st e c h n o l o g y , t h ed e v e l o p m e n to fw i n d 剐加i s o fh a sb e e nl a s t i n gf o ra g e sa n dt h e m e m st h e r m a la l l e m o m e t e l c h i pi sm o r ed e v e l o p e dt h a ni 协p a c k a g i n g t h e r e f o r et h et e c h n i c a ls t u d yo f t h ep a c k a g i n go ft l mc h i pb c t t x y m e sm o r ea n dm o r en o o m s m t t h ep a c k a g i n go ft h em e m s 剐x 附i sm o r e d i f f i c u l tt h a ni n t e g r a t e dc i r c u i tb e c a u s eo fi t ss p e c i a ls 协l c t l l l e s p e c i a l l yf o r t h es e n s o rt e s t i n gw i n ds p e e d a n dw i n da n g l e ，i tb e x ? o m e sw o 娼e t h ep a c k a g i n gs h o u l da 姗托t h eg o o di n t e r a c t i o nb e t w c e l lt h ec h i pa n d t h et e s t i n ge n v i r o n m e n t , b e s i d e st h eb a s i cf u n c t i o n si n c l u d i n gp r o t e c t i o no ft h ec h i ps t r u c t u r ea n dt h e r e l i a b l ee l e c t r i c a lc o n n e c t i o n t h el a b o r a t o r i e so fm a n yc o u n t r i e sh a v eb e e nw o r k i n go nt h i st o p i c i n c l u d i n gt h el a bo ft h ea u t h o r 田地p a p e rf i r s t l ys u m m a r i z e st h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d , a n dc o n c l u d e st h e i r a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sr e s p e c t i v e l y b a s e do l lt h eu n d e r s t a n d i n go ft h es t r u c t u r eo ft h ec h i pw h i c h i si n t e n d e dt ob ep a c k a g e d , t h r e ek i n d so fp a c k a g i n gs t r u c t u r ea r cg i v e n ：t h ep a c k a g i n gu s i n gw i r e - b o n d i n g p r o c e 勰9t h ep a c k a g i n gu s i n gh i p - o a i pp r o c e s sa n dt h ec i r c u i t - i n t e g r a t e dp a c k a g i n gw h i c hi n t e g r a t e st h e c h i pa n dt h es i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i tt o g e t h e r a l lt h e s et h r e es t r u c t u r e sm a k eu s eo ft h eh i 【g ht h e r m a l c o n d u c t i v i t yo ft h et h i no e l a m i cs u b s t r a t ea n dc o n s i d e ri t sb a c kt ob et h e 翻l r f a i n t e r a c t i n gw i t ht h ef l u i d c o m p a r e dt ot h es t r u c t u r e so fn o r m a lm e m st h e r m a la n f f m o m e 钯t $ m i sm e t h o dn o to n l yo f f e r st h ec h i p n e c e s s a r yp r o t e c t i o nb u ta l s or e d u c e st h ee x t r ah e a td i s s i p a t i o nb e c a u s eo f t h eu s eo f o t h e rm a t e r i a l s ，w h i c h r e d u c e sp o w e rc o n s u m p t i o na n di m p r o v e st h es e n s i t i v i t yo ft h es a 鱼s o r t h ef i r s tt w os t r u c t u r e sp r e s e n t e d b yt h ep a p e ri sm o n o m e rp a c k a g i n gr e f e r r i n gt ot h es e n s o ri t s e l f , a n dt h el a s to n ea c h i e v e st h es y s t e m f u n c t i o nb yi n t e g r a t i n gt h ep r o c e s s i n gc i r c u i t 1 n h cp a p e rs u c c e s s f u l l yr e s o l v e st h el o wa c c u r a c yo ft h ef l u i d - s o l i dc o u p l i n gs i m u l a t i o nd u r i n gt h e t h e r m a la n a l y s i sa n do f f e r sam o r ep r e c i s et h e r m a la n a l y s i so ft h ec h i pa n dt h ep a c k a g i n gs t r u c t u r e sb y m e a n so fa n s y c f xs o f t w a r e t h eg e n e r a lm e t h o du s i n gt h i ss o f t w a r et os o l v et h es i m i l a rf l u i d - s o l i d c o u p l i n gs i m u l a t i o ni sa l s og i v e n t h es i m u l a t i o nm a i n l yf o c u s e so nt h ep e r f o r m a n c eo fd e t e c t i n gt h ew i n d s p e e da n da n g l eo fw i n db e f o r ea n da f t e rt h ep a c k a g i n g ，a n dt h er e s u l t sa g r e e 谢t ht h et h e o r y i nr e s p o n s et ot h ep a c k a g i n gs l r u c t u r e s ，t h er e l e v a n te x p e r i m e n t sa r ci n t r o d u c e d , w h i c hm a i n l y d i s c u s s e sh i p - c h i pp r o c e s s 1 1 圮r e p e a t e de x p e r i m e n tu s i - gs e c 8 5 0t h e r m a lp r e s s i n gw e l d e rg a i n st h e r e l i a b l ep r o c e s sp a r a m e t e r se m a n i n gm o s to fs a m p l e sp e r f o r mw e l l a n db a s i n go nt h eh i l g hr e l i a b i l i t yo f f l i p - c h i pp r o c e s s ，t h ep a p e rc o n 血u e st h ee x p e r i m e n to ft h ep a c k a g i n gi n t e g r a t i n gc i r c u i t t h ed e s i g no f t h ep a c k a g i n gs h e l li sa i mt om i n i m i z et h ep a c k a g i n gs i z e ，a n dt h es h e l li sm a d eo fa b se n g i n e e r i n g p l a s t i c c o n s i d e r i n gt h eg r e e np a c k a g i n g ，a n i s o t r o p i cc o n d u c t i v ea d h e s i v e ( a c a ) i si n t r o d u c e d a l t h o u g h t h ee x p e r i m e n td o e 爆n tg e tt h ea 【p t e dr e s u l t , t h ep a p e rg i v e st h er e a s o n a b l ea n a l y s i si nt h ep u r p o s eo f g i v i n ga d v i s et ol a t e rs t u d y 1 1 1 er e p e a t e dt e s t i n go ft h ew i n ds e n s o ra f t e rt h ep a c k a g i n gi n t e g r a t i n gc i r c u i tm a i n l yf o c u so nt h e p e r f o r m a n c eo fd e t e c t i n gs p e e da n dd i i 觚o no fw i n d t h et e s t i n gu s e st r i g o n o m e t r i cf u n c t i o nt e s t i n g m e t h o dt om 哪u r ct h ed i l 删o no ft h ew i n d , a n dt h ew i n ds p e e dm ( 给s u l - eb a s e so nt w op r i n c i p l e s ： a n e m o m e t e ra n dc a l o r i m e = t r i c t h et e s t i n gr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es e n s o ra f t e rp a c k a g i n gs t i l lo p e r a t e s a c c o r d i n gt ot h eo r i g i n a lp r i n c i p l e ，a n di tm a t c h e st h ei d e a ls i t u a t i o n a n dt h e r e sn oh y s t e r e s i se x p e c t e d t h et e s t i n gr a n g eo fw i n ds p e e di s8 m sb e c a u s eo ft h el i m i t0 1 1t h ep r i n c i p l eo ft h e8 e l l s o ra n dt h et e s t i n g r a n g eo fw i n dd i l e b 嘶o ni s3 6 0 。w i t h 6 e i t o ra tm o s t t h es e n s o rb e f o r ep a c k a g i n gi sa l s o t e s t e d s i m i l a r l yi no r d e rt od e t e c tt h ei n f l u e n c eo ft h ep a c k a g i n gs h e l lo nt h ep e r f o r m a n c eo ft h es e n s o r c o m p a r e d t h et e s t i n gd a t ao ft h es e n s o ra f t e rp a c k a g i n gw i t ht h a tb e f o r ep a c k a g i n g , i ti n d i c a t e st h a tt h ep a c k a g i n g s t r u c t u r eh a sl i t t l ee f f e c to nt h ea c c u r a c yo fd e t e c t i o n a l t h o u g ht h es e n s i t i v i t yo ft h es e n s o ri sr e d u c e d , t h e h p e r f o r m a n c eo ft h es e l l s o ra f t e rp a c k a g i n gc o u l ds a t i s f yt h er e q u e s t i nt h ee n d , t h ep a p e rc o m p a r e st h e s i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h et e s t i n gd a t a , a n dt h eo u t c o m ei n d i c a t e st h a tt h ee r r o rb e t l v e e nt h e mi sl i t t l e , v e r i f y i n gt h ea c c u r a c yo f t h es i m u l a t i o na n dt h er e l i a b i l i t yo f t h et e s t i n gd a t a n ew o r ko i lt h ef i r s tt w op a c k a g i n gs t r u c t u r e sm a i n l yf o c u s e so nt h ee l e c t r i c a lc o n n e c t i o nb e t w e e n t h es e n s o ra n dt h ec i r c u i t , a n di t i sa b s o l u t e l yn e c e s s a r yf o rt h es e n s o rt or e a l i z et h ei n d u s t r i a l i z a t i o n a c c o r d i n gt ot h es t a n d a r dp a c k a g i n gc r i t e r i o no fi n t e g r a t i n gc i r c u i t , t h ep a p e rr e a l i z e st h e s et w o s t r u c t u r e s u s i n gp o s t - m o l d i n gp l a s t i cp a c k a g i n gm e t h o da n dd e s i g n st h ed e t a i ls i z eo fs h e l lp r e p a r i n gf o rt h el a t e r s t u d y f o rt h ep a c k a g i n gi n t e g r a t i n gc i r c u i t , w ew i l ls t r i v ef o rr e a l i z i n gt h es i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i tu s i n g t h es t a n d a r dc m o sp l v c e 鹳，r e d u c i n gp a c k a g i n gc o s t , o p t i m i z i n gt h ec i r c u i tp e r f o r m a n c ea n df l l r t h e r r e a l i z i n gt h ei n d u s t r i a l i z a t i o no ft h ew i n ds e n s o rs y s t e m k e yw o r d s ：m e m s ，t h e r m a la n e m o m e t e r , p a c k a g i n g , t e s t 1 i i 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。 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。 第一章绪论 第一章绪论 人类生活与气象紧密相关。随着人类生活质量的提高，对气象的了解也越来越迫切。现在人们 对环境的关注程度空前的提高，气象信息( 如温度、湿度、风速、风向、气压等) 的掌握对人们的 日常生活非常重要。 风速传感器的发展经历了很长的历史。以前，人们利用纯机械的装置来测量，虽然能得到良好 的测量结果，但这些机械装置因具有移动部件而易磨损，同时具有体积较大，价格昂贵，需要经常 维护等缺点。近期以来，人们也利用更高端的激光及声学多普勒原理研制风速计，但由于其非常昂 贵的价格限制了它的发展。随着硅集成电路技术的发展，基于硅技术的风速传感器应运而生， 1 9 7 4 年v a np u t t e u 和m i d d e l h o e k 的采用标准的硅加工技术第一次成功研制了热流体传感器i l 】。集成电路 工艺技术高速发展的今天，利用c m o s 技术或c m o s + m e m s 技术的硅风速风向传感器正成为研究 的热点。国际上，荷兰、瑞士、韩国等国家的研究机构都在硅热风速传感器方面进行了深入的研究 【2 5 】。在国内，作者所在的实验室也早在8 0 年代就开始进行这方面的研究睁l l 】 虽然m e m s 传感器芯片经过十几年的发展已经相当成熟，但很多芯片却没有作为产品得到实际 应用，其主要原因是没有解决封装问题。事实上只有已封装的m e m s 器件才能成为产品，才能投入 使用，否则只能停留在实验室阶段。目前，国内m e m s 封装技术明显落后于m e m s 芯片研究，必 须重视和积极发展m e m s 封装技术，尽快开发低成本、高性能的封装方法，否则它将成为制约m e m s 发展的瓶颈。 在热流量传感器尤其是风速传感器的封装研究方面，国内外很多大学的实验室做了各种研究 本论文在总结国内外关于热风速传感器封装的基础上，针对作者所在实验室自主研发的风速传感器 设计了若干封装结构。通过对结构的软件模拟和实际测试，论文得到了一些有用的结论并且对后续 工作的展开提出了建议。 1 1 课题研究背景 m e m s 传感器芯片产业化和商业化的进程加剧了加快传感器芯片的封装技术研究的严重性和 迫切性对于成熟的集成电路，封装主要的目的是保证可靠的电气连接和芯片保护，良好的散热性 能和机械安装性能。而m e m s 传感器的封装则必须考虑很复杂的参数要求。首先，其封装必须能够 保护敏感元件免受非被测量的环境影响；其次能提供良好的电信号，和外界电路有可靠的电气连接， 最重要的一点则是使得传感部分能够与被测量的物理量能够发生作用。另外，封装的高可靠性和低 成本也是需要考虑的因素。由于封装要求多而杂，m e m s 的封装迄今还没有统一的标准。其封装往 往只针对某一种具体的芯片，故m e m s 封装也常常被称为“专用封装”【屹l 。由于m e m s 封装的特殊 性，故在m e m s 结构设计之初，就应该考虑封装的问题。 对于如风速传感器等流体传感器，封装还要求具有良好的流体接触。对于热式结构的流量传感 器，为了实现与流体的传热，加热元件往往需要暴露于环境中。而基于硅技术的流量传感器芯片是 i 东南大学硕士学位论文 不可以长期遭受外界的接触的，否则会受到环境中的污染物质，如各种离子，湿气等的侵蚀，从而 造成芯片的电性能的失效。对于采用微加工技术的硅传感器，悬臂梁或者腐蚀形成的薄膜等可能还 会受到外界的机械力的破坏。它能承受的机械强度可能远远小于集成电路芯片。论文采用一种平滑 的高导热率的材料一陶瓷作为芯片的衬底材料，以牺牲灵敏度或提高功耗为代价，在保护芯片的同 时，实现热量的传递和交换。 总体来说，热风速传感器的封装必须满足下面的要求： l ：系统必须能完成电气连接。 2 ：系统的电路和引线部分必须和环境隔离，并受到保护 3 ：传感器的封装必须防止敏感部位受机械的损伤 4 ：传感器的封装必须保证敏感部分和被测试流体接触，并和无关流体隔离。 5 ：整个封装必须要求高可靠性和较低的成本 1 2 热风速传感器封装的研究现状 自从1 9 7 4 年第一个热流体传感器出现后，热风速传感器取得了长足的发展。随着传感器芯片的 成熟，国内外很多大学的实验室对风速传感器芯片的封装技术都做了研究。 荷兰d e l f t 理工大学研究的风速传感器采用的是在芯片的背面用胶枯剂贴薄层陶瓷片的方法来 实现的，如图1 - 1 所示，其中胶粘剂和薄层陶瓷片都具有比较高的热导率，用于实现良好的热量传 递。 f l o w 图1 1 采用倒贴陶瓷结构的风速传感器的封装 该封装结构的平滑陶瓷板的厚度是0 2 5 m m ，陶瓷的热导率2 0 w m k 穿过陶瓷在表面所能检 测的温度差0 t 为m k 量级。由于引入了胶粘剂，且厚度可能是不均匀的，因此这种封装对二维风 速传感器的结构的对称性造成了一定的影响【1 3 1 需要采取复杂的补偿电路来解决这个温度【3 1 。 瑞士e t hz u r i c h 大学的m a y e rf 1 4 等人采用传统c m o s 工艺加后处理形成的热薄膜型风速传感 器结构。该结构的芯片倒装焊在软性陶瓷片上实现封装，其中敏感部分暴露于陶瓷的开口部分，接 口电路被封装保护，如图l - 2 所示。它保证了敏感部分和空气的充分对流传热。由于这种封装仅仅 实现了对电性能的保护，而对敏感元件未能起到任何的保护作用，因此，并不能算是一个完全的封 装结构，它还需要进一步的安装在相应的机械部件内。 2 第一章绪论 薹誊 图1 采用倒封装结构和陶瓷开口结构的风速传感器的封装 种用丁测量流量的封装结构如图i 3 所示，它是由荷兰d 啦理工大学的c c o t o f 锄a c “】研究和 提出的低成本塑料封装这种封装可以和工业的封装昔脚兼容，区别就是需要另外设计横具使得传 感器的表面能够开窗口，以允许流量的传递。很显然由于只有一个通道，因此只可以用于测量单 方向的流茸，而用下风速的测量则显得比较出难。 f 1 0 wc h a n n e la c c e s s s e n s o fc h i p m o u l dc o 呷o u n d 凹1 ，低成本塑料封装 文献【l6 】给出种白封装的风速传感器结构。其芯片的硅村底背面用作风速的感戍面。而且可 以采片j 传统的i c 封装工艺，大大简化了封装的步骤和成本。因为该传感器的背面作为感应面因此 标准的i c 封装技术可以在芯片正面正常进行。在芯片的前道和后道工艺完成后将芯片粘贴到p c b 板，并进行引线键合。该p c b 板上有45 r a m x 45 m m 的孔使得芯片的背面能露出，和流体自由接 触。图1 4 表示了传感器的封装结构图完成引线键台以后的传感器，其芯片正面用隔热的聚醢腔 体进行封包。该胶体同时填充了隔热捐。测试时整个封装的芯片安置到风洞的壁上。 这样封装后的传感嚣既能保证传感器和流体接触能摩应流体的影响：同时，可以进行正常 的引线键合芯片的有效工作区域和引线都可以由胶件保护。 fl o , w p 图1 4 自封装结构风速传感嚣的封装 作者所在实验室提出了如图i - 5 所示的封装方法【啊。这种封装在薄层陶瓷上进行倒封装，但是 避免了瑞士聊s l l f i c h 大学研究的风建传蓐器倒封装结构暴露芯片敏癌元件的缺点，基板采用导热 3 受 东南大学硬学位论文 性能良好的薄层陶瓷片。这样整个封装就是播芯片正面饲装焊到陶瓷基扳上，而陶瓷板反面作为传 感器和风接触的界面。 产畔 !j 图1 - 5 采用铜柱导热导电的倒装封装 从示意图中可以看出，苍片的凸点部分包括两个部分，一部分是用于热接触的如加热条上和 热偶热端的凸点：其他的凸点是是用于引线，最后封装的引线可以从陶瓷上引出。这样封装以后 的传感器是通过陶瓷扳背面和流体进行接触和热交换的。而经过倒装焊封装后的芯片部分片j 绝热 胶体进行包封，用于保护整个芯片的结构。这种封装要求在陶瓷基板上做金属凸点和引线框，导致 整个封装的成本比较高。 针对同一结构的风速传感嚣芯片。作者所在实验室提出了另一种封装，如图1 巧所示。 目瓷或命属薄! 里堕! 里生! 生1 9 p c b 扳 图l 石倒贴陶瓷或金属薄片的封装 这种封装采用在传感器芯片的背面使用导热胶粘剂贴陶瓷的方法形成封装结构可以看到基本 的原理与d d r 理上大学提出的原理是一样的，但是他们的区别在于压焊线不再是通过陶瓷基板 进行引出而是通过了一层镀金的p c b 板进行了过渡。与上一种封装方法相比，不再需要在陶瓷上 进行金属引线框的制作只要制作p c b 板，成本降低了很多。 综合以上的封装结构，有的辖传感器芯片的敏感部分暴露在被测量环境中，虽然保持了芯片原 有的灵敏度，但是敏瘩元件容易受到周围环境的影响过早的失兢：而其他的封装采用具有良好热导 率井且具有一定机械强度的材料倒如陶瓷或者金属作为基扳通过这层基板使芯片与被测量环境发 生作用t 从而起到保护传感嚣芯片的作用。但是这样不可避免的会造成与芯片功能无关的热损失， 降低了芯片的灵敏度 第一章绪论 1 3 热风速传感器的性能指标 风速传感器的特征参数如下： ( 1 ) 风速和风向的量程 对于不同的工作原理、不同的结构和尺寸，风速传感器具有不同的量程。针对不同的应用，决 定了所需的风速量程。本论文待封装的风速传感器属于热温差型，由于本身风速上的限制故要求风 速量程在2 0 m s 风向的测试范围要求为0 - 3 6 0 。 ( 2 ) 风速和风向的灵敏度 所谓传感器的灵敏度，即该风速传感器所能感应到的最小的风速和风向的变化。灵敏度越高， 其性能越好。本课题中的风速传感器的灵敏度为最小能感应l m s ，风向的灵敏度为5 0 ( 3 ) 响应时间 响应时间表示风速传感器的输出电压响应风速变化的快慢。由于该传感器采用热原理，且硅材 料具有较大的热导率，故存在较大的热容，导致其输出有一个响应时间。 ( 4 ) 滞回特性 传感器作为感应元件，其在风速变大和风速变小过程中的输出会存在一个差值，即滞回差，希 望滞回差越小越好。 1 4 本论文的主要工作 本论文的主要工作是设计热风速传感器的封装结构，进行封装工艺实验，并对封装完成后的传 感器芯片进行测试和性能分析。具体如下： 1 根据封装后风速传感器的性能要求，确定需要满足的性能指标。 2 综合现有热风速传感器封装结构，并对其优缺点进行分析。 3 了解风速传感器的工作原理和测试方法，确定封装结构、选择工艺实验。 4 针对流固耦合模拟准确度不高的缺点，摸索出一套能够较为准确解决流固耦合问题的建模计 算方法。 5 对论文提出的几种封装结构进行软件建模仿真，考察封装后芯片的风速、风向性能。为了了 解封装对芯片性能的影响，论文对封装前的风速传感器性能进行类似的软件模拟，对结果进行 了比较。 6 根据封装结构设计封装管壳。 7 进行相关的封装工艺试验。 8 对封装前后的传感器芯片进行风速和风向的测试。 9 对测试数据以及模拟结果与测试数据进行比对进行分析。 1 5 论文纲要 本论文的纲要大概如下。 5 东南大学硕士学位论文 第一章主要介绍课题的背景和论文的主要内容。 第二章主要提出了传感器芯片的封装结构和软件仿真的流程及模拟结果。 第三章主要完成与封装相关的工艺试验与封装管壳的设计，其中主要介绍了各向异性导电胶封 装工艺和倒装焊封装工艺。 第四章主要完成对封装前后风速传感器芯片的测试，并将测试数据进行比较分析，同时还将软 件模拟结果与测试数据进行对比验证。 最后一章给出了结论，并对存在的问题进行分析，并提出改进建议。 1 6 本章小结 本章主要给出了本论文的课题背景，总结国内外现有传感器封装的结构以及它们的优缺点，并 给出了本论文的主要工作以及论文的纲要。 在下一章，简单介绍待封装的风速传感器芯片后提出几种封装结构，随后介绍了一种高精度的 流固耦合软件模拟方法，并针对提出的封装结构进行芯片风速和风向性能的模拟。 6 第= 章热风遗传嬲封装结构的设计与辕件仿真 第二章热风速传感器封装结构的设计与软件仿真 作为典型的m e m s 热风速传癌器在现代社会的应用越来越广泛如环境监测与控制，室内空 气调节天气预报等它的产业化使其封装的重要性和紧迫性正越来越显著。m e m $ 热风速传感器 封装睬了提供其机械部件或敏感部件的保护、良好的电信号和免受环境的腐蚀【】“还要求传感器芯 片与流体的良好接触。综合多方面的封装要求，热风速传感器的封装难度较大，没有标准可循。 论文针对本实验宣自主研发的陶瓷衬底热风速传感嚣芯片提出了三种传感器封装结构，其中有 两种结构是针对传感器芯片的单体封装，另外一种则是将传甚器芯片与其后续的信号处理电路集成， 实现了系统功能。在第2 2 节中对设计的三种结构的风速传感嚣封装结构进行了相关的讨论。 2 1 热风速传感器的热分析 热风速传螬器封装结构的热分析主要是考察封装结构对传感器芯片性能的影响即考察封装后 芯片周围的温度场分布随风速和风向变化的关系。本节舟绍待封装的传培器芯片的结构以及有关传 感器芯片热分析的原理和方法。 2 1 1 热风速传感器结构简介 论文封装的对象是陶瓷衬底上的热风速传感器，如图2 - i 所示 图2 _ l ( a ) 传感器芯片示意图 图2 - 1 彻传感嚣芯片实物囤 图2 - 1 嘞中热风速传感器芯片大小为6 0 0 0 x 6 c o o t m a 2 ，厚度为2 5 0 a m 。芯片中央是半径为9 0 0 u r n 的加热单元加热单元四周是内径为1 0 ( o t w a 外径为2 4 0 0 u m 的扇形测温电阻。芯片采用p t 金属 作为加热单元和测温电阻，主要是出于两方面的考摩：一是p t 金属有很高的热传导率，有利于信号 的检测；二是只要通过一步简单的弱离工艺就可以做成所需要的电阻。考虑到封装村底选用9 5 氧化铝冉瓷片，其热导率为2 0 w m k 。该陶瓷片的厚度和热导率，保证了陶瓷封装后的风速传感器 东南大学砸学位论文 的 作原理仍然成立，保证了横向和纵向的传热的平衡 2 1 2 热风速传感器的工作原理及其流体动力学分析 _ - 风 测品电阻1 加热单元测温电阻2 o x 刚2 - 2维传感器芯片的热分析结构 如幽2 - 2 所示，集成加热单元和测温电阻位丁传感器芯片的表面，测温元中 _ 对称分布于加热元 件的两边并且部暴露r 所测齄的风的环境中。加热单元在恒功率的控制模式fr 作，使得传感器 芯片的平均温度比所测颦的环境风速高一个温度差a t ，位f 加热元什两端且且相对称的两点温度 l 和t 2 的筹在零风速的情况f 也为零值。当芯片的表面暴露丁所测螭的风环境中时，由丁强迫对流， 造成了上述两点温度羞的变化。上游端由r 被带走了一定的热鼙，因此，该点的温度会f 降，同时， f 游端的温度由丁热量的积累，该点的温度会上升，可见两点的不均匀的冷却两点形成了一定的 温度梯度。在不同的风速的条什f 这个温度梯度也是不一样的，可见该温度梯度是可以反应风 速的信息的。另外，在水同的风向的情况r 温度梯度可正可负根据，温度梯度的止负值我们 还可以判断相戈的风向的信息。该圈为个维的风速传感器的表面示意图，如果采片i 埴相垂直的 两组对边测温电阻米实现两个互相乖直的方向上的温筹的测昔，我们可以得到一维的风速传感器， 如图2 - 3 所示。由于我们采用了恒功率的工作模式，因此，在不同的风速的条件之f 对边测温电 阻之间的温度差也是不一样的可见，根据温度差的信息，我们也可以得到相关的风速的信息。 图2 - 3 一维风速传感器芯片的结构示意图 前面的分析给出了基丁热原理 作的风速风向传堪器的基奉原理。f 而考虑相关的理论分析和 蹬计。 8 第二章热风速传感器封装结构的设计与软件仿真 传感器的加热功率遵循k i n g 定律： p a t = a + b u l 7 2 ( 2 1 ) 其中p 是加热单元的热量损失，z 是高于环境的温度差，u 是流体流速，a 和b 是由传感器 尺寸和流体性质决定的常数，a 是由于底部导热引起的热量损失常数，b 反映了强迫对流导热的热 损失。 流体引起的上下游温差可以由下式给出： 8 t = s u t ( 2 - 2 ) 上式中卯为加热单元对称两点的温差，s 为传感器灵敏度。 由式( 2 1 ) 和式( 2 - 2 ) 可得 4 - 5 s p 4 u 8 t = 芦 a + b o u ( 2 - 3 ) 在二维热风速传感器中，我们采用一个正方形的陶瓷衬底作为传感器的材料，如图2 3 所示。 所测量的风向可以是任意的一个角度o ，我们可以近似认为该风向即为在传感器的表面所形成的热 梯度的方向。通过两个不同方向的热堆信号的输出m ，我们可以计算风向的信息。 为了计算由于风速变化导致的传感器芯片表面的温度场分布t s 的变化，我们考虑正方形陶瓷衬 底的表面在给定恒定加热功率情况下的流体动力学模型【5 】。假设衬底的表面尺寸为l xl ，厚度为d ， 表面如图2 _ 4 定义风速流体的方向和芯片的空间坐标系统。其中kz 是表面坐标轴，y 是垂直于芯 片表面的坐标轴。芯片表面的流体假定为恒定切应力的平面紊流，如图所示。其中切应力为一w ， 对于紊流流体，有f 2j u ( a a o , ) ，其中，是流体的粘滞力，故而速度分量u 将随着y 的值而线 性的增加，同时u 与x 和z 无关。 图2 4 芯片表面的温度和风速的分布 由于传感器的纵向厚度d 和表面横向尺寸l 相比很小，因此，可以假定在芯片的纵向方向上的 温度变化可以忽略。在上述假定的前提条件下，根据传热学的热平衡方程，有 脚鲁却睁针删讹引 9 东南大学硕士学位论文 其中，只，q ，屯分别代表传感器材料密度，比热，以及热导率。该式右边第一项代表了由 于热传导形成的表面的温度场t s 的分布，钉表示向流体的热对流项，吼表示了热产生量在恒定 温差的控制模式下，吼为一个常量，因为传感器的温度保持平衡而没有热量的积累。热对流项g ，与 表面的温度分布情况有关。 在风向和x 轴有。角度时，边界层的温度分布可以表示为 型( c o s m 望+ s i i l 望) ：口娶 、 缸瑟7 砂2 ( 2 5 ) 通过对( x ，z ) 坐标系统进行变换为( x ，z ) ，使得x 与风向一致，此时，他们的相互关系可 以表示为x = x c o s 哇) ，z - - z s i n ( d 相关的分析表明。边界层流体模型仍然保持有效。