ＭＥＭＳ熱電堆芯片固晶工藝參數(shù)的優(yōu)化

 １引 言

ＭＥＭＳ（ Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ?。樱螅簦澹?/span>）熱電堆傳感器以其體積小、質(zhì)量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)、信息、國(guó)防及生物工程等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。它是一種基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)將紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾娮悠骷?/span>ＭＥＭＳ熱電堆單元探測(cè)器主要用在非接觸測(cè)溫、氣體分析以及入侵報(bào)警等方面，而 ＭＥＭＳ熱電堆探測(cè)器陣列主要用于紅外成像、姿態(tài)控制等方面。 ＭＥＭＳ熱電堆傳感器是傳感探測(cè)領(lǐng)域的一種典型溫度檢測(cè)器件，具有不需要致冷就可以常溫工作，對(duì)較大范圍內(nèi)的紅外光響應(yīng)均勻，成本較低且可以大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

 ＭＥＭＳ熱電堆芯片是結(jié)合傳統(tǒng)芯片的電氣和機(jī)械可動(dòng)結(jié)構(gòu)兩種特性，在微小尺度上實(shí)現(xiàn)與外界電、熱、光、聲、磁信號(hào)相互作用的器件。它與微電子器件不同，一種ＭＥＭＳ器件中應(yīng)用成功的制 造工 藝和 封裝 工藝 很難 簡(jiǎn)單 地移 植到ＭＥＭＳ熱電堆器件開(kāi)發(fā)研究中，這就極大增加了ＭＥＭＳ 熱電堆器件開(kāi)發(fā)的難度與成本。一般來(lái)說(shuō)， ＭＥＭＳ熱電堆芯片需要經(jīng)過(guò)晶圓劃片、熱電堆芯片固晶、熱敏電阻貼片、烘烤、超聲壓焊—引線、蓋帽、測(cè) 試等 封裝 工藝 才能 成為 合格 的ＭＥＭＳ熱電堆傳感器。由于ＭＥＭＳ熱電堆芯片底部中空的結(jié)構(gòu)和其特殊的工作原理，使 ＭＥＭＳ熱電堆的固晶工藝不同于一般的ＩＣ （Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）固晶要求，它需要中間留有空隙，方便進(jìn)行排氣。目前，研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)展了針對(duì) ＭＥＭＳ芯片固晶工藝的相關(guān)研究工作，但成果較少 ?，F(xiàn)階段常用的固晶工藝研究依然是單一地人為設(shè)定固晶工藝參數(shù)以及通過(guò)仿真軟件進(jìn)行固晶工藝參數(shù)模擬分析。這些工藝研究方法，只能大致確定固晶參數(shù)區(qū)間，無(wú)法確定固晶參數(shù)的取值，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，ＭＥＭＳ熱電堆芯片的固晶質(zhì)量難以得到可靠保證，芯片的封裝可靠性與成品率還有待進(jìn)一步提高。

本文以優(yōu)化ＭＥＭＳ熱電堆芯片固晶工藝參數(shù)，提高 ＭＥＭＳ熱電堆芯片固晶質(zhì)量為目標(biāo)。首先從 ＭＥＭＳ熱電堆傳感器工作原理入手，提出對(duì)固晶工藝參數(shù)（固晶厚度和爬膠高度）的要求。然后以固晶工藝要求為導(dǎo)向，實(shí)驗(yàn)探究和規(guī)律分析壓力參數(shù)、貼片高度、點(diǎn)膠高度對(duì)ＭＥＭＳ熱電堆芯片固 晶工 藝的 影響。接 著通 過(guò)有 限元 軟件ＡＮＳＹＳ分析相同溫度下，不同固晶厚度的銀漿與芯片接觸處的熱應(yīng)力分布，找出*佳的固晶厚度參數(shù)，并進(jìn)一步優(yōu)化點(diǎn)膠高度和貼片高度。*后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式，對(duì)此參數(shù)下的ＭＥＭＳ熱電堆固晶強(qiáng)度，給出了檢測(cè)結(jié)果。

２?。停牛停?/span>熱電堆工作原理及對(duì)固晶工藝的要求

 ２．１　封閉膜結(jié)構(gòu)ＭＥＭＳ熱電堆工作原理

 ＭＥＭＳ熱電堆傳感器的工作原理是基于塞貝克效應(yīng)：兩個(gè)不同的導(dǎo)體ａ和ｂ兩端相接，組成一個(gè)閉合環(huán)路，如果兩個(gè)端點(diǎn)熱結(jié)和冷結(jié)具有不同的溫度，則線路中會(huì)產(chǎn)生溫差電流，這個(gè)環(huán)路組成了溫差電偶，其產(chǎn)生的電壓即溫差電動(dòng)勢(shì)。

如圖１所示，當(dāng)芯片受到紅外輻射激勵(lì)時(shí)，由塞貝克效應(yīng)可知熱結(jié)的封閉膜和冷結(jié)的硅基體會(huì)通過(guò)焊盤(pán)向外輸出溫差電動(dòng)勢(shì)，即熱結(jié)與冷結(jié)的溫度差為Δ Ｔ。固晶底座上的熱敏電阻，對(duì)外輸出底座的溫度為 Ｔ １ 。作為冷結(jié)的硅基體通過(guò)固晶工藝中的兩條銀漿，貼裝在了 ＭＥＭＳ固晶底座上，底座的溫度Ｔ １也為冷結(jié)硅基體的溫度 Ｔ１ 。這樣，熱結(jié)封閉膜的溫度即為（Ｔ１ ＋Δ Ｔ）。

２．２ 固晶工藝要求

 從ＭＥＭＳ熱電堆工作原理可知，固晶工藝需經(jīng)過(guò)如下步驟： ＭＥＭＳ固晶底座點(diǎn)上兩條銀漿；ＭＥＭＳ熱 電堆 芯片 貼片 到ＭＥＭＳ 底座 上。ＭＥＭＳ熱電 堆芯 片固 晶示 意，如圖 ２所 示。ＭＥＭＳ熱電堆傳感器實(shí)現(xiàn)溫度的**測(cè)量，保證貼片工藝質(zhì)量和可靠性需遵循以下要求：

 （１） ＭＥＭＳ熱電堆芯片與底座有很好的黏結(jié)強(qiáng)度，以保證ＭＥＭＳ芯片與底座不發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。在不同的溫度環(huán)境下，芯片與底座連接牢固，不會(huì)發(fā)生過(guò)大的熱應(yīng)力。當(dāng)爬膠高度過(guò)小，黏結(jié)強(qiáng)度過(guò)小，會(huì)造成芯片與底座的相對(duì)移動(dòng)；當(dāng)爬膠高度過(guò)大，銀漿會(huì)滲入封閉膜結(jié)構(gòu)，造成芯片短路。因此，爬膠高度必須控制在合理的參數(shù)范圍內(nèi)。

 （２） ＭＥＭＳ熱電堆芯片和底座之間有良好的熱通道，使ＭＥＭＳ芯片產(chǎn)生的熱量順利地從熱電堆芯片傳導(dǎo)到熱電堆底座，以保證芯片工作在額定溫度范圍內(nèi)。當(dāng)固晶厚度過(guò)小，紅外輻射照射到封閉膜時(shí)，熱氣難以排出，容易使封閉膜膨脹，損壞芯片結(jié)構(gòu)；當(dāng)固晶厚度過(guò)大，銀漿形成的熱阻過(guò)大，測(cè)溫的準(zhǔn)確性會(huì)下降。因此，固晶厚度必須控制在合理的參數(shù)范圍內(nèi)。

 （３） ＭＥＭＳ熱電堆芯片和底座黏結(jié)的材料要求具有很 好的 穩(wěn)定 性與 可靠 性。它取 決于 對(duì)ＭＥＭＳ熱電堆芯片和熱電堆底座的熱膨脹系數(shù)（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ?。铮妗。裕瑁澹颍恚幔臁。牛穑幔睿螅椋铮?/span> ， ＣＴＥ ）差別所產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力的承受能力。

 因此，通過(guò)優(yōu)化固晶工藝的壓力參數(shù)、貼片高度、點(diǎn)膠高度來(lái)控制固晶厚度、爬膠高度在合理的參數(shù)范圍內(nèi)，對(duì)于提高ＭＥＭＳ熱電堆芯片固晶質(zhì)量，保證器件封裝的可靠性有著至關(guān)重要的作用。

３?。停牛停訜犭姸研酒叹Чに噮?shù)優(yōu)化

 ３．１?。停牛停訜犭姸炎詣?dòng)化固晶系統(tǒng)

 ＭＥＭＳ熱電堆芯片固晶系統(tǒng)如圖 所示。固晶系統(tǒng)主要由ＸＹ 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，雙Ｚ 軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，點(diǎn)膠模 塊，貼片 模塊，視 覺(jué)識(shí) 別模 塊組 成。ＭＥＭＳ熱電 堆芯 片的 尺寸為１．８×１．８×０．４ｍｍ ，芯片的中心為封閉膜結(jié)構(gòu)。通過(guò)視覺(jué)識(shí)別，能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)膠和貼片。

 在控制點(diǎn)膠高度和貼片高度相同的情況下，對(duì)ＭＥＭＳ熱電堆底座劃兩條長(zhǎng)度為２?。玻埃?/span> μ ｍ ，間距為１?。福埃?/span> μ ｍ 的銀漿。將劃好的銀漿送到電子顯微鏡下，對(duì)銀漿的實(shí)際長(zhǎng)度，寬度進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)觀察并記錄銀漿的表面形貌。

 根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)中銀漿的點(diǎn)膠形貌和實(shí)際寬度的結(jié)果分析可知：壓力參數(shù)在０．２ＭＰａ時(shí)，出膠量較少，點(diǎn)出銀漿的寬度較細(xì)，實(shí)際銀漿寬度范圍在２２０～２８０ μ ｍ ，點(diǎn) 膠 的 平 均 寬 度 為 ２４０ μ ｍ ，與ＭＥＭＳ熱電堆芯片兩側(cè)寬度的差值小于芯片高度的１５％，即銀漿寬度太小，爬膠高度過(guò)小，會(huì)造成器件黏結(jié)強(qiáng)度過(guò)低；當(dāng)壓力參數(shù)在０．３ＭＰａ和０．４ＭＰａ時(shí)，出膠量較大，與ＭＥＭＳ熱電堆芯片兩側(cè)寬度的差值大于芯片高度的１５％ ，符合要求；點(diǎn)膠壓力是固晶系統(tǒng)給點(diǎn)膠針頭膠筒施加的壓力，來(lái)保證足夠的膠水?dāng)D出點(diǎn)膠針頭。點(diǎn)膠壓力越大，擠出的銀漿越多，銀漿覆蓋的體積越大，銀漿實(shí)際寬度越大?？蓞⒁?jiàn)圖４和圖５。

壓力參數(shù)需控制合理的爬膠高度，使ＭＥＭＳ芯片與底座不發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，還得控制出合理的固晶厚度，保持 ＭＥＭＳ熱電堆芯片與底座之間良好的 熱 通 道。在 壓 力 參 數(shù)為 ０．３ ＭＰａ和 ０．４ＭＰａ時(shí)，引入點(diǎn)膠高度和貼片高度兩個(gè)變量，點(diǎn)膠高度每３０μ ｍ為一個(gè)實(shí)驗(yàn)間隔，取值范圍為８０～１７０ μ ｍ。貼片高度每３０μｍ 為一個(gè)實(shí)驗(yàn)間隔，取值范圍為４３０～５２０μ ｍ。

在壓力參數(shù)為０．３ＭＰａ和０．４ＭＰａ時(shí)，選取參數(shù)不同的點(diǎn)膠高度和貼片高度，進(jìn)行 ＭＥＭＳ底座固晶，并用顯微鏡測(cè)出固晶厚度。根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)中不同壓力參數(shù)下的固晶厚度的數(shù)據(jù)分析，如圖６所示可知：

 （１）壓力參數(shù)相對(duì)于點(diǎn)膠高度和貼片高度，它對(duì)固晶厚度的影響是強(qiáng)影響因素。無(wú)論點(diǎn)膠高度和貼片高度如何變化，它對(duì)于固晶厚度的影響都是小范圍的。

 （２）壓力參數(shù)增大，擠出的銀漿越多，銀漿覆蓋的體積越大，銀漿固晶厚度越大。壓力參數(shù)為０．３ＭＰａ，固晶厚度平均值在５０ μｍ 。壓力參數(shù)為０．４ＭＰａ，固晶厚度平均值在１００ μｍ ，固晶厚度過(guò)大，熱阻過(guò)大，測(cè)溫的準(zhǔn)確性會(huì)降低。因此，當(dāng)壓力參數(shù)為０．３ＭＰａ時(shí)，爬膠高度在合理范圍內(nèi)，固晶 厚度 也在 合理 范圍內(nèi)，符合 相應(yīng)要求。

３．３ 貼片高度和點(diǎn)膠高度參數(shù)優(yōu)化

 點(diǎn)膠高度是固晶系統(tǒng)中點(diǎn)膠針頭的針尖與ＭＥＭＳ熱電堆底座的垂直距離，貼片高度是固晶系統(tǒng)中吸嘴與ＭＥＭＳ熱電堆底座的垂直距離。合理的點(diǎn)膠高度和貼片高度，控制出合理的爬膠高度，使ＭＥＭＳ芯片與底座不發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。也能控制出合理的固晶厚度，保持 ＭＥＭＳ熱電堆芯片與底座之間良好的熱通道。將固晶結(jié)束的樣品進(jìn)行冷鑲樣，粗磨至觀察截面，再砂紙細(xì)磨，用顯微鏡觀察截面形貌并測(cè)量ＭＥＭＳ熱電堆樣品的固晶厚度與爬膠高度。如圖７和圖８所示，固晶厚度是中間鏤空的ＭＥＭＳ熱電堆芯片側(cè)壁底面與底座之間固晶層的厚度。爬膠高度是銀漿在ＭＥＭＳ熱電堆芯片貼片過(guò)程中受到一定程度的擠壓，爬到ＭＥＭＳ熱電堆芯片側(cè)壁的高度。根據(jù)對(duì)不同點(diǎn)膠高度下貼片高度與爬膠高度的數(shù)據(jù)分析，如圖９和圖１０所示可知：

（１）在不同的點(diǎn)膠高度下，貼片高度與爬膠高度之間總存在一種確定的關(guān)系趨勢(shì)，即隨著貼片高度的增加，爬膠高度在不斷減小。在不同的點(diǎn)膠高度下，貼片高度與固晶厚度之間也存在一種確定的關(guān)系趨勢(shì)，即隨著貼片高度的增加，固晶厚度在不斷增加，到達(dá)極值點(diǎn)后，隨即減小。

（２）在點(diǎn)膠高度為８０μ ｍ和１７０ μｍ 的情況下，爬膠高度隨貼片高度減小的趨勢(shì)陡峭，波動(dòng)幅度較大，固晶器件的穩(wěn)定性較差。在點(diǎn)膠高度為１１０μ ｍ和１４０μｍ 時(shí)，爬膠高度隨貼片高度減小趨勢(shì)平緩，波動(dòng)值較小，固晶器件的穩(wěn)定性較高且貼片高度隨固晶厚度變化的趨勢(shì)比較平緩，波動(dòng)值較小，固晶器件的穩(wěn)定性較高，符合要求。

３．４ 熱應(yīng)力仿真分析

壓力參數(shù)確定后，ＭＥＭＳ熱電堆系統(tǒng)擠出的銀漿量是固定的，即銀漿的實(shí)際體積是固定的，在固晶過(guò)程中，銀漿的表面形貌會(huì)改變，但銀漿的體積量是不變的。銀漿的總體積即為：

其中：爬膠高度為Ｈ １，固晶厚度為 ｈ，銀漿寬度為ｄ ，銀漿長(zhǎng)度為Ｌ 。

由上節(jié)分析可知，在點(diǎn)膠高度設(shè)置為１１０μ ｍ和１４０μｍ 的情況下，貼片高度隨固晶厚度變化的趨勢(shì)較平緩，且確定的點(diǎn)膠高度和固晶高度對(duì)應(yīng)著圖１０和圖１１中唯壹的爬膠高度和固晶厚度。在縮小點(diǎn)膠高度和固晶高度選擇范圍并結(jié)合式（１）后，可得出不同銀漿的三維模型如表１所示。

ＭＥＭＳ熱電堆傳感器作為測(cè)溫傳感器，一般工作溫度范圍需保持在常溫下。在仿真實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)常溫為３０℃時(shí)，模擬了ＭＥＭＳ熱電堆芯片固晶的過(guò)程。根據(jù)對(duì)不同固晶厚度和爬膠高度下，銀漿的熱應(yīng)力分布結(jié)果如下圖１１所示，可知：在常溫３０℃下，固晶厚度為４０μ ｍ、爬膠高度為１７０ μｍ對(duì)應(yīng)的*大熱應(yīng)力值是*低的。對(duì)照表一可知：點(diǎn)膠高度在１４０μ ｍ，貼片高度在４６０ μｍ時(shí)， ＭＥＭＳ熱電堆芯片和底座之間的熱應(yīng)力值*低，芯片與底座連接牢固且有良好的熱通道進(jìn)行傳熱。

４?。停牛停?/span>熱電堆芯片固晶強(qiáng)度測(cè)試

 與一般的半導(dǎo)體貼片工藝一樣，在ＭＥＭＳ 熱電堆固晶工藝中，芯片剪切強(qiáng)度是衡量芯片固晶工藝 性能 的重 要指 標(biāo)。在 壓力 參數(shù) 為０．３ＭＰａ情況下，對(duì) ＭＥＭＳ熱電堆芯片進(jìn)行了不同點(diǎn)膠高度和貼片高度下的貼片操作，并在加熱盤(pán)加熱 ６０ｍｉｎ 以后，在常溫下進(jìn)行了冷卻固化。

 實(shí)驗(yàn)所用芯片是基于封閉膜結(jié)構(gòu)的ＭＥＭＳ熱電堆芯片，尺寸為１．８×１．８×０．４ｍｍ 。強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是基于視覺(jué)識(shí)別的 ＭＥＭＳ熱電堆芯片固晶系統(tǒng)，強(qiáng)度測(cè)試用的是Ｎｏｒｄｓｏｎ?。模粒牵拧。矗埃埃?a href="http://fplqefw.cn/norkee_Product_2064581947.html?_v=1686675418" class="keyword_inherit" name='keyword_inherit' target='_blank'>推拉力測(cè)試儀。

５結(jié)論

 本文通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，對(duì)ＭＥＭＳ熱電堆固晶主要工藝參數(shù)：壓力參數(shù)、貼片高度、點(diǎn)膠高度進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，在結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過(guò)有限元ＡＮＳＹＳ軟件，模擬相同溫度下，不同固晶厚度的銀漿與芯片接觸處的熱應(yīng)力分布，找出了*佳的固晶厚度參數(shù)，**優(yōu)化了點(diǎn)膠高度和貼片高度。*后，對(duì)所優(yōu)化的固晶工藝參數(shù)進(jìn)行了ＭＥＭＳ熱電堆芯片固晶強(qiáng)度測(cè)試與驗(yàn)證。結(jié)果證明：壓力參數(shù)為０．３ＭＰａ、點(diǎn)膠高度為１４０ μｍ 、貼片高 度為 ４６０μ ｍ時(shí)，固 晶推 力均 值為４３．１４Ｎ 。它的固晶強(qiáng)度大，固晶質(zhì)量好。它能夠滿足固晶強(qiáng)度要求，有助于提高ＭＥＭＳ熱電堆芯片封裝可靠性與成品率。