基于兩級應(yīng)力隔離的MEMS加速度計封裝設(shè)計

鞠莉娜，周 銘，黃艷輝，李 杰，鳳 瑞

(華東光電集成器件研究所，蘇州 215010)

0 引言

微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)傳感器因具有體積小、功耗低、易集成、可批量制造等優(yōu)點而受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。然眾所周知，MEMS傳感器在封裝等過程中，由于材料熱膨脹系數(shù)不匹配而引入的熱應(yīng)力，對其性能和可靠性有著顯著影響[1-3]，尤其是基于應(yīng)力檢測的壓阻式MEMS傳感器[4-5]和基于位移檢測的電容式MEMS傳感器[6]。

為減小封裝應(yīng)力對MEMS傳感器的影響，基于應(yīng)力釋放和應(yīng)力隔離的低應(yīng)力設(shè)計通常被用于MEMS傳感器的封裝設(shè)計。文獻[7]提出了一種橫向應(yīng)力釋放的封裝設(shè)計，敏感單元由橫向伸出的懸梁結(jié)構(gòu)支撐，懸梁結(jié)構(gòu)具有完全自由的力學(xué)特性，封裝應(yīng)力通過懸梁被完全釋放。文獻[8]采用雙面鍵合引線實現(xiàn)電互聯(lián)并懸浮支撐MEMS芯片，從而使得封裝應(yīng)力最小化。文獻[9-10]采用了應(yīng)力緩沖層設(shè)計，在MEMS芯片和封裝基板之間增設(shè)一層一定厚度特定材料的應(yīng)力緩沖層，通常采用與MEMS芯片材料熱膨脹系數(shù)相近的材料或低彈性模量材料，從縱向釋放封裝應(yīng)力。文獻[11]提出了一種基于新材料新結(jié)構(gòu)的應(yīng)力緩沖層設(shè)計，采用3D增材工藝制作出多層交叉的多孔應(yīng)力釋放基板，從而實現(xiàn)低應(yīng)力高可靠性的封裝設(shè)計。文獻[12-14]提出了帶有圖形化的應(yīng)力隔離層設(shè)計，在MEMS芯片和基板間設(shè)置應(yīng)力隔離層，將隔離層底面圖形化用于中心支撐的圓柱，從而降低與基板的粘接面積，實現(xiàn)低應(yīng)力設(shè)計?？梢姡趹?yīng)力緩沖層的低應(yīng)力封裝設(shè)計被廣泛使用，并且通過改進應(yīng)力緩沖層的材料和結(jié)構(gòu)可以進一步完善設(shè)計。

本文提出了一種兩級應(yīng)力隔離的低應(yīng)力封裝設(shè)計，包括芯片級應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)和封裝級應(yīng)力緩沖層，通過應(yīng)力隔離和應(yīng)力緩沖大幅降低了封裝應(yīng)力對MEMS傳感器敏感結(jié)構(gòu)的影響。

1 熱致封裝效應(yīng)

由封裝結(jié)構(gòu)熱失配引入的應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形會對MEMS器件性能產(chǎn)生顯著影響，即熱致封裝效應(yīng)。圖1所示為電容式MEMS加速度計的封裝示意圖，封裝基板上粘接應(yīng)力釋放基板，應(yīng)力釋放基板上點膠粘接MEMS芯片。

圖1 MEMS加速度計封裝示意圖Fig.1 Scheme of MEMS accelerometer package

如表1所示，MEMS芯片層(硅材料)、粘膠層(H20E環(huán)氧)和基板層(氧化鋁陶瓷)之間的熱膨脹系數(shù)不同，溫度變化時，每一層將產(chǎn)生應(yīng)變ε和應(yīng)力σ

ε=α(ΔT)

(1)

σ=Eε

(2)

其中，α為熱膨脹系數(shù)；ΔT為溫度變化；E為楊氏模量。

表1 封裝結(jié)構(gòu)材料屬性

多層結(jié)構(gòu)由不同材料構(gòu)成，熱應(yīng)力最終以彎矩形式作用于多層結(jié)構(gòu)，MEMS芯片將產(chǎn)生彎曲變形。圖2所示為MEMS芯片的典型變形曲面，主要表現(xiàn)為面外位移δdstress，其中ρ為曲率半徑，會影響芯片上的MEMS敏感結(jié)構(gòu)，尤其是平板檢測電容。

(3)

圖2 典型MEMS芯片變形特性Fig.2 Typical characteristic of MEMS chip’s warpage

因此，敏感結(jié)構(gòu)所處芯片區(qū)域的曲率半徑ρ越大，應(yīng)力對敏感結(jié)構(gòu)的影響也就越小。

2 低應(yīng)力設(shè)計與仿真

MEMS加速度計的低應(yīng)力封裝設(shè)計包含芯片級和封裝級兩級應(yīng)力隔離和緩沖，如圖3所示。芯片級應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)是在MEMS芯片襯底背面刻蝕一圈閉環(huán)深槽，深槽深度約為3/4的襯底厚度，形成應(yīng)力隔離環(huán)，MEMS敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計在隔離環(huán)以內(nèi)的襯底區(qū)域，隔離環(huán)外圍為粘片區(qū)域。設(shè)計的應(yīng)力隔離環(huán)一方面具有足夠的剛度，從而使整個結(jié)構(gòu)在各種振動或加速狀態(tài)下是相對穩(wěn)健的；另一方面具備一定的柔度產(chǎn)生形變以釋放封裝應(yīng)力，從而對隔離環(huán)內(nèi)外的應(yīng)力進行分割，大幅降低了隔離環(huán)以內(nèi)襯底區(qū)域的應(yīng)力。

圖3 低應(yīng)力封裝結(jié)構(gòu)剖面示意圖Fig.3 Profile of the proposed low stress package structure

封裝級應(yīng)力釋放設(shè)計是在MEMS芯片和封裝基板之間設(shè)置厚度為300～400μm的硅基應(yīng)力緩沖層，一方面在縱向釋放來自封裝基板和外界的應(yīng)力，另一方面與MEMS芯片材料熱匹配。粘片膠采用H20E環(huán)氧導(dǎo)電銀漿。

采用仿真模擬手段對上述低應(yīng)力封裝設(shè)計進行驗證。首先建立三維封裝模型，采用ANSYS有限元分析軟件對封裝設(shè)計進行仿真模擬，分別模擬了無低應(yīng)力設(shè)計(原始封裝方案)、芯片級應(yīng)力隔離設(shè)計、封裝級應(yīng)力緩沖設(shè)計和兩級應(yīng)力隔離設(shè)計四種封裝，通過對比MEMS敏感結(jié)構(gòu)所處襯底區(qū)域的應(yīng)力和曲率半徑來比較不同封裝設(shè)計的應(yīng)力隔離/釋放效果。圖4所示為芯片級應(yīng)力隔離設(shè)計的應(yīng)力仿真結(jié)果，(a)為無應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)，(b)為有應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)。相同的封裝條件下，芯片級應(yīng)力隔離設(shè)計將敏感結(jié)構(gòu)所在襯底區(qū)域的應(yīng)力降低了近1個數(shù)量級，且應(yīng)力分布更為均勻，應(yīng)力越小表明隔離環(huán)以內(nèi)襯底區(qū)域的彎曲變形越小。仿真結(jié)果表明，隔離環(huán)的柔性較好地釋放了傳遞向敏感結(jié)構(gòu)的封裝應(yīng)力。

(a)無應(yīng)力隔離

(b)有應(yīng)力隔離圖4 芯片級應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)仿真驗證Fig.4 Simulation verification of the chip-level stress isolation

圖5所示為設(shè)計應(yīng)力緩沖層的應(yīng)力仿真結(jié)果，(a)為不帶緩沖層，(b)為帶有緩沖層。通過對比發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力緩沖層設(shè)計將敏感結(jié)構(gòu)所處襯底區(qū)域的應(yīng)力降低為原來的1/2～1/3。

(a)不帶緩沖層

(b)帶有緩沖層圖5 封裝級應(yīng)力緩沖層仿真驗證Fig.5 Simulation verification of the package-level stress buffer layer

圖6(a)和(b)所示分別為-40℃和80℃環(huán)境下MEMS芯片的溫度分布云圖，熱仿真結(jié)果表明提出的低應(yīng)力封裝設(shè)計具有良好的導(dǎo)熱性，能快速建立熱平衡。這是因為所用的硅基應(yīng)力緩沖層和環(huán)氧導(dǎo)電銀漿均為熱的良導(dǎo)體，保證了MEMS加速度計較低的溫度遲滯特性。

(a)-40℃環(huán)境下

(b)80℃環(huán)境下圖6 MEMS芯片溫度分布云圖 Fig.6 Temperature distribution of MEMS chip

本文MEMS加速度計采用蹺蹺板敏感結(jié)構(gòu)，敏感電容是由可動質(zhì)量塊和附著在襯底的下平板組成的平行板檢測電容。從上述熱-結(jié)構(gòu)耦合仿真模型中提取下平板的位移數(shù)據(jù)，經(jīng)插值和數(shù)值積分可以得出平板檢測電容與溫度的關(guān)系曲線，如圖7所示，包含上述四種封裝方案的仿真對比，ΔC0為溫度變化導(dǎo)致的電容變化量，C0為初始靜態(tài)電容。從曲線可知，芯片級應(yīng)力隔離設(shè)計比封裝級應(yīng)力緩沖層設(shè)計更為有效；在-40℃～85℃的工作溫度范圍內(nèi)，無低應(yīng)力封裝設(shè)計的相對電容變化約為9%，而采取芯片級和封裝級兩級應(yīng)力隔離封裝設(shè)計的相對電容變化約為1.1%，可見加速度計敏感電容的溫度特性改善了8倍左右。

圖7 低應(yīng)力封裝設(shè)計方案仿真對比Fig.7 Simulated comparison of low stress package designs

3 粘接應(yīng)力分析

封裝應(yīng)力除了源自封裝基板與MEMS芯片的熱失配外，當采用低應(yīng)力設(shè)計時，因粘片膠與MEMS芯片熱失配而產(chǎn)生的粘接應(yīng)力同樣需要分析優(yōu)化。對MEMS芯片與應(yīng)力緩沖層之間的粘膠方式進行了四種設(shè)計，如圖8所示，包括(a)整面粘接、(b)X軸對稱三點膠粘接、(c)Y軸對稱三點膠粘接和(d)對稱四點膠粘接。

圖9所示為四種粘接方式的有限元應(yīng)力仿真對比，仿真結(jié)果表明，整面粘接應(yīng)力最大，三點膠粘接應(yīng)力最小但應(yīng)力分布不均勻，四點膠粘接應(yīng)力較小且最對稱，同時考慮粘接強度等可靠性因素，優(yōu)選四點膠粘接方案。

(c)Y軸對稱三點膠粘接

(d)對稱四點膠粘接

(a)整面粘接

(b)X軸對稱三點膠粘接

(c)Y軸對稱三點膠粘接

(d)對稱四點膠粘接

4 低應(yīng)力工藝控制研究

采用人工粘接很難實現(xiàn)均勻的四點膠粘接，這將影響MEMS加速度計的溫度特性和一致性，因此工藝加工中采用粘接一致性較好的自動點膠機。影響自動點膠的關(guān)鍵因素包括針頭直徑、點膠閥門轉(zhuǎn)速和點膠時間等，以及針頭下落/拉起速度、點膠閥門回轉(zhuǎn)時間等輔助因素。通過分組實驗，確定采用較小直徑和較慢轉(zhuǎn)速的參數(shù)組合可以獲得較好的點膠精度(如表2)，通過控制點膠時間可以獲得不同尺寸和厚度的粘接點。

表2 自動點膠分組實驗列表

仿真分析表明，粘接面積越小、粘膠厚度越厚，粘接應(yīng)力越低，但也存在粘接強度不足的風(fēng)險。對多種直徑粘接點粘接的MEMS芯片進行剪切強度試驗，得到表3所示的粘接點直徑與粘接強度對應(yīng)關(guān)系。綜合MEMS加速度計的全溫性能和可靠性試驗結(jié)果，確定四個粘接點的直徑在0.7mm左右時，如圖10所示，達到粘接強度和粘接應(yīng)力的最優(yōu)化；而當粘接點直徑低于0.5mm時，粘接強度無法滿足要求。

表3 粘接點直徑與粘接強度對應(yīng)關(guān)系

圖10 優(yōu)化后的四點膠粘接Fig.10 Optimized die attach with four bonding dots

5 實驗結(jié)果

對采用上述低應(yīng)力封裝設(shè)計批量試制的95只量程±50g的MEMS加速度計進行系統(tǒng)的性能評價，采用標準差進行統(tǒng)計，數(shù)據(jù)分布及統(tǒng)計結(jié)果如圖11所示。其中，1h零偏的零偏穩(wěn)定性(1σ)均值為92×10-6g、標準差為31×10-6g；7次30min斷電間隔的逐次零偏重復(fù)性(1σ)均值為45×10-6g、標準差為14×10-6g；零偏溫度系數(shù)均值為243×10-6g/℃、標準差為75×10-6g/℃。實驗結(jié)果表明，與原來未采用低應(yīng)力封裝設(shè)計且同型敏感結(jié)構(gòu)的加速度計零偏溫度系數(shù)均值1450×10-6g/℃相比，95只加速度計的零偏溫度系數(shù)改善了近5倍，且具有較好的一致性。

(a)零偏穩(wěn)定性

(b)零偏重復(fù)性

(c)零偏溫度系數(shù)圖11 95只加速度計指標統(tǒng)計Fig.11 Index statistics of 95 accelerometers

6 結(jié)論

本文提出的基于兩級應(yīng)力隔離的低應(yīng)力封裝設(shè)計，包含獨特的芯片級應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)和封裝級應(yīng)力緩沖層，研究發(fā)現(xiàn)：

1)芯片級應(yīng)力隔離比封裝級應(yīng)力緩沖效果更好，同時采用兩級應(yīng)力隔離可以將MEMS加速度計敏感電容的溫度特性改善8倍左右，實驗對比結(jié)果顯示,加速度計的零偏溫度系數(shù)改善5倍左右；

2)仿真對比了整面粘片、三點膠粘片和四點膠粘片，整面粘片應(yīng)力最大，對稱的四點膠粘片兼具對稱性、粘接強度和較低應(yīng)力是最優(yōu)化方案，點膠直徑優(yōu)選0.7mm左右；

3)低應(yīng)力封裝設(shè)計可以提高MEMS加速度計的零偏穩(wěn)定性、零偏重復(fù)性和溫度系數(shù)等技術(shù)指標，同時還改善了加速度計之間的一致性，利于批量制造。