MEMS封装-器件协同设计方法的研究

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1、摘要摘要由于微电子机械系统(MEMS，MicroelectromechanicalSystems)器件结构可动，对应力敏感，因此受环境影响大。尤其器件和封装间的结构耦合对器件性能和可靠性有着重要影响。由于常规MEMS器件设计对封装效应重视不足，在器件封装后必须加大反馈设计和后道校准的工作以达成预期设计要求。目前用于模拟封装效应的有限元方法(FEM，FiniteElementMethod)则存在计算量大、物理意义不明确、建模不方便等缺点。随着封装技术的发展，封装．器件的耦合将更加紧密，封装在微系统中提供的功能将更加多样(例如系统级

2、封装)，因此有必要研究MEMS封装．器件协同设计方法，以提高MEMS系统的设计效率和精度。本文基于集成电路(IC，IntegratedCircuit)中层次化和单元化的基本思想，建立了MEMS典型器件一封装耦合结构的理论模型。将封装．器件耦合结构按功能划分为器件、锚区、封装等多个基本单元，对每个单元应用专有理论建模，然后利用适当方法组合为整体模型。主要内容如下：在封装单元方面，将常规封装结构视为多层梁／板耦合结构，应用传统的多层结构热变形理论进行建模，改进了考虑分布界面应力的多层梁模型，使其既能吻合经典Timoshenko多层梁

3、理论，又保持自身能计算应交分布的特点，两者均通过FEM模拟得到验证。在锚区单元方面，综述了MEMS中常见的锚区类型和已有锚区效应的分析方法。基于数值拟合结果，提出了适合所有类型锚区的建模方法；基于弹性力学中的极平面理论建立了楔形体锚区的模型；基于等效长度和应变释放因子，提出了爬坡锚区的锚区效应等效方法。基于上述单元模型和已有的MEMS梁模型，按边界连续条件组合，首次建立了封装．器件耦合的整体模型。考虑了更多实际因素，包括器件．衬底相互作用、各层材料热匹配、芯片表面介质层影响以及三维位移情况等。以板上芯片(COB，ChiponBo

4、ard)封装的双端固支梁为主要算例，利用整体模型分别计算了器件的结构刚度、吸合电压和谐振频率等设计参数的封装效应。用FEM模拟验证了以上结果，证明双端固支梁器件存在显著的封装效应，且常规FR4基板上的环氧树脂粘接COB封装结构的封装效应最为明显。基于上述研究，本文提出了MEMS器件．封装的分布节点分析方法。在常规节点分析法基础上，引入了分布节点的概念，使节点物理量可以是分布函数，从而可描述各单元之间非集总节点连接。将原封装．器件耦合模型划分为更基本的器件、锚区、环境、间隙、芯片、粘接层和封装基板等单元。利用积分方程的梁理论和其它

5、相关理论，建立了各类单元的分布节点模型。用有限配点法和有限正交函数展开法，实现了单元在分布节点上的互连，构成完整结构的节点模型。利用该模型模拟了COB封装的双端固支梁器件的封装效应，侧重观察其分布特性，并用FEM模拟加以验证。其结果表现出良好的计算效率和精度。最后，利用二维数字图像相关(DIC，DigitalImageCorrelation)系统，测量了裸芯片在不同封装基板上红胶粘接后的离面变形；利用激光多普勒测振(LDV，LaserDopplerVibrometer)系统，测量了FR4封装基板上红胶粘接后器件谐振频率的偏移情况

6、。测试结构包括双端固支梁器件和偏转式应变计等。结果表明，封装效应表现出显著的分布特性。本文的封装．器件耦合模型可以较精确地预测这些结果。本文提出的模型，尤其是分布节点法模型适用于封装．器件协同设计，为封装级MEMS设计提供了有效模拟途径。关键词：微电子机械系统；封装效应；协同设计：锚区效应；节点分析法；数字图像相关；激光多普勒测振仪；AbstractMEMSstructureismovableandintrinsicallysensitivetostressesandgeometricdimensions．Structuralc

7、ouplingbetweenMEMSdeviceandpackagewillhavegreateffectsontheperformanceandreliabilityofdevice，whichisknownasthepackageeffect．Omissionofthepackageeffectwillleadtoextraeffortsoffeedbackdesignandback-endcalibration．CurrentFEMtoolscansimulatethepackageeffect,buthavethedis

8、advantagesoflargecomputationaleffort,poorphysicalmeaningandinconvenientmodeling．Modempackagetechniquehasshownmorecompactcouplingbet