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《焊料键合实现MEMS真空封装的模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第26卷第5期半导体学报Vol.26No.52005年5月CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSMay,20053焊料键合实现MEMS真空封装的模拟程迎军蒋玉齐许薇罗乐(中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术国家联合重点实验室,上海200050)摘要:结合典型的焊料键合MEMS真空封装工艺,应用真空物理的相关理论,建立了封装腔体的真空度与气体吸附和解吸、气体的渗透、材料的蒸气压、气体通过小孔的流动等的数学模型,确定了其数值模拟的算法.通过实验初步验证了模拟结果的准确性,
2、分析了毛细孔尺寸对腔体和烘箱真空度的影响,实现了MEMS器件真空封装工艺的参数化建模与模拟和仿真优化设计.关键词:MEMS;真空;封装;模拟EEACC:2527;8460中图分类号:TN402文献标识码:A文章编号:025324177(2005)0521033207并分析了毛细孔尺寸对腔体和烘箱真空度的影响,1引言实现了MEMS器件真空封装工艺的参数化建模与模拟和仿真优化设计.众所周知,封装技术是影响MEMS器件成本和性能的重要因素,然而近年来在MEMS的研究领2真空封装工艺及建模域,主要是针对M
3、EMS芯片本身的设计与模[1～4]拟,缺少对MEMS封装进行系统化的模拟与仿在真空环境中用焊料来密封MEMS器件是一[8]真研究.随着MEMS封装问题日益重要,MEMS封种常用的真空封装工艺,其示意图如图1所示.基装建模、模拟与仿真已逐渐被重视并已开展一系列本工艺为:分别在盖板和基板(或管座)上制作金属研究.化层和焊料环,并在焊料环上留有可供气体通过的在很多应用中,MEMS器件对真空度和气密性毛细孔;用精密对位设备将盖板和芯片对准后,将焊提出了很高的要求.外部环境中的污染会导致传感料适度熔融进行预
4、键合;将预键合后的结构移入真器输出信号发生偏移,并会腐蚀其内部的金属层.在空烘箱,抽真空并保持一定的时间;然后以一定速率真空环境下进行气密封装,不仅可以保护传感器远升温至焊接温度,此时,焊料熔化并焊接上下基板,离外界污染,还可以使微加速度计、微陀螺仪等得到同时焊料环中的毛细孔融合封死,随后降温使焊料更大的Q值和更高的灵敏度.从设计和优化考虑,凝固形成真空密封腔体.最后所形成腔体的真空度有必要研究和确定真空封装工艺和封装结构对密封与腔体的三维尺寸、焊料环中毛细孔的尺寸及数量、腔体中的真空度影响.本文
5、结合典型的焊料键合真空烘箱的真空度和升温前的基础温度、升温前保MEMS真空封装工艺,应用真空物理和气体吸附/持时间和焊接所用的熔融温度曲线等有关.[5～7]脱附等的相关理论,建立了封装腔体的真空度对于这样的MEMS器件真空封装系统,真空度与气体吸附和解吸、气体的渗透、材料的蒸气压、气计算的等效物理模型如图1(a)所示.在任意时刻,体通过小孔的流动等的数学模型,确定了其数值模烘箱内和封装MEMS器件的腔体内的气体流动会拟的算法.通过实验初步验证了模拟结果的准确性,保持动态的平衡.根据真空物理中有关抽
6、气和气体3国家高技术研究发展计划资助项目(批准号:2003AA40415)程迎军男,1978年出生,博士研究生,从事电子封装及热机械可靠性的计算机模拟研究.罗乐男,1956年出生,研究员,从事先进电子器件封装及可靠性研究.2004207220收到,2004209207定稿n2005中国电子学会1034半导体学报第26卷下:(1)Se:根据真空装置与电路的类比,可知Se=CS0/(C+S0),其中C为真空泵入口到容器出口之间连接管路的流导,其值与气流状态有关,即导管在粘滞流、过渡流和分子流时的流导是
7、不一样的:粘滞流时,对直径为D,长度为L的圆截面导管,其流导4为:C=πDP/128ηL,其中P为管内的平均压强,η为粘滞系数;分子流时,对截面为A,长度为L,周长16kT为B的圆截面导管,其流导为:C=××32πm2A-23,其中k为波尔兹曼常数(113805×10J/K),BLm为分子的质量,T为绝对温度.S0为真空泵的实际抽速.大多数抽气装置的特征抽速在相当宽的压强范围内是不变的,而在100～015Pa时,抽速的变化较大.抽速的变化是通过分段来处理的.因为大多数真空泵的抽速都随其入口压强PR
8、的变化而变化,所以在预先知道泵的抽速与其入口压强的关系图1焊料键合真空封装示意图曲线之后,可将压强分成多段,取每段的平均抽速作Fig.1Schematicviewofsolderbondingvacuumpack2为该压强段真空泵的实际抽速.aging(2)QZ2,QS2,QL:对于一个设计、加工制造良好的真空系统,这三项都是很微小的,其总体气体量分子运动论、气体吸附和解吸、气体在材料中的渗Q0=QZ2+QS2+QL的贡献表现为体系存在一定的透、材料的蒸气压、气体通过小孔的流动等理
