高精度硅基加速度计的圆片级封装技术研究

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硅基MEMS加速度计在消费电子、惯性导航和地球资源勘探中都有很广泛的应用。国内外各大研究机构都对其展开了深入的研究,相继提出了不同类型的MEMS加速度计,其中电容检测式MEMS加速度计发展最为迅速。在加速度计的设计、加工、可靠性、测试以及应用等技术中,加速度计的封装技术是其重要的技术环节。无论是从消费电子需求的低成本和批量化,还是惯性导航和资源勘探需求的加速度计的一致性,圆片级封装都是必须要解决的关键问题。MEMS器件由于结构和功能的复杂性,其封装方式具有独特性,对不同器件需进行不同的分析进而确定其封装方案。本文针对高精度硅基加速度计的圆片级封装技术进行了研究。首先从加速度计的工作原理出发,分析了其圆片级封装的需求,包括极板间距需求、极板面内偏移的控制需求和封装结构需求,进而设计了封装方案。提出了极板间距为8μm、间距差异小于1.18μm的极板间距需求,极板面内偏移小于5μm以及旋转小于0.1mrad的极板面内偏移的控制需求。同时封装要求结构上需要有保护功能的封装环结构和切割道结构,实现电连接功能的电连接结构。通过分析键合过程中的热应力问题,提出了一种全新的只需一步温度过程的三层键合方案。将下盖和弹簧振子结构进行硅硅预键合,然后将预键合的两层结构与上盖通过金金热压键合在一起,热压过程同时为预键合提供退火过程。接着对加速度圆片级封装中的典型单步工艺和工艺兼容性进行了研究,典型单步工艺有直接键合工艺、金属热压键合工艺、信号引出的通孔工艺以及引线键合工艺,摸索出了其单元工艺的工艺参数。解决了部分封装过程中的工艺兼容性问题,但由于上盖电镀金工艺不稳定,导致键合效果不满足要求。对初始设计的圆片级封装方案进行了方案改进,将极板间距控制方案更改为上盖湿法腐蚀腐蚀凹槽控制,并验证了新方案的可行性。采用新方案进行加速度计的制备、圆片级封装和划片,划片后器件存活率为80%,气密性达到了(4.0±1.6)×10-10atm.cc/s,键合强度为8.6±0.9J/m~2,实现了加速度计的圆片级封装。对圆片级封装的加速度计进行了重力场四点翻滚实验,标定了加速度计的标度因子为306.5±12.5m V/g,圆片上不同区域的加速度计的标度因子一致性m值大于0.91,具有较好的一致性。高精度硅基加速度计的圆片级封装初步实现,且器件分离后的加速度计能够实现功能性检测。本文还对加速度计封装中的防冲击凸点进行了研究,提出了一种全新的制备工艺并对其进行了实验验证。采用铝作为待电镀区域电连接的导电层,通过控制焊料的体积和焊盘面积,成功实现了仅通过一次电镀和回流就可以获得不同高度的3D焊料凸点。实验结果表明焊料凸点高度和电镀窗口与焊盘面积之间的比例呈线性关系,通过控制比例值即可获得想要的凸点高度。对制备的焊料凸点进行了防冲击功能的验证,制备的焊料凸点在冲击来临时能够产生形变进而吸收冲击能量,实验结果表明该结构能抵抗780-1170g的冲击,具有较好的防冲击的功能。本文完成了高精度硅基加速度计的圆片级封装的需求分析、方案设计、工艺研究和方案优化以及加速度计的制备与测试,测试结果表明初步实现了高精度硅基加速度计的圆片级封装。
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