ＭＥＭＳ熱電堆芯片固晶工藝參數的優化

ＭＥＭＳ熱電堆芯片固晶工藝參數的優化

 １引 言

ＭＥＭＳ（ Ｍｉｃｒｏ?。牛欤澹悖簦颍铩。停澹悖瑁幔睿椋悖幔臁。樱螅簦澹?/span>）熱電堆傳感器以其體積小、質量輕、功耗低等優點在工業、信息、國防及生物工程等領域有著巨大的應用前景。它是一種基于微機電系統技術將紅外輻射轉變為電能的電子器件。ＭＥＭＳ熱電堆單元探測器主要用在非接觸測溫、氣體分析以及入侵報警等方面，而 ＭＥＭＳ熱電堆探測器陣列主要用于紅外成像、姿態控制等方面。 ＭＥＭＳ熱電堆傳感器是傳感探測領域的一種典型溫度檢測器件，具有不需要致冷就可以常溫工作，對較大范圍內的紅外光響應均勻，成本較低且可以大批量生產等優點。

 ＭＥＭＳ熱電堆芯片是結合傳統芯片的電氣和機械可動結構兩種特性，在微小尺度上實現與外界電、熱、光、聲、磁信號相互作用的器件。它與微電子器件不同，一種ＭＥＭＳ器件中應用成功的制 造工 藝和 封裝 工藝 很難 簡單 地移 植到ＭＥＭＳ熱電堆器件開發研究中，這就極大增加了ＭＥＭＳ 熱電堆器件開發的難度與成本。一般來說， ＭＥＭＳ熱電堆芯片需要經過晶圓劃片、熱電堆芯片固晶、熱敏電阻貼片、烘烤、超聲壓焊—引線、蓋帽、測 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構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，方便進行排氣。目前，研究機構已經開展了針對 ＭＥＭＳ芯片固晶工藝的相關研究工作，但成果較少 ?，F階段常用的固晶工藝研究依然是單一地人為設定固晶工藝參數以及通過仿真軟件進行固晶工藝參數模擬分析。這些工藝研究方法，只能大致確定固晶參數區間，無法確定固晶參數的取值，在實際應用過程中，ＭＥＭＳ熱電堆芯片的固晶質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一步提高。

本文以優化ＭＥＭＳ熱電堆芯片固晶工藝參數，提高 ＭＥＭＳ熱電堆芯片固晶質量為目標。首先從 ＭＥＭＳ熱電堆傳感器工作原理入手，提出對固晶工藝參數（固晶厚度和爬膠高度）的要求。然后以固晶工藝要求為導向，實驗探究和規律分析壓力參數、貼片高度、點膠高度對ＭＥＭＳ熱電堆芯片固 晶工 藝的 影響。接 著通 過有 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力分布，找出*佳的固晶厚度參數，并進一步優化點膠高度和貼片高度。*后，通過實驗驗證的方式，對此參數下的ＭＥＭＳ熱電堆固晶強度，給出了檢測結果。

２?。停牛停?/span>熱電堆工作原理及對固晶工藝的要求

 ２．１　封閉膜結構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：兩個不同的導體ａ和ｂ兩端相接，組成一個閉合環路，如果兩個端點熱結和冷結具有不同的溫度，則線路中會產生溫差電流，這個環路組成了溫差電偶，其產生的電壓即溫差電動勢。

如圖１所示，當芯片受到紅外輻射激勵時，由塞貝克效應可知熱結的封閉膜和冷結的硅基體會通過焊盤向外輸出溫差電動勢，即熱結與冷結的溫度差為Δ Ｔ。固晶底座上的熱敏電阻，對外輸出底座的溫度為 Ｔ １ 。作為冷結的硅基體通過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也為冷結硅基體的溫度 Ｔ１ 。這樣，熱結封閉膜的溫度即為（Ｔ１ ＋Δ Ｔ）。

２．２ 固晶工藝要求

 從ＭＥＭＳ熱電堆工作原理可知，固晶工藝需經過如下步驟： ＭＥＭＳ固晶底座點上兩條銀漿；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熱電堆傳感器實現溫度的**測量，保證貼片工藝質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強度，以保證ＭＥＭＳ芯片與底座不發生相對移動。在不同的溫度環境下，芯片與底座連接牢固，不會發生過大的熱應力。當爬膠高度過小，黏結強度過小，會造成芯片與底座的相對移動；當爬膠高度過大，銀漿會滲入封閉膜結構，造成芯片短路。因此，爬膠高度必須控制在合理的參數范圍內。

 （２） ＭＥＭＳ熱電堆芯片和底座之間有良好的熱通道，使ＭＥＭＳ芯片產生的熱量順利地從熱電堆芯片傳導到熱電堆底座，以保證芯片工作在額定溫度范圍內。當固晶厚度過小，紅外輻射照射到封閉膜時，熱氣難以排出，容易使封閉膜膨脹，損壞芯片結構；當固晶厚度過大，銀漿形成的熱阻過大，測溫的準確性會下降。因此，固晶厚度必須控制在合理的參數范圍內。

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

 因此，通過優化固晶工藝的壓力參數、貼片高度、點膠高度來控制固晶厚度、爬膠高度在合理的參數范圍內，對于提高ＭＥＭＳ熱電堆芯片固晶質量，保證器件封裝的可靠性有著至關重要的作用。

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 ３．１?。停牛停訜犭姸炎詣踊叹到y

 ＭＥＭＳ熱電堆芯片固晶系統如圖 所示。固晶系統主要由ＸＹ 運動平臺，雙Ｚ 軸運動平臺，點膠模 塊，貼片 模塊，視 覺識 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構。通過視覺識別，能實現點膠和貼片。

 在控制點膠高度和貼片高度相同的情況下，對ＭＥＭＳ熱電堆底座劃兩條長度為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，對銀漿的實際長度，寬度進行測量，同時觀察并記錄銀漿的表面形貌。

 根據對實驗中銀漿的點膠形貌和實際寬度的結果分析可知：壓力參數在０．２ＭＰａ時，出膠量較少，點出銀漿的寬度較細，實際銀漿寬度范圍在２２０～２８０ μ ｍ ，點 膠 的 平 均 寬 度 為 ２４０ μ ｍ ，與ＭＥＭＳ熱電堆芯片兩側寬度的差值小于芯片高度的１５％，即銀漿寬度太小，爬膠高度過小，會造成器件黏結強度過低；當壓力參數在０．３ＭＰａ和０．４ＭＰａ時，出膠量較大，與ＭＥＭＳ熱電堆芯片兩側寬度的差值大于芯片高度的１５％ ，符合要求；點膠壓力是固晶系統給點膠針頭膠筒施加的壓力，來保證足夠的膠水擠出點膠針頭。點膠壓力越大，擠出的銀漿越多，銀漿覆蓋的體積越大，銀漿實際寬度越大?？蓞⒁妶D４和圖５。

壓力參數需控制合理的爬膠高度，使ＭＥＭＳ芯片與底座不發生相對移動，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 數為 ０．３ ＭＰａ和 ０．４ＭＰａ時，引入點膠高度和貼片高度兩個變量，點膠高度每３０μ ｍ為一個實驗間隔，取值范圍為８０～１７０ μ ｍ。貼片高度每３０μｍ 為一個實驗間隔，取值范圍為４３０～５２０μ ｍ。

在壓力參數為０．３ＭＰａ和０．４ＭＰａ時，選取參數不同的點膠高度和貼片高度，進行 ＭＥＭＳ底座固晶，并用顯微鏡測出固晶厚度。根據對實驗中不同壓力參數下的固晶厚度的數據分析，如圖６所示可知：

 （１）壓力參數相對于點膠高度和貼片高度，它對固晶厚度的影響是強影響因素。無論點膠高度和貼片高度如何變化，它對于固晶厚度的影響都是小范圍的。

 （２）壓力參數增大，擠出的銀漿越多，銀漿覆蓋的體積越大，銀漿固晶厚度越大。壓力參數為０．３ＭＰａ，固晶厚度平均值在５０ μｍ 。壓力參數為０．４ＭＰａ，固晶厚度平均值在１００ μｍ ，固晶厚度過大，熱阻過大，測溫的準確性會降低。因此，當壓力參數為０．３ＭＰａ時，爬膠高度在合理范圍內，固晶 厚度 也在 合理 范圍內，符合 相應要求。

３．３ 貼片高度和點膠高度參數優化

 點膠高度是固晶系統中點膠針頭的針尖與ＭＥＭＳ熱電堆底座的垂直距離，貼片高度是固晶系統中吸嘴與ＭＥＭＳ熱電堆底座的垂直距離。合理的點膠高度和貼片高度，控制出合理的爬膠高度，使ＭＥＭＳ芯片與底座不發生相對移動。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。將固晶結束的樣品進行冷鑲樣，粗磨至觀察截面，再砂紙細磨，用顯微鏡觀察截面形貌并測量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熱電堆芯片貼片過程中受到一定程度的擠壓，爬到ＭＥＭＳ熱電堆芯片側壁的高度。根據對不同點膠高度下貼片高度與爬膠高度的數據分析，如圖９和圖１０所示可知：

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

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

３．４ 熱應力仿真分析

壓力參數確定后，ＭＥＭＳ熱電堆系統擠出的銀漿量是固定的，即銀漿的實際體積是固定的，在固晶過程中，銀漿的表面形貌會改變，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 ，銀漿長度為Ｌ 。

由上節分析可知，在點膠高度設置為１１０μ ｍ和１４０μｍ 的情況下，貼片高度隨固晶厚度變化的趨勢較平緩，且確定的點膠高度和固晶高度對應著圖１０和圖１１中唯壹的爬膠高度和固晶厚度。在縮小點膠高度和固晶高度選擇范圍并結合式（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溫傳感器，一般工作溫度范圍需保持在常溫下。在仿真實驗中，當常溫為３０℃時，模擬了ＭＥＭＳ熱電堆芯片固晶的過程。根據對不同固晶厚度和爬膠高度下，銀漿的熱應力分布結果如下圖１１所示，可知：在常溫３０℃下，固晶厚度為４０μ ｍ、爬膠高度為１７０ μｍ對應的*大熱應力值是*低的。對照表一可知：點膠高度在１４０μ ｍ，貼片高度在４６０ μｍ時， ＭＥＭＳ熱電堆芯片和底座之間的熱應力值*低，芯片與底座連接牢固且有良好的熱通道進行傳熱。

４?。停牛停?/span>熱電堆芯片固晶強度測試

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

 實驗所用芯片是基于封閉膜結構的ＭＥＭＳ熱電堆芯片，尺寸為１．８×１．８×０．４ｍｍ 。強度實驗平臺是基于視覺識別的 ＭＥＭＳ熱電堆芯片固晶系統，強度測試用的是Ｎｏｒｄｓｏｎ?。模粒牵拧。矗埃埃巴评y試儀。

５結論

 本文通過大量實驗，對ＭＥＭＳ熱電堆固晶主要工藝參數：壓力參數、貼片高度、點膠高度進行了分析和實驗優化，在結合實驗數據基礎上，通過有限元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力分布，找出了*佳的固晶厚度參數，**優化了點膠高度和貼片高度。*后，對所優化的固晶工藝參數進行了ＭＥＭＳ熱電堆芯片固晶強度測試與驗證。結果證明：壓力參數為０．３ＭＰａ、點膠高度為１４０ μｍ 、貼片高 度為 ４６０μ ｍ時，固 晶推 力均 值為４３．１４Ｎ 。它的固晶強度大，固晶質量好。它能夠滿足固晶強度要求，有助于提高ＭＥＭＳ熱電堆芯片封裝可靠性與成品率。