封装残余应力对MEMS加速度计输出特性影响

2020-03-26焦静静石云波赵永祺米振国

仪表技术与传感器 2020年2期

焦静静，石云波，赵永祺，张婕，米振国，康强

(1.中北大学电子测试技术重点实验室，山西太原 030051；2.中国兵器工业试验测试研究院，陕西华阴 714200)

0 引言

MEMS加速度计主要应用于惯导系统的加速度测量。残余应力一直都是影响MEMS传感器的重要影响因素，在MEMS加速度计的制造和封装过程中残余应力始终存在，并且不断累积，使得加速度计测量存在不确定性。

针对封装过程中的残余应力引入，P. Li在文章中提及了胶黏剂的杨氏模量大小会影响传感器的残余应力大小[1-2]，Ueda针对MEMS封装提出了一种无应力倒装芯片封装[3]。R. Krondorfer曾提出温度会对影响封装应力从而影响压力传感器的输出值[4]。然而目前，大部分的残余应力研究主要针对于传感器晶圆制作过程中的残余应力的释放而传感器封装过程中的残余应力的影响相关研究较少，如：C. Tsou提出针对MEMS传感器悬臂梁结构中在残余梯度应力的作用下，悬臂梁会发生明显的弯曲[5]。徐静在文中提出单晶硅高浓度硼掺杂会引起一定的残余应力[6]。徐永平等提出热处理后工艺能降低硅片中的热应力[7]。许东华提出在压阻式传感器中，阳极键合会引入大量残余应力[8]。目前针对于封装残余应力在运动学上如何影响加速度计输出性能方面仍然有待研究。

1 理论研究

本文加速度传感器为四悬臂梁压阻式结构，通过对悬臂梁根部进行离子掺杂形成电阻，金属溅射铝线，组成惠斯登电桥。基于压阻效应输出电压，结构如图1所示。

图1 传感器剖面结构

加速度传感器的敏感结构可看作一个简支梁模型，如图2所示。在封装过程中，由于不同材料之间的形变从而导致互相挤压和收缩，从而造成悬臂梁的翘曲，如图3所示。假设在残余应力作用下，中心最高点的挠度最大值为δ，此时最高点的弯矩为M0，横向力为P，轴向力为G。

图2 敏感结构模型

图3 封装热应力分析图

可以算出在未受残余应力作用下的四悬臂梁压阻式传感器结构挠度为[9]：

(1)

式中：ν为泊松比；m1为梁质量；m2为质量块质量；E为杨氏模量；a为加速度；a1为梁长；a2为梁宽；h1为梁厚。

当受到残余应力影响后，悬臂梁为弯曲杆，弯曲梁的截面弯矩为：

M=-[M0+P(H-x)+G(δ-y)]

(2)

当受到加速度a的作用下:

(3)

梁弯曲时挠曲线的近似微分方程为：

(4)

边界条件为：

(5)

将式(5)带入式(4)中，解得受残余应力影响的弯曲梁挠度方程为：

(6)

电阻分布在传感器梁根部，传感器边缘750 μm处。当x=750 μm时，挠度和加速度成正比。在加载相同冲击的条件下a1>>h1，加载残余应力的敏感结构在电阻分布处的变形小于未加残余应力的结构。由此可以得出，残余应力通过影响敏感结构从而减小了传感器的灵敏度。

2 残余应力分析

2.1 封装结构

传感器共有3种封装结构，分别为裸芯片封装、单层键合封装，和灌封封装，分别为结构A、结构B和结构C，如图4所示。裸芯片封装是对加工好的裸芯片直接封装。封装成本低，但由于缺乏对芯片的保护，贴片胶容易直接影响质量块，导致敏感结构失效。单层键合封装为通过阳极键合将高硼硅玻璃与芯片下边框键合在一起。灌封封装在单层键合封装基础上使用灌封胶对芯片进行灌封和固定。

(a)结构A

(b)结构B

(c)结构C图4 封装结构示意图

2.2 封装残余应力

在MEMS传感器封装过程中残余应力主要是几个方面造成的：

(1)在阳极键合过程中，因为高温高压和高电压的条件，在硅和玻璃基底之间在正应力、剪切应力和剥离应力的共同用下形成了不可忽略的残余应力。

(2)贴片胶在高温固化过程中，由于金属外壳，贴片胶和玻璃基底(硅芯片)的热膨胀系数不匹配，导致材料分子间晶格失配，从而形成了热应力。

(3)在灌封胶的固化过程中，存在灌封胶的体积变化，残余应力随灌封胶热膨胀系数的增大而增大。固化温度越高，固化过程体积变化越大的灌封胶形成的残余应力也越大。

3 试验验证

本次研究对3种结构都进行拉曼频移测试，对灌封前结构(结构B)和灌封后结构(结构C)进行冲击对比测试。为保证变量唯一，同一结构中的残余应力大小不同，固化条件分别为：C1为24小时常温固化，C2为120 ℃高温固化1 h。封装材料相关性质见表1。

3.1 残余应力测试

为验证仿真结果，本实验按照模拟模型，使用两种结构6支传感器进行测试，6支传感器分别记为A1、A2、B1、B2、C1、C2。分别为结构A、B、C的测试结构。残余应力测试使用拉曼光谱仪测量，残余应力通过拉曼光谱可以得出单晶硅频移，通过计算可求的某点的残余应力。

表1 封装材料参数表

σ=-435×(ω-ωsi)

(7)

式中ω为拉曼测出的频移；ωsi=520 cm-1。

由于电阻为离子掺杂产生，电阻本身就具有一定的晶格失配，为减小离子掺杂对实验结构产生影响，因此在传感器芯片电阻附近取6个测试点进行残余应力测量，如图5所示。通过测试得出最终测试结果见表2。

图5 拉曼频移测试点示意图

表2 拉曼频移测试结果

由实验结果可以看出晶圆制造完成后具有较大的残余应力，在电阻表面形成拉应力。通过后续的封装，封装贴片胶和灌封胶对其产生的压应力与裸片自身拉应力相抵消，整体残余应力呈现降低趋势。

3.2 冲击试验测试

为验证残余应力对传感器的灵敏度影响，对结构B和结构C进行试验测试。验证实验使用霍普金森杆(见图6)进行验证，钛合金杆直径为50 mm，弹头长度为60 mm，直径为19 mm，电压放大器使用ENDEVCO 136，数据采样频率为40 MHz。通过加载不同大小气压值得到加速度值，激光多普勒采集加速度变化信息。使用多普勒信号进行多项式拟合修正可得最终加速度传感器灵敏度。

图6 实验设备

(8)

通过对采集数据进行拟合求解传感器灵敏度，如图7所示。拟合曲线计算求解出B1输出曲线表达式为：y= 3.432 98×10-7x-0.001 57;B2输出曲线表达式为：y=2.918 37×10-7x+8.994 05;A1输出曲线表达式为：y= 7.953 05×10-7x-0.003 75；B2输出曲线表达式为：y=8.577 22×10-7x-0.009 14。

根据表2可以看出，4支传感器的残余应力大小顺序如下：B1≈B2