双质量块MEMS陀螺内互联引线的设计与实现

张方媛，牛昊彬，闫 鑫，陈旭辉，李关红

（中国航空工业集团西安飞行自动控制研究所，西安 710065）

MEMS 陀螺是一种基于MEMS 工艺制造的角速度敏感器[1]，已成为当前惯性陀螺的重要发展方向之一。MEMS 陀螺以其在体积、重量和功耗上的优势，广泛应用在汽车导航、飞行器控制与导航、消费电子等诸多领域[2,3]。

双质量结构能够有效消除轴向加速度等共模干扰的影响，其音叉式的工作方式使得MEMS 陀螺对环境不敏感，极大地提升了环境适应性[4,5]。同时采用全解耦结构方式将驱动模态与检测模态解耦，降低正交误差影响，进一步提升MEMS 陀螺的性能。双质量块陀螺工作原理为[6,7]：陀螺工作时，驱动电极施加交变静电产生驱动力，分别驱动左右两部分沿x 轴同频、等幅、反向振动。当有z 轴角速度信号输入时，产生科氏加速度，敏感质量块沿y 轴同频、等幅、反向振动。通过对检测电容进行差分运算，可以解算角速率信号。

从图1 可以看出，全解耦双质量块MEMS 陀螺结构比较复杂。图中阴影部分大多是需要与外部电路的连接信号引出的区域，涉及驱动模态以及检测模态，至少有20 个。如果在区域上直接做引线孔，会导致芯片面积不够用，工艺难度大幅度提升。因此如何将电信号引出并保证芯片设计面积和质量是决定MEMS陀螺工作与否的重要工艺环节，内部信号互联成为首选思路。

图1 双质量块陀螺结构示意图Fig.1 The structure of the double-mass gyroscope

1 MEMS 陀螺结构改进设计

当前晶圆级封装设计中， 基于硅通孔（Through-Silicon-Via, TSV）技术热度很高[8,9]，引线通孔数量过多损耗芯片面积，限制了其它结构的设计。而双质量陀螺结构采用密封腔电极互联键合技术，有如下优势：

1) 提升设计自由度。双质量块陀螺结构复杂，需要的引线孔很多，如果实现陀螺腔内部互联，则可以大大减少引线孔的数量，给设计留下很大的空间。

2) 减少了孔的数量，同时增大了陀螺有效敏感结构的面积，从而使得陀螺的灵敏度得到提升。

3) 可以实现复杂信号引线布线。陀螺与电路的连接中，走线设计复杂，如果将一部分电路走线设计在陀螺内部，将孔布局在同侧，大大简化了外部与电路的连接引线，减小MEMS 陀螺体积。

双质量块陀螺结构采用内互联引线技术变化如图2 所示。从图2 中可见，双质量陀螺结构发生了变化，在使用内互联引线技术后省去了结构中央的键合锚点，可实现复杂信号引线布线。而内互联引线的难点在于在密封腔内应用金属导带完成电信号导通，同时要保持密封，不能影响锚点键合质量和真空封装品质因数Q 值。

图2 采用内互联引线技术对比示意图Fig.2 Schematic diagram of comparison of inter-connection lead technology

2 内互联引线设计

引线压头形状既要考虑到阳极键合的可靠性，又要保证电极导通性，因此我们考虑梳齿状电极头结构。该结构对键合质量影响最小，同时兼顾导通稳定。

设计齿状电极引线端口如图3 所示。主要设计参数有b（齿宽）、c（键合区压入长度）。依据现有工艺特点，设计了18 组不同长度组合，用于开展引线镀制厚度以及材料对比试验，如表1、表2 所示。

图3 电极引线端口示意图Fig.3 Schematic diagram of electrode lead port

将设计的不同电极端口制作在同一个带孔玻璃片上，进行阳极键合密封，测量密封后的未键合区域长度，进而对参数选取进行判断。理论上未键合区域越小，证明对键合强度影响越小，如图4 所示。

图4 未键合区域示意图Fig.4 Schematic diagram of unbounded area

将18 组图形做在同一个玻璃片上，其分布如图5所示，这样能在同样的键合参数下，对不同电极端口进行比较，同时也能保证每种电极端口有足够样品量。

图5 端口图形分布示意图Fig.5 Schematic diagram of port distribution

同时，准备了10 片玻璃片，从工艺实现性和经验方面考虑，进行了电极厚度和电极材料的分类设计，如表2 所示。

表2 电极端口设计参数Tab.2 Parameters of the electrode port

表2 电极材料以及膜厚表Tab.2 Electrode material and film thickness

3 电极制作与实现

电极制作经过清洗带孔玻璃片、沉积金属层、光刻、腐蚀、阳极键合等工艺步骤，如图6 所示。

图6 电极制作过程示意图Fig.6 Schematic diagram of electrode production

其中的阳极键合参数为：温度400 ℃，键合电压-400 V，键合时长45 min，键合气压为1E-4 mbar。形成的密封电极形貌清晰，键合区域合适，如图7 所示。

图7 键合后玻璃电极形貌Fig.7 The appearance of the electrode after bonding

4 实验结果分析与设计参数选取

4.1 齿状电极形貌

对每片玻璃片进行了阳极键合密封，分析未键合区域与c 的关系，如图8 所示。

图8 c 与未键合区域关系曲线Fig.8 The curve of the relationship between c and unbounded area

对于不同键合参数的玻璃电极片，总体趋势是，b值一定的情况下，键合后c 的长度（也就是嵌入至键合区内的电极长度）越小，未键合区域越小，键合质量越好。尤其在c=5 µm 时，呈现直接键合的现象，没有出现未键合的空腔。同样，抽取2 号片进行统计发现，当c 的长度一定时，b=10 µm 的曲线未键合区域最小，键合效果最好。

通过以上分析，b 和c 的长度越短越好。但陀螺生产过程中，受到对准误差以及键合误差等限制，需保证工艺可行性以及接触稳定性。对准精度的改进依靠更换新型的键合夹具，在设计中，应该考虑到这种偏差，不能将伸入键合区的电极长度设置过短，增加工艺难度。结合数据分析并从工艺实现性考虑，选择b=10 µm，c=20 µm 为合适参数。

4.2 电极材料选取

根据工艺条件，选Al 和AlCu 两种电极材料进行对比。从图9 中可以看出，在相同的b、c 条件下，Al 材料的未键合区域较AlCu 小。因此，选用Al 作为电极首选材料。

图9 不同电极材料键合比较图Fig.9 Bonding comparison of different electrode material

4.3 电极厚度选取

选择了Al 电极的三种厚度进行比较，分别为0.2 µm、0.5 µm 和1 µm。图10 中曲线是b=10 µm 时，不同的厚度所对应的未键合区域。从图10 中可知，在c 相同情况下，电极厚度越厚，未键合区域越大，键合效果越差。0.2 µm 的电极键合效果最好。

图10 不同电极厚度键合比较图Fig.10 Bonding comparison of different electrode thickness

对试验片进行导通性测试，所有玻璃片上电极的电阻值统计结果，见表3。从表3 中可知，Al 厚度为0.2 µm 的电极其电阻为1000 Ω 以下的最多，失效率最低，因此选择电极厚度为0.2 µm 最佳，既能保证电极接触电阻小，又能保证电极导通的稳定性。

表3 数据统计表Tab.3 Statistics

综上所述，采用0.2 µm 的电极厚度作为正式产品的工艺参数。

5 基于内互联引线工艺的陀螺测试与分析

基于以上内互联引线的工艺参数，成功实现25只双质量块MEMS 陀螺电信号导通，并实现了真空密封。经测试，Q 值能够达到20 万以上的表头数为24个，占比超过80%，如图11 所示。

图11 陀螺测试Q 值分布图Fig.11 Chart of gyro test Q value distribution

陀螺受外界影响小，性能稳定，内互联引线电信号连接可靠性较高。在室温环境下，对陀螺进行了1小时稳定性的测试，测试零偏稳定性达到7.7 °/h，如图12 所示。

图12 陀螺测试图Fig.12 Chart of gyro test

双质量块陀螺的孔数量减少，同时孔结构分布在一侧，为后端封装也提供了便利空间。结构改进前后的实物图如图13 所示。

图13 结构改进前后陀螺表头Fig.13 Gyro chip before and after structural improvement

6 结 论

本文采用齿状电极作为双质量块MEMS 陀螺内互联引线，确定伸入键合区长度为20 µm，齿状数目为10 个，为键合合适参数；同时，选择Al 作为电极材料，并比较了电极的不同厚度对于键合面以及导通性的影响，确定电极厚度为0.2 µm。密封腔电极内互联引线工艺技术的实现，使得MEMS 双质量陀螺避免中间通孔占用芯片面积，降低了通孔制作工艺难度，同时为整体结构设计提高了自由度，避免复杂表面引线干扰，为MEMS 双质量块陀螺性能进一步优化的实现奠定了工艺基础。