焦靜靜，石云波，趙永祺，趙思晗，張 婕，米振國(guó)，康 強(qiáng)

(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051;2.中國(guó)兵器工業(yè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究院，陜西 華陰 714200)

0 引言

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加速度計(jì)因高集成度和低功耗等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)和國(guó)防等領(lǐng)域發(fā)揮著極大的作用[1-2]。傳感器的封裝對(duì)于傳感器的可靠性有重要的影響[3]。在高沖擊環(huán)境下加速度傳感器的主要失效模式包括鍵合引線的脫落、微梁斷裂等[4]。通過(guò)長(zhǎng)期試驗(yàn)表明，在沖擊載荷環(huán)境下引線易疲勞斷裂，同時(shí)金線和芯片上的鋁鍵合點(diǎn)發(fā)生固相反應(yīng)，形成“紫斑”。傳感器鋁焊盤表面的氧化膜也會(huì)阻礙金絲鍵合,從而易導(dǎo)致鍵合質(zhì)量差或引線脫落[5]。金絲鍵合的鍵合質(zhì)量及抗沖擊性在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中影響極大。因此，有效的封裝是影響傳感器可靠性的一個(gè)重要因素。

低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)結(jié)合厚膜技術(shù)和高溫共燒陶瓷技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，與其他微電子封裝工藝相比，其工藝難度較低,且具有較好的溫度特性和高機(jī)械品質(zhì)[6]。在LTCC材料中可集成無(wú)源組件，有利于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的動(dòng)員化和小型化[7]。越來(lái)越多的人開始采用LTCC材料進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)傳感器的異構(gòu)集成[8-9]。2016年,Fraunhofer實(shí)驗(yàn)室提出在與硅陽(yáng)極鍵合過(guò)程中，含有Na+的LTCC基板的電子遷移率會(huì)高于高硼硅玻璃中的電子遷移率[10]。2017年,Andrea將LTCC射頻MEMS技術(shù)應(yīng)用于重構(gòu)空間子系統(tǒng)中并進(jìn)行了設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，LTCC與MEMS技術(shù)適用于極端條件[11]。

為提高M(jìn)EMS加速度計(jì)的可靠性，減小因?yàn)橐€鍵合導(dǎo)致傳感器失效。本文提出了一種基于LTCC的無(wú)引線晶圓級(jí)封裝。通過(guò)LTCC基板實(shí)現(xiàn)無(wú)引線封裝和電路轉(zhuǎn)接功能，極大地減小了傳感器的封裝體積，為實(shí)現(xiàn)MEMS傳感器的異構(gòu)集成提供可能。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)針對(duì)高量程加速度傳感器，采用四懸臂梁粗梁結(jié)構(gòu)[12](見(jiàn)圖1)，通過(guò)離子摻雜形成電阻，芯片表面濺射鋁線形成惠斯通電橋。依靠壓阻效應(yīng)將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)。

圖1 傳感器實(shí)物圖

1.2 LTCC三層封裝設(shè)計(jì)

現(xiàn)有高量程加速度傳感器封裝均采用金絲鍵合將敏感結(jié)構(gòu)與印刷電路板(PCB)相連，而后輸出電線釬焊在PCB板上，如圖2所示。由于金絲鍵合和PCB板的存在，增大了封裝后的體積，同時(shí)降低了傳感器在高沖擊條件下的可靠性。LTCC實(shí)現(xiàn)電路轉(zhuǎn)接比用普通PCB電路基板具有更優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性和更好的溫度特性。由于LTCC較小的熱膨脹系數(shù)和介電常數(shù)溫度系數(shù)，其與硅芯片陽(yáng)極鍵合過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較小。無(wú)引線鍵合封裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)采用含Na+的熟瓷片與敏感結(jié)構(gòu)陽(yáng)極鍵合，同時(shí)在熟瓷片內(nèi)印刷電路，從而實(shí)現(xiàn)電路轉(zhuǎn)接功能。該結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化敏感結(jié)構(gòu)到傳輸線之間的步驟，減小由于金絲鍵合和PCB板造成的噪聲，提高傳感器整體的可靠性；同時(shí)保證了加速度傳感器整體封裝后的面積與敏感結(jié)構(gòu)相同。在高度提高時(shí)，仍能有效地保護(hù)敏感結(jié)構(gòu)。

圖2 常規(guī)封裝示意圖

圖3 整體封裝結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

本傳感器敏感結(jié)構(gòu)為對(duì)稱四懸臂梁結(jié)構(gòu)，因此可簡(jiǎn)化為中心有一質(zhì)量為m2的質(zhì)量塊的簡(jiǎn)支梁模型。梁的長(zhǎng)、寬、厚分別為a1，a2和h1。

懸臂梁的撓度曲線近似方程為

(1)

式中：M(x)為梁彎矩；E為楊氏模量；I為慣性矩。

彎矩方程為

EIy″=Fx-M0

(2)

式中：F為兩端固支面的支持力;x為梁上位置;M0為梁邊緣的約束彎矩。

通過(guò)邊界條件:

(3)

當(dāng)結(jié)構(gòu)受加速度a的作用時(shí)，可解得結(jié)構(gòu)撓度方程：

(3a1x2-2x3) 0≤x≤a1

(4)

式中：υ為泊松比；m1為梁質(zhì)量。

當(dāng)x=a1時(shí)為形變最大值點(diǎn)，即

(5)

通過(guò)式(5)計(jì)算可得在滿量程條件下質(zhì)量塊的最大位移為5.6 μm，故第一層生瓷片空腔高度應(yīng)大于6 μm。

2 性能仿真

利用ANSYS workbench有限元仿真軟件對(duì)封裝結(jié)構(gòu)和整體封裝的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行分析，相關(guān)材料參數(shù)如表1所示。圖4為裸片第一階模態(tài)。由圖可知，未封裝傳感器的z軸振動(dòng)模態(tài)為285 kHz。圖5為無(wú)引線封裝后的第一階固有頻率為567 kHz。由此可見(jiàn)，無(wú)引線鍵合封裝對(duì)整體傳感器的固有頻率有較大的提升。當(dāng)采用不銹鋼金屬管殼為封裝外殼，灌封膠灌封對(duì)芯片進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)封裝后的整體固有頻率為103 kHz，如圖6所示。對(duì)封裝體進(jìn)行沖擊仿真，沖擊載荷200 000g(g=9.8 m/s2)，加載時(shí)間60 μs，底邊固定。圖7為200 000g沖擊下的無(wú)線封裝后的敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力等效圖。由圖可知，無(wú)引線鍵合封裝最大應(yīng)力為50.81 MPa，最大應(yīng)力位置為梁根部。梁根部的最大應(yīng)力小于硅的許用應(yīng)力，該結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 參數(shù)性能

圖4 裸片第一階模態(tài)

圖5 無(wú)引線鍵合封裝第一階模態(tài)及剖面圖

圖6 灌封封裝后的第一階模態(tài)

圖7 無(wú)引線封裝后的敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力等效圖

3 封裝工藝制備

圖8為L(zhǎng)TCC基板的制備圖。通過(guò)陽(yáng)極鍵合技術(shù)將敏感結(jié)構(gòu)和底層生瓷片連接。第1層生瓷片上通過(guò)激光打孔技術(shù)打上和敏感結(jié)構(gòu)硅片上的引腳焊盤(PAD)點(diǎn)大小、位置一致的通孔，同時(shí)在和敏感結(jié)構(gòu)接觸面刻出與敏感結(jié)構(gòu)表面濺射同大小導(dǎo)線的凹槽。第2層生瓷片打孔位置與第1層生瓷片一樣，采用漿料填孔實(shí)現(xiàn)敏感結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)接電路垂直連接。在第2層生瓷片表面上印刷轉(zhuǎn)接電路，第3層生瓷片在第2層生瓷片轉(zhuǎn)接電路結(jié)束處相應(yīng)位置激光沖孔。在第3層(頂層)生瓷片上印刷可釬焊漿料形成與電線焊接的焊盤。上面三層生瓷片整體通過(guò)疊層、壓片、在850 ℃熔爐中燒結(jié)形成一個(gè)緊湊的整體模塊，將這個(gè)整體與已鍵合底面熟瓷片的敏感結(jié)構(gòu)通過(guò)陽(yáng)極鍵合連接。最后，封裝后的整體通過(guò)貼片膠粘接，實(shí)現(xiàn)三層封裝結(jié)構(gòu)與管殼的連接。

圖8 低溫共燒陶瓷基板的制備

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種無(wú)引線鍵合的封裝結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用含Na+的陶瓷板通過(guò)陽(yáng)極鍵合與傳感器相連。陶瓷基板內(nèi)含有金屬連接通孔，同時(shí)將電路轉(zhuǎn)接功能也制作在陶瓷基板內(nèi)。基板上表面含有可焊錫漿料，可直接釬焊金屬導(dǎo)線，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)引線鍵合的封裝。這種結(jié)構(gòu)減小了由于金絲鍵合和灌封膠對(duì)傳感器的影響。通過(guò)仿真可知,該結(jié)構(gòu)在不影響傳感器輸出性能的同時(shí),可減小傳感器的封裝體積和質(zhì)量，提高傳感器的穩(wěn)定性和可靠性。