硅微机械陀螺仪封装应力研究

　　硅微机械陀螺仪具有体积小、成本低等特点,在军事、民用领域有着广泛的应用前景.目前,由于硅微机械陀螺仪性能偏低,制约了其应用范围.当硅微机械陀螺仪处于真空环境时,可以获得较高的性能[1-2].真空封装不仅可以提高硅微机械陀螺仪的性能,它还决定了硅微机械陀螺仪的可靠性、长期稳定性及其成本[3].因此,真空封装技术是实现硅微陀螺仪产业化的关键道路之一.

　　由于封装材料的热膨胀系数与陀螺仪芯片的热膨胀系数不匹配,在封装过程中会产生热应力[4].热应力改变硅微机械陀螺仪的振动频率,并降低其性能[5].因此,需要深入研究如何降低封装过程中产生的热应力,这也是目前MEMS封装亟待解决的关键问题之一.

　　本文采用有限元分析的方法,分析封装壳基底和粘接剂的材料特性以及粘接层的几何参数与热应力的关系,这将有助于选择合理的封装材料,从而降低封装热应力,提高硅微机械陀螺仪性能.

　　1　封装流程分析

　　硅微机械陀螺仪的封装形式分为圆片级封装、芯片级封装和系统级封装,其中芯片级封装常采用金属封装壳和陶瓷封装壳.本文以陶瓷封装壳为研究对象,图1为陶瓷封装的硅微机械陀螺仪照片.

　　封装好的硅微机械陀螺仪可分为三层,分别为硅微机械陀螺仪芯片、粘接层和陶瓷基底,真空封装包含四个主要的步骤,其封装流程如图2所示.首先,用粘接剂将硅微机械陀螺仪芯片粘接在陶瓷基底上(图2(a)).然后,键合引线(图2(b)).在封接之前,将粘接好的陀螺仪芯片和封装壳进行烘烤,以减小器件中的残留气体[6].最后,用平行封焊法将封盖与陶瓷基底封接在一起.

　　2　有限元仿真

　　由于硅微机械陀螺仪芯片的热膨胀系数与封装材料的热膨胀系数不匹配,在封装过程中会产生热应力.热应力除了与材料的热膨胀系数有关外,还与材料的杨氏模量有关.因此,下面将对陶瓷基底和粘接剂的热膨胀系数、杨氏模量等对热应力的影响分别进行分析.根据封装的硅微机械陀螺仪结构,建立其简化的有限元模型,如图3所示.

2.1　陶瓷基底材料的分析

　　目前,常用于制造陶瓷封装壳的原材料一般为氧化铝和氮化铝,它们的材料特性和陀螺仪芯片的材料特性如表1所示[7]

　　2.2　粘接剂

　　不仅粘接剂的热膨胀系数和杨氏模量对热应力有影响,粘接层的几何尺寸对热应力也有很大的影响.

　　2.2.1　粘接剂的材料特性

　　为了能深入了解粘接剂与硅微机械陀螺仪芯片之间的关系,模拟了几种粘接剂,它们的材料特性如表2所示.其中,粘接剂1、2和3具有相同的热膨胀系数,粘接剂1的杨氏模量较低,粘接剂3的杨氏模量接近陶瓷基底的杨氏模量.粘接剂4、5和6具有相同的杨氏模量,其中粘接剂4与硅具有相同的热膨胀系数,粘接剂5的热膨胀系数接近玻璃的热膨胀系数,粘接剂6的热膨胀系数接近陶瓷的热膨胀系数.