复合量程微加速度计封装热应力的研究

　　0 引言

　　MEMS 加速度传感器应用于商业、军事和空间技术等领域，对该器件的研究已十分重视。在一些特殊的场合，既需测量弹体发射过程中上万个 g 的加速度值，又需测量其飞行过程中几个 g 的加速度值，单一量程加速度计无法满足测试的需求^[1]。复合量程微加速度计应运而生，具有覆盖高低量程、抗高过载、高安全性、高可靠性、体积小、质量轻、功耗低等优点。但相对滞后的 MEMS 封装技术，却成为影响复合量程为加速度计迅速发展、广泛应用的瓶颈^[2]。

　　MEMS 器件的封装效应显著而复杂，器件本身对应力敏感，由封装工艺引入的热致结构应力将显著地影响器件的性能^{[3 -4]，}其中由贴片封装引起的结构热失配是封装效应的主要成因。贴片工艺不仅影响 MEMS 的导热性能和可靠性，而且，还会造成 MEMS 器件运动部件和功能部件的损坏^[5]。贴片过程中，为了保证合适的粘接强度，对点胶的压力和胶点的形状、直径、厚度等都有严格的要求^[6]。文中主要研究复合量程加速度计封装中贴片胶固化时对封装热应力的影响，确定适合该加速度计封装贴片胶的材料特性及胶涂布厚度，确保贴片工艺产生的热效应影响达到最小。

　　1 复合量程微加速度计的封装结构

　　文中研究的复合量程微加速度计芯片结构如图 1 所示，该加速度计共有4 个量程:0 ～10 g，0 ～100 g，0 ～500 g，0 ～10 000 g，各传感器均采用双端四梁结构。其封装材料选用氧化铝陶瓷管壳，取适量的贴片胶涂布在陶瓷基座上，以便将加速度计芯片粘接在基座上，用金丝球焊机完成内部焊点的键合，最后利用平行封焊技术进行封帽，完成封装^{[7 -8]。}图 2 为复合量程微加速度计芯片封装结构示意图。

　　2 复合量程微加速度计的封装热应力理论分析

　　复合量程加速度计结构由质量块、梁和外围边框组成，边框起支撑梁和质量块的作用，由此可以判断，硅片受到的封装应力是由边框向中心通过梁传递的，则梁上所受应力分布应当是由边框向中心逐渐减弱的^[9]。各加速度计模块上电阻均分布在每个梁根部，如图 3 所示，靠近边框的电阻受到封装应力影响相对靠近质量块的电阻受到封装应力影响大些，若靠近边框的电阻受到的封装应力产生的阻值设为 ΔR'，则此时加速度计输出为

　　式中: π44为剪切压阻系数分量，其值为 分别为纵向和横向应力分量，为电桥输出电压; 为传感器的输入电压。

　　可以看出当封装应力 σ'存在时，加速度计输出会发生变化。尤其当封装应力足够大，大到与 2 比较起来不可忽略时加速度计的非线性将明显增加。若在没有外界加速度输入的情况下，会出现零位电压失调现象。