MEMS传感器Cu/Sn共晶键合工艺关键技术研究

针对微机电系统(MEMS)传感器电气互连的需求,开发了一种适用于MEMS器件芯片对基板键合的工艺方法。采用蒸发工艺在MEMS器件圆片上沉积厚度为2μm的Cu薄膜和1.5μm的Sn薄膜,在键合基板沉积2μm厚度的Cu金属层形成键合凸点,之后芯片与键合基板在280℃环境中保持30 s、260℃环境中保持15 min,通过Cu和Sn的互溶扩散工艺完成键合,从而实现电气互连。对键合面强度进行标定,计算剪切强度达4.3 MPa。测量键合区导线电气特性,导电性能良好。同时进行了能谱测试,结果表明符合Cu/Sn键合化合物组成成分,为实现芯片与陶瓷基板电气互连提供了一种新方法。

应用于石墨烯MEMS高温压力传感器的气密封装研究

针对石墨烯MEMS高温压力传感器的高气密要求,设计了一种压膜结构压力传感器,并利用Au-Au键合完成压力传感器的封装。键合前,样品表面采用Ar等离子体预处理,随后在N_(2)氛围下,利用倒装焊机在1.6 kN压力、300℃温度下键合30 min完成键合工艺。对键合指标进行表征测试,发现器件的最小剪切强度为10.87 MPa,最大泄漏率为9.88×10^(-4) Pa·cm^(3)/s,均满足GJB 548B-2005的要求。在300℃下高温存储(HTS)10 h后,器件的平均剪切强度和泄漏率变化不大,通过传感器压力静态测试发现石墨烯器件在0~60 MPa压力量程内具备高重复性,证明石墨烯在键合过程和高温存储实验后没有变性。实验结果表明Au-Au键合可以完成石墨烯MEMS高温压力传感器高气密封装。

基于双面盲孔电镀的硅通孔工艺研究

针对当前微机电系统(MEMS)发展对小型化封装的需求,设计了一种高可靠性、低成本、高深宽比的硅通孔(TSV)结构工艺流程。该工艺流程的核心是双面盲孔电镀,将TSV结构的金属填充分为正、反两次填充,最后获得了深度为155μm、直径为41μm的TSV结构。使用功率器件分析仪对TSV结构的电学性能进行了测试,使用X光检测机和扫描电子显微镜(SEM)分别观察了TSV结构内部的缺陷分布和填充情况。测试结果证明,TSV样品导电性能良好,电阻值约为1.79×10^(-3)Ω,孔内完全填充,没有空洞。该研究为实现MEMS的小型化封装提供了一种解决方法。

基于纳米孔结构的超高压石墨烯压力传感器设计

设计了一种基于纳米孔结构的超高压石墨烯压力传感器。由于氮化硼的六方晶体结构与石墨烯的晶体结构高度相似,该传感器采用氮化硼/石墨烯/氮化硼的石墨烯复合异质敏感薄膜作为压力传感器的敏感材料,利用石墨烯薄膜材料的压阻效应对压力进行检测。为保证传感器在400 MPa的压力载荷下对压力精准的检测,采用数学理论模型计算出不同孔径的纳米孔上石墨烯复合异质薄膜的应变大小,通过有限元仿真软件对石墨烯圆形薄膜的压力进行仿真,得到了圆形薄膜的最优半径。可为超高压石墨烯压力传感的结构设计和性能优化提供一定参考。

石墨烯压力传感器Au-Si共晶键合的气密性封装

针对石墨烯压力传感器的高气密性封装要求,设计了一种应用于石墨烯压力传感器的Au-Si键合工艺。采用Au-Si键合工艺只需要在传感器的密封基板表面生长一层100 nm的SiO_(2),并在生长的SiO_(2)表面溅射金属密封环,密封环金属采用50 nm/300 nm的Ti/Au。使用倒装焊机在380℃以及16 kN的压力环境下保持20 min完成传感器芯片与基板的键合,实现石墨烯压力传感器的气密性封装。键合完成后对键合指标进行表征测试,平均剪切力可达19.596 MPa,平均泄露率为4.589×10^(-4) Pa·cm3/s。通过对键合前后石墨烯传感器芯片电阻检测,电阻输出平均值变化了3.36%,键合前后电阻输出相对稳定。对传感器进行静态压力检测,其灵敏度>0.3 kΩ/MPa,非线性<1%FS。实验结果表明,石墨烯压力传感器采用Au-Si键合工艺进行气密封装不仅工艺简单,且强度高。

一种非谐振式MEMS电磁能量收集器

介绍了一种新型非谐振式微电子机械系统(MEMS)电磁振动能量采集器的设计、微加工和表征测试。该能量收集器由MEMS结构、线圈、小型化NdFeB磁体和陶瓷基板组成。建立结构模型对结构固有频率、位移和应力进行仿真。利用MEMS技术制备能量收集器结构和Al线圈等关键部件,并结合嵌有永磁体的陶瓷基板进行组装,在组装过程中使用Cu/Sn倒装焊键合技术将陶瓷与芯片互连,成功制备出能量收集器原理样机。利用振动台对样机性能进行测试,测试结果表明,实际加工能量收集器的谐振频率为5241Hz,在1m/s^(2)固定加速度以及7Hz振动频率条件下,经电路100倍放大测得该能量收集器最大输出电压为257mV。

应用于MEMS封装的TSV热可靠性分析

针对MEMS系统中硅通孔(TSV)的热可靠性,利用快速热处理技术(RTP)进行了温度影响的实验分析。通过有限元分析(FEA)方法得到不同温度热处理后TSV结构的变化趋势,利用RTP对实验样品进行了不同温度的热处理实验,使用扫描电子显微镜和光学轮廓仪表征了样品发生的变化。结果表明,热处理后TSV中Cu柱的凸起程度与表面粗糙度均随热处理温度的升高而增加,多次重复热处理与单次热处理的结果基本相同。该项研究为TSV应用于极端环境下MEMS小型化封装提供了一种解决方案。

MEMS光栅陀螺制造与测试

根据MEMS光栅陀螺工作原理,对陀螺结构仿真,并进行了晶圆级陀螺制造。在ANSYS中建立陀螺结构模型,并进行仿真分析。仿真结果显示,其驱动模态为7 287 Hz,检测模态为7 288 Hz,频差为1 Hz,表明结构有高灵敏度。通过工艺设计,采用溅射、湿法腐蚀、深反应离子刻蚀、阳极键合等工艺成功制造了MEMS光栅陀螺。大气压下搭建的测试系统测得该陀螺的驱动模态为7 675 Hz,检测模态为7 703 Hz,与仿真结果相对误差为5.6%,验证了工艺的可行性。

双重键合结构石墨烯压力传感器的设计与仿真

石墨烯具有优秀的力学性能与电学性能,可以应用到MEMS压力传感器。目前大部分石墨烯压力传感器都是悬浮式,由石墨烯直接承受压力,也就导致了石墨烯缺乏相应的防护,容易造成氧化及污染。基于此设计了一种硅膜承压、双重键合结构的石墨烯压力传感器,以形成气密环境保护石墨烯。对压力传感器进行了简化仿真分析,仿真结果表明,方形膜片易于加工且灵敏度较高,最终确定在0~100MPa量程范围下膜片的最优尺寸为边长1000μm、厚度170μm,石墨烯达到的应变极限为1.85‰,这表明硅膜承压结构可以应用于提高石墨烯压力传感器的量程,为其设计与制造奠定了基础。