復合量程加速度計陽極鍵合殘余應力研究*

鮑愛達，徐香菊，龔 珊

(中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室 電子測試技術重點實驗室，山西 太原030051)

0 引言

隨著MEMS技術的發(fā)展，各種類型的MEMS傳感器在航天、軍事、商業(yè)、民用等領域發(fā)揮著越來越重要的作用［1］。國內各研究機構對各種用途的新型傳感器的研究熱度更是越來越濃。在某些復雜的物理過程中，既有小到幾個gn的加速度作用，又有成千上萬個gn的加速度，用單一量程的加速度計很難精確測量到實際的加速度值，若用不同量程的加速度計，因靈敏度和安裝位置的不同，也會對測量結果造成很大誤差。為了適應這種情況而研制了復合量程加速度計。它采用傳感器陣列的形式在同一硅片上制作量程分別為0～50，0～100，0～500，0～10 000 gn的4個單元，這樣對低gn值與高gn值加速度都敏感，達到精確測量的目的。

在芯片級封裝中采用了陽極鍵合技術，但鍵合過程是在比較高的環(huán)境下進行的，產生的殘余應力會對加速度計的零位輸出產生偏移，甚至在高溫下會對微結構產生破壞［2～4］，以致對復合量程加速度計的使用狀況和大量發(fā)展受到了限制，因此，對其殘余熱應力的研究是必要的。本文對復合量程加速度計的陽極鍵合過程進行了建模與仿真，分析了鍵合溫度、玻璃基底的厚度和框架的鍵合寬度對梁上殘余熱應力的影響。

1 復合量程加速度計的設計

本文中研究的復合量程加速度計是利用硅的壓阻效應制作的，其結構圖如圖1所示。將4個量程不同的加速度計單元制作在同一硅片上，每一個單元都采用了雙端四梁結構。在4個懸臂梁上分別制作了2只力敏電阻器，當有外力作用于加速度計時，質量塊上下振動，引起梁上的應力變化，從而電阻器的阻值變化，通過惠斯通電橋可以將這種變化以電壓的形式表現(xiàn)出來。

圖1 復合量程加速度計結構圖Fig 1 Structure diagram of multi-ranged accelerometer

2 復合量程加速度計殘余熱應力的影響因素

復合量程加速度計的4個單元的結構相似，分析方法也相同，這里僅以0～50 gn為例分析其零位偏移的影響因素。圖2是鍵合后的芯片剖面圖，主要由玻璃基底、質量塊、彈性梁和外圍框架組成。采用陽極鍵合的方法將整個結構鍵合在一起。鍵合過程是在比較高的環(huán)境下進行的，由于材料的熱膨脹系數等因素會產生殘余應力，以致影響傳感器的零位輸出［5］。

用Ansys軟件對復合量程加速度計的陽極鍵合過程進行建模與仿真:對如圖2所示的模型施加一定的初始溫度載荷，一定時間后，將其緩慢冷卻到室溫下，仿真求解得到梁端部應力的變化［6］。之后再分別改變鍵合溫度、玻璃基底的厚度和框架鍵合的寬度，以確定梁上應力與這些因素的關系。

圖2 鍵合后的芯片剖面圖Fig 2 Sectional view of chip after bonding

2.1 鍵合溫度對殘余應力的影響

先保持其他條件不變，使鍵合溫度分別從200～500℃變化，通過Ansys軟件仿真可以得到梁上殘余應力的變化值，如表1所示。

表1 不同溫度下的應力值Tab 1 Stress at different temperature

可以看出:梁端部的應力隨鍵合溫度的增加而增加。為了減小這種殘余熱應力的影響，應改善鍵合工藝，在盡可能低的溫度下完成硅與玻璃的鍵合過程。

2.2 玻璃基底的厚度對殘余應力的影響

改變玻璃基底的厚度，使其他條件保持不變，分別取玻璃基底的厚度為200～800μm，對加速度結構進行仿真，得到如表2所示的數據。

表2 基底厚度不同時的應力值Tab 2 Stress with different thickness of glass substrate

可以看到，殘余應力隨玻璃基底厚度的增加而增加。當玻璃基底厚度超過450μm后，應力增大的趨勢逐漸減緩。

因此，應選擇比較薄的玻璃基底，可以降低加速度芯片性能和穩(wěn)定性受應力的影響。

2.3 框架鍵合寬度對殘余應力的影響

經過以上的分析，選取玻璃基底厚度為450μm，鍵合溫度為380℃，分別改變鍵合寬度，使其從140～640μm變化，仿真得到應力隨鍵合寬度的變化，數值如表3所示。

表3 不同鍵合寬度時的應力值Tab 3 Stress with different bonding width

可以看出:隨著鍵合寬度的增加，梁上殘余應力先增大后減小，在鍵合寬度為350μm左右，應力值達到最大;當鍵合寬度大于350μm后，應力值迅速減小，因此，鍵合寬度應大于350μm。

3 結論

通過以上分析可以看出:陽極鍵合過程中產生的殘余應力不能忽略，它會引起加速度計的零位失調，還會造成結構的損傷［7］。梁上殘余應力的大小與鍵合溫度、玻璃基底的厚度和框架鍵合寬度有關，且應力隨鍵合溫度的升高成線性增加，隨玻璃基底厚度的增加而增加，隨鍵合寬度的增加先增大后減小。在鍵合過程中，在改善鍵合工藝的基礎上，使鍵合溫度盡可能的低，選取合適的鍵合寬度和薄的玻璃基底以減小梁上的殘余應力。

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