聚酰亞胺隔熱懸掛結構設計與制作*

李紹良, 徐 靜, 吳亞明

(1.中國科學院 上海微系統與信息技術研究所 傳感技術聯合國家重點實驗室,上海 200050；2.中國科學院大學,北京 100049)

0 引 言

近年來，隨著MEMS技術的發展，出現了一些新型的MEMS器件，它們需要在一定溫度下才能工作，比如:微型CPT原子鐘的物理系統[1]要工作在70 ℃或以上，以保證足夠的原子數密度，因此,需要有加熱器與溫度傳感器對溫度進行精確控制；一些半導體式的氣體傳感器，需要內置加熱器加熱到一定溫度才能保證檢測靈敏度[2]；一些生物芯片[3]也需要將溫度維持在特定的溫度以保證生物、化學反應的順利進行。這些器件因為工作時要維持一定溫度則必然增加功耗，然而低功耗是便攜式、航空航天等儀器儀表應用的基本要求，因此,如何降低功耗成為人們關注的重要課題。

對器件進行絕熱封裝可以大大降低功耗。傳統的絕熱封裝方法主要有減小熱傳導的陶瓷管殼封裝、填充熱隔離層[4]等，減小熱對流的真空封裝[5]等。這些傳統的減小熱傳導絕熱封裝中，作為支撐接觸部分的面積仍然比較大，由此產生的熱損失很難再減少，而且其中的加熱器和溫度傳感器也通常需要獨立裝配，因此,整個封裝體積較大。美國Symmetricom公司[6]和Charles Stark Draper Laboratory[7]采用了聚酰亞胺(polyimide，PI)隔熱懸掛式結構用于芯片原子鐘的絕熱封裝。聚酰亞胺由于其自身較低的導熱系數，優良的耐溫性能、機械性能，再加上靈活的加工方式，已成為人們研究的熱點。

本文選用Fiji Film公司的Durimide 7510負性光敏型聚酰亞胺材料，設計并制作了具有大承載面的聚酰亞胺隔熱懸掛結構，用于低功耗器件的絕熱封裝。

1 理論分析和仿真

聚酰亞胺隔熱懸掛結構如圖1所示，主要包括硅支撐框架、聚酰亞胺懸臂膜、聚酰亞胺承載膜以及集成制作在聚酰亞胺承載膜上的Pt電阻加熱器和溫度傳感器等部分組成。其中，聚酰亞胺承載膜用于承載待加熱芯片物體，聚酰亞胺懸臂膜起到懸掛支撐和隔熱的作用，Pt電阻加熱器和溫度傳感器通過懸臂膜上的金導線引出到硅支撐框架上。

圖1 聚酰亞胺隔熱懸掛結構示意圖

聚酰亞胺承載膜面積一般由待加熱芯片的尺寸決定，通常承載膜面積越大，對聚酰亞胺膜的機械性能要求越高，加工難度也就越大。本文設計的承載面積為14 mm×7 mm。聚酰亞胺懸臂膜結構參數及其上導線的結構參數是決定懸掛結構隔熱效果和機械性能的關鍵因素，下面分別從熱學和力學模型展開分析，進行參數設計。

1.1 熱學模型

熱耗散有3種方式：熱傳導、熱對流和熱輻射。本文設計的聚酰亞胺懸掛結構，承載區加熱溫度通常低于200 ℃(滿足多數應用的需要)，因此,熱輻射基本可以忽略不計。

熱傳導包括聚酰亞胺懸臂膜的熱傳導、導線的熱傳導以及空氣的熱傳導。一般情況下，空氣的熱導率非常低，可以忽略不計，假設ΔT為懸掛結構承載芯片工作溫度與周圍環境溫度之差，由熱傳導引起熱耗散為

(1)

其中，n1，k1,S1,L1分別為聚酰亞胺懸臂膜的數量、導熱系數、橫截面積、長度，n2，k2,S2,L2分別為金導線的數量、導熱系數、橫截面積、長度。

假設聚酰亞胺承載膜的面積為A0，相比之下，聚酰亞胺懸臂膜的面積要小得多，因此，由熱對流引起的熱耗散可近似表示為

Pconvection=hA0(Ts-TB).

(2)

其中,h為對流換熱系數，Ts和Tb分別為固體表面和周圍流體的溫度。

因此，聚酰亞胺隔熱懸掛結構總的熱耗散理論模型為

(3)

1.2 力學模型

對于由聚酰亞胺懸臂膜作為支撐梁的彈簧—質量塊系統[8],根據力學分析可知,最大應變發生在懸臂膜與中間質量塊交界處，最大應變為

(4)

最大應力集中于懸臂膜兩端的根部,即懸臂膜分別與支撐框架和中間質量塊的連接處,最大的應力為

(5)

其中,M為承載區的質量(包括待加熱芯片的質量)，h為懸臂膜厚度,E為聚酰亞胺的彈性模量,g為自由落體加速度。

1.3 參數設計

由聚酰亞胺隔熱懸掛結構的熱學和力學模型分析可知，聚酰亞胺懸臂膜的長度、寬度、厚度和數量是影響功耗和機械強度的關鍵參數。如果要減小聚酰亞胺懸臂膜自身的熱傳導，就要盡可能增大聚酰亞胺懸臂膜的長度,盡可能減小懸臂膜的截面積,然而增大懸臂膜的長度或減小截面積則會降低懸臂膜的機械強度,因此，需要根據實際應用綜合考慮。

本文選用的光敏型聚酰亞胺材料,楊氏模量為2.5 GPa，導熱系數為0.174 W/(m·℃)，抗拉強度為215 MPa。綜合以上因素，設計的結構參數如表1所示。

表1 聚酰亞胺懸掛結構尺寸參數

1.4 ANSYS熱學仿真

由于該懸掛結構具有軸對稱性，因此，ANSYS仿真中采用其1/4結構進行建模,劃分網格后的幾何模型如圖2所示。

圖2 懸掛結構劃分網格后的有限元模型

通過在支撐框架下表面施加室溫溫度載荷(20 ℃)，在聚酰亞胺承載膜表面施加生熱率載荷模擬加熱器生熱，進行穩態熱分析即可獲得聚酰亞胺懸臂膜上的溫度場分布。圖3給出了加熱功率為100 mW時的溫度分布場。由圖可知,此時承載區工作溫度能夠達到105.9 ℃， 而且溫度梯度主要集中在聚酰亞胺懸臂膜上。為了更清晰地給出聚酰亞胺懸臂膜上溫度分布與加熱功率的關系，本文計算了不同加熱功率條件下的溫度場分布，并且沿圖3中聚酰亞胺懸臂膜中心軸線(黑色實線所示)的路徑提取數據，得到了不同加熱功率條件下的溫度分布曲線,如圖4所示。由圖可知,當加熱功率不同時，承載膜區可達到不同的溫度。當加熱功率分別為70,100,150,200,300 mW時，承載的芯片可分別達到89.6,105.8,158.8,211.7,311.3 ℃。由于仿真中尚未考慮金導線的熱傳導，因此,實際需要功耗應該大于以上計算值。

圖3 加熱功率為100 mW時的溫度分布仿真結果

圖4 不同加熱功率條件下懸臂膜軸線上的溫度分布曲線

1.5 ANSYS力學仿真

仍然采用圖2所示的1/4結構模型進行力學仿真。當在聚酰亞胺承載膜上施加力載荷時，聚酰亞胺懸臂膜受到拉伸而產生形變。圖5為承載膜上施加2 237.7 μN力載荷時仿真得到的應變和應力的仿真結果，此力載荷相當于體積為14 mm×7 mm×1 mm的硅基芯片(芯片質量為228.34 mg，大多數應用中的芯片質量不會大于此值)所產生的重力。由圖可知，在此重力載荷作用下，承載面的最大位移為52.05 μm，在聚酰亞胺懸臂膜兩端根部產生的最大應力為3.80 MPa，遠小于PI的抗拉強度，安全系數(抗拉強度與工作時最大應力之比)為56.58，滿足應用要求。

圖5 懸掛結構施加一定壓力時的應力與應變仿真結果

采用力學模型(4)和(5)進行理論計算，得到對于14 mm×7 mm×1 mm的硅基芯片，在2 237.7 μN的重力載荷作用下，承載面的最大位移為55.97 μm，在聚酰亞胺懸臂膜兩端根部產生的最大拉應力為4.198 MPa，理論計算值與仿真結果基本一致。

2 實驗制作

實驗中采用4 in(1in=2.54 cm)N型(100)的雙面拋光硅片，硅片厚度為280～320 μm。主要的工藝流程如下:

1)硅片熱氧化，在表面生成2 μm的氧化層；

2)在硅片一面光刻，另外一面涂光刻膠保護,利用BOE(buffer oxide etching)腐蝕液將沒有光刻膠保護的部分的SiO2腐蝕掉，作為之后Deep RIE的刻蝕窗口，去除光刻膠;

3)在硅片沒有圖形的一面旋涂聚酰亞胺光刻膠;

4)光刻使聚酰亞胺圖形化，最后將圖形化的聚酰亞胺在350 ℃下進行固化;

5)在聚酰亞胺薄膜上采用Lift-off工藝制作Pt金屬薄膜加熱器、溫度傳感器，為了提高Pt與聚酰亞胺襯底的粘附性，采用了Ti作為黏著層；

6)在做好Pt加熱器、溫度傳感器的一面濺射TiW/Au,光刻并腐蝕得到Au引線和焊盤;

7)采用Deep RIE干法刻蝕技術刻蝕掉背面的硅，Deep RIE前首先進行光刻，光刻膠和SiO2層在刻蝕過程中作為雙層掩模；

8)在BOE溶液中腐蝕掉剩余的SiO2層，最后將硅片置于丙酮中，使硅片表面的光刻膠去除干凈。

由于版圖中設計了劃片槽，在完成Deep RIE后，不需要劃片即可得到制作好的懸掛結構單元，圖6為最后制作好的懸掛結構的實物照片，其中左圖為懸掛結構的整體照片，右圖分別為懸臂膜、Pt加熱器和溫度傳感器的局部放大照片。

圖6 聚酰亞胺隔熱懸掛結構實物圖

3 測試結果和分析

為了對比懸掛結構降低功耗的效果，實驗中還直接在與承載膜同樣面積的硅塊上制作了在同樣分布的加熱電阻器與熱敏電阻器，以測量沒有懸掛的芯片在不同溫度下功耗。圖7給出了不同溫度下懸掛結構的理論計算結果、仿真結果、實測結果，以及沒有懸掛結構時實測結果的對比曲線。

圖7 不同溫度下懸掛結構的計算、仿真、實測功耗和沒有懸掛結構時的實測功耗

由圖7可以看出:懸掛結構的理論計算和仿真計算得到的功耗與實測的功耗比較吻合。測試結果還表明，即便沒有進行真空封裝，聚酰亞胺隔熱懸掛結構較沒有懸掛結構時，也大大減小了器件的功耗。由圖7可以得到不同溫差下懸掛結構較沒有懸掛結構時減小的功耗為

ΔP=4.8039×ΔT(mW).

如果芯片工作在100 ℃，即溫差為80 ℃時，則減小的功耗為384.312 mW，即懸掛結構的功耗僅為沒有懸掛結構時功耗的36.7 %。

實際上懸掛結構僅僅是降低了由熱傳導引起的功耗，對于由熱對流、熱輻射引起的功率耗散可再通過真空封裝、在封裝外殼內表面涂金屬涂層[9]等方法予以降低。由于實驗中懸掛結構和沒有懸掛結構時與空氣的接觸面積近似相等，所以,近似地認為2種結構相同溫差下由熱對流引起的功耗是一樣的，仍然忽略熱輻射的影響，則結合理論計算公式，懸掛結構和沒有懸掛結構時由熱傳導引起的功耗隨溫差的變化如圖8所示。

圖8 不同溫差下懸掛結構與沒有懸掛結構的熱傳導功耗

圖8表明:聚酰亞胺隔熱懸掛結構由熱傳導引起的功耗為沒懸掛結構時的0.95 %，功耗降低了2個數量級。如果器件進行真空封裝，芯片工作在100 ℃時，器件功耗可以降低到4 mW左右，因此,該懸掛結構極大限度地減少了由熱傳導引起的功耗，在絕熱封裝中具有很好的應用前景。

此外，用環氧樹脂將一個體積為14 mm×7 mm×1 mm的硅基芯片粘貼在聚酰亞胺承載膜上，樣品實物圖如圖9所示，懸掛結構承載芯片時，仍具有較好的機械性能，從而驗證了該聚酰亞胺隔熱懸掛結構的承載能力。

圖9 聚酰亞胺隔熱懸掛結構承載芯片照片

4 結 論

本文設計和制作了一種聚酰亞胺隔熱懸掛結構，并分

別從熱學、力學2個方面對該結構進行了理論計算與有限元仿真，介紹了聚酰亞胺隔熱懸掛結構的MEMS工藝制作方法，最后對該懸掛結構降低功耗的效果進行了實驗驗證。實驗表明:聚酰亞胺隔熱懸掛結構由熱傳導引起的功耗僅為沒懸掛結構時的0.95 %，大大降低了由熱傳導引起的功耗，即便在沒有真空封裝的情況下，在芯片工作在100 ℃時，功耗也可降低62.3 %，同時理論和仿真結果也表明:懸掛結構承載14 mm×7 mm×1 mm的硅基芯片，安全系數可達到56.58，具有較高的機械性能。本文提出的設計和制作方法對其他結構的懸掛結構也有很好的參考價值，所設計的懸掛結構在芯片制作、絕熱封裝等領域都有著非常好的應用前景。

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