ＭＥＭＳ热电堆芯片固晶工艺参数的优化

ＭＥＭＳ热电堆芯片固晶工艺参数的优化

 １引 言

ＭＥＭＳ（ Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ）热电堆传感器以其体积小、质量轻、功耗低等优点在工业、信息、国防及生物工程等领域有着巨大的应用前景。它是一种基于微机电系统技术将红外辐射转变为电能的电子器件。ＭＥＭＳ热电堆单元探测器主要用在非接触测温、气体分析以及入侵报警等方面，而 ＭＥＭＳ热电堆探测器阵列主要用于红外成像、姿态控制等方面。 ＭＥＭＳ热电堆传感器是传感探测领域的一种典型温度检测器件，具有不需要致冷就可以常温工作，对较大范围内的红外光响应均匀，成本较低且可以大批量生产等优点。

 ＭＥＭＳ热电堆芯片是结合传统芯片的电气和机械可动结构两种特性，在微小尺度上实现与外界电、热、光、声、磁信号相互作用的器件。它与微电子器件不同，一种ＭＥＭＳ器件中应用成功的制 造工 艺和 封装 工艺 很难 简单 地移 植到ＭＥＭＳ热电堆器件开发研究中，这就极大增加了ＭＥＭＳ 热电堆器件开发的难度与成本。一般来说， ＭＥＭＳ热电堆芯片需要经过晶圆划片、热电堆芯片固晶、热敏电阻贴片、烘烤、超声压焊—引线、盖帽、测 试等 封装 工艺 才能 成为 合格 的ＭＥＭＳ热电堆传感器。由于ＭＥＭＳ热电堆芯片底部中空的结构和其特殊的工作原理，使 ＭＥＭＳ热电堆的固晶工艺不同于一般的ＩＣ （Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）固晶要求，它需要中间留有空隙，方便进行排气。目前，研究机构已经开展了针对 ＭＥＭＳ芯片固晶工艺的相关研究工作，但成果较少 。现阶段常用的固晶工艺研究依然是单一地人为设定固晶工艺参数以及通过仿真软件进行固晶工艺参数模拟分析。这些工艺研究方法，只能大致确定固晶参数区间，无法确定固晶参数的取值，在实际应用过程中，ＭＥＭＳ热电堆芯片的固晶质量难以得到可靠保证，芯片的封装可靠性与成品率还有待进一步提高。

本文以优化ＭＥＭＳ热电堆芯片固晶工艺参数，提高 ＭＥＭＳ热电堆芯片固晶质量为目标。首先从 ＭＥＭＳ热电堆传感器工作原理入手，提出对固晶工艺参数（固晶厚度和爬胶高度）的要求。然后以固晶工艺要求为导向，实验探究和规律分析压力参数、贴片高度、点胶高度对ＭＥＭＳ热电堆芯片固 晶工 艺的 影响。接 着通 过有 限元 软件ＡＮＳＹＳ分析相同温度下，不同固晶厚度的银浆与芯片接触处的热应力分布，找出*佳的固晶厚度参数，并进一步优化点胶高度和贴片高度。*后，通过实验验证的方式，对此参数下的ＭＥＭＳ热电堆固晶强度，给出了检测结果。

２　ＭＥＭＳ热电堆工作原理及对固晶工艺的要求

 ２．１　封闭膜结构ＭＥＭＳ热电堆工作原理

 ＭＥＭＳ热电堆传感器的工作原理是基于塞贝克效应：两个不同的导体ａ和ｂ两端相接，组成一个闭合环路，如果两个端点热结和冷结具有不同的温度，则线路中会产生温差电流，这个环路组成了温差电偶，其产生的电压即温差电动势。

如图１所示，当芯片受到红外辐射激励时，由塞贝克效应可知热结的封闭膜和冷结的硅基体会通过焊盘向外输出温差电动势，即热结与冷结的温度差为Δ Ｔ。固晶底座上的热敏电阻，对外输出底座的温度为 Ｔ １ 。作为冷结的硅基体通过固晶工艺中的两条银浆，贴装在了 ＭＥＭＳ固晶底座上，底座的温度Ｔ １也为冷结硅基体的温度 Ｔ１ 。这样，热结封闭膜的温度即为（Ｔ１ ＋Δ Ｔ）。

２．２ 固晶工艺要求

 从ＭＥＭＳ热电堆工作原理可知，固晶工艺需经过如下步骤： ＭＥＭＳ固晶底座点上两条银浆；ＭＥＭＳ热 电堆 芯片 贴片 到ＭＥＭＳ 底座 上。ＭＥＭＳ热电 堆芯 片固 晶示 意，如图 ２所 示。ＭＥＭＳ热电堆传感器实现温度的**测量，保证贴片工艺质量和可靠性需遵循以下要求：

 （１） ＭＥＭＳ热电堆芯片与底座有很好的黏结强度，以保证ＭＥＭＳ芯片与底座不发生相对移动。在不同的温度环境下，芯片与底座连接牢固，不会发生过大的热应力。当爬胶高度过小，黏结强度过小，会造成芯片与底座的相对移动；当爬胶高度过大，银浆会渗入封闭膜结构，造成芯片短路。因此，爬胶高度必须控制在合理的参数范围内。

 （２） ＭＥＭＳ热电堆芯片和底座之间有良好的热通道，使ＭＥＭＳ芯片产生的热量顺利地从热电堆芯片传导到热电堆底座，以保证芯片工作在额定温度范围内。当固晶厚度过小，红外辐射照射到封闭膜时，热气难以排出，容易使封闭膜膨胀，损坏芯片结构；当固晶厚度过大，银浆形成的热阻过大，测温的准确性会下降。因此，固晶厚度必须控制在合理的参数范围内。

 （３） ＭＥＭＳ热电堆芯片和底座黏结的材料要求具有很 好的 稳定 性与 可靠 性。它取 决于 对ＭＥＭＳ热电堆芯片和热电堆底座的热膨胀系数（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ， ＣＴＥ ）差别所产生机械应力的承受能力。

 因此，通过优化固晶工艺的压力参数、贴片高度、点胶高度来控制固晶厚度、爬胶高度在合理的参数范围内，对于提高ＭＥＭＳ热电堆芯片固晶质量，保证器件封装的可靠性有着至关重要的作用。

３　ＭＥＭＳ热电堆芯片固晶工艺参数优化

 ３．１　ＭＥＭＳ热电堆自动化固晶系统

 ＭＥＭＳ热电堆芯片固晶系统如图 所示。固晶系统主要由ＸＹ 运动平台，双Ｚ 轴运动平台，点胶模 块，贴片 模块，视 觉识 别模 块组 成。ＭＥＭＳ热电 堆芯 片的 尺寸为１．８×１．８×０．４ｍｍ ，芯片的中心为封闭膜结构。通过视觉识别，能实现点胶和贴片。

 在控制点胶高度和贴片高度相同的情况下，对ＭＥＭＳ热电堆底座划两条长度为２　２００ μ ｍ ，间距为１　８００ μ ｍ 的银浆。将划好的银浆送到电子显微镜下，对银浆的实际长度，宽度进行测量，同时观察并记录银浆的表面形貌。

 根据对实验中银浆的点胶形貌和实际宽度的结果分析可知：压力参数在０．２ＭＰａ时，出胶量较少，点出银浆的宽度较细，实际银浆宽度范围在２２０～２８０ μ ｍ ，点 胶 的 平 均 宽 度 为 ２４０ μ ｍ ，与ＭＥＭＳ热电堆芯片两侧宽度的差值小于芯片高度的１５％，即银浆宽度太小，爬胶高度过小，会造成器件黏结强度过低；当压力参数在０．３ＭＰａ和０．４ＭＰａ时，出胶量较大，与ＭＥＭＳ热电堆芯片两侧宽度的差值大于芯片高度的１５％ ，符合要求；点胶压力是固晶系统给点胶针头胶筒施加的压力，来保证足够的胶水挤出点胶针头。点胶压力越大，挤出的银浆越多，银浆覆盖的体积越大，银浆实际宽度越大。可参见图４和图５。

压力参数需控制合理的爬胶高度，使ＭＥＭＳ芯片与底座不发生相对移动，还得控制出合理的固晶厚度，保持 ＭＥＭＳ热电堆芯片与底座之间良好的 热 通 道。在 压 力 参 数为 ０．３ ＭＰａ和 ０．４ＭＰａ时，引入点胶高度和贴片高度两个变量，点胶高度每３０μ ｍ为一个实验间隔，取值范围为８０～１７０ μ ｍ。贴片高度每３０μｍ 为一个实验间隔，取值范围为４３０～５２０μ ｍ。

在压力参数为０．３ＭＰａ和０．４ＭＰａ时，选取参数不同的点胶高度和贴片高度，进行 ＭＥＭＳ底座固晶，并用显微镜测出固晶厚度。根据对实验中不同压力参数下的固晶厚度的数据分析，如图６所示可知：

 （１）压力参数相对于点胶高度和贴片高度，它对固晶厚度的影响是强影响因素。无论点胶高度和贴片高度如何变化，它对于固晶厚度的影响都是小范围的。

 （２）压力参数增大，挤出的银浆越多，银浆覆盖的体积越大，银浆固晶厚度越大。压力参数为０．３ＭＰａ，固晶厚度平均值在５０ μｍ 。压力参数为０．４ＭＰａ，固晶厚度平均值在１００ μｍ ，固晶厚度过大，热阻过大，测温的准确性会降低。因此，当压力参数为０．３ＭＰａ时，爬胶高度在合理范围内，固晶 厚度 也在 合理 范围内，符合 相应要求。

３．３ 贴片高度和点胶高度参数优化

 点胶高度是固晶系统中点胶针头的针尖与ＭＥＭＳ热电堆底座的垂直距离，贴片高度是固晶系统中吸嘴与ＭＥＭＳ热电堆底座的垂直距离。合理的点胶高度和贴片高度，控制出合理的爬胶高度，使ＭＥＭＳ芯片与底座不发生相对移动。也能控制出合理的固晶厚度，保持 ＭＥＭＳ热电堆芯片与底座之间良好的热通道。将固晶结束的样品进行冷镶样，粗磨至观察截面，再砂纸细磨，用显微镜观察截面形貌并测量ＭＥＭＳ热电堆样品的固晶厚度与爬胶高度。如图７和图８所示，固晶厚度是中间镂空的ＭＥＭＳ热电堆芯片侧壁底面与底座之间固晶层的厚度。爬胶高度是银浆在ＭＥＭＳ热电堆芯片贴片过程中受到一定程度的挤压，爬到ＭＥＭＳ热电堆芯片侧壁的高度。根据对不同点胶高度下贴片高度与爬胶高度的数据分析，如图９和图１０所示可知：

（１）在不同的点胶高度下，贴片高度与爬胶高度之间总存在一种确定的关系趋势，即随着贴片高度的增加，爬胶高度在不断减小。在不同的点胶高度下，贴片高度与固晶厚度之间也存在一种确定的关系趋势，即随着贴片高度的增加，固晶厚度在不断增加，到达极值点后，随即减小。

（２）在点胶高度为８０μ ｍ和１７０ μｍ 的情况下，爬胶高度随贴片高度减小的趋势陡峭，波动幅度较大，固晶器件的稳定性较差。在点胶高度为１１０μ ｍ和１４０μｍ 时，爬胶高度随贴片高度减小趋势平缓，波动值较小，固晶器件的稳定性较高且贴片高度随固晶厚度变化的趋势比较平缓，波动值较小，固晶器件的稳定性较高，符合要求。

３．４ 热应力仿真分析

压力参数确定后，ＭＥＭＳ热电堆系统挤出的银浆量是固定的，即银浆的实际体积是固定的，在固晶过程中，银浆的表面形貌会改变，但银浆的体积量是不变的。银浆的总体积即为：

其中：爬胶高度为Ｈ １，固晶厚度为 ｈ，银浆宽度为ｄ ，银浆长度为Ｌ 。

由上节分析可知，在点胶高度设置为１１０μ ｍ和１４０μｍ 的情况下，贴片高度随固晶厚度变化的趋势较平缓，且确定的点胶高度和固晶高度对应着图１０和图１１中唯壹的爬胶高度和固晶厚度。在缩小点胶高度和固晶高度选择范围并结合式（１）后，可得出不同银浆的三维模型如表１所示。

ＭＥＭＳ热电堆传感器作为测温传感器，一般工作温度范围需保持在常温下。在仿真实验中，当常温为３０℃时，模拟了ＭＥＭＳ热电堆芯片固晶的过程。根据对不同固晶厚度和爬胶高度下，银浆的热应力分布结果如下图１１所示，可知：在常温３０℃下，固晶厚度为４０μ ｍ、爬胶高度为１７０ μｍ对应的*大热应力值是*低的。对照表一可知：点胶高度在１４０μ ｍ，贴片高度在４６０ μｍ时， ＭＥＭＳ热电堆芯片和底座之间的热应力值*低，芯片与底座连接牢固且有良好的热通道进行传热。

４　ＭＥＭＳ热电堆芯片固晶强度测试

 与一般的半导体贴片工艺一样，在ＭＥＭＳ 热电堆固晶工艺中，芯片剪切强度是衡量芯片固晶工艺 性能 的重 要指 标。在 压力 参数 为０．３ＭＰａ情况下，对 ＭＥＭＳ热电堆芯片进行了不同点胶高度和贴片高度下的贴片操作，并在加热盘加热 ６０ｍｉｎ 以后，在常温下进行了冷却固化。

 实验所用芯片是基于封闭膜结构的ＭＥＭＳ热电堆芯片，尺寸为１．８×１．８×０．４ｍｍ 。强度实验平台是基于视觉识别的 ＭＥＭＳ热电堆芯片固晶系统，强度测试用的是Ｎｏｒｄｓｏｎ　ＤＡＧＥ　４０００推拉力测试仪。

５结论

 本文通过大量实验，对ＭＥＭＳ热电堆固晶主要工艺参数：压力参数、贴片高度、点胶高度进行了分析和实验优化，在结合实验数据基础上，通过有限元ＡＮＳＹＳ软件，模拟相同温度下，不同固晶厚度的银浆与芯片接触处的热应力分布，找出了*佳的固晶厚度参数，**优化了点胶高度和贴片高度。*后，对所优化的固晶工艺参数进行了ＭＥＭＳ热电堆芯片固晶强度测试与验证。结果证明：压力参数为０．３ＭＰａ、点胶高度为１４０ μｍ 、贴片高 度为 ４６０μ ｍ时，固 晶推 力均 值为４３．１４Ｎ 。它的固晶强度大，固晶质量好。它能够满足固晶强度要求，有助于提高ＭＥＭＳ热电堆芯片封装可靠性与成品率。