芯片级原子器件MEMS碱金属蒸气腔室制作

提出了基于两步低温阳极键合工艺的碱金属蒸气腔室制作方法,用于实现原子钟、原子磁力计及原子陀螺仪等器件的芯片级集成.由微机电系统(MEMS)体硅工艺制备了腔室结构.首先采用标准工艺将刻蚀有腔室的硅圆片与Pyrex玻璃阳极键合成预成型腔室,然后引入氮缓冲气体和由惰性石蜡包覆的微量碱金属铷或铯.通过两步阳极键合来密封腔室,键合温度低于石蜡燃点198℃.第一步键合预封装腔室,键合电压小于缓冲气体的击穿电压.第二步键合在大气氛围中进行,电压增至1 200 V来增强封装质量.通过高功率激光器局部加热释放碱金属,同时在腔壁上形成均匀的石蜡镀层以延长极化原子寿命.本文实现了160℃的低温阳极键合封装,键合率达到95％以上.封装的碱金属铷释放后仍具有金属光泽,实现的最小双腔室体积为6.5 mm×4.5 mm×2 mm.铷的吸收光谱表明铷有效地封装在腔室中,证明两步低温阳极键合工艺制作碱金属蒸气腔室是可行的.     

微晶玻璃与不锈钢阳极键合残余应力分析

微机电系统封装过程中产生的应力会影响其封装效果与使用寿命,针对微晶玻璃与不锈钢阳极键合温度引起的残余应力问题,采用MARC有限元软件对微晶玻璃与不锈钢键合冷却过程模拟。分析了微晶玻璃与不锈钢在不同厚度比值与面积比值键合结构下的残余应力分布规律。结果表明:微晶玻璃与不锈钢厚度比值越小,最大残余应力越小;随着不锈钢与微晶玻璃面积比值的增大,残余应力逐渐趋于平稳。研究结果为改善微晶玻璃与不锈钢阳极键合质量提供了理论参考与设计依据。     

谐振式MEMS压力传感器的制作及圆片级真空封装

为了提高传感器的品质因数,有效保护谐振器,提出了一种基于绝缘体上硅(SOI)-玻璃阳极键合工艺的谐振式微电子机械系统(MEMS)压力传感器的制作及真空封装方法。该方法采用反应离子深刻蚀技术(DRIE),分别在SOI晶圆的低电阻率器件层和基底层上制作H型谐振梁与压力敏感膜;然后,通过氢氟酸缓冲液腐蚀SOI晶圆的二氧化硅层释放可动结构。最后,利用精密机械加工技术在Pyrex玻璃圆片上制作空腔和电连接通孔,通过硅-玻璃阳极键合实现谐振梁的圆片级真空封装和电连接,成功地将谐振器封装在真空参考腔中。对传感器的性能测试表明:该真空封装方案简单有效,封装气密性良好;传感器在10kPa~110kPa的差分检测灵敏度约为10.66 Hz/hPa,线性相关系数为0.99999 542。     

玻璃-硅微结构封装过程工艺参数对键合质量的影响

通过MEMS封装试验平台,对键合过程中的键合温度、键合时间等工艺参数以及试验硅片规格进行试验研究。通过改变键合温度、键合时间以及试验硅片规格等参数,进行玻璃-硅键合对比试验。计算每组对比试验的键合空隙率,分析每组对比试验空隙率的数据,归纳总结影响键合质量的因素以及达到键合最佳效果的键合条件。试验结果表明:键合电压为1 200 V,温度为445~455℃,键合时间为60 s时,空隙率小于5%,玻璃与硅片的键合质量达到最佳,为提高玻璃-硅键合质量提供了依据。     

基于硅硅键合技术的高精度压力传感器的研究

硅压阻压力传感器核心部件一般是由单晶硅和玻璃组成的微结构,由于单晶硅和玻璃的材料特性存在差异,在制造过程中会引入封装应力对传感器的性能产生不利影响。采用硅硅键合技术制造压力传感器核心部件的微结构,以同质材料替代异质材料实现器件的封装,可有效减少封装应力,提升压力传感器的性能。文中通过结合硅压阻压力敏感芯片的制造工艺和硅硅键合工艺,实现了敏感芯片与硅衬底间的硅硅键合,键合强度达到体硅强度。研制的差压型压力敏感芯片装配成传感器的零点温度漂移下降60%,静压误差下降约1个数量级。     

内置皮拉尼计的硅通孔圆片级MEMS真空封装研究

针对现有的圆片级真空封装存在检测难、易泄漏等问题,提出了内置皮拉尼计的硅通孔圆片级MEMS真空封装方法。研制了用于圆片级真空封装导线互连的硅通孔,探讨了玻璃盖板与硅圆片之间阳极键合工艺与硅圆片与硅圆片之间的金硅共晶键合工艺,研制了用于检测封装壳体内部真空度的皮拉尼计; 研制了内置皮拉尼计的4英寸硅通孔圆片级真空封装,研制了低温激活非蒸散型吸气剂。实验研究表明,该研究解决了长时间保持真空度的问题。     

低热零点漂移的高温绝压压力传感器

传统的高温绝压压力传感器一般采用硅和玻璃进行阳极键合来制备绝压腔。由于高温环境下硅片和硼硅玻璃的热膨胀系数不匹配，从而产生较高的热零点漂移。文中提出了一种低热零点漂移的压力传感器设计方案，由硅-玻璃-硅的三层结构代替普通的双层阳极键合结构，并给出了热力学仿真模型。分析表明：改变传感器硅与玻璃的结构比例，实现应力匹配可以有效减小热应力。对芯片进行了高温实验测试，发现传感器的热零点漂移变化率减小了50%。     

多层玻璃/铝阳极键合的扩散机理分析

通过对多层玻璃/铝进行阳极键合,分析了键合后过渡层的形貌与元素组成,探讨了键合过程的键合机理。研究认为:金属与玻璃阳极键合的根本是在键合过程中离子扩散和界面处的氧化,键合与界面的紧密接触和形成的有效氧化物有关。     

静电键合力引起硅微结构畸变的研究

硅微机械力敏器件在封装时往往采用硅—玻璃静电键合的方法。但在静电键合时静电力也往往作用于不需要键合的结构部分。并可能引起这些结构的畸变，造成器件特性劣化或破坏。本文分析了静电力的这些影响，并结合实践提出了一些解决方法     

玻璃与铝多层阳极键合接头力学性能分析

阳极键合是一种利用电和热相互作用实现固体电解质玻璃(陶瓷)与金属材料固态连接的一种新方法.运用共阳极法实现多层玻璃/铝的键合,并采用微拉伸试验和MARC非线性有限元分析软件,分析了玻璃与铝多层键合试件冷却后,接头的力学性能和残余应力分布状况.试验发现,在玻璃/铝/玻璃多层连接区,键合界面附近的残余应力和应变呈对称分布,多层结构的对称性有利于缓解接头应变和应力,表明应用公共阳极法可实现多层玻璃/铝/玻璃的良好键合.     

Comparative analysis of chipping mechanics of float glass during rotary ultrasonic drilling and conventional drilling: For multi-shaped tools

Float glass has immense applications such as sensor glass, micro-processor glass and decorative glass; because of its exceptional wear resistance, chemical and thermal characteristics. Nevertheless, researchers are still bearing decisive issues, which affect its application. These issues are profile inaccuracy and chipping because of its poor machining characteristics and hence high precision machining. The objective of the present study is to condemn the chipping related hindrances while using multi-shaped diamond abrasive tools to create blind holes. The tools, which applied, are named as hollow abrasive tool, pinpointed conical tool, flat cylindrical tools and concave circular tool. The experimental trials were performed by rotary ultrasonic drilling (RUD) and CNC conventional drilling (CD). The actual industrial conditions and parameters were considered throughout the experimentation. Physics behind the formation of chipping on hole periphery by RUD and CD are revealed. In addition, individual mechanisms of multi-shape tools with respect to chipping are analyzed. The results show that RUD process has attained the smallest measurement of chip radial distance as compared to CD for all types of tool. Finally, the concave circular tool is found as the best tool particularly to get least chip radial distance during drilling i.e. 0.1145?mm.     

硅钢芯片冲裁工艺分析与对策

分析了冲裁硅钢芯片时出现的质量问题,针对影响硅钢芯片冲裁质量的4大因素——人、原材料状态、工艺和工装进行了工艺试验和分析,根据原材料状态的差异,采用不同工艺方案,特别是如何合理选择冲裁模具间隙,解决了硅钢芯片冲裁时产生的主要质量问题,使冲裁的硅钢芯片达到最佳质量状态,并满足硅钢芯片的使用性能。     

The electrostatic-alloy bonding technique used in MEMS

Electrostatic-alloy bonding of silicon wafer with glass deposited by Au to form Si/Au-glass water, and bonding of Si/Au-glass with silicon wafer were researched during fabrication of pressure sensors. The silicon wafer and glass wafer with an Au film resistor were bonded by electrostatic bonding, and then Si-Au alloy bonding was formed by annealing at 400°C for 2 h. The air sealability of the cavity after bonding was finally tested using the N₂ filling method. The results indicate that large bond strength was obtained at the bonding interface. This process was used in fabricating a pressure sensor with a sandwich structure. The results indicate that the sensor presented better performances and that the bonding techniques can be used in MEMS packaging. __________ Translated from Journal of Harbin Institute of Technology, 2005, 37(1) (in Chinese)     

电子封装金属微凸点制备技术研究进展

起着电互连、热传递和机械支撑等重要作用的金属微凸点是基于面积阵列封装的关键。以球栅阵列封装（Ball Grid Array Packaging, BGA）、芯片尺度封装（Chip Scale Packaging, CSP）以及倒装芯片封装（Flip Chip Packaging, FCP）为代表的面积阵列封装形式凭借硅片利用率高、互连路径短、信号传输延时短以及寄生参数小等优点迅速成为当今中高端芯片封装领域的主流。然而,不同应用领域的微凸点具有尺寸跨度大、材料范围广的特点,很难有一种技术能实现全尺寸范围内不同材料金属微凸点的制备。文中综述了当前主流的微凸点制备技术,包括每种技术的优缺点及其适用范围、常见微凸点材料等,最后对当下微凸点制备技术的发展趋势进行了展望。     

基于SOI的E型膜结构耐高温压力芯片的设计与制造

文中设计了一种基于SOI材料的E型膜结构无引线倒封装压力芯片.SOI材料的选用解决了高温环境下漏电流的问题,可以满足目前航空发动机对于高温使用环境的要求.E型膜结构与传统C型膜结构相比解决了灵敏度与线性度无法同时满足需求的难题.通过无引线倒封装工艺,实现了传感器小型化、轻量化的设计需求.设计的压力传感器量程为0～1.5...     

硅微陀螺仪器件级真空封装

为实现硅微陀螺仪真空封装以提高其性能,对硅微陀螺仪器件级真空封装技术进行研究.首先,设计硅微陀螺仪的专用陶瓷封装管壳,并采用钎焊技术进行封帽,采用金锑合金为焊料以满足封装过程中的高温.分析除气工艺对硅微陀螺仪品质因数的影响,除气试验结果表明,将硅微陀螺仪芯片和封装壳体放置在真空炉中进行高温烘烤,能有效地提高硅微陀螺仪的品质因数.制定硅微陀螺仪器件级真空封装的工艺流程,封装好的硅微陀螺仪的品质因数约为10 363.7,约为空气下的50倍.硅微陀螺仪品质因数跟踪测试结果表明,真空封装的硅微陀螺仪存储5个月后,其品质因数降低为最初的55.1%,这表明采用该器件级真空封装技术封装的硅微陀螺仪的真空保持度较差,有待进一步研究.     

基于SOI晶圆材料的硅微压传感器

为解决硅微压传感器制作过程中存在的问题,以SOI晶圆材料为基础,使用有限元方法优化设计岛-膜型1kPa压力敏感结构,采用MEMS工艺完成传感器芯片制作,并对封装后的传感器进行了测试。测试结果表明,传感器输出灵敏度大于60 mV/kPa,非线性小于0.1%FS,精度小于0.5%FS,器件具有较好的性能指标。     

倒装焊芯片封装中的非接触检测技术

介绍了倒装焊芯片生产工艺及其质量控制中所需检测的项目,并分类综述了其中所涉及的光学检测、X射线检测、声学检测等几种非接触检测方法的基本原理和步骤,这些方法对于微纳米制造中微结构性能测试和缺陷检测具有同样重要的意义。     

硅微陀螺仪器件级真空封装技术研究

为进一步提高硅微陀螺仪的品质因数及其稳定性,研究了硅微陀螺仪器件级真空封装的高真空获取技术和真空保持技术。首先,以硅微陀螺仪动力学方程为基础,分析了硅微陀螺仪的误差信号与品质因数之间的关系,并采用稀薄气体动力学分析具有高品质因数陀螺仪的空气阻尼。根据早期真空封装陀螺仪的品质因数跟踪测试曲线,分析了品质因数下降原因。采用程序升温脱附职谱分析法（TPD-MS）分析陶瓷管壳和金属盖板的放气特性,并选用了合理的吸气剂。最后,改进了器件级真空封装流程。测试结果表明,采用改进的器件级真空封装的陀螺仪品质因数最高可达162660,约为早期真空封装陀螺仪品质因数的14倍,且在一年内的变化小于0.05%。