复合量程加速度计阳极键合残余应力研究*

鲍爱达，徐香菊，龚 珊

(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室 电子测试技术重点实验室，山西 太原030051)

0 引言

随着MEMS技术的发展，各种类型的MEMS传感器在航天、军事、商业、民用等领域发挥着越来越重要的作用［1］。国内各研究机构对各种用途的新型传感器的研究热度更是越来越浓。在某些复杂的物理过程中，既有小到几个gn的加速度作用，又有成千上万个gn的加速度，用单一量程的加速度计很难精确测量到实际的加速度值，若用不同量程的加速度计，因灵敏度和安装位置的不同，也会对测量结果造成很大误差。为了适应这种情况而研制了复合量程加速度计。它采用传感器阵列的形式在同一硅片上制作量程分别为0～50，0～100，0～500，0～10 000 gn的4个单元，这样对低gn值与高gn值加速度都敏感，达到精确测量的目的。

在芯片级封装中采用了阳极键合技术，但键合过程是在比较高的环境下进行的，产生的残余应力会对加速度计的零位输出产生偏移，甚至在高温下会对微结构产生破坏［2～4］，以致对复合量程加速度计的使用状况和大量发展受到了限制，因此，对其残余热应力的研究是必要的。本文对复合量程加速度计的阳极键合过程进行了建模与仿真，分析了键合温度、玻璃基底的厚度和框架的键合宽度对梁上残余热应力的影响。

1 复合量程加速度计的设计

本文中研究的复合量程加速度计是利用硅的压阻效应制作的，其结构图如图1所示。将4个量程不同的加速度计单元制作在同一硅片上，每一个单元都采用了双端四梁结构。在4个悬臂梁上分别制作了2只力敏电阻器，当有外力作用于加速度计时，质量块上下振动，引起梁上的应力变化，从而电阻器的阻值变化，通过惠斯通电桥可以将这种变化以电压的形式表现出来。

图1 复合量程加速度计结构图Fig 1 Structure diagram of multi-ranged accelerometer

2 复合量程加速度计残余热应力的影响因素

复合量程加速度计的4个单元的结构相似，分析方法也相同，这里仅以0～50 gn为例分析其零位偏移的影响因素。图2是键合后的芯片剖面图，主要由玻璃基底、质量块、弹性梁和外围框架组成。采用阳极键合的方法将整个结构键合在一起。键合过程是在比较高的环境下进行的，由于材料的热膨胀系数等因素会产生残余应力，以致影响传感器的零位输出［5］。

用Ansys软件对复合量程加速度计的阳极键合过程进行建模与仿真:对如图2所示的模型施加一定的初始温度载荷，一定时间后，将其缓慢冷却到室温下，仿真求解得到梁端部应力的变化［6］。之后再分别改变键合温度、玻璃基底的厚度和框架键合的宽度，以确定梁上应力与这些因素的关系。

图2 键合后的芯片剖面图Fig 2 Sectional view of chip after bonding

2.1 键合温度对残余应力的影响

先保持其他条件不变，使键合温度分别从200～500℃变化，通过Ansys软件仿真可以得到梁上残余应力的变化值，如表1所示。

表1 不同温度下的应力值Tab 1 Stress at different temperature

可以看出:梁端部的应力随键合温度的增加而增加。为了减小这种残余热应力的影响，应改善键合工艺，在尽可能低的温度下完成硅与玻璃的键合过程。

2.2 玻璃基底的厚度对残余应力的影响

改变玻璃基底的厚度，使其他条件保持不变，分别取玻璃基底的厚度为200～800μm，对加速度结构进行仿真，得到如表2所示的数据。

表2 基底厚度不同时的应力值Tab 2 Stress with different thickness of glass substrate

可以看到，残余应力随玻璃基底厚度的增加而增加。当玻璃基底厚度超过450μm后，应力增大的趋势逐渐减缓。

因此，应选择比较薄的玻璃基底，可以降低加速度芯片性能和稳定性受应力的影响。

2.3 框架键合宽度对残余应力的影响

经过以上的分析，选取玻璃基底厚度为450μm，键合温度为380℃，分别改变键合宽度，使其从140～640μm变化，仿真得到应力随键合宽度的变化，数值如表3所示。

表3 不同键合宽度时的应力值Tab 3 Stress with different bonding width

可以看出:随着键合宽度的增加，梁上残余应力先增大后减小，在键合宽度为350μm左右，应力值达到最大;当键合宽度大于350μm后，应力值迅速减小，因此，键合宽度应大于350μm。

3 结论

通过以上分析可以看出:阳极键合过程中产生的残余应力不能忽略，它会引起加速度计的零位失调，还会造成结构的损伤［7］。梁上残余应力的大小与键合温度、玻璃基底的厚度和框架键合宽度有关，且应力随键合温度的升高成线性增加，随玻璃基底厚度的增加而增加，随键合宽度的增加先增大后减小。在键合过程中，在改善键合工艺的基础上，使键合温度尽可能的低，选取合适的键合宽度和薄的玻璃基底以减小梁上的残余应力。

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