倒裝芯片封裝對mems器件性能的影響

1、H I PP A C K A G I N G o N P E R F o R M A N C E o FM E M S D E V I C E SA D i s s e r t a t i o nS u b m i t t e d t oS o u t h e a s t U n i v e r s i t yF o r t h e A c a d e m i cD e g r e e o f M a s t e r o f E n g

2、 i n e e r i n gB YW E I S o n g —s h e n gS u p e r v i s e d b yP r o f ．T A N G J i e ·y i n gS c h o o lo f E l e c t r o n i cS c i e n c e a n d E n g i n e e r i n gS o u t h e a s t U n i v e r s i t yJ a n

3、u a r y 2 0 1 0摘要封裝與可靠性已成為M E M S 技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的瓶頸?，F(xiàn)在許多M E M S 產(chǎn)品的封裝還停留在沿用老的I c封裝工藝的階段，但是由于M E M S 封裝要求的特殊性，傳統(tǒng)的封裝形式已不能滿足需要。倒裝芯片封裝，作為一種先進封裝的代表性技術(shù)，在M E M S 領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景。但是目前，M E M S 倒裝芯片技術(shù)還大多數(shù)局限于實驗室的開發(fā)試驗階段。其中一個關(guān)鍵問題就在于M E M S 器件性能受封

4、裝效應(yīng)的影響尤為明顯。因此，研究M E M S 的倒裝芯片封裝技術(shù)及其相關(guān)的可靠性問題變得非常重要。本文主要關(guān)注M E M S 倒裝芯片封裝設(shè)計的相關(guān)可靠性問題。通常，由于封裝體中不同材料間的熱失配效應(yīng)，封裝工藝過程和環(huán)境溫度載荷會引起芯片表面的殘余應(yīng)力分布。這些應(yīng)力的影響可能會直接改變器件的性能。M E M S 器件由于其微小尺寸和存在可動部件，從本質(zhì)上對各種應(yīng)力敏感。本文中我們首先分析了倒裝芯片封裝應(yīng)力在芯片表面的分布情況，并預(yù)測了

5、這些應(yīng)力分布會對M E M S 器件性能造成的影響。設(shè)計了壓阻式應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)和相應(yīng)地制作流程，用于實驗檢測和驗證。隨著高密度封裝技術(shù)的發(fā)展，一些先進的封裝形式如三維疊層封裝已使封裝系統(tǒng)變的越來越復(fù)雜。對于大型封裝系統(tǒng)的設(shè)計和模擬，利用傳統(tǒng)的軟件模塊和分析方法碰到了許多問題。節(jié)點分析方法，作為l C 設(shè)計的經(jīng)典方法，在M E M S系統(tǒng)的設(shè)計中也展現(xiàn)出了很多的優(yōu)勢。依據(jù)M E M S 分布節(jié)點分析法的基本原理，本文初步建立了溫度載荷下倒裝

6、芯片封裝的節(jié)點模型。本文首先建立了倒裝芯片封裝應(yīng)力模擬的三維參數(shù)化有限元模型，分析了4 x 4 面陣列凸點分布形式下倒裝芯片表面熱應(yīng)力分布和變形情況。然后分別考察了2 x 2 、6 x 6 、8 x 8 面陣列凸點分布形式和4 x 4 單周、6 x 6 單周與雙周的周邊陣列凸點分布形式的倒裝芯片表面應(yīng)力和變形的分布，并對所有分布加以比較和分析。4 x 4 面陣列凸點分布形式倒裝芯片的應(yīng)力分布規(guī)律對其他凸點分布形式的倒裝芯片也基本適用。但

7、是隨著凸點分布密度的增加，芯片表面的應(yīng)力和變形明顯增大。同時有限元模擬還考察了基板類型和基板厚度對應(yīng)力分布規(guī)律的影響。借助于有限元模擬的結(jié)果，分別估測了一M E M S 加工的懸臂梁器件和固支梁器件受封裝應(yīng)力影響后器件性能的改變情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于常規(guī)4 ×4 面陣列情況，倒裝焊后的懸臂梁吸合電壓的最大相對變化率為5 ％，而固支梁一階固有諧振頻率最大相對變化率為1 1 0 ％。通過對倒裝芯片表面封裝應(yīng)力情況的模擬，得到了一些可

8、以實際指導(dǎo)M E M S 封裝設(shè)計的有效結(jié)論。同時也更深入了解了封裝應(yīng)力對器件性能的影響情況。文中利用節(jié)點法建模的基本思想，初步建立了溫度載荷下倒裝芯片行為分析的節(jié)點模型，討論了面陣列凸點分布方案下芯片表面的變形和應(yīng)變情況，探討了4 x 4 、6 x 6 與8 x 8 面陣列不同凸點分布方案對芯片表面變形和應(yīng)變分布的影響，并借助有限元模擬驗證了節(jié)點模型。最后由節(jié)點法和有限元的結(jié)果計算了封裝變形對M E M S 懸臂梁器件靜電吸合電壓的影

9、響，并對疊層封裝的封裝效應(yīng)進行了考察。最后，提出了倒裝芯片封裝應(yīng)力檢測的具體實驗方案，給出了針對常用倒裝芯片封裝結(jié)構(gòu)的不同凸點分布的版圖設(shè)計和相應(yīng)的基板設(shè)計，以及焊接封裝的工藝步驟。針對倒裝芯片封裝的應(yīng)力檢測問題，提出并設(shè)計了一種新型的帶應(yīng)力隔離槽的壓阻式應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)，并給出了測試芯片加工的具體工藝流程。本文通過對M E M S 倒裝芯片封裝效應(yīng)的研究，獲得一些對M E M S 封裝設(shè)計有指導(dǎo)性意義的結(jié)論。研究表明，倒裝芯片封裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生