石英MEMS傳感器芯片與盒蓋封裝的熱應力分析.pdf

1、微機電系統(tǒng)（Micro-electro-mechanical Systems）技術是采用各種前沿的微納加工技術，并輔以最新的現(xiàn)代信息電子及技術發(fā)展起來的高科技前沿學科。隨著深入的研究，MEMS器件的結構也越來越復雜，在一個微小的三維空間里集成的各種材料的元器件也越來越多。在此情況下，MEMS器件的性能也備受關準，MEMS器件的失效問題也變得日益突出。對于熱應力造成的失效，主要是由于器件在封裝或者工作過程中內部產(chǎn)生的熱殘余應力會對其造成很

2、多不同形式的失效。在MEMS器件中，由于各種材料之間的熱膨脹系數(shù)的差異（俗稱熱匹配不良），以及各種材料鍵合在一起形成的各種鋒利的形狀，更容易產(chǎn)生熱應力集中現(xiàn)象，從而使器件發(fā)生失效。
　　本論文中研究課題來源于日本產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所（NEDO）和早稻田大學植田研究室的合作開發(fā)項目，分別從封裝和芯片兩個不同的角度，分析了一款 MEMS氫氣傳感器芯片及 LTCC盒蓋封裝的熱應力分布。所有的分析過程均通過有限元分析方法來實現(xiàn)，并對分析的結

3、果進行再設計、再分析。其中對于石英晶體這樣的各項異性材料，通過一系列的坐標轉換方法，得到了其在分析所需要的特定晶向坐標系下的材料屬性，針對石英MEMS器件，設計了相應的實驗來測量邊界熱載荷，即通過石英的晶振特性，通過測量晶振頻率來獲得相應的熱載荷的數(shù)值。然后分別使用Comsol Multiphysics和ANSYS Workbench軟件以及相應的CAD軟件建立起三維有限元模型，先對模型進行溫度場的分析，然后再運用熱、結構耦合模塊對模型