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作为MEMS领域的关键技术,MEMS封装与可靠性技术在研究和开发方面严重滞后于器件的设计和制造,成为制约MEMS产品应用的一个主要因素。随着MEMS由实验室研究向产业化转化,MEMS封装与可靠性研究越来越引起人们的重视。本文主要围绕MEMS封装与可靠性的基础问题进行研究。在分析国内外MEMS封装与可靠性研究现状的基础上,对MEMS封装与可靠性的基本理论进行了归纳总结,并对两种典型的MEMS器件分别进行了封装与可靠性的分析与设计。
本文归纳了MEMS可靠性基本原理,分析了MEMS器件的设计与制造、MEMS材料、结构对MEMS可靠性产生的影响,总结了常见的MEMS失效机理。归纳了MEMS封装技术,介绍了MEMS器件的封装结构、圆片级封装与芯片级封装、键合等问题。总结了MEMS测试技术,归纳了MEMS可靠性环境实验的类别与内容,以及常用的MEMS失效分析设备。
可伐—玻璃—硅键合是一种适用于MEMS能量器件的高温封装工艺。在高温下,三种不同材料热膨胀系数失配而产生的热应力,可能导致键合区域的变形,从而影响封装的气密性。本文利用ANSYS对封装结构进行数字模拟,计算了从室温到燃烧室的工作温度,以及高达1220K的键合温度下,封装结构的热应力与热形变。并讨论了玻璃柱尺寸和金属管尺寸对于封装结构热性能的影响。进行了可伐-玻璃-硅键合的工艺实验,制作了微型燃烧室封装的实验样品。
压阻式大过载加速度计是一种常用的MEMS惯性器件。样品实弹测试显示,压阻式大过载加速度计在冲击下可能发生断裂失效。本文总结了压阻式大过载加速度计的断裂失效类型,利用ANSYS对加速度计敏感结构进行了数字计算,研究了断裂失效产生的原因,提出了圆角改进结构,以克服冲击下的断裂失效。利用数字模拟对改进前后的三种结构进行了分析,比较了改进前后应力分布和灵敏度的变化,讨论了圆角结构对冲击可靠性的改善作用,及其对灵敏度的影响。