光学 MEMS 器件气密性封装结构温度循环可靠性分析

光学MEMS 器件气密性封装结构温度循环可靠性分析

苏俊辉，张乾丰，张境煌，刘湛

五邑大学- 中国科学院半导体研究所数字光芯片联合实验室

摘要：

针对光学MEMS 器件封装结构，采用正交实验与有限元仿真相结合的方法分析温度循环条件下玻璃封盖、键合环、基体对 MEMS 封装结构热应力的影响，以最大等效应力为指标研究各结构参数对封装热可靠性的影响程度，并进行其结构优化。根据有限元仿真结果得到一组结构参数优化组合，其最大等效应力小于优化前的封装结构，为提高 MEMS 器件封装结构服役过程中的可靠性提供参考。

0 引言

微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems）简称 MEMS，是指在微电子工艺的基础上将机械结构与电子器件集成于一体的微型器件或系统。自 20世纪 80 年代末问世以来就得到普遍重视[1]，在航空航天[2]、汽车工业[3]、生物医疗[4] 等领域都有广阔的应用场景和应用潜力。光学 MEMS 器件作为一种独特类型的 MEMS 器件，其制造技术沿袭了传统 MEMS器件，此类器件不仅具备对机械单元进行操控的能力，还具备对光信号进行调控的功能[5]。光学 MEMS器件通常需要在一个封闭环境中工作，因此需要提供满足密闭腔和光学通路要求的保护封装结构。

光学MEMS 器件在实际应用中将面临功率循环与温度循环作用，为确保光学 MEMS 器件在多变的工作环境中能持续、稳定地发挥性能，因此需要对封装结构进行循环载荷作用下的可靠性分析。由于光学 MEMS 器件封装结构中不同材料的热膨胀系数不同，在温度循环的条件下会产生热应力，进而影响光学 MEMS 器件的稳健性和工作寿命。因此，在进行封装结构设计时，需要对其进行温度循环分析，而有限元仿真因其便利性已经广泛运用在微电子封装结构的可靠性分析上。例如邵凤山[6] 对某微系统封装结构的焊点寿命进行研究分析；陈双宏[7] 对球珊阵列结构封装的可靠性进行模拟分析；Tang [8] 对叠层芯片封装结构进行研究，运用有限元分析模拟封装结构在温度循环下的热应力分布以及使用田口法优化封装结构。

本文利用Abaqus 有限元软件对光学 MEMS 器件封装结构进行仿真建模和温度循环测试，通过正交实验方法探究不同结构参数对最大等效应力的影响，根据实验结果对结构参数进行调整，以提高光学MEMS 器件封装结构的可靠性。

1 仿真设计与方法

1.1 结构与建模

本文设计的封装整体结构如图1 所示，封装结构由以下部分组成，包括玻璃封盖、键合环、基体和键合金属中间层。其中玻璃封盖提供光学通路，厚度为 600μm；键合环厚度为 400μm，提供密闭腔；基体厚度为 900μm，为光学 MEMS 器件提供载体；键合金属中间层分别为粘结层金属 Ti，每层厚度为70nm，键合层金属 Au，每层厚度为 900nm，键合环与基体通过键合金属中间层进行金 - 金扩散键合[9]。封装结构各部分尺寸如表 1 所示。上述封装结构可为光学 MEMS 器件提供稳定、可靠的工作环境。

基于实际设计结构与尺寸建立有限元仿真模型，考虑到本文主要是对封装结构进行仿真，因此建模时忽略光学MEMS 器件以及内部电路。仿真模型主要为玻璃封盖、键合环、基体和键合金属中间层，网格划分方式选用六面体网格划分，单元的选择为“C3D8RT”单元，为确保计算结果的准确，对微小尺寸的键合金属中间层进行局部网格细化，并进行光学 MEMS 器件封装结构仿真模型的网格数量与质量进行验证，其仿真模型网格划分如图 2 所示。

使用“双线性随动硬化”模型来描述键合金属中间层的弹塑性本构模型。而玻璃材质与硅材质相对于键合金属中间层来说硬度较高，在本次实验中不会发生塑性形变，因此可以简化为线弹性材料，各部分材料参数如表 2 所示[10-11]。

1.2 仿真方法

使用Abaqus 有限元仿真软件的温度位移耦合模块来完成对封装结构的完全热力耦合仿真，将表2 中参数导入材料截面，并将材料截面赋予相应的模型。各部件之间的接触设置为绑定接触。 整体模型施加预定义温度场载荷，温度为 20℃；玻璃封盖与环境温度形成热对流，对玻璃封盖表面施加表面热交换条件的相互作用，散热系数为 20W·m-2·℃-1；仿真忽略温度加载过程中的温度非均匀性[12]；基体底面采用固定约束。

根据JESD22-A104F 标准中的条件 G 对光学MEMS 器件晶圆级封装结构进行温度循环分析，设置温度循环为低温 -40℃，高温 125℃，循环次数为3 次[13]。在通常情况下，第三次循环的应力应变结果趋于稳定，在不影响计算结果与效率的情况下，等效应力应变特征值在第三周期内进行选取较为合适[14]。在温度循环仿真中，对模型整体施加温度载荷，通过幅值曲线控制温度的变化，仿真温度循环曲线如图 3 所示。首先温度以 15℃/min 速率从室温20℃升至 125℃，在高温区维持 5 分钟，随后以同样的速率从 125℃下降至 -40℃，在低温区维持 5 分钟，至此完成一个循环，温度循环重复加载共计 3 个周期，总计 5520 秒。

为减少网格数对仿真结果的影响以及计算资源的充分利用，分别创建了网格数为41550、52550、98414、115342、136190 共 5 个模型，以最大等效应力作为网格收敛性的评判标准[15-16]。网格对仿真的影响如图 4 所示，不同网格数下的最大等效应力分别为 370MPa、366MPa、296MPa、286MPa、283MPa。随着网格数量的增加，最大等效应力逐渐趋于稳定，最后三组最大等效应力结果相差小于 5％。因此可与认为 98414 网格数量满足仿真要求，模型网格划分采用 98414 网格情况。

1.3 实验设计

对于光学MEMS 器件封装结构，由于各部分热膨胀系数不同，其结构参数的变化会引起最大等效应力的变化。在本次实验中，以玻璃封盖的厚度，键合环的厚度和基体的厚度作为影响因素，以最大等效应力作为指标，运用正交实验来优化封装结构在温度循环中的最大等效应力，影响因素及水平如表3 所示。

根据实验水平以及影响因素设计正交实验表需要满足两个要求；（1）不同水平下各结构参数出现的概率相等；（2）任意两个结构参数，出现同样水平的概率是相同的。使用正交实验可以减少试验所需次数，对三因素三水平进行完整实验，需要进行 27 次实验，而正交试验只需 9 次，本次 L9（3×3）正交试验设计如表 4 所示。

2 结果与分析

2.1 仿真结果

根据上述仿真模型的尺寸和边界条件的加载和网格划分，对封装结构进行热力耦合仿真，仿真结果如图5 所示。在 125℃的高温下，封装结构的最大等效应力出现在基体中的粘接层 Ti 与键合层 Au 之间，为 296MPa。由于粘接层 Ti、键合层 Au 与硅三者的热膨胀系数不同，导致各自形变行为不一致，使得在温度循环测试中会产生较大的等效应力。对于整体封装结构而言，键合金属中间层为封装结构的危险位置，因此在后续对可靠性研究与封装结构设计中要着重分析键合金属中间层的应力应变情况。

在温度循环载荷加载过程中，键合金属中间层的应力应变分布规律相似，其数值也的变化与温度变化规律相同，如图6 所示。在一个温度循环中，温度达 到 最 大 值 125℃ 时应 力 数 值 达 到 高 峰 ，为296Mpa；随着温度来到 20℃时应力的数值达到最小值；而当温度达到 -40℃时应力应变的数值迎来了相对较低的第二个峰值，随后伴随着温度的上升而逐渐下降。

2.2 实验结果分析

在田口实验中通常使用信噪比η 来表示实验参数对目标的影响程度，在本次实验中则表示为结构参数对等效应力影响程度，以较小的等效应力作为优化目标，因此采用望小型信噪比公式，公式如下所示：

计算最大等效应力所对应的信噪比值，式中i为实验序号，Xi 为第 i 次实验结果，N 为实验次数。本次实验以 MEMS 器件的最大等效应力作为品质特性，采用望小特性信噪比来衡量和评估 MEMS 器件结构参数对最大等效应力的影响程度。信噪比的高低表示 MEMS 器件保持最大等效应力接近理想最小值方面的能力。信噪比越高表示优化效果越好，即最大等效应力越小，结果如表 5 所示。

为分析3 水平下玻璃封盖厚度、键合环厚度、基体厚度对封装结构的影响，将各结构参数在相同水平下的最大等效应力信噪比相加并平均，并依此得到各结构参数随不同水平的变化趋势，结果如表 6所示。

将表6 中各结构参数在各水平下的最大等效应力信噪比用折线图绘制，为方便叙述用 A、B、C 分别指代玻璃封盖厚度、键合环厚度、基体厚度，如图 7所示。从图中可以看出，玻璃封盖厚度为 500μm、键合环厚度 500μm、基体厚度时 1000μm 时，封装结构将具有最小的等效应力。

利用方差分析来测定玻璃封盖厚度、键合环厚度、基体厚度对最大等效应力的影响程度，如表7 所示。P 值是指因素对目标的影响程度，P 值越小，表明此因素对目标的影响程度就越大。当 P 值 <0.05时，该因素就可以认定为对目标具有显著影响[17]。从表 7 中可以得知玻璃封盖厚度、键合环厚度、基体厚度对等效应力具有显著影响，将 3 项因素按影响程度排序：基体厚度 > 键合环厚度 > 玻璃封盖厚度。

2.3 仿真验证

为确定以上分析的优化结构参数组合的正确性，使用Abaqus 有限元仿真软件对结构参数的封装结构进行仿真计算，仿真结果如图 8 所示。封装结构的最 大 等 效 应 力 出 现 在 基 体 的 粘 接 层 Ti 处 ，为279MPa，相较于优化之前的等效应力 296MPa，减少了 5.7％，由此可见，上述所优化的结构参数能够缓解封装结构在温度循环中的应力问题。

3 结论

本文主要进行了光学MEMS 器件封装结构的仿真和优化工作，利用 Abaqus 有限元仿真软件对封装结构进行 -40~125℃温度循环条件下的仿真实验。将玻璃封盖厚度、键合环厚度、基体厚度作为影响因素，以最大等效应力作为优化目标，通过田口正交实验方法对封装结构参数进行优化。经过结果分析，得出 MEMS 封装结构参数优化组合：玻璃封盖厚度为 500μm、键合环厚度为 500μm、基体厚度为1000μm。这 3 种结构参数对等效应力的影响程度排序为：基体厚度 > 键合环厚度 > 玻璃封盖厚度。针对该优化结构参数进行仿真计算，得到优化后的等效应力为 279MPa，减少了 5.7％，证明了该优化方案能够缓解封装结构在温度循环中的应力问题。