[发明专利]一种MEMS器件残余应力温度特性的测量方法

摘要

本发明公开了一种MEMS器件残余应力温度特性的测量方法，将MEMS器件的机械结构和双端固支音叉谐振器集成在同一个芯片上，利用双端固支音叉谐振器频率与其梁上的轴向应力具有相关性，通过测试不同温度下的双端固支音叉谐振器频率，得到不同温度下的残余应力，从而得到残余应力的温度特性。本发明测试方法简单，可实现MEMS工艺产生的残余应力温度特性的测量；可实现封装每道工艺所产生的残余应力温度特性的测量；残余应力温度特性测量过程中，不需要拆开封装结构，不会对MEMS器件造成损伤。

主权项

一种MEMS器件残余应力温度特性的测量方法，将双端固支音叉谐振器(3)和机械结构(2)集成在一起形成MEMS芯片(1)，其特征在于还包括以下步骤：步骤一，在每个MEMS芯片(1)内，至少四个双端固支音叉谐振器(3)均匀布置在机械结构(2)四周，且呈对称布置的两个双端固支音叉谐振器(3)互相垂直布置；步骤二，微机械加工工艺结束后，在晶圆(4)上形成成百上千个MEMS芯片(1)，将晶圆(4)安装在温控探针台上，在晶圆(4)上不同的区域选取多个MEMS芯片(1)进行测试：首先通过扫描电子显微镜，测试所挑选MEMS芯片(1)上的双端固支音叉谐振器(3)的梁宽和梁长；然后利用探针及其引线与双端固支音叉谐振器(3)的驱动电极、检测电极和测控电路相连，构成闭环测控回路，根据温控探针台可调节的温度范围设置试验温度范围，利用探针、测控电路和测频电路测试所述双端固支音叉谐振器(3)在不同温度下的频率f_0,k,i(T)，将f_0,k,i(T)代入公式计算不同温度下的加工应力σ_0,k,i(T)，再采用最小二乘法进行加工应力σ_0,k,i(T)和温度T的多项式拟合，得到加工应力的温度函数：σ_0,k,i(T)＝σ_0,k,i(0)+a_0,1T+a_0,2T²+…+a_0,nTⁿ    (6)式中，σ_0,k,i(0)为0℃时加工应力的拟合值，a_0,1、a_0,2、a_0,n分别为加工应力的一阶、二阶和n阶温度系数；式中，k＝1,2,…,l，k表示MEMS芯片(1)的标号；i＝1,2,…,m，m≥4，i表示同一个MEMS芯片(1)上双端固支音叉谐振器(3)的标号；E为MEMS结构材料的杨氏模量，h为MEMS结构厚度，w、L分别为双端固支音叉谐振器(3)的梁宽和梁长，M为双端固支音叉谐振器(3)的等效质量；步骤三，采用划片工艺将晶圆(4)上的MEMS芯片(1)进行分离，得到单个MEMS芯片(1)，将划片后的MEMS芯片(1)安装在温控探针台上，调节温控探针台温度，利用探针、测控电路和测频电路测试这些双端固支音叉谐振器( 3) 在不同温度下的频率f_1,k,i(T)，将f_1,k,i(T)代入公式计算出划片工艺产生的应力在不同温度下的值σ_1,k,i(T)，再采用最小二乘法进行残余应力σ_1,k,i(T)和温度T的多项式拟合，得到σ_1,k,i(T)的温度函数：σ_1,k,i(T)＝σ_1,k,i(0)+a_1,1T+a_1,2T²+…+a_1,nTⁿ   (7)式中，σ_1,k,i(0)为0℃时划片工艺产生残余应力的拟合值，a_1,1、a_1,2、a_1,n分别为划片工艺产生残余应力的一阶、二阶和n阶温度系数；步骤四，采用贴片工艺将步骤三得到的MEMS芯片(1)粘接到管壳(5)内，将贴片后的MEMS芯片(1)安装在温控探针台上，调节温控探针台温度，利用探针、测控电路和测频电路测试这些双端固支音叉谐振器(3)在不同温度下的频率f_2,k,i(T)，将f_2,k,i(T)代入公式计算出贴片工艺产生的应力在不同温度下的值σ_2,k,i(T)，再采用最小二乘法进行残余应力σ_2,k,i(T)和温度T的多项式拟合，得到σ_2,k,i(T)的温度函数：σ_2,k,i(T)＝σ_2,k,i(0)+a_2,1T+a_2,2T²+…+a_2,nTⁿ     (8)式中，σ_2,k,i(0)为0℃时贴片工艺产生残余应力的拟合值，a_2,1、a_2,2、a_2,n分别为贴片工艺产生残余应力的一阶、二阶和n阶温度系数；步骤五，采用引线键合工艺，利用金属引线(6)实现MEMS芯片(1)与管壳(5)之间的电互连，采用无应力安装方式将管壳(5)安装固定，利用金丝焊接管壳(5)上的金属引脚和测控电路上对应的金属引脚，将引线键合后的MEMS芯片(1)安装在卡具上，卡具固定在温控箱内，采用测控电路和测频电路测试引线键合工艺后双端固支音叉谐振器3频率f_3,k,i(T)，将f_3,k,i(T)代入公式计算出引线键合工艺产生的应力在不同温度下的值σ_3,k,i(T)，再采用最小二乘法进行残余应力σ_3,k,i(T)和温度T的多项式拟合，得到σ_3,k,i(T)的温度函数：σ_3,k,i(T)＝σ_3,k,i(0)+a_3,1T+a_3,2T²+…+a_3,nTⁿ   (9)式中，σ_3,k,i(0)为0℃时引线键合工艺产生残余应力的拟合值，a_3,1、a_3,2、a_3,n分别为引线键合工艺产生残余应力的一阶、二阶和n阶温度系数；步骤六，采用封帽工艺，将盖板(7)与管壳(5)键合在一起，采用无应力安装方式将管壳(5)安装固定，利用金丝焊接管壳(5)上的金属引脚和测控电路上对应的金属引脚，将封帽后的MEMS芯片( 1) ，安装在温控箱内，改变温控箱内的温度，采用双端固支谐振器( 3) 测控电路和测频电路，测试双端固支音叉谐振器( 3) 频率f_4,k,i(T)，将f_4,k,i(T)代入公式计算出封帽工艺产生的应力在不同温度下的值σ_4,k,i(T)，再采用最小二乘法进行残余应力σ_4,k,i(T)和T进行多项式拟合，得到σ_4,k,i(T)的温度函数：σ_4,k,i(T)＝σ_4,k,i(0)+a_4,1T+a_4,2T²+…+a_4,nTⁿ     (10)式中，σ_4,k,i(0)为0℃时封帽工艺产生残余应力的拟合值，a_4,1、a_4,2、a_4,n分别为封帽工艺产生残余应力的一阶、二阶和n阶温度系数。