CN112269116A - 一种集成电路管壳级真空封装性能测试方法 - Google Patents

一种集成电路管壳级真空封装性能测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种集成电路管壳级真空封装性能测试方法，包括以下步骤：S1、MEMS陀螺微结构芯片初测，S2、MEMS陀螺微结构芯片粘片，S3、MEMS陀螺微结构芯片引线键合，S4、MEMS陀螺微结构芯片第二次测试，S5、MEMS陀螺微结构芯片激光打孔，S6、标定真空度与MEMS陀螺微结构芯片Q值的对应曲线，S7、管壳级真空封装，S8、MEMS陀螺微结构芯片第三次测试，S9、根据步骤S6标定的对应曲线，查找与步骤S8的Q值相对应的真空度，该真空度即是管壳级封装的真空度；该方法能够对管壳级封装后内部的真空度进行评价，从而验证封装或类似设备生产加工的产品内部实际的真空度。

Description

一种集成电路管壳级真空封装性能测试方法
技术领域
本发明涉集成电路真空封装技术及领域，具体是一种集成电路管壳级真空封装性能测试方法。
背景技术
目前很多MEMS、EMCCD以及一些对外部环境有一定要求的器件，均需要进行管壳级的密闭封装甚至真空封装，以保证器件的稳定工作状态。依照现在技术手段，保证管壳密闭性和真空度均是采信设备能力，例如真空平行缝焊设备的能力能够达到10-3Pa，使用此设备制造出来的产品内部真空度默认为10-3Pa，而实际产品内部的真空度并非是设备标称值，也无法通过测试得到，现有技术中，检测真空度的方式往往无法准确地检测到管壳级内部的实际真空度。如何检测管壳级的实际真空环境是一大难题，针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
微型机电***(MEMS,Micro-electromechanical Systems)陀螺微结构是工作在真空度较高环境下的器件，目前通过多片晶圆级键合(Wafer Bonding)的技术可以形成一个真空腔体。
目前在评价MEMS真空封装性能方面，一种评价MEMS真空封装性能的方法(申请公布号：CN110702332A)设计的评价MEMS真空封装性能的方法，是评估晶圆级封装真空度的方法，不能进行普通集成电路管壳级内部真空度的测试。而且是在晶圆制造过程中进行真空度的测试，然而在实际加工过程中，在经过管壳级封装后器件的Q值肯定有变化，所以此方法在实际操作过程中不具备指导意义。
通过伺服电路扫频对加速度计内部真空度进行检测的方法(申请公布号：CN107748274A)设计的通过伺服电路扫频对加速度计内部真空度进行检测的方法，同上一个查到的专利方法类似，是在MEMS加速度计晶圆级封装前对产品进行真空度的测试，然后标定晶圆级封装后的产品真空度，封装对加速度计相关参数影响更加明显，所以此方案在实际操作过程中也只是描述为封装产品的一些性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成电路管壳级真空封装性能测试方法，该方法能够对管壳级封装后内部的真空度进行评价，从而验证封装或类似设备生产加工的产品内部实际的真空度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种集成电路管壳级真空封装性能测试方法，包括以下步骤：
S1、MEMS陀螺微结构芯片初测，
对MEMS陀螺微结构芯片的漏电流、基础电容、驱动频率、驱动Q值、敏感频率、敏感Q值进行测试，确定MEMS陀螺微结构芯片的性能满足要求；
S2、MEMS陀螺微结构芯片粘片，
选取经过测试合格的MEMS陀螺微结构芯片，将MEMS陀螺微结构芯片粘接于管壳内；
S3、MEMS陀螺微结构芯片引线键合，
将MEMS陀螺微结构芯片的PAD点与管壳引脚对应键合；
S4、MEMS陀螺微结构芯片第二次测试，
对未盖板的管壳内的MEMS陀螺微结构芯片进行第二次测试，测试参数包括漏电流、基础电容、驱动频率、驱动Q值、敏感频率、敏感Q值，确定MEMS陀螺微结构芯片的性能满足要求；
S5、MEMS陀螺微结构芯片激光打孔，
利用激光划片机在MEMS陀螺微结构芯片的上层盖板穿孔，使MEMS陀螺微结构芯片的中间结构腔体与外界大气环境连通；
S6、标定真空度与MEMS陀螺微结构芯片Q值的对应曲线，
将打过孔的MEMS陀螺微结构芯片放入可调真空度的真空装置中，在不同的真空度条件下测试MEMS陀螺微结构芯片的Q值，描绘真空度与Q值的对应曲线；
S7、管壳级真空封装，
将打过孔的MEMS陀螺微结构芯片进行管壳级的真空封装；
S8、MEMS陀螺微结构芯片第三次测试，
对完成管壳级真空封装的MEMS陀螺微结构芯片进行第三次测试，测试参数包括漏电流、基础电容、驱动频率、驱动Q值、敏感频率、敏感Q值，此时MEMS 陀螺微结构芯片内部腔体的真空度即是管壳级封装内部的真空度；
S9、查找管壳级封装对应的真空度数值，
根据步骤S6标定的对应曲线，查找与步骤S8的Q值相对应的真空度，该真空度即是管壳级封装的真空度。
进一步的，步骤S5的打孔孔径为200μm，激光划片机的打孔参数：速度200 μm/s，前300μm在5秒内完成，每次步进100μm，完成后表面硅屑吹净，300 μm后每次步进10μm，体式显微镜观察MEMS陀螺微结构背面透光后，每次步进 2μm，直至上层盖板被打透。
本发明的有益效果是，在不同的真空度下，管壳级封装腔体内部MEMS陀螺微结构芯片的Q值有着明显区别，因此，利用MEMS陀螺微结构芯片的这个特点，将晶圆级裂片后形成小芯片粘片至管壳中，然后采用激光打孔技术可以将MEMS 陀螺微结构芯片的腔体打穿，在真空度可调的环境下标定真空度与MEMS陀螺微结构芯片的对应曲线，然后进行真空封装，最后测试Q值，根据已标定的曲线查找管壳级封装对应的真空度数值；本方法可以评价集成电路管壳级封装内部的真空度，从而验证封装或类似设备生产加工的产品内部实际的真空度，具有很强的实用性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明的示意图；
图2是本发明的流程示意图；
图3是本发明MEMS陀螺微结构芯片驱动Q值与真空度对应曲线示意图；
图4是本发明MEMS陀螺微结构芯片敏感Q值与真空度对应曲线示意图。
具体实施方式
本发明提供一种集成电路管壳级真空封装性能测试方法，包括以下步骤：
S1、MEMS陀螺微结构芯片初测，
对MEMS陀螺微结构芯片的漏电流、基础电容、驱动频率、驱动Q值、敏感频率、敏感Q值进行测试，确定MEMS陀螺微结构芯片的性能满足要求；
对于Q值的测量，通常分为半功率带宽法(-3dB带宽法)和时间测量法。半功率带宽法是根据幅频特性曲线的-3dB带宽和谐振频率来计算出Q值，利用动态信号分析仪、网络分析仪进行频响测试，获得硅微陀螺的幅相特性曲线，或者利用锁相放大器的静电激励，谐波检测，消除电气耦合，获得硅微陀螺的幅相特性曲线。然后从幅频响应曲线上获得-3dB带宽。品质因数即等于谐振频率除以- 3dB带宽；但当Q值很高时(数量级在10万以上)，采用开环方式测量二阶***频率响应曲线(－3dB值)的方法很难准确测量出***品质因数，其原因在于 Q值很高时，开环驱动的方式很难使得***稳定振荡在其固有频率点上，且开环测量得出的峰值频率值会随测量环境和测量条件(温度、振动幅值等因素)发生变化，测量出的固有频率值的准确性和重复性差。虽然采用频谱仪测量Q值早已广泛的应用于电子领域，但频谱仪的频率分辨率限制了高真空封装MEMS陀螺Q 值测量的准确性。故而本项目运用时间衰减法进行MEMS电容式陀螺微结构的Q 值测试，通过驱动回路，设置相应的谐振频率，是微结构谐振并产生足够初始位移，然后关断激励源，检测振幅衰减以标定Q值，避免了初始位移信号产生的不可靠性，可快速有效地实现硅微陀螺驱动和敏感双模态的Q值测量；
MEMS陀螺在其驱动轴向和敏感轴向上均可简化为二阶弹簧-质量-阻尼***，其力学模型可表示为
Figure BDA0002702356410000041
其中x为位移，m为等效质量，c为等效阻尼系数，k为等效刚度，F为质量块上施加的外力幅值，ω为外力的频率值，t为时间。可知此二阶微分方程的解由两部分组成，一部分为余函数，即齐次方程的通解；另一部分为特殊积分，即方程的特解；
因为方程特解的频率与激励频率相同，故而可设特解为x0＝X0sin(ωt+φ0)，可解得方程的特解为
Figure BDA0002702356410000042
Figure BDA0002702356410000043
其中
Figure BDA0002702356410000044
为阻尼比，
Figure BDA0002702356410000045
为固有角频率。该解是为方程(1)的稳态解，即MEMS陀螺正常工作时的振动位移函数；
二阶微分方程的余函数，即齐次方程的通解可表示为x＝est，代入齐次方程 (ms2+cs+k)est＝0得
Figure BDA0002702356410000051
故二阶微分方程(1)的通解可表示为
Figure BDA0002702356410000052
其中X1和φ1由初始条件决定；可知二阶方程的通解(零输入响应)是一个振幅随时间指数衰减、频率为
Figure RE-GDA0002790822290000053
的正弦函数。振幅衰减的快慢仅取决于***阻尼比ξ和固有频率ωn；当Q值很大时，即ξ<<1时，式(5)可近似表示为
Figure BDA0002702356410000055
因此二阶微分方程的全解可表示为
Figure BDA0002702356410000056
若给二阶***提供一个短时初始能量，在某一时刻t0突然撤去输入的驱动力，则二阶***的质量块将由受外力驱动的受迫振动瞬间转变为在弹簧和阻尼作用下的自由振动。由于***阻尼的作用，该自由振动的振动幅值随时间衰减。***阻尼越大衰减越快，***阻尼越小衰减越慢。该衰减振动的位移函数即为式(5)，其中X1由***初始能量决定，φ1由时刻t0和初始振动状态决定；
对于一般性的指数衰减信号
Figure BDA0002702356410000057
其时间常数可以表示为
Figure BDA0002702356410000058
故而根据式(5)可以计算出***的等效Q值为
Figure BDA0002702356410000059
由式(8)可知，只要知道了二阶***自由振动的振幅衰减时间常数τn和***固有频率fn，就可计算出Q值。振幅衰减时间常数τn可以通过取出正弦信号的振幅值数据，再对其进行指数拟合得出。***固有频率值则可以通过测量衰减正弦信号的频率谱得出；
S2、结合图1与图2所示，MEMS陀螺微结构芯片粘片，
选取经过测试合格的MEMS陀螺微结构芯片1，将MEMS陀螺微结构芯片1粘接于管壳2内；本实施例管壳采用LCC32，粘片胶3选用JM7000导电银胶；
S3、MEMS陀螺微结构芯片引线键合，
将MEMS陀螺微结构芯片的PAD点与管壳引脚对应键合；键合丝选用20μm 金丝；
S4、MEMS陀螺微结构芯片第二次测试，
对未盖板的管壳内的MEMS陀螺微结构芯片进行第二次测试，测试参数包括漏电流、基础电容、驱动频率、驱动Q值、敏感频率、敏感Q值，确定MEMS陀螺微结构芯片的性能满足要求；
S5、MEMS陀螺微结构芯片激光打孔，
利用激光划片机在MEMS陀螺微结构芯片的上层盖板4穿孔，使MEMS陀螺微结构芯片的中间结构腔体与外界大气环境连通；
利用激光划片机在MEMS陀螺微结构芯片的上层盖板穿孔，保证圆孔5的深度刚好与上层盖板的厚度一致，既保证划片的硅屑不调入中间的微结构层中，又实现MEMS陀螺微结构芯片的中间结构腔体与外界大气环境保持连通；
激光开孔工艺参数：开孔深度380μm±5μm
速度：0.2mm/秒
进给距离：50μm/次(前6次)
进给距离：10μm/次(第7到12次)
进给距离：3μm/次(从13次开始)
电流：32.5A
功率：2.5W
光圈：圆形，直径0.18mm
S6、结合图3与图4所示，标定真空度与MEMS陀螺微结构芯片Q值的对应曲线，
将打过孔的MEMS陀螺微结构芯片放入可调真空度的真空装置中，在不同的真空度条件下测试MEMS陀螺微结构芯片的Q值，描绘真空度与Q值的对应曲线；
理论研究证明MEMS陀螺微结构在10-1mbar以上的真空度不是很敏感，所以重点描绘10-1mbar以下的真空度与Q值关系曲线；阶梯选择如表1，每个真空度点稳定30分钟后进行测试，首先正向测试1至26个真空度点的Q值，然后反向测试26至1个真空度点的Q值，根据正向和反向的所有数据点描绘曲线；
序号 真空度 序号 真空度 序号 真空度
1 10mbar 2 1mbar 3 5×10<sup>-1</sup>mbar
4 9×10<sup>-2</sup>mbar 5 6×10<sup>-2</sup>mbar 6 3×10<sup>-2</sup>mbar
7 1×10<sup>-2</sup>mbar 8 9×10<sup>-3</sup>mbar 9 7×10<sup>-3</sup>mbar
10 5×10<sup>-3</sup>mbar 11 3×10<sup>-3</sup>mbar 12 1×10<sup>-3</sup>mbar
13 9×10<sup>-4</sup>mbar 14 8×10<sup>-4</sup>mbar 15 7×10<sup>-4</sup>mbar
16 6×10<sup>-4</sup>mbar 17 5×10<sup>-4</sup>mbar 18 4×10<sup>-4</sup>mbar
19 3×10<sup>-4</sup>mbar 20 2×10<sup>-4</sup>mbar 21 1×10<sup>-4</sup>mbar
22 9×10<sup>-5</sup>mbar 23 8×10<sup>-5</sup>mbar 24 7×10<sup>-5</sup>mbar
25 6×10<sup>-5</sup>mbar 26 5×10<sup>-5</sup>mbar 27 ........
表1
MEMS陀螺微结构芯片驱动Q值与真空度的对应关系见表2：
Figure BDA0002702356410000071
MEMS陀螺微结构芯片敏感Q值与真空度的对应关系见表3：
Figure BDA0002702356410000081
S7、管壳级真空封装，
通过盖板6将打过孔的MEMS陀螺微结构芯片进行管壳级的真空封装；由于已经完成了粘片键合工序，只需在设备设置的真空环境下进行气密性封盖即可；
S8、MEMS陀螺微结构芯片第三次测试，
对完成管壳级真空封装的MEMS陀螺微结构芯片进行第三次测试，测试参数包括漏电流、基础电容、驱动频率、驱动Q值、敏感频率、敏感Q值，此时MEMS 陀螺微结构芯片内部腔体的真空度即是管壳级封装内部的真空度；
S9、查找管壳级封装对应的真空度数值，
根据步骤S6标定的对应曲线，查找与步骤S8的Q值相对应的真空度，该真空度即是管壳级封装的真空度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (2)

1.一种集成电路管壳级真空封装性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、MEMS陀螺微结构芯片初测，
对MEMS陀螺微结构芯片的漏电流、基础电容、驱动频率、驱动Q值、敏感频率、敏感Q值进行测试，确定MEMS陀螺微结构芯片的性能满足要求；
S2、MEMS陀螺微结构芯片粘片，
选取经过测试合格的MEMS陀螺微结构芯片，将MEMS陀螺微结构芯片粘接于管壳内；
S3、MEMS陀螺微结构芯片引线键合，
将MEMS陀螺微结构芯片的PAD点与管壳引脚对应键合；
S4、MEMS陀螺微结构芯片第二次测试，
对未盖板的管壳内的MEMS陀螺微结构芯片进行第二次测试，测试参数包括漏电流、基础电容、驱动频率、驱动Q值、敏感频率、敏感Q值，确定MEMS陀螺微结构芯片的性能满足要求；
S5、MEMS陀螺微结构芯片激光打孔，
利用激光划片机在MEMS陀螺微结构芯片的上层盖板穿孔，使MEMS陀螺微结构芯片的中间结构腔体与外界大气环境连通；
S6、标定真空度与MEMS陀螺微结构芯片Q值的对应曲线，
将打过孔的MEMS陀螺微结构芯片放入可调真空度的真空装置中，在不同的真空度条件下测试MEMS陀螺微结构芯片的Q值，描绘真空度与Q值的对应曲线；
S7、管壳级真空封装，
将打过孔的MEMS陀螺微结构芯片进行管壳级的真空封装；
S8、MEMS陀螺微结构芯片第三次测试，
对完成管壳级真空封装的MEMS陀螺微结构芯片进行第三次测试，测试参数包括漏电流、基础电容、驱动频率、驱动Q值、敏感频率、敏感Q值，此时MEMS陀螺微结构芯片内部腔体的真空度即是管壳级封装内部的真空度；
S9、查找管壳级封装对应的真空度数值，
根据步骤S6标定的对应曲线，查找与步骤S8的Q值相对应的真空度，该真空度即是管壳级封装的真空度。
2.根据权利要求1所述的一种集成电路管壳级真空封装性能测试方法，其特征在于，步骤S5的打孔孔径为200μm，激光划片机的打孔参数：速度200μm/s，前300μm在5秒内完成，每次步进100μm，完成后表面硅屑吹净，300μm后每次步进10μm，体式显微镜观察MEMS陀螺微结构背面透光后，每次步进2μm，直至上层盖板被打透。
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