微纳器件封装及相关物理问题研究

了单电极的缺点，能够对一列连续信号重复记录和分析。其难点在于制备３ＤＭＥＡ芯片的互连线，他们采用了局部隔离和去除氧化薄膜来形成电极，并通过氧化物隔离互连线，制成ｌＯＸ１０的３ＤＭＥＡ，其中每个电极的间距为１００ｐｍ，见图卜４中的３ＤＭ队［１２］。

图１－４、３ＤＭ队

国外倡导和实现芯片封装协同设计的努力已经持续很多年了。随着９０ｎｍＩ艺技术逐渐进入量产阶段，芯片与封装的同步设计才开始真正变成现实。这种转变的一个迹象是处于该领域的两家公司，ｏｐｔｉｍａｌ和ＲｉｏＤｅｓｉｇｎＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ最近宣布了一项联合开发计划［１３］，将ＲｉｏＤｅｓｉｇｎＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ公司的ＲｉｏＭａｇｉｃＩ具与Ｏｐｔｉｍａｌ公司的ＰａｋＳｉ—Ｅ工具联系在一起。据ＲｉｏＭａｇｉｃ称是一套考虑到封装问题的芯片设计软件，可以综合从芯片Ｉ／ｏ到封装焊球之间的互连。ＰａｋＳｉ－Ｅ贝Ｏ可以对封装设计进行三维电磁分析，用来验证或发现可能带来的芯片性能改变。该计划的目标之一是在芯片设计的早期阶段就可以确定芯片的Ｉ／Ｏ排布，这样可以对整个芯片一封装互连系统的成本和性能进行优化。

２００５年，Ｄｅｖｃｏｎ公司推出Ｓｙｏｎ导电粘性焊料，可用于在热熔焊料无效或无法使用的应用中形成导电通路［１４３。这些树脂或环氧树脂类物质可方便混合和倾倒，完全填满空洞，固化时很少生成内部气泡。ＳｙｏｎＴｒｕ—Ｂｏｎｄ２０６Ａ导电粘性焊料是一种易流性液体，可将易受热熔焊料损伤的电气元件连接到一起。这些充银环氧树脂对于热熔焊料无法与金属或导线相连的应用是十分有用，还可用于微波屏蔽。Ｔｒｕ—Ｂｏｎｄ２１４充银树脂胶是一种导电、不会下陷的胶剂，针对需要导电性连接的应用，以及不能使用热熔焊料的应用。它可用于电路板，形成导电通路，并可为电容和损耗测量提供电极。Ｔｒｕ—Ｂｏｎｄ２１５充铜树脂胶既可导电也可导热。这种不会下陷的浆料是充银产品的一种经济型替代品，它可取代热熔焊料，用于电路板导电通路的制备和修补、ＲＦ屏蔽以及散热器。

改变而激发出来，是电磁辐射现象中的一种特殊辐射形式。只要温度高于绝对零度，物体总是不断地把热能变为辐射能，向外发出热辐射。

２．４封装的热控制模型与仿真

要对微纳器件封装进行合理设计，必须了解整个封装的热场分布。热场分布可以由实测和计算机仿真两种方法得到。一般来说，实测方法是在产品完成以后进行，使得整个热设计过程周期长，对测量设备要求苛刻，对复杂的三维热场分布的测试能力较差。计算机仿真可以将热场分析贯穿于整个封装设计过程，优化关键器件参数和位置，且模拟分析过程便捷、时间短。本章主要采用有限元模拟软件ＡＮＳＹＳ来仿真微纳器件封装中的热场分布。

２．４．１使用相交材料的微机械电热水压微执行器的热分析

石蜡是一种典型的相变材料，广泛地应用于微执行器中。石蜡的熔点较低，当温度到达其熔点时，会发生约１５９６的体积延展，使得它在芯片工作温度下软化，更好地接触芯片表面，提高传热性能。关于相变材料石蜡，ＪｕｎＳｕＬｅｅ［１８］等人使用化合物分析模型，即Ｓｔｅｆａｎ法和Ｎｅｕｍａｎｎ解法，分析了石蜡熔化的全过程。图２－Ｉ中的（ａ）和（ｂ）分别为石蜡层的Ｎｅｕｍａｎｎ解法的Ｂｒａｉｌｌｅ单元和微型管结构图，这里的Ｎｅｕｍａｎｎ解法中的Ｂｒａｉｌｌｅ单元和微型管是一种参数化建模的方式，详细解法过程见文献［１９］。石蜡Ｎｅｕｍａｎｎ解法中的Ｂｒａｉｌｌｅ单元和微型管的响应时间和初始温度如表２—２。

图２—１、微执行器Ｂｒａｉｌｌｅ单元和微型管结构图

响应时间（ｓ）固体石蜡的初始温度（℃）Ｂｒａｉｌｌｅｅｅｌｌ４２３０

ｍｉｃｒｏｐｉｐｅｔｔｅ１０３０

通过Ｎ、ＩＳＹＳ软件分别仿真得到两者的温度场分布，图２－２（ａ）显示了Ｂｒａｉｌｌｅ

单元在３０１２、４２秒时模型的温度分布，图２－２（ｂ）显示了微型管在３０℃、１０秒时模型的温度分布。这是没有热短路的温度分布，即假设石蜡没有熔化，因此它没有与封装的硅壁面和玻璃衬底接触。

（８）（ｂ）

图２－２石蜡中温度分布（８）Ｂｒａｉｌｌｅ单元（ｂ）微型管

（ｂ）

图２－３、发生热短路时，石蜡的温度场分布

在实际情况下，石蜡在芯片温度上升到４７℃以上时就会熔化，熔化的石蜡会与硅壁面和玻璃衬底接触导致热短路，温度分布将明显改变，如图２－３所示，可以看到大量的热量将传导到硅壁面和玻璃衬底，使用相交材料石蜡可以有效地使热传递到硅壁面和衬底，在硅壁面和衬底上加强散热改进，能有效降低器件工作温度，延长器件使用寿命。

２．４．２∞Ｓ传感器测量液体的热扩散率：

Ｙｉ－ＴｉｎｇＣｈｅｎｇ［２０］等人设计了一种ＣＭＯＳ传感器来测量液体的热扩散率，

ＣＭＯＳ传感器芯片采用ＶＩＳ０．５ｕｍ２Ｐ３ＭＣＭＯＳＴ艺实现，它改变了传统测量液体方法所需要的大量样品和时间。ＣＭＯＳ芯片如图２—４所示，一个多晶硅薄膜形成的衬底，薄膜垂直中心为热源，四个热传感器分别分布在热源的两端。用ＡＮＳＹＳ软件对液

体的温度分布进行仿真，见图２－５。初始温度设定为２７４．５Ｋ，发热功率为０．ＯｌＷ，对应生热率为１．６５×１０”ｗ／ｍ３，液体样本为甲苯。图２－６显示了传感器位置的甲苯的温度随时间的变化曲线。仿真结果与实验测试结果基本相符，但对于实验产生的热损失，ＡＮＳＹＳ无法完全用仿真描述，所以仿真的温度比实验结果稍微偏高。

图２—４，测量液体热扩散率的ＣＭＯＳ传感嚣芯片的侧面图

图２－５、测量液体热扩散率的ＣＨＯＳ传感器芯片中的液体温度分布图

图２．６、传感器位置点的液体（甲苯）温度的变化

２．４．３三维多电极阵列（３Ｄ－旺弧）

２００６年Ｈｕａｉ－ＹｕａｎＣｈｕ［２１］等人发明了一种制备三维多电极阵列（３ＤＭＥＡ）的方法，它克服了单电极的缺点，能够对对一列连续信号的重复记录和分析。其难点在于制备３ＤＭＥＡ芯片的互连线，他们采用了局部隔离和去除氧化薄膜来形成电极和通过氧化物隔离的互连线，最后制成ｌＯＸ１０的３ＤＭＥＡ，其中每个电极的间距为１００ｕｍ。图２—７为３ＤＭＥ＾封装的侧面结构示意图。

图２—７、３９此Ａ封装的结构示意图

根据此模型，我们用ＡＮＳＹＳ对其结构进行建模与仿真，因为其中的液体流速可以近似为零，所以器件和电解液的建模单元类型均采用ＰＬＡＮＥ５５，结构图如图２—８所示。

图２－８、３Ｄ娓Ａ的ＡＮＳＹＳ建模图

初始温度设定为２７４．５Ｋ，电极发热功率为０．ＯｌＷ，对应生热率为１．６５Ｘ１０”ｗ／ｍ３，电解液样本为ＫＣｌ。图２－９为器件工作时电解液中温度的分布图：

图２－９、３ＤＭＥｔ［的ＡＮＳＹＳ温度场模拟云图

以上两个器件的温度场模拟均只考虑热在液体中的传导情况，下面针对ＱＷＩＰ