惯性微系统封装集成技术研究进展

随着微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)的器件圆片级封装技术、垂直互连转接板技术、新键合工艺技术等技术研究的出现,惯性微系统正在朝着三维封装集成架构发展,以满足微电子技术更高集成度、更小体积、更低功耗、更低成本的发展需求。介绍了MEMS惯性器件和MEMS惯性微系统三维集成技术,硅通孔(Through Silicon Via,TSV)三维互连技术和倒装芯片技术为惯性MEMS微系统三维集成一体化提供了设计空间,有效地降低了惯性MEMS三维集成模块的体积、质量,提高了集成度,符合未来惯性MEMS三维集成多功能融合趋势的需求。     

W波段三维异构集成有源电扫描阵列设计技术

针对高数据率无线通信以及高分辨率成像雷达对毫米波微系统提出小尺寸、高集成度和二维宽角电扫描的需求,传统设计方法和工艺技术难以胜任。探索了可扩展晶圆级相控阵设计方法和工艺技术,解决了W波段低剖面、二维宽角有源电扫描阵列(Active Electronically Scanned Array, AESA)雷达的集成难题。采用三层硅通孔(Through Silicon Via, TSV)转接板堆叠将16颗4通道锗硅(SiGe)芯片与贴片天线单元进行三维异构集成,实现了W波段8×8单元二维有源电扫描阵列晶圆封装。封装尺寸为18mm×19mm×0.93mm,接口形式采用球栅阵列(Ball Grid Array, BGA)。测试结果表明,波束在2GHz带宽内无栅瓣扫描范围可达±45°,实测结果与仿真结果相吻合。研究结果验证了TSV转接板三维异构集成技术是解决W波段二维有源电扫描阵列集成难题的有效技术途径,所采用的“电路-封装”协同设计仿真可作为类似毫米波微系统的设计参考。     

预置金锡薄膜技术在功率微系统封装中的应用

作为未来装备供配电系统集成化、小型化的关键,功率微系统重点需要解决功率芯片的大电流、高散热组装封装难题。研究了预置金锡薄膜在功率微系统封装中的应用,首先在氮化铝高温共烧多层陶瓷(AlN-HTCC)基板表面预置金锡薄膜作为芯片高精度集成焊接区,接着采用真空共晶焊工艺将功率芯片焊接到基板表面实现高导热可靠散热,最后通过焊接金属盖帽实现气密封口。该封装技术具有导热好、可靠性高、贴片精度高、体积小、质量小的优点,在功率、光电、微波等微系统领域具有良好的应用前景。     

基于有限元模拟的三维集成微系统热循环可靠性研究

为实现芯片高性能、小尺寸、低功耗和低成本的目标,先进的三维集成电路(3D-IC)成为了研究热点。基于所建立的三维集成微系统(Three-dimensional Integrated Structure Microsystem, 3D-ISM),采用有限元模拟仿真方法对其进行了热循环可靠性研究。在仿真过程中施加了-40℃～+125℃的温度循环载荷,研究了三种基板类型对仿真结果的影响。结果表明,通过比较不同基板类型下的最大应力和变形量,AlN基板上的硅通孔(Through Silicon Via, TSV)铜柱和焊点表现较优。因此,AlN陶瓷基板具有最优的抗热循环性能,其研究结果可为3D-ISM集成设计提供重要的理论依据和可靠性预测。     

静电封装技术在硅真空膜盒上的应用

静电封装是继玻璃烧结等新工艺后又一种能实现硅敏感膜片刚性联结的理想工艺方法,并日益在制造硅压阻式各型传感器的硅膜盒组件上显示出其优越性。本文着重介绍静电封装技术在硅真空膜盒上的应用,我们建立了一个小于5×10~(-5)毫米汞柱绝对压力的基准压力参考值。这使研制的压阻式绝对压力传感器具有精度高、稳定性好的突出性能。1.静电封装的提出利用单晶硅材料的压阻效应,用半导体平面制造工艺做一个敏感元件-硅膜片。把硅膜片加工成诸如硅杯形一体化整体结构,使其成为周边固定的薄板膜片,有选择地采用胶粘、     

多层基板中的多层陶瓷共烧技术

多层陶瓷共烧基板是一种成本低、性能可靠、布线层数多的基板制作技术，多层基板是实现高密度封装的关键技术之一。本文介绍了多层陶瓷共烧基板的制作技术、材料选择、应用和发展趋势，着重介绍了ＡＩＮ多层基板的烧结和金属化。     

微小型无人机飞控导航微系统设计与实现

随着技术的发展,微小型无人机智能化水平逐步提高,这对机载设备的小型化、轻量化提出了更高的要求。提出了一种基于系统级封装(System in Package, SiP)与封装体叠层(Package on Package, PoP)技术的微小型无人机飞控导航微系统设计方法,通过以晶圆级处理、芯片堆叠、倒装焊等为核心技术的SiP集成方式以及以穿塑孔(Through Molding Via, TMV)方式为核心的PoP集成方式,将飞行控制器中的核心硬件部分缩小为原尺寸的20%,大幅减小了系统的尺寸、质量与集成复杂度。产品实现与飞行试验表明,该微系统不仅可以满足微小型无人机飞行控制的需求,还能够降低硬件系统的设计难度,提高飞行控制器的可靠性与无人机的安全性。     

硅微谐振加速度计的研究现状及发展趋势

硅微谐振加速度计具有体积小、 功耗低、 准数字量输出和精度提升大的优点,是一种具有良好应用前景的高精度MEMS惯性仪表.总结分析了近些年国内外在硅微谐振加速度计方面的研究现状,主要在结构设计及工艺、 测控电路设计等方面阐述了各自特点.最后,结合近些年MEMS惯性仪表的发展趋势,对硅微谐振加速度计晶圆级真空封装、 测控电路数字化、仪表补偿智能化3个发展方向进行了展望.     

微系统集成技术发展与展望

微系统已成为推动国民经济发展和保障国家安全的基础性、战略性、先导性支撑产业,军民领域电子信息系统多功能、高性能、小型化的发展趋势对微系统集成技术提出了更高要求。综述了硅基、玻璃基、陶瓷基、柔性基等多种微系统集成技术,介绍了各类集成技术的典型应用领域、存在的技术挑战以及解决方法,并对各类微系统的特点进行了对比与讨论。最后,对各类微系统集成技术进行了总结、对比,并展望了微系统集成技术的发展方向。     

微系统集成用倒装芯片工艺技术的发展及趋势

倒装芯片(Flip Chip,FC）技术是一种应用广泛的集成电路电子封装技术。随着电子产品不断向小型化和多功能化方向升级,尤其是在微系统集成领域飞速发展的驱动下,FC技术也在不断发展以满足细节距和极细节距芯片的封装要求。同时,FC技术也在工业化的过程中追求着性能、成本和封装效率的平衡。将FC封装体分为芯片凸点、基板以及底填充材料三个主要部分,深入讨论了FC封装的主流工艺和新兴工艺,介绍了各个工艺的流程及优缺点。此外,还分析了FC封装体在热、力以及电载荷作用下的可靠性问题。     

Integrated microsystem for 3D magnetic field measurements

In this paper we present a portable battery-operated 3D magnetic microsystem (magnetodosimeter), intended for monitoring worker exposure to magnetic fields, in particular, working environments such as hospitals or physics laboratories. The proposed microsystem is based on a multichip module containing three equal channels for the three components of the magnetic field measurement, a microprocessor and a memory. Each single-chip channel detects the magnetic field, converts it into the digital domain and delivers the result to the microprocessor by means of an on-chip serial interface. The single-chip channel, fabricated in a 0.8 μm CMOS technology, is sensitive to magnetic fields ranging from -200 mT to +200 mT, achieving 12 bits of resolution and 11 bits of linearity     

PMI 泡沫夹层结构整流罩冯卡门锥段成型技术研究

对PMI泡沫夹层结构整流罩冯卡门锥段成型技术进行了研究,通过对玻璃钢面板及其泡沫夹层结构性能、面板成型、泡沫热成形、泡沫拼接、玻璃钢泡沫夹层结构成型及无损检测等技术研究,确定了玻璃钢外面板、预先固化,然后与泡沫等复合组装,最后铺覆内面板,整体进罐固化的成型工艺。结果表明,玻璃钢面板纵、横向拉伸强度为602、593 MPa,模量为26.0、27.2 GPa,满足设计强度≥350 MPa、模量≥25 GPa的要求;玻璃钢/PMI泡沫夹层结构泡沫密度为(110±10)kg/m3,厚度28 mm,纵、横向侧压强度为32.9、30.5 MPa、模量为2.31、2.38 GPa,满足设计指标侧压强度≥25 MPa、模量≥2.0 GPa的要求,采用玻璃钢/PMI泡沫夹层结构分步固化成型工艺研制的首件新型号整流罩冯卡门锥段,满足设计使用要求。     

Progress in CMOS integrated measurement systems

Selected micro- and nano-systems developed recently at the Physical Electronics Laboratory of ETH Zurich are reviewed: (i) a fluxgate microsystem for detection of the Earth's magnetic field; (ii) a capacitive chemical sensor microsystem for detection of volatile organic compounds in air; and (iii) a parallel scanning AFM chip. The micro- and nano-systems combine sensor structures and readout circuitry on a single chip and are fabricated using industrial CMOS technology in combination with post-processing micromachining and film deposition     

基于光敏树脂分析的3D打印加速度传感器设计

MEMS加速度传感器所采用的硅微机械加工技术存在个性化定制、小批量生产成本方面的不足，而3D打印技术的优势就在于无需模具的自由化定制、一机多用实现低成本产品生产，3D打印的发展趋势就是实现微纳尺度结构的制造。在此背景下，采用光固化立体成型技术设计了一种3D打印压阻式加速度传感器结构。传感器基底使用耐高温光敏树脂制作，并采用丝网印刷工艺在基底表面印制导电碳浆形成应变计结构。为此，首先对耐高温光敏树脂的相关热学与机械性能进行分析。通过测试，得到该光敏树脂固化后的起始分解温度等热力学参数。其次，通过控制光敏树脂紫外光固化时间，取得了较好杨氏模量和弯曲强度的树脂，且为该加速度传感器的结构仿真优化与制作工艺提供了必需数据与重要依据。除此之外，还对所设计的碳浆应变计结构进行了测试，得到了有效灵敏系数。通过以上工作，为最终实现3D打印加速度传感器的制作做好铺垫，助力3D打印技术与MEMS传感器技术相融合。     

基于微型压力传感器阵列的边界层分离点检测方法

为了检测边界层的分离点,探讨了根据表面压力分布变化判定分离点的检测方法,提出了基于微机电系统(MEMS)技术和柔性衬底的微型压力传感器阵列的结构方案,可实现在线实时测量,并满足非平面表面的流体测量要求;同时提出了1种分离点检测的判定方法,并通过二维圆柱绕流仿真验证了该方法的正确性和有效性。微型压力传感器阵列的引入,拓宽了边界层分离点检测的解决途径。     

聚合物基电子封装复合材料研究进展

综述了聚合物基电子封装材料的基本性能要求并分析了其影响因素,阐述了聚合物基电子封装材料的复合原理和结构设计思想,展望了聚合物基电子封装材料的发展趋势。     

基于二维线阵和空间滤波器的结构冲击无波速定位方法

复合材料在航空结构中的应用越来越广,但其遭受外界物体冲击后很容易在内部产生表面不可见损伤,所以对复合材料结构的冲击事件进行在线监测十分必要。基于压电传感器（PTZ）和Lamb波的冲击定位方法是目前的研究热点,但是Lamb波信号在复合材料结构中传播的各向异性给冲击定位带来了困难。本文将空间滤波器算法推广到复合材料结构的冲击监测应用中,研究了与波速无关的空间滤波器冲击定位原理,提出了基于二维线性压电传感器阵列和空间滤波器的结构冲击无波速定位方法。该方法首先采用Shannon连续复数小波变换提取并构建宽带冲击响应信号中的窄带Lamb波解析信号;然后利用波速无关的空间滤波器算法计算出结构冲击相对于各条线性压电传感器阵列的角度;最后使用冲击无波速定位公式计算出结构冲击的位置坐标。在碳纤维层合板上对该方法进行了实验验证。验证结果表明：该方法可以实现对复合材料结构的冲击进行不依赖信号传播速度的定位,定位误差小于1 cm。     

基于压缩感知的金属加筋板兰姆波健康监测技术

针对大型复杂板结构安全评价需要，发展了一种基于压缩感知的金属加筋板结构兰姆波健康监测技术。利用压缩感知技术从稀疏阵列得到的少量检测数据中恢复出加筋板结构中兰姆波的频散特性，并提出了一种将余弦相似度和皮尔森相似度相结合的稀疏阵列兰姆波复合成像方法，以实现加筋板结构中大范围缺陷检测和成像。实验结果表明，压缩感知技术可以恢复出金属加筋板中兰姆波的频率-波数关系，提出的兰姆波复合成像方法能够实现金属加筋板中单缺陷和多缺陷的检测及定位。研究工作为复杂板结构损伤检测提供了一种可行的技术方案。     

Next-Generation Thin-Film Photovoltaics

Future spacecraft and high-altitude airship (HAA) solar array technologies will require high array specific power (W/kg), which can be met using thin-film photovoltaics (PV) on lightweight and flexible substrates [1]. Thin-film array technology, with thin-film specific array support structure, begin to exceed the specific power of crystalline multi-junction arrays with thin-film device efficiencies as low as 8.5% [2]. Thin-film PV devices have other advantages in that they are more easily integrated into HAAs, and are projected to be much less costly than their crystalline PV counterparts. Furthermore, it is likely that only thin-film array technology will be able to meet device specific power requirements exceeding 1 kW/kg (photovoltaic and integrated substrate/blanket mass only).