摘 要： 随着微机电系统、TRIZ和CAD tools的迅速发展，MEMS器件可以经济高效的设计和生产出来。柔性设计被越来越多地应用到微型电子器件中，可以解决MEMS器件在封装过程中出现的问题。在MEMS器件封装、焊接过程中，由于芯片材料和衬底材料之间热膨胀系数的不匹配，导致在外界温度变化时的应力释放过多，进而造成电子封装偏差。这里以红外遥感器的芯片为研究对象，提出了基于TRIZ 的柔性设计创新方法及CAD焊接工艺的创新方法，用冲突矩阵表达冲突参数和解决原理间的关系，据此得出焊接工艺问题的一般解。经过分析得出，增加芯片折叠长度和减少折叠间距可以解决LED芯片变形问题，进而解决红外摄像机寿命短的问题。这一方法的提出，能够促进倒装焊接技术的发展，继而推动TRIZ理论在林业装备的进一步应用。
关键词： TRIZ冲突矩阵； 热膨胀系数； 倒装焊接； 傅里叶定律； 参数变化
中图分类号： TN402?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）01?0144?04
0 引 言
MEMS（Micro?electromechanical Systems）是由半导体制造技术逐步发展而来的微机电系统。随着集成电路的集成度和性能在按照摩尔定律不断提高的同时[1?3]，MEMS试图将机械元件或系统、传感器、驱动器与仪器设备也微小化，可以预见未来MEMS将对人类社会产生另一波重大的影响。MEMS封装技术和微电子封装技术显然具有相似之处，但是基于MEMS器件通常包括微可动结构以及对真空、应力隔离、气密性等方面的要求，MEMS封装技术具有自身的特殊性和复杂性，并且微机电系统器件的形式多样、结构复杂且非标准化，以上都对封装技术提出了严峻的挑战。封装过程最关键的问题是防止器件由于热失配而产生过多的应力导致可靠性下降，或者由于热应力而导致MEMS器件的变形，进而造成封装偏差。为了解决以上问题，TRIZ（Theory of the Solution of Inventive Problems）和柔性设计被应用到MEMS技术封装过程中。本文以红外摄像机的LED为研究对象，结合TRIZ冲突矩阵，分析恶化参数、优化参数，找到对应原理对器件的键合失效进行分析研究。
1 TRIZ理论基础
TRIZ是冲突解决原理，进而科学的创造方法解决问题。TRIZ理论认为发明问题的关键是解决技术问题，未克服技术矛盾的设计不是创新设计，设计中不断发现并解决技术矛盾是技术进步的动力[4?8]。TRIZ 分析工具包括ARIZ算法、物质?场分析、冲突分析和功能分析， 这些工具用于问题模型的建立、分析和转换。技术冲突分析过程中，选取控制不同的参数取值（值1或值2）分别会产生不同的技术冲突（冲突1和冲突2），选取要改善性能的参数后在冲突矩阵中确定技术冲突原理，进而形成技术创新原理解决办法， 如图1所示。
2 TRIZ创新方法在柔性焊接工艺的应用
2.1 倒装TAB
倒装焊接指的是将芯片电极面朝下放置，使芯片电极对准基板上的对应焊区，并通过加热、加压等方法使芯片电极或基板焊区上预先制作的凸点塌陷或熔融后将芯片电极与基板对应焊区牢固地互连焊接在一起。倒装焊接的优点包括：
（1） 倒装焊接取消了对引线键合连接的要求，缩短了互联距离。
（2） 提高了输入/输出（I/O）密度。
（3） 在电路板上占用空间小。
（4） 符合当前MEMS封装高密度和小型化的趋势。
图2为普通的TAB焊接，在倒装TAB焊接中，芯片在衬底上倒过来安装，如图3所示的倒装与图2的普通TAB相比，最大的优点在于可将芯片紧贴到金属盖上[9?11]，得到更有效的热控制。倒装芯片焊料凸点的节距、直径、高度的减小，芯片厚度的变薄，形状因子的变小等技术的发展将持续推动底部填充的材料、工艺的不断创新。
2.2 红外摄像机的键合失效
2.2.1 问题描述
尽管倒装TAB有很多优点，也成为很多MEMS器件应用的潮流，但进一步缩小芯片尺度恶化了封装机械电子的可靠性。在封装、焊接过程中，由于芯片材料和衬底材料之间热膨胀系数的不匹配，导致在外界温度变化时的热应力释放过多，进而造成封装偏差。
2.2.2 问题分析
红外摄像机键合失效的原因主要在于LED封装的散热问题，散热问题影响到发光二级管（Light Emitting Diode，LED）的光输出特性和器件的寿命。由于有机基板与芯片的热膨胀系数无法保证完全匹配，在LED焊接结束后，急冷时，由于表面与内部的冷却状态不同而有温度差，导致回流焊和温度循环时在焊球处产生很大的应力，随着时间的推移，产生了热应力以及最终状态的残余应力。当外表与心部的温度差达到最大时，LED外表和心部的热应力与压应力也随之增加；由于温度降低，两部分的应力也随之减小，在达到最大状态时，外表层承受的拉伸应力超过了屈服应力，所以外表在冷却时发生形变，从而引起LED器件键合失效。
引起LED器件键合失效的原因也可用热剪切力形变公式来描述[12]。
[S=D?Δα?ΔT2?d] （1）
式中：[S]代表热剪切力形变；[D]代表芯片对角线长度；[d]代表焊层厚度；[Δα]代表芯片与基底材料的热膨胀系数之差。由式（1）可以看出[S]与[Δα]成正相关，[Δα]越大，热剪切力形变越大，越容易引起器件键合失效。
残余应力与热应力同属零件内应力。当发生键合失效时，在残余应力与热应力的影响下，零件尺寸由[r]变为[r1，]在零件上加上与残余应力大小相等、方向相反的力，即[-εz残，][-εr残，][-εθ残，]则零件径向尺寸[13]由[r1]变为[r]。 空间应力的方程可表示为：
[εz残=1E[-σz残+μ（σz残+σy残）]εr残=1E[-σr残+μ（σθ残+σz残）]εθ残=1E[-σθ残+μ（σr残+σz残）]] （2）
式中：[E]为材料弹性模量；[μ]为材料泊松比。
空间应力的轴对称方程为：
[εr残=?ur残?rεθ残=ur残rεz残=?uz残?z] （3）
由式（2），式（3）解得：
[ur残=0r1εr残dr=0r11E-σr残+σθ残+σz残drur残=0r1εr残dr=0r11E-σr残+σθ残+σz残dr] （4）
式（4）即为设备中零件失效处理后的零件变形的理论数学模型。
2.2.3 解决键合失效的理想解
本文以红外摄像机的LED为研究对象，利用焊接方法、柔性设计、温度控制结合TRIZ理论解决此问题，具体如图4所示。结合影响焊接工艺的冲突参数、柔性设计[14]和零件变形的理论数学模型以及“控制焊接工艺的方法以及实施焊接工艺的焊接设备”这一专利，得出改变折叠长度、折叠间距和折叠个数可以解决这个问题，折叠长度、折叠间距和折叠个数如图5所示。
图4 焊接设计连接 图5 柔性设计的参数
增加芯片折叠长度，减少折叠间距，可以解决LED芯片变形问题，进而解决红外摄像机寿命短的问题。
2.2.4 建立冲突矩阵和探寻发明原理
根据上述求解的基本步骤，论述基于TRIZ冲突解决原理的方法在处理封装工艺问题时需要解决的基本要素。倒装焊接封装工艺创新方法的基本要素包括冲突参数和解决原理。倒装焊接封装工艺冲突参数是指具有不同行为特征的参数，利用这些参数在冲突矩阵中找到解决原理。通过技术分析和抽象，总结出了10个倒装焊接工艺冲突参数和若干个倒装焊接工艺解决原理。实际应用中，将组成冲突的双方内部性能用该10个参数中的2个来表示，并用这2个冲突参数对应的冲突矩阵找到冲突原理。其具体内容如表1，图6所示。
应用于封装工艺的冲突参数，一部分来自TRIZ理论在封装工艺领域的描述，一部分来自对封装工艺方法的概述。在实际倒装焊接中，由于参数本身的特点，封装工艺冲突矩阵中参数间的冲突关系扩展到参数的内部，即使同一参数间也具有冲突关系。创新人员需要更全面的考虑参数间的冲突关系，从而得到体现各参数综合性能的最佳创新解。
为了能很好地解决这个问题，上述所描述的10个冲突参数所对应的冲突关系如图6所示，行代表优化参数，列代表恶化参数。该图给出了冲突的部分推荐解决原理，排在前面的序号为推荐优先选择的原理序号。
从图6可以看出，有2对冲突参数可以解决这个问题，下面分别探讨。
（1） 通过增加折叠长度解决器件变形
微尺度下原子的强烈振动体现了温度的存在。当材料中存在温度梯度时就会产生热传递。热量的传递有4种形式，热传导、自然热对流、强迫热对流和辐射，其中热传导是固体通过媒介传递的主要方式[15-16]。热传导的表达式为：
[q=-κ?（dTdX）] （5）
式中：[q]是热传导沿着给定方向的热流密度（单位：w/m2）；[κ]是热对流的传热系数（单位：w/m2[?]k）；[（dTdX）]是温度梯度。可以明显地看出温度梯度越大，热流密度就愈大，越易引起器件的变形，从这也能解释其变形的原因。柔性设计中可以改变折叠长度，进而解决器件变形问题。优化的参数是应力与压力（4），恶化的参数是静止物体的体积（3），在冲突矩阵图6中找到对应原理是改变参数（35）。
在理论上先给予证明，运用公式解释此解决办法的合理性。
[σ=WsA] （6）
其中：[Ws]是剪切力载荷；[A]是截面积；[σ]是热剪切应力。热剪切应力与面积成反比，增加折叠长度时，会引起面积的增加，面积增加会使得热剪切应力减小。因此，在柔性设计中可以利用增加折叠长度的方法解决器件变形的问题。
在理论上已经证明其方法的合理性，下面再通过实验来证明。在不同的温度下，改变折叠长度可以得到其变形量，如表2，表3所示。可以得出变形量并不与折叠长度成正比，也就是说，当折叠长度超过一个值时，变形量就会下降。然而增加折叠长度会引起面积的增加，通过实验同样证实了该方法的可行性。
利用表2，表3可以得出，热变形量无论在0.7 ℃还是在26.7 ℃都是关于L（折叠长度）=40 mm的轴对称图形，即折叠长度关于40 mm对称的变形量都相同。变形量与长度的关系，如图7所示。
（2） 通过减少折叠间距解决器件变形
在柔性设计中可以利用减少折叠间距的方法解决器件变形的问题。优化参数是应力与压力（4），恶化参数是可制造型（7），运用改变参数（35）这个原理。式（1）中[S]与[D]成正比，减少折叠间距长度，芯片对角线尺寸[D]就会减少，热剪切力相变[S]就会减少。故验证了此方法的合理性。
3 结 论
运用TRIZ冲突矩阵和柔性设计解决变形问题，打破传统办法（忽略了几何形体的特征参数）对其的约束，并且有助于设计人员从多方面考虑其他参数（折叠个数、硬度）对其的影响。利用TRIZ理论解决LED变形问题，可以延长热红外摄像机的寿命，促进遥感技术和MEMS技术的发展，这对获取林业信息有很大帮助，并且推动TRIZ理论在林学设备中的应用。
注：本文通讯作者为范德林。
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