LTCC微加速度计

申请者先期研究发现，LTCC（低温共烧陶瓷）基板材料有良好的物理化学稳定性及微机械特性，以体型微加工在多层生瓷片上分别去除特定区域材料、填充牺牲层并对准层压、烧结后，可快速、低成本地制作大高宽比三维可动结构，可望成为支持快速加工验证的非硅三维微加工平台，而且相应力学传感器兼具良好的性能和出色的耐高温、腐蚀性等极端环境能力，可满足航空/航天、钻探、兵器等领域特殊应用的急需。相应开展如下研究：1）利用先进微分析手段，深入研究LTCC材料的微观机械特性及机理；2）掌握对生瓷基板进行体型微机械加工、带牺牲材料的生瓷叠压、烧结成型等关键单项工艺，形成LTCC微加速度计成套加工方法，掌握其机理及工艺质量无损检测方法；3）掌握器件结构特点及其设计、建模与优化方法，以及基于有限元的设计验证方法；4）接口电路设计及其与敏感结构的封装内集成方法；5）高温等极端环境下的结构应力分布、变化规律及主要失效机理分析。

前期探索表明，LTCC（低温共烧陶瓷）基板材料物理化学特性优良，以体型微加工可在多层基板上快速、低成本地制作大高宽比三维可动功能结构，并可望方便地实现信号处理电路在垂直基板方向上与这些结构的一体化组装与互连，相应的集成化力学传感器可兼具良好性能和耐受高温、腐蚀等极端环境能力，可满足航空/航天、钻探、兵器等领域对感测、信号处理、解算一体的高集成度、高性能智能模块的急需。本项目针对上述迫切需求，开展LTCC微加速度计及其三维微系统集成技术应用基础研究，完成计划书全部研究内容，在积极跟踪该领域发展态势基础上，根据计划书设想，适当拓展部分研究内容；实现了计划书研究目标，在各关键科学问题和技术难点上均取得突破，取得预期主要成果。.项目主要研究内容与进展包括：1）研究了三维可动微机械结构成型、敏感元件与信号处理芯片间微弱信号电互连加工以及立体化集成关键工艺机理与方法等科学问题，在掌握相应机理基础上完成参数及配方优化、成套工艺集成，在LTCC基板与组装试制线上加工出三维可动结构，并实现其与表面贴装信号处理芯片间电互连和立体集成封装；2）研究了加速度敏感元件力学特性分析、敏感元件与信号处理芯片三维集成后电互连特性分析与信号完整性等科学问题，获得的解析求解、数值仿真方法与模型的有效性得到验证，其中互连电特性理论分析方法与模型未见公开报道，对其他三维集成互连技术有重要参考价值；3）设计并加工出数种贯穿3层以上基板的开放式和内嵌式微加速度敏感元件，并完成与电路的三维集成；4）研究了不同环境下LTCC材料微观结构与特性以及失效机理等关键科学问题，其结果对基于LTCC 的MEMS、高密度系统级封装研究有重要参考价值；5）针对传感器—电路三维集成模块开展结构完整性检测方法和特性测试方法研究，完成性能测试，表明其量程可高于±10g；6）基于协作单位LTCC试制线建成“三维微机械加工/系统集成一体化”加工与设计平台，提供了一条高效、经济的技术验证途径和可快速转向的制造环境，已为用户提供技术服务。相关结果在电子元器件与封装界顶级期刊及国际会议上发表。基于“三维微加工/系统集成一体化”技术平台，针对重大工程需求提出相应构建高密度混合异质集成技术体系设想，已被国家有关部门采纳，列入十三五重点预先研究项目指南，一体化微加速度计等技术已进入工程化应用演示阶段。