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TRIZ及CAD的焊接工艺的创新方法 　　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。