微電阻焊結構之設計

本研究中利用微電阻焊的技術固定元件，但此技術在微小尺寸的相關研究卻 非常缺乏，為了要了解電阻焊在微米尺寸的特性。這個研究將進行微電阻焊的相 關研究。在了解電阻焊的原理之後，可以知道，要達成電阻焊，必須要提供力量 使得焊接點接觸，另外需要有電流通路，使電流流過。為了要了解微電阻焊的特 性，因此依照上述的兩項要素，設計一個平面式微焊接測試結構。先前文獻曾經 提出多晶矽材料的電阻焊技術[22]，但受限於徒手探針提供接觸壓力的限制，不 易精細控制其出力。因此這裡設計的結構包含了一組的臨場 (in-situ)致動器單元 (actuation unit)以及兩個焊接單元 (welding unit 1 與 welding unit 2)，微焊接結 構的設計概念如圖 6所示。

圖 6 焊接測試結構主要可分為三部分(1) 臨場的致動器元件 (Actuation Unit；AU) (2)焊接單元一 (Welding Unit 1；WU1) (3) 焊接單元二 (Welding Unit 2；WU2)，另外有一個尺規 (Ruler) 以觀察位移量。

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整個焊接測試結構可分為三個主要的部分，第一個部分是臨場 (in-situ)致動 器元件 (actuation unit)，目的在焊接的過程當中提供適當的壓力。由於在微米

尺寸使用徒手操作，並不容易準確控制施力大小與方向，因此有必要將此致動元 件與焊接單元整合製作在同一晶片上。此致動器單元使用電熱式V形樑致動器，

由於V形樑致動器設計容易、串聯多組致動器可達成大出力的要求、較長的V形

樑可有較大位移，因此V形樑致動器可符合微電阻焊的需求。焊接單元一 (Welding Unit 1)與焊接單元二 (Welding Unit 2)為欲焊接接合的元件，兩者會在 焊接處 (Welding Site)接合。焊接單元一與單元二可視為兩端為固定端的懸臂 樑，其彈簧係數可藉由設計適當的長度、厚度、寬度以及選擇材料性質 (楊氏係 數)來決定。因此當致動器推動焊接元件一與二時，可模擬為推動兩個彈簧係數 不同的彈簧。最後焊接元件二的位移可由其後方帶動的尺規 (Ruler)結構讀出。

當兩個焊接元件接觸後，在焊接點形成接觸壓力，當在焊接元件一與焊接元件二 上施加電壓時，使得電流流過接觸點。圖 7所展示的是整個微焊接過程可分成三 個步驟。

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圖 7 焊接過程三步驟 (a) 預壓階段 (b) 焊接階段 (c)釋放階段

微電阻焊過程可分為三個主要的部分。但是在開始進行前，製造完成的元件 各自獨立，互不相接觸，如圖 7所示。第一個部分是預壓階段，如圖 7 (a)所示，

在此階段當中，使電流 (Actuation Current)通過致動器元件 (AU)向前推動焊接 單元一 (WU1)與焊接單元二 (WU2)。在推動的過程中，致動器向前一小段距離 後，接觸到焊接單元一，由於可將單元一視為一個線性的彈簧，當致動器在繼續 推動單元一時，推動彈簧的位移越大，所需要推動的力量越大。當單元一被致動 器繼續推動另外一段距離之後，會接觸到單元二，而單元二亦可視為另外一個彈 簧係數不同的線性彈簧。致動器的重點在於必須要能夠推動單元一，並且只得單 元一接觸到單元二之後，再往前推動一段距離，使得單元一與單元二之間的介面 產生接觸壓力，兩單元互相接觸，此時存在有一個接觸電阻，讓焊接電路接通，

以達成預壓階段的要求。

第二個階段是焊接階段，此時維持前一階段致動器的推動力量，在焊接單元 一與單元二之間，施加電位差，使焊接電流通過焊接處 (Welding Site)，根據式

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(1)可計算產生的熱量。當電流通過焊接點時，由於接觸面上的接觸電阻存在，

並且大於結構本身的電阻，因此當電流流過時，在焊接處所產生的熱量會大於結 構電阻產生的熱量，因此升溫較快。在散熱方面，由於矽晶片對於微機電元件來 說可視為一個儲熱槽 (heat sink)，熱量容易散逸至晶片，而焊接處的位置遠離 與晶片接觸的錨墊 (anchor)，因此熱量較其他地方更不易傳導至晶片。

第三個階段是壓力維持與釋放階段。逐漸降低焊接電流，並且繼續維持接觸 壓力，使得熔融的焊接處溫度下降而固化，凝固後焊接處接合在一起，達到機械 強度。在此階段完成後，即可切斷致動器電流，回復焊接前位置。