CN108358160B - 吊装式可释放应力的mems器件封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，MEMS芯片由管壳基座和管壳盖板密封在其中，包含一U形板架，U形板架的开口朝向侧面，使U形板架下方粘接在管壳基座内部的底面上，MEMS芯片顶部粘接悬挂在U形板架的开口空间内。本发明提供的吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，其芯片级封装采用了衬底背面环形沟槽应力释放设计，其管壳级封装采用了基于U形板架吊装MEMS芯片的应力释放设计，独特的两级应力释放设计实现了对敏感结构很好的应力隔离。该封装结构不显著增加MEMS器件的封装难度，易于实现。

Description

吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构

技术领域

本发明属于MEMS传感器封装技术领域，尤其涉及一种吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构。

背景技术

MEMS（微机电系统）传感器目前已被广泛应用于消费类电子、汽车电子、物联网、国防工业以及众多工业类产品，随着技术的发展，对MEMS传感器的性能也提出了越来越高的要求。而外界应力和温度对MEMS传感器性能的影响尤为显著。外界应力和温度变化时，势必引起相应的应变，上述应变传递至敏感结构将导致传感器输出信号的变化，尤其是基于电容式、压阻式和谐振式检测原理的MEMS传感器。

MEMS传感器对外界应力和温度的敏感程度主要取决于MEMS敏感结构的封装。封装热应力主要源自MEMS器件的芯片级封装和MEMS芯片的管壳级封装。芯片级封装中，盖帽与衬底通过特定材料（如微晶玻璃浆料、金锡合金）烧结、或采用金硅共晶键合完成封盖；管壳级封装中，MEMS芯片衬底经粘片胶贴装至管壳基板。无论是芯片级封装还是管壳封装，不可避免地存在不同材料热胀系数不匹配的问题，温度变化时将产生热应力。热应力与外界应力传递至敏感结构，从而产生假信号，影响MEMS器件的性能，尤其是温度特性。因此，高性能MEMS传感器还需要对上述应力在封装上进行应力抑制或应力释放设计，目前采用较多的方案有以下几种：（1）选用低应力粘片胶，比如硅酮基粘片胶（硅胶）、聚丙烯基粘片胶，缺点是粘接强度稍弱，不适合有剪切应力的应用场合；（2）采用与硅材料热胀系数相近的基板，比如氮化铝陶瓷（AlN）、可伐（Koyar）合金，事实上无法利用与硅热胀系数一样的材料来制作管壳；（3）减小MEMS芯片与封装管壳的接触面积，但过小的接触面积会影响器件的抗冲击能力。上述方法本质上属于应力抑制设计，要最大化地降低外界应力和温度对MEMS器件的影响，还需要对封装进行应力释放设计。

发明内容

发明目的：提供一种吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，通过有效释放芯片级封装产生的热应力、源自管壳封装的应力以及外界应力，解决因应力变形和温度变化导致的MEMS传感器性能恶化问题。

技术方案：

一种吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，MEMS芯片由管壳基座和管壳盖板密封在其中，其特征是，包含一U形板架，U形板架的开口朝向侧面，使U形板架下方粘接在管壳基座内部的底面上， MEMS芯片顶部粘接悬挂在U形板架的开口空间内。

所述MEMS芯片自下而上依次为衬底、敏感结构和盖帽，衬底的底面设置有环形沟槽，环形沟槽的内、外围分别为应力隔离岛和衬底应力区，盖帽与衬底在衬底应力区接合形成一容纳敏感结构的密闭腔体，且敏感结构位于应力隔离岛上。

所述环形沟槽的截面为矩形。

MEMS芯片通过第一粘片胶吊装在U形板架内侧。U形板架经第二粘片胶贴装至管壳基座。

所述U形板架为底板、腹板和悬臂板连接形成的U形，或为一体的U形结构。底板、悬臂板的截面为水平横条矩形状，腹板的截面为垂直竖条矩形状。

所述第一粘片胶位于MEMS芯片盖帽与U形板架的悬臂板之间，所述第二粘片胶位于U形板架的底板与管壳基座之间。

进一步地，MEMS芯片的衬底下方与U形板架之间存有间隙，间隙高度100μm～150μm；MEMS芯片的侧面与U形板架之间存有100μm左右的间隙。

进一步地，MEMS芯片的压焊块露置在U形板架外，由金属线互连至管壳基座的焊盘。

优选的，环形沟槽的深度为4/5～9/10衬底厚度；环状沟槽的宽度为200μm～300μm。

优选的，MEMS芯片的盖帽、敏感结构、衬底为相同材质，通常为硅材料。

优选的，U形板架的材质与MEMS芯片材质的热胀系数相同或相近（相近即热胀系数在一设定的范围内），如可伐合金。

本发明所达到的有益效果：

本发明提供的吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，其芯片级封装采用了衬底背面环形沟槽应力释放设计，其管壳级封装采用了基于U形板架吊装MEMS芯片的应力释放设计，独特的两级应力释放设计实现了对敏感结构很好的应力隔离。该封装结构不显著增加MEMS器件的封装难度，易于实现。

附图说明

图1为本发明所述吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构示意图。

图2为本发明所述吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构的MEMS芯片示意图。

图3为本发明所述吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构的U形板架示意图。

图4为本发明所述吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构的三维剖视图；

图中，1为管壳基座，2为U形板架，3为MEMS芯片，4为第二粘片胶，5为第一粘片胶，6为管壳盖板，3a为衬底，3b为盖帽，32为环形沟槽，33为应力隔离岛，31为衬底应力区，37为敏感结构，39为压焊块，35为密闭腔体，23为底板，26为腹板，29为悬臂板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

结合图1、图2、图3和图4所示，吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，主要含有管壳基座1、U形板架2和MEMS芯片3。MEMS芯片3通过第一粘片胶5吊装在U形板架2内侧。U形板架2经第二粘片胶4贴装至管壳基座1。MEMS芯片3的压焊块39由金属线互连至管壳基座1的焊盘。最终由管壳盖板6密封管壳基座1。

MEMS芯片3自下而上依次为衬底3a、敏感结构37、盖帽3b，均采用硅材质制作以降低热失配。此处对MEMS芯片3主要阐明其芯片级封装的特征，不具体关注敏感结构37，其可以是对应力较为敏感的某一结构，比如电容式MEMS加速度计、陀螺仪等。所述MEMS芯片3的特征为在完成晶圆级封盖后从衬底3a的底面采用深硅刻蚀工艺制作一特定深度的环形沟槽32，环形沟槽32的截面为矩形状。环形沟槽32的内、外围分别界定为应力隔离岛33和衬底应力区31。所述盖帽3b含有一凹腔，由KOH湿法腐蚀形成，凹腔深度应大于敏感结构厚度，盖帽3b与衬底3a在衬底应力区31经玻璃浆料接合形成密闭腔体35。密闭腔体35内的敏感结构37位于应力隔离岛33上，敏感结构37的信号引出至压焊块39，压焊块39列于MEMS芯片3的一侧。

U形板架2包括连接形成U形的底板23、腹板26和悬臂板29，底板23、腹板26和悬臂板29也可以为一体成型的U形结构；且U形的开口朝向侧面，使底板23和悬臂板29分别位置下方和上方，底板23的外部可通过第二粘片胶4贴装在管壳基座1上，悬臂板29的内部可通过第一粘片胶5与MEMS芯片3粘接。底板23、悬臂板29的截面为水平横条矩形状，腹板26的截面为垂直竖条矩形状。U形板架2优选与MEMS芯片3热胀系数相近的材质，如可伐合金。此外，悬臂板29和腹板26的厚度设计取决于MEMS芯片3的质量，通常借助有限元仿真获取U形板架2的最优尺寸，最优尺寸是指在保证U形板架2结构强度和避免共振现象的前提下，悬臂板29和底板23的厚度应尽可能小，最优尺寸主要取决于MEMS传感器应用环境中的过载和振动条件

第一粘片胶5位于MEMS芯片3盖帽3b与U形板架2的悬臂板29之间，用以将MEMS芯片3吊装在U形板架2内。第一粘片胶5中添加有一定数量固定直径（比如60μm）的玻璃珠子，其好处是控制第一粘片胶5的厚度以改善组装一致性、且避免了第一粘片胶5太薄导致的热应力增大。完成吊装的MEMS芯片3的衬底3a与U形板架2的底板23之间存有间隙，间隙高度100μm～150μm之间，该间隙太大会增加整体厚度、过小则增加吊装的难度。完成吊装的MEMS芯片3还与U形板架2的腹板26之间存有100μm左右的间隙。此外，完成吊装的MEMS芯片3的压焊块39露置在U形板架2之外，为后续引线提供空间。

第二粘片胶4置于U形板架2的底板23与管壳基座1之间，用以将U形板架2贴装至管壳基座1，相较于单个MEMS芯片直接粘贴至管壳基座1，吊装有MEMS芯片3的U形板架2质量相对较大，第二粘片胶4应具备较高的粘接强度以使该封装结构具备一定的抗冲击能力。

图4为实施例的三维剖视图，用于更为直观地理解本发明。以下对吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构的应力释放机制进行简要阐述。任何封装热应力和外界应力，当其沿传递路径传递至敏感结构37，就会影响MEMS传感器的输出。因此，需要对应力传递路径进行应力释放。本实施例中的吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，其封装应力主要源自两处，其一是U形板架2的底板23、第二粘片胶4、管壳基座1之间热失配产生的应力，其二是U形板架2的悬臂板29、第一粘片胶5、MEMS芯片3之间热失配产生的应力。相应的应力释放设计体现在两处，一是U形板架2的腹板26和悬臂板29，二是MEMS芯片3的环形沟槽32。U形板架2的腹板26具有相对较厚的纵向尺度，对应力传递具有相当的缓减作用，而悬臂板29则利用自身活动自由的力学特性进一步将应力完全释放，因此U形板架2主要用于释放来自管壳基座1的应力。另外，环形沟槽32的存在，使得连接衬底应力区31和应力隔离岛33的环状薄片是相对柔性的，其柔度可将从盖帽3b传递至衬底3a的应力在此被释放，其应力释放程度取决于环形沟槽32的深度和宽度，深度越深、宽度越大，应力释放越彻底，仿真试验表明，环形沟槽32深度取4/5～9/10衬底3a厚度、宽度取200μm～300μm时较佳，此时的MEMS芯片3兼顾结构稳健性和应力释放效果，大幅削减应力隔离岛33上的应力值，使敏感结构37对外界应力、封装应力以及温度变化的敏感性降低。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，MEMS芯片由管壳基座和管壳盖板密封在其中，其特征是，包含一U形板架，U形板架的开口朝向侧面，使U形板架下方粘接在管壳基座内部的底面上，MEMS芯片顶部粘接悬挂在U形板架的开口空间内。

2.根据权利要求1所述的吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，其特征是，MEMS芯片自下而上依次为衬底、敏感结构和盖帽；衬底的底面设置有环形沟槽，环形沟槽的内、外围分别为应力隔离岛和衬底应力区，盖帽与衬底在衬底应力区接合形成一容纳敏感结构的密闭腔体，且敏感结构位于应力隔离岛上。

3.根据权利要求2所述的吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，其特征是，所述环形沟槽的截面为矩形。

4.根据权利要求1所述的吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，其特征是，所述U形板架为底板、腹板和悬臂板连接形成的U形，或为一体的U形结构。

5.根据权利要求1所述的吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，其特征是，MEMS芯片的衬底下方与U形板架之间设有间隙，间隙高度100μm～150μm。

6.根据权利要求1所述的吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，其特征是，MEMS芯片的侧面与U形板架之间设有间隙。

7.根据权利要求1所述的吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，其特征是，MEMS芯片的压焊块露置在U形板架外，由金属线互连至管壳基座的焊盘。

8.根据权利要求2所述的吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，其特征是，所述环形沟槽的深度为4/5～9/10衬底厚度；环形沟槽的宽度为200μm～300μm。

9.根据权利要求2所述的吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，其特征是，MEMS芯片的盖帽、敏感结构和衬底的材质相同。

10.根据权利要求1所述的吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，其特征是，U形板架的材质与MEMS芯片材质的热胀系数相同或者相近。