CN103193198A

CN103193198A - 通过背面图形化降低mems芯片封装应力的方法

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Publication number: CN103193198A
Application number: CN2013101401758A
Authority: CN
Inventors: 华亚平
Original assignee: ANHUI NORTHERN XINDONG LIANKE MICROSYSTEMS TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ANHUI NORTHERN XINDONG LIANKE MICROSYSTEMS TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-04-22
Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2013-07-10

Abstract

通过背面图形化降低MEMS芯片封装应力的方法，具体步骤为：在MEMS芯片的背面层上涂敷光刻胶；对光刻胶进行曝光、显影，在背面层上形成光刻胶图形；以光刻胶图形作为蚀刻掩蔽膜对MEMS芯片的背面层进行蚀刻，形成装片柱；在封装管壳的底板上涂抹粘片胶，将带有装片柱的MEMS芯片通过装片柱固定在封装管的壳底板上，固化后将MEMS芯片的压焊块用导线与封装管壳侧面的金属焊块电连接，盖上封装盖板。本发明的方法在降低MEMS芯片与封装管壳的底板水平方向接触面积的同时，增加了装片柱的表面积，保证了MEMS芯片与粘片胶有足够的接触面积，从而在降低封装应力的同时，保证了抗机械冲击力。

Description

通过背面图形化降低MEMS芯片封装应力的方法

技术领域

本发明属于芯片封装技术领域，具体涉及一种通过背面图形化降低MEMS芯片封装应力的方法。

背景技术

电子封装是将一个或多个电子元器件芯片相互电连接，然后封装在一个保护结构中，其目的是为电子芯片提供电连接、机械保护、化学腐蚀保护等。常用的不具有降低封装应力结构的MEMS芯片的如图1所示，MEMS芯片1由正面层2、MEMS结构层3和背面层4通过圆片键合工艺组成，正面层2上至少有一个上腔体5a，MEMS结构层3上至少有一个下腔体5b，上下腔体与MEMS结构层3形成一个密封腔5，为MEMS结构提供一个自由活动的密闭空间，正面层2上至少有一个压焊块6。对于某些电子产品，如MEMS器件中的陀螺仪、加速度计、震荡器或体声波滤波器等都对应力非常敏感，需要用陶瓷管壳、金属管壳或预成型塑料管壳等对MEMS芯片进行气密性封装。传统的封装方法如图2所示，在封装管壳7的底板上涂抹粘片胶8，装入MEMS芯片1，将MEMS芯片1背面层4通过粘片胶8固定在封装管壳7的底板上，用导线10将压焊块6与位于封装管壳7侧面的金属焊块9电连接，最后用盖板11密封，形成MEMS传感器或制动器元器件。这样，MEMS芯片只有背面层4通过粘片胶8与封装管壳7的底板接触，MEMS芯片的正面层不与任何固体接触，所以，封装应力只能从MEMS芯片的背面层引入。

封装应力是由MEMS芯片、封装管壳和粘片胶的热膨胀系数不一致引起的，它会导致对应力敏感的MEMS结构发生形变，甚至导致MEMS结构粘连、MEMS芯片脱落、或者破裂。封装应力的来源主要有两个：一是封装管壳，二是粘片胶。由于粘片胶、封装管壳的热膨胀系数与MEMS芯片（主要材料是硅）的热膨胀系数不一样，在以后的高温加工过程中，如粘片胶固化、盖封、表面组装（SMT）及终端用户日常使用过程中，温度变化会引起MEMS芯片与封装管壳、粘片胶的体积变化不一致，从而产生封装应力。MEMS芯片最常用的材料是硅，其热膨胀系数非常低，很难找到与之相同的材料，所以封装应力无法避免。封装应力与温度变化引起的MEMS芯片与封装材料间的体积变化量成正比，因此，在材料一定的情况下，MEMS芯片与封装管壳接触面积越大，封装应力越大，所以传统的封装方法并不能达到降低封装应力的目的。

在封装管壳选定的情况下，降低封装应力的方法通常有：1、加厚MEMS芯片的背面层，降低通过它传导到MEMS结构的封装应力，但是由于MEMS芯片一般都是采用标准的MEMS圆片材料和设备，而且MEMS芯片体积一般较小，所以MEMS芯片的背面层不能太厚；2、选用质地柔软的粘片胶，装片后胶固化时，应力被释放，有效隔离了来自封装管壳的封装应力，但软粘片胶一般为有机材料，高温过程中分解释放出的气体无法全部逸出，形成空洞，在随后温度变化时气体会发生膨胀，导入应力。另外，软粘片胶强度不够，抗机械冲击能力弱；3、减少MEMS芯片与封装管壳的接触面积，现有的技术主要有两种，其中一种是局部点胶法，如图3所示，在封装管壳7的底板上的局部位置点上粘片胶8，然后再装上MEMS芯片1。这样，MEMS芯片1只在有粘片胶8的位置与封装管壳底板2相连接，接触面积小，封装应力相应也小。但有两个缺点：一是MEMS芯片1与粘片胶8的接触面积小，抗机械冲击能力差；二是点粘片胶8时，胶点位置无法精确定位，胶点大小无法精确控制，而且MEMS芯片1的位置相对于粘片胶8也无法精确定位，封装应力会不均匀地传导到MEMS芯片上。另一种降低MEMS芯片与封装管壳的接触面积的方法是将封装管壳7的底板图形化，在封装管壳7的底板上形成凸起12，如图4所示，在凸起12上点上粘片胶8，然后装上MEMS芯片1。这样，MEMS芯片1只在有凸起4的部位与封装管壳7的底板相连接，接触面积小，封装应力相应也小。但也有两个缺点：一是MEMS芯片1与粘片胶8的接触面积小，抗机械冲击能力差；二是MEMS芯片1的位置相对于凸起12无法精确定位，封装应力也会不均匀地传导到MEMS芯片上。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种通过背面图形化降低MEMS芯片封装应力的方法，本发明方法不仅能很好地降低MEMS芯片的封装应力，还能保持MEMS芯片的抗机械冲击力。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种通过背面图形化降低MEMS芯片封装应力的方法，具体步骤为：

（1）在MEMS芯片的背面层上涂敷光刻胶；

（2）对光刻胶进行曝光、显影，在背面层上形成光刻胶图形；

（3）以光刻胶图形作为蚀刻掩蔽膜对MEMS芯片的背面层进行蚀刻，形成装片柱；

（4）在封装管壳底板上涂抹粘片胶，将带有装片柱的MEMS芯片固定在封装管壳底板上，固化；

（5）将MEMS芯片正面层上的压焊块用导线与封装管壳侧面的金属焊块电连接，盖上封装盖板。

MEMS芯片的封装应力取决于MEMS芯片通过粘片胶与封装管壳底板水平方向的接触面积，抗机械冲击能力取决于MEMS芯片和粘片胶接触的总面积。本发明方法在降低MEMS芯片与封装底板水平方向接触面积的同时，增加了装片柱的表面积，保证了MEMS芯片与粘片胶有足够的接触面积，从而在降低封装应力的同时，保证了抗机械冲击能力。

步骤（2）所述光刻胶图形为圆形、星形或多边形，光刻胶图形的形状决定装片柱的横截面形状，光刻胶图形是星形时，装片柱横截面也是星形，从而增加了装片状的表面积，提高MEMS芯片的抗机械冲击力。

步骤（3）所述的刻蚀是指干法刻蚀，这样可以较方便地控制装片柱的形貌，通过调整蚀刻参数，可形成不同的装片柱形貌。

步骤（3）交叉改变淀积和蚀刻气氛的比例，在装片柱外侧面上刻蚀出锯齿，形成锯齿形装片柱，这样，装片柱与粘片胶在水平方向的接触面积不变，封装应力不发生变化，但装片柱的表面积增大，同时装片柱与粘片胶的接触面积增大，抗机械冲击能力相应增加。

封装应力是通过装片柱传导到MEMS结构上的，而装片柱相对于MEMS结构的位置已经固定，粘片胶的面积大小对MEMS结构的性能没有影响，因此步骤（4）中可以将粘片胶涂抹在整个封装管壳底板上，也可以只将粘片胶涂抹在封装管壳的底板的局部对应于装片柱的位置处，将带有装片柱的MEMS芯片通过装片柱固定在封装管壳底板上，粘片胶与装片柱之间有足够的亲和力，粘片胶会沿装片柱向上爬，通过调节粘片胶的粘度和厚度，将装片柱完全包围，从而达到既降低封装应力，又保证其抗机械冲击能力的目的。

附图说明

图1是现有技术中不具有降低封装应力结构的MEMS芯片示意图。

图2是现有技术中传统的封装方法示意图。

图3是现有技术中局部点胶法降低封装应力的示意图。

图4是现有技术中封装管壳底板图形化法降低封装应力的示意图。

图5是MEMS芯片背面涂敷光刻胶后的示意图。

图6是MEMS芯片背面光刻胶经两面对位曝光显影后的示意图。

图7是MEMS芯片背面蚀刻形成装片柱的示意图。

图8是实施例一MEMS芯片装片后的示意图。

图9是实施例一完成封装的成品示意图。

图10是实施例二MEMS芯片装片后的示意图。

图11是实施例三MEMS芯片装片后的局部示意图。

图12是实施例四MEMS芯片装片后的局部示意图。

图13是气密性封装后的MEMS器件外形立体图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例一

通过背面图形化降低MEMS芯片封装应力的方法，具体步骤为：

（1）将如图1所示的不具有降低封装应力结构的MEMS芯片1背面朝上放置，在背面层4上涂敷光刻胶13，如图5所示；

（2）利用两面对准的光刻机对位，对光刻胶13进行曝光、显影，在背面层4上形成光刻胶图形13′，如图6所示；

（3）以光刻胶图形13′作为蚀刻掩蔽膜对MEMS芯片1的背面层4进行干法蚀刻，控制刻蚀参数，形成装片柱14，带装片柱14的MEMS芯片1′和被蚀刻薄的背面层4′，如图7所示；

（4）在封装管壳7的底板的局部点上粘片胶8，将带有装片柱14的MEMS芯片1′通过装片柱14固定在封装管壳7的底板上，如图8所示，粘片胶8与装片柱14有足够的亲和力，粘片胶8会沿装片柱14向上移动，通过调节粘片胶8的粘度和厚度，使粘片胶8将装片柱14完全包围，从而在降低封装应力的同时，保持抗机械冲击力。

（5）在经过点胶、装片、固化后，带有装片柱14的MEMS芯片1′被固定在封装管壳7的底板上，用金属导线10将压焊块6与封装管壳7侧墙上的金属焊块9电连接，再盖上封装盖板11，形成最终的封装完成的MEMS元器件1′′，如图9所示。

实施例二

实施例二与实施例一的区别仅在于步骤（4）在封装管壳7的底板上点满粘片胶8，将带有装片柱14的MEMS芯片1′通过装片柱14固定在封装管壳7的底板上，如图10所示，粘片胶8与装片柱14有足够的亲和力，粘片胶8会沿装片柱14向上移动，通过调节粘片胶8的粘度和厚度，可使粘片胶8将装片柱14完全包围，从而在降低封装应力的同时，保持抗机械冲击力。

实施例三

实施例三与实施例一的区别仅在于步骤（3）在装片柱蚀刻过程中，交叉改变淀积和蚀刻气氛的比例，在装片柱外侧面上蚀刻出锯齿，形成锯齿形装片柱14′，如图11所示，锯齿形装片柱14′的表面积较大，与粘片胶8的接触面积也较大，所以，抗机械冲击能力相应较强，但锯齿形装片柱14′在水平方向的面积与实施例一、实施例二的装片柱14的横截面面积相同，所以封装应力与实施例一、实施例二并无很大差别。

实施例四

实施例四与实施例一的区别仅在于步骤（3）在装片柱蚀刻过程中，交叉改变淀积和蚀刻气氛的比例，在装片柱外侧面上蚀刻出锯齿，形成锯齿形装片柱14′；步骤（4）在封装管壳7的底板上点满粘片胶8，将带有锯齿形装片柱14′的MEMS芯片1′通过装片柱14′固定在封装管壳7的底板上，如图12所示，粘片胶8与装片柱14′有足够的亲和力，粘片胶8会沿装片柱14′向上移动，通过调节粘片胶8的粘度和厚度，可以使粘片胶8将装片柱14′完全包围，从而在降低封装应力的同时，保持抗机械冲击力。

图13所示的是气密性封装后的MEMS元器件1′′的外形立体图，带有装片柱的MEMS芯片1′封装在封装管壳7中，上部通过封装盖板11密封。

Claims

1.通过背面图形化降低MEMS芯片封装应力的方法，具体步骤为：

（1）在MEMS芯片的背面层上涂敷光刻胶；

（4）在封装管壳的底板上涂抹粘片胶，将带有装片柱的MEMS芯片固定在封装管壳的底板上，固化；

（5）将MEMS芯片的压焊块用导线与封装管壳侧面的金属焊块电连接，盖上封装盖板。

2.如权利要求1所述的通过背面图形化降低MEMS芯片封装应力的方法，其特征在于：步骤（2）所述的光刻胶图形为圆形、星形或多边形。

3.如权利要求1所述的通过背面图形化降低MEMS芯片封装应力的方法，其特征在于：步骤（3）所述的刻蚀是指干法刻蚀。

4.如权利要求1所述的通过背面图形化降低MEMS芯片封装应力的方法，其特征在于：步骤（3）交叉改变淀积和蚀刻气氛的比例，在装片柱外侧面上刻蚀出锯齿，形成锯齿形装片柱。

5.如权利要求1或4所述的通过背面图形化降低MEMS芯片封装应力的方法，其特征在于：步骤（4）所述的粘片胶涂抹在整个封装管壳的底板上。

6.如权利要求1或4所述的通过背面图形化降低MEMS芯片封装应力的方法，其特征在于：步骤（4）所述的粘片胶涂抹在封装管壳的底板上对应于装片柱的位置处。