CN103232021B - 芯片附接应力隔离 - Google Patents

Abstract

本发明涉及芯片附接应力隔离。一种微结构设备封装包括被配置来和适于容纳微结构设备的封装外壳。托架容纳在所述封装外壳中。所述托架包括托架底座并且具有第一托架臂和第二托架臂，每个托架臂从所述托架底座延伸。通道被界定在所述第一托架臂与所述第二托架臂之间。所述第一托架臂界定相对于所述通道面向内的第一安装表面。所述第二托架臂界定相对于所述通道面向外的第二安装表面。所述托架的所述第二安装表面被安装到所述封装外壳。微结构设备被安装到所述通道中的所述第一安装表面。所述托架被配置来和适于使所述微结构设备与从所述托架的所述第二安装表面上的所述封装外壳施加的封装应力隔离。

Description

芯片附接应力隔离

技术领域

本发明涉及微结构设备，更具体来说涉及使应力敏感微结构设备与封装应力等隔离。

背景技术

用于使半导体芯片与封装应力等隔离的各种设备在本领域中已知。封装应力或安装应力是封装施加在半导体芯片上的应力，其中半导体芯片被安装到封装。该应力是由于具有不同的热膨胀系数的半导体芯片从安装半导体芯片的封装和/或从将芯片安装到封装的黏合剂而产生。在此等情况下，温度变化可以导致半导体芯片上的应力/应变，并且取决于芯片的功能，该应力/应变可能损害性能。根据如何将芯片安装到封装以及如何将封装自身安装在其环境中，机械安装效应也可以导致封装应力。

在封装应力的一个实例中，传统的压电电阻MEMS压力传感器封装被设计成感测由于施加的压力而导致的隔膜上的应力。因此，重要的是，压电电阻器经受的唯一的应力是由于施加的压力而不是由于封装应力而产生的。在此等传感器封装中，其中通常将MEMS芯片直接安装到金属封装，由于如上文解释的机械安装应力和热膨胀应力，可以存在显著的封装应力。此等传感器封装是廉价的，但是隔膜上的封装应力使压力测量在精度方面存在问题。

封装应力如何可以破坏微结构设备的正常运作的另一实例是在测量质量块的较小偏转以确定加速度的MEMS加速度计中。对此等设备施加的封装应力可能引起设备中的质量块与传感结构之间的不良的偏转，这可导致加速度的错误读数。受封装应力负面影响的其他示例性设备包括用于感测角运动的MEMS陀螺仪、温度传感器等。

用以最小化不利的封装应力和应变的典型方法包括使用顺从式黏合，如软黏合剂或弹性黏合剂。这种方法是相当廉价和容易制造的并且提供部分应力消除，但是具有某些缺点，包括加工（即，固化）、渗气、在温度范围内不一致的机械性质和潜在介质不兼容。其他方法包括固定安装方法，如融合、熔接、焊接、铜焊、阳极和共晶附接。这些方法可以提供有利的介质兼容、更一致的机械性质，并且可以比其他技术更稳健，但是可能花费更多、可能需要专业的加工装备和工序以及更高的温度处理，并且可以是潜在的应力诱发器。其他的方法包括MEMS结构添加物，如弹簧和安装基座几何图形。这些技术提供潜在优点，如弹簧与MEMS结构一体成型、可能不需要额外的应力消除，以及潜在更小的尺寸。然而，这些技术具有缺点，包括比其他技术更高的开发成本和需要解决的机械共振问题。通常，一起利用多种方法（例如，上文的那些方法）以解决封装应力。

例如，在一些传统的MEMS压力传感器封装中，通过使包围隔膜的上部和后部晶片变厚、在封装与MEMS芯片之间添加高纵横比的基座，以及使用大型定制的封装以容纳全部来实现封装应力缓解。这些测量已被发现在用这样配置的传感器封装进行的测量精度上提供数量级的增加。然而，应力缓解特征增加了传感器封装的成本和尺寸。

此等常规的方法和系统一般被认为是令人满意的以实现其预期的目的。然而，在本领域中仍需要允许改善封装应力缓解的微结构设备封装。在本领域中也需要容易制造和使用的此等设备。本发明提供这些问题的解决方案。

发明内容

本发明针对一种新型和有用的微结构设备封装。封装包括被配置来和适于容纳微结构设备的封装外壳。托架被容纳在封装外壳中。托架包括托架底座并且具有第一托架臂和第二托架臂，每个托架臂从托架底座延伸。通道被界定在第一托架臂与第二托架臂之间。第一托架臂界定相对于通道面向内的第一安装表面。第二托架臂界定相对于通道面向外的第二安装表面。托架的第二安装表面被安装到封装外壳。微结构设备被安装到通道中的第一安装表面。托架被配置来和适于使微结构设备与从托架的第二安装表面上的封装外壳施加的封装应力隔离。

在某些实施方案中，微结构设备包括上部晶片部件和底部晶片部件，且应力敏感部件容纳于其间。上部晶片部件被安装到托架的第一安装表面。应力敏感部件可以是加速度计、陀螺仪或其他惯性传感器，其中加速度计包括传感板，其中传感板上的第一电极与底部晶片部件上的第二电极相对，使得传感板与底部晶片部件的相对运动引起第一电极和第二电极上的电容变化。

间隙可以被界定在第二托架臂与微结构设备之间，例如，在第二托架臂与微结构设备的底部晶片部件之间。间隙也可以被界定在托架底座与微结构设备之间，例如，在托架底座与微结构设备的上部晶片部件和底部晶片部件之间。预期微结构设备到托架的唯一的刚性附接可以在托架的第一安装表面上，例如，其中上部晶片部件被安装到托架的第一安装表面。也预期第一托架臂和第二托架臂彼此的唯一的刚性连接可以通过托架底座。

根据另一示例性实施方案，一种微结构设备封装包括封装外壳和具有底座部分的微结构设备，其中应力敏感部件和上部晶片被安装到底座部分。微结构设备的上部晶片被安装到封装外壳，以使底座部分和应力敏感部件与封装应力隔离。封装外壳可以包括悬跨在两个柱或任何其他适合数量的柱上的桥衬底，该柱从封装外壳的表面延伸，其中微结构设备的上部晶片被安装到桥衬底。

对本领域技术人员而言，本发明的系统和方法的这些和其他特征从优选实施方案的以下详细描述结合附图将变得更加显而易见。

附图说明

为了让本发明属于的本领域技术人员将容易地理解如何制造和使用本发明的设备和方法而无需过多的实验，下文将参照某些图详细地描述本发明的优选实施方案，其中：

图1为现有技术MEMS设备封装的分解透视图，其示出从MEMS加速度计移除的上部晶片；

图2为图1的MEMS加速度计的横截面立视图，其示出处于非加速状态的传感板和底部晶片；

图3为图2的MEMS加速度计的横截面立视图，其示出处于加速状态的相对于彼此移动的传感板和底部晶片；

图4为根据本发明建构的微结构设备封装的示例性实施方案的透视图，其示出通过应力隔离托架被安装到封装外壳的微结构设备；

图5为图4的应力隔离托架和微结构设备的分解透视图，其示出用于将微结构设备附接至托架的安装位置；

图6为图4的微结构设备封装的一部分的正视图，其示出应力隔离托架与微结构设备之间的间隙；

图7为图6中指示的微结构设备封装的部分的横截面侧视图，其示出容纳在微结构设备的上部晶片部件和底部晶片部件内的MEMS加速度计；

图8为根据本发明建构的微结构设备封装的另一示例性实施方案的透视图，其示出通过悬挂在两个柱之间的桥衬底被安装到封装外壳的微结构设备；

图9为图8的微结构设备、桥衬底和柱的分解透视图；

图10为图8的微结构设备封装的侧视图，其示出微结构设备与柱和封装外壳之间的间隔；以及

图11为根据本发明建构的微结构设备封装的另一示例性实施方案的横截面立视图，其示出具有黏合到封装外壳的上部衬底的微结构设备。

具体实施方式

现在将参考附图，其中相同的参考数字识别本发明的类似的结构特征或方面。为了解释和说明而不是限制，根据本发明的微结构设备封装的示例性实施方案的局部视图在图4中被示出且一般由参考字符100指定。如将描述的，在图5至图7中提供根据本发明的微结构设备封装的其他实施方案或方面。本发明的系统和方法可以用于使微结构设备与封装应力隔离。

现在参看图1，将示例性MEMS加速度计10示出为安装在封装12中的芯片。加速度计10包括直接被安装到封装12的底部晶片14。上部晶片16被安装到底部晶片14，其中传感板18被容纳在上部晶片16与底部晶片14之间。图2和图3示出传感板18的操作如何可以提供加速度的传感器读数。如图2中所示，当处于静止状态时，质量块包括平衡在锚部分24上的实心侧20和空心侧22。电容器电极板26形成在质量块的下面上和底部晶片14的上面上，如图2中所定向。在加速框架中，如图3中所示，其中加速度的方向由粗箭头指示，存在使环绕锚部分24稍微旋转的质量块偏转的力失衡。这种偏转改变了传感板18的面向的电容器电极板26与底部晶片14之间的间距。相应的电容变化可以被监视以产生加速度的测量。关于这种类型的加速度计的进一步的细节提供在Guo的美国专利号7,736,931中，该专利以全文引用的方式并入本文。

作用于底部晶片14的应力可以使底部晶片14稍微扭曲。这种扭曲可以影响面向的电容器电极板26之间的间距，并且底部晶片14上的应力可以由此导致加速度的错误的读数。此应力的一个常见来源为如上文所描述的封装应力，该封装应力作用于封装12与底部晶片14之间，其中二者一起被安装。

现在参看图4，微结构设备封装100包括用于缓解封装应力的托架102。封装100包括被配置来和适于容纳MEMS加速度计106的封装外壳104，其为如下文所描述的已安装的芯片。托架102被容纳在封装外壳104中。封装外壳104包括盖子，该盖子未被示出以便显露其内的结构。

现在参照图5，托架102包括托架底座108并且具有第一托架臂110和第二托架臂112，每个托架臂从托架底座108延伸。通道114被界定在第一托架臂110与第二托架臂112之间。第一托架臂110界定相对于通道114面向内的第一安装表面116。第二托架臂112界定相对于通道114面向外的第二安装表面118。托架102的第二安装表面118被安装到封装外壳104，如图4中所示。MEMS加速度计106被安装到通道114中的第一安装表面116。

MEMS加速度计106包括上部晶片部件120和底部晶片部件122，其中应力敏感部件（即，很像上文所描述的传感板18的电极和传感板124）被容纳于其间。上部晶片部件120被安装到托架102的第一安装表面116，如图4和图5中所示的黏合剂126所指示。黏合剂126可以是填银环氧树脂或任何其他适合的材料。接合线128在MEMS加速度计106的触点130之间电连接到任选的机上电子器件132，进而被连接到封装外壳104的触点131以用于将指示加速度的电信号传达到外部部件。

现在参看图6至图7，托架102被配置来和适于使MEMS加速度计106与从托架102的第二安装表面118上的封装外壳104施加的封装应力隔离。间隙A被界定在第二托架臂112与MEMS加速度计106之间，即，在第二托架臂112与MEMS加速度计106的底部晶片部件122之间。图6中指示的第二间隙B被界定在托架底座108与MEMS加速度计106之间，即，在托架底座108与MEMS加速度计106的上部晶片部件120和底部晶片部件122之间。因此，MEMS加速度计106到托架102的唯一的刚性附接是在托架102的第一安装表面116上，即，其中黏合剂126将上部晶片部件120被安装到第一安装表面116。也应注意，托架102具有大体c形横截面（如图6中所示），其中第一托架臂110和第二托架臂112彼此的唯一的刚性连接是通过托架底座108。

在该配置中，由于连接在应力的来源与应力敏感部件之间的介入上部晶片部件120、第一托架臂110、托架底座108和第二托架臂112，故底部晶片122和与其相关联的应力敏感部件（如图7中所示的传感板124）与由封装外壳104施加的任何应力隔离。换句话说，因为底部晶片部件122不直接粘附至封装外壳104，所以封装外壳104的很少或没有应力可以影响电容器电极板的间距以导致错误的读数。

该应力减缓结构允许MEMS加速度计106的传感器读数的更大的灵敏度和可靠性，并且可以被证明提供实质性的偏置和比例因子重复性改进。托架102可以有利地由具有与上部晶片部件120的热膨胀系数匹配的热膨胀系数以减少热膨胀差异的材料制成。例如，托架102和上部晶片部件120均可以由硅制成，其中可以用切割锯、硅蚀刻或任何其他适合的方法形成通道114。本领域技术人员将容易地了解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以使用任何适合的材料和安装方法。

托架102的宽度W可以对应力隔离有影响。一般地，宽度W越小，实现的应力隔离的程度越大。这是部分地因为由较小宽度的基座提供的更有利的纵横比。这也是至少部分地因为黏合剂126的材料与托架102和上部晶片部件120的材料之间的热膨胀差异。

现在参照图8，另一示例性微结构设备封装200包括非常像上文所描述的MEMS加速度计106的MEMS加速度计206。MEMS加速度计206由其上部晶片从桥衬底202悬挂，桥衬底202横跨在从封装外壳204的表面延伸的两个柱203上。可以使用任何其他适合数量的柱203。该桥结构以与上文所描述的托架102几乎一样的方式向MEMS加速度计206内的应力敏感部件提供应力隔离。如图9中示意地指示，桥结构也提供制造的优点，这是因为可以使用标准自动化制造装备来制造桥结构。在将MEMS加速度计206安装到封装外壳204之前，将其黏合或以其他方式连接到桥衬底202。在潜在的平行工序中，柱203被附接于或形成于封装外壳204上。然后，桥衬底可以被安装以从柱203横跨至柱203上，其中MEMS加速度计206已被附接。如图10中所示，所得结构提供MEMS加速度计206与每个柱203之间的间隔C，以及MEMS加速度计206与封装外壳之间的间隔D，这些间隔类似于上文所描述的间隔A和间隔B。

现在参看图11，微结构设备封装300的另一示例性实施方案包括MEMS加速度计306（与上文所描述的相类似），已经将其上部晶片黏合或以其他方式直接安装到封装外壳304，即，例如使MEMS加速度计306相对于图7中所示的实施方案倒置。也预期可以将内插器部件安装在封装外壳304与上部晶片之间。通过上部晶片安装MEMS加速度计306使MEMS加速度计306内的底座部分和应力敏感部件与封装应力隔离，该封装应力不可以直接作用于MEMS加速度计的底座部分。为了促进MEMS加速度计306与其他部件的电连接，硅通孔307形成于底座部分中，从而将在MEMS加速度计306内的部件连接到在MEMS加速度计306外部的电接合线衬垫330，可以将接合线328连接到MEMS加速度计306。

本文在MEMS加速度计的示例性上下文中描述本发明的系统和方法。然而，本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本文所描述的系统和方法可以以极大的优势应用于其他微结构芯片和设备，如压力传感器、陀螺仪、其他惯性传感器或任何其他适合类型的设备。

如上文所描述并且在图中所示的本发明的方法和系统提供具有优良性质（包括应力敏感微结构设备的封装应力隔离）的微结构设备封装。尽管已参照优选实施方案示出和描述本发明的装置和方法，但是本领域技术人员将容易地了解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以对本发明做出变化和/或修改。

Claims (20)

1.一种用于微结构设备的应力隔离托架，其包括托架底座并且具有第一托架臂和第二托架臂，每个托架臂从所述托架底座延伸，且通道被界定于其间，所述第一托架臂界定用于附接至微结构设备并且相对于所述通道面向内的第一安装表面，所述第二托架臂界定相对于所述通道面向外以附接至用于容纳所述微结构设备的封装的第二安装表面，其中所述通道被配置来接收其中仅被附接至所述第一托架臂的所述第一安装表面的微结构设备，并且其中所述托架被配置来和适于使所述第一安装表面与施加在所述第二安装表面的封装应力隔离。

2.如权利要求1所述的用于微结构设备的应力隔离托架，其中通过所述托架底座仅使所述第一托架臂和所述第二托架臂彼此刚性连接。

3.一种微结构设备，其包括：

托架，其具有托架底座并且包括第一托架臂和第二托架臂，每个托架臂从所述托架底座延伸，且通道被界定于其间，所述第一托架臂界定相对于所述通道面向内的第一安装表面，所述第二托架臂界定相对于所述通道面向外的第二安装表面；和

微结构设备，其被安装到所述通道中的所述第一安装表面，其中所述托架被配置来和适于使所述微结构设备与施加在所述第二安装表面的封装应力隔离；

其中所述微结构设备仅在所述托架的所述第一安装表面被刚性附接至所述托架。

4.如权利要求3所述的微结构设备，其中所述微结构设备包括上部晶片部件和底部晶片部件，且应力敏感部件被容纳于其间，其中所述上部晶片部件被安装到所述托架的所述第一安装表面。

5.如权利要求3所述的微结构设备，其中间隙被界定在所述第二托架臂与所述微结构设备之间。

6.如权利要求3所述的微结构设备，其中间隙被界定在所述托架底座与所述微结构设备之间。

7.如权利要求3所述的微结构设备，其中所述微结构设备包括上部晶片部件和底部晶片部件，且惯性传感器被容纳于其间，其中所述惯性传感器包括传感板，所述传感板上的第一电极与所述底部晶片部件上的第二电极相对，使得所述传感板与所述底部晶片部件的相对运动引起所述第一电极和所述第二电极上的电容变化，其中所述上部晶片部件被安装到所述托架的所述第一安装表面。

8.如权利要求7所述的微结构设备，其中间隙被界定在所述第二托架臂与所述微结构设备的所述底部晶片部件之间。

9.如权利要求7所述的微结构设备，其中间隙被界定在所述托架底座与微结构设备的所述上部晶片部件和所述底部晶片部件之间。

10.如权利要求7所述的微结构设备，其中仅在所述上部晶片部件被安装到所述托架的所述第一安装表面的情况下，将所述微结构设备刚性附接至所述托架。

11.一种微结构设备封装，其包括：

封装外壳，其被配置来和适于容纳微结构设备；

托架，其被容纳在所述封装外壳中，所述托架具有托架底座并且包括第一托架臂和第二托架臂，每个托架臂从所述托架底座延伸，且通道被界定于其间，所述第一托架臂界定相对于所述通道面向内的第一安装表面，所述第二托架臂界定相对于所述通道面向外的第二安装表面，其中所述托架的所述第二安装表面被安装到所述封装外壳；和

微结构设备，其被安装到所述通道中的所述第一安装表面，其中所述托架被配置来和适于使所述微结构设备与从所述托架的所述第二安装表面上的所述封装外壳施加的封装应力隔离。

12.如权利要求11所述的微结构设备封装，其中所述微结构设备包括上部晶片部件和底部晶片部件，且应力敏感部件被容纳于其间，其中所述上部晶片部件被安装到所述托架的所述第一安装表面。

13.如权利要求11所述的微结构设备封装，其中间隙被界定在所述第二托架臂与所述微结构设备之间。

14.如权利要求11所述的微结构设备封装，其中间隙被界定在所述托架底座与所述微结构设备之间。

15.如权利要求11所述的微结构设备封装，其中所述微结构设备仅在所述托架的所述第一安装表面被刚性附接至所述托架。

16.如权利要求11所述的微结构设备封装，其中所述微结构设备包括上部晶片部件和底部晶片部件，且惯性传感器被容纳于其间，其中所述惯性传感器包括传感板，所述传感板上的第一电极与所述底部晶片部件上的第二电极相对，使得所述传感板与底部晶片部件的相对运动引起所述第一电极和所述第二电极上的电容变化，其中所述上部晶片部件被安装到所述托架的所述第一安装表面。

17.如权利要求16所述的微结构设备封装，其中间隙被界定在所述第二托架臂与所述微结构设备的所述底部晶片部件之间。

18.如权利要求16所述的微结构设备封装，其中间隙被界定在所述托架底座与所述微结构设备的所述上部晶片部件和所述底部晶片部件之间。

19.如权利要求16所述的微结构设备封装，其中仅在所述上部晶片部件被安装到所述托架的所述第一安装表面的情况下，将所述微结构设备刚性附接至所述托架。

20.一种微结构设备封装，其包括封装外壳和具有底座部分的微结构设备，且应力敏感部件和上部晶片被安装到所述底座部分，其中所述微结构设备的所述上部晶片被安装到所述封装外壳，以使所述底座部分和应力敏感部件与封装应力隔离；其中所述封装外壳包括悬跨在从所述封装外壳的表面延伸的多个柱上的桥衬底，其中所述微结构设备的所述上部晶片被安装到所述桥衬底。