CN103288044A - 精准集成三轴mems装置到基板的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种精准集成三轴MEMS装置到基板的方法，其利用表面张力使待安装到基板或引线框架上的z轴传感装置与xy平面以精确角度对齐。根据本发明，z轴传感装置的高度小于或大致等于其宽度(y维)，而z轴传感装置的纵向(x维)长度大于y维或z维尺寸。因此，不同于又薄又高的墙的形状，z轴传感装置的构造使其非常难于垂直对齐，延长了的z轴传感装置安装在短的z轴上，这样使其更容易垂直对齐并安装。

Description

精准集成三轴MEMS装置到基板的方法
技术领域
本发明涉及一种集成MEMS装置到基板的方法，尤其是，一种精准集成三轴MEMS装置到基板的方法。 
背景技术
目前，将导航技术应用到小型设备中需要两轴和三轴微机电系统(MEMS)传感器，这些两轴和三轴MEMS传感器具有在xy平面上体积小，并在z轴上高度低的特点。然而，安装z轴(MEMS)传感装置，如何在封装领域里的有限空间和高容量的条件下实现低成本仍然是一个挑战。 
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述技术困难，提供一种精准集成三轴MEMS装置到基板的方法，其利用表面张力使待安装到基板或引线框架上的z轴传感装置与xy平面以精确角度对齐。根据本发明，z轴传感装置的高度小于或大致等于其宽度(y维)，而z轴传感装置的纵向(x维)长度大于y维或z维尺寸。因此，不同于又薄又高的墙的形状，z轴传感装置的构造使其非常难于垂直对齐，延长了的z轴传感装置安装在短的z轴上，这样使其更容易垂直对齐并安装。 
为了解决上述技术问题，本发明所提出的技术方案是：一种精准集成三轴MEMS装置到基板的方法，所述基板包括一个定位在xy平面的表面，所述方法包括以下步骤： 
在z轴传感装置的纵长一边或两边设置焊盘，用导电材料涂布所述焊盘； 
用焊接材料覆盖焊盘上的导电材料； 
在基板的预定位置设置焊接图形； 
将焊接材料机械和电气耦合到基板上焊接图形的相应焊接区域；和 
将xy轴传感装置机械和电气耦合到基板的表面。 
进一步的，在不同实施方式中，其中用导电材料涂布焊盘的步骤之前还包括使用第一光罩的步骤。 
进一步的，在不同实施方式中，其中用焊接材料覆盖导电材料的步骤之前还包括使用第二光罩的步骤。 
进一步的，在不同实施方式中，其中第二光罩的开孔大于第一光罩的开孔。 
进一步的，在不同实施方式中，其中第二光罩完全覆盖导电材料。 
进一步的，在不同实施方式中，其中涂布z轴传感装置的纵长一边或两边的焊盘所采用的导电材料选自铜、银、金、铂，或者其组合物、合金中的一种。 
进一步的，在不同实施方式中，其中焊接材料是锡或锡合金。 
进一步的，在不同实施方式中，其中将xy轴传感装置安装到基板的步骤，包括将xy轴传感装置机械耦合到基板上ASIC装置的上表面，以及将ASIC装置电气耦合到基板。 
进一步的，在不同实施方式中，其中ASIC装置电气耦合到基板的步骤采用芯片倒装方法。 
进一步的，在不同实施方式中，其中本发明涉及的方法进一步包括注塑基板和切割基板。 
进一步的，在不同实施方式中，其中导电材料的厚度为100微米。 
进一步的，在不同实施方式中，其中焊接材料的厚度为50微米。 
进一步的，在不同实施方式中，其中提供焊接图形的步骤可采用丝网印 刷或点胶的方法。 
进一步的，在不同实施方式中，其中用丝网印刷或点胶的方法提供焊接图形的步骤，采用的是助焊剂材料、焊膏、填充材料或它们的组合物中的一种材料。 
进一步的，在不同实施方式中，其中将焊接材料机械和电气耦合到基板上焊接图形的相应焊接区域的步骤，包括对基板进行回流。 
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用表面张力使待安装到基板或引线框架上的z轴传感装置与xy平面以精确角度对齐。根据本发明，z轴传感装置的高度小于或大致等于其宽度(y维)，而z轴传感装置的纵向(x维)长度大于y维或z维尺寸。因此，不同于又薄又高的墙的形状，z轴传感装置的构造使其非常难于垂直对齐，延长了的z轴传感装置安装在短的z轴上，这样使其更容易垂直对齐并安装。 
附图说明
从下面对本发明的具体实施方式的描述及附图所示，不难看出上述及本发明的其它目的、特点和有益之处。图示不一定严格依照实物比例，其重点在于说明本发明的原理。 
图1提供了一种本发明涉及的z轴安装到基板上的MEMS装置； 
图2是本发明涉及的一种将z轴传感装置安装到基板或引线框架上的方法的流程图；和
图3显示的是一种将三轴MEMS装置以精确角度安装到基板或引线框架上的方法。 
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。 
请参阅图1，其显示的是一个结构紧凑的三轴MEMS装置10。三轴MEMS装置10包括基板12，例如，引线框架，其定位在xy平面内。基板12包括若干焊盘17和一个焊接图形(bonding pattern)(未显示)，焊盘17用来将第一子系统机械和电气耦合到基板12上，例如，专用集成电路(ASIC)装置16，或复合子系统，焊接图形用来将第二子系统机械和电气耦合到基板12上，例如，z轴传感装置15。 
ASIC装置16可电气和机械耦合到基板12上，例如，利用若干焊盘17通过芯片倒装技术将ASIC装置16倒装到基板12上。为了尽可能缩减三轴MEMS装置10的体积，将多轴传感装置机械耦合到ASIC装置16的上表面11，例如xy轴传感装置14。可选地，xy轴传感装置14可以包括若干引线13，引线13可通过焊接电气耦合到ASIC装置16上的相应焊盘，和/或基板12上的相应焊盘。 
z轴传感装置15安装在基板12上的焊接图形(未显示)之上，其与xy轴传感装置14在基板12上的位置是分开的。为了接收z轴传感装置15，使其电气和机械耦合到基板12上，最好是将焊接图形设置或适用于基板12的表面，例如，可通过丝网印刷或点胶等方法。 
z轴传感装置15的高度(沿z轴)小于或大致等于z轴传感装置15的宽度(沿y轴)。此外，z轴传感装置15的长度(沿x轴)远远大于或等于其高度和/或宽度。z轴传感装置15并不是又薄又高的构造，这使其非常难于在垂直方向上精准对齐，尽可能地将z轴传感装置15的z轴延长但保证又相对短，这能够使其实现精准对齐。 
通常情况下，按照惯常做法，焊盘18设置在z轴传感装置15的底部，焊盘17设置在基板12上，且焊盘18机械和电气耦合到焊盘17上，例如，可通过焊接。然而，根据本发明，如图1所示，z轴传感装置15包括若干排 列在z轴传感装置15的纵长一边或两边20上的焊盘18，焊盘18垂直或基本垂直于基板12所在的xy平面。 
位于z轴传感装置15的纵长一边或两边20上的焊盘18通常包括导电层，例如铜层、锡层。 
下面将说明一种制造三轴MEMS装置10的方法。请参阅图2A，其说明的是一种准备z轴传感装置15以使其精准地垂直对齐并安装到基板12上的方法。再者，图2B所示的流程图，其说明的是一种将三轴MEMS装置10相对于xy平面精准地垂直安装到基板12的方法。 
尽管本发明在后面将被描述成包括先将ASIC装置16耦合到基板12上，再将z轴传感装置15耦合到基板12上，但其实这两个步骤的顺序颠倒过来也是可以的。尽管如此，在任何一种情况下，将z轴传感装置15耦合到基板12上之前，每一个焊盘18必须先设置在z轴传感装置15的纵长一边或两边20。在第一个准备步骤中，通过使用第一光罩(光罩A)，利用光刻工艺将导电材料施覆在焊盘18上(步骤1)。导电材料应当完全覆盖焊盘18。虽然本发明将此步骤称作“镀铜”，但是本领域普通技术人员都知道导电材料可以是铜、银、金、铂，或者其组合物、合金等等。铜镀层的厚度约为100微米或更小。 
接着，使用第二光罩(光罩B)，利用光刻工艺覆盖芯片其他部分，只露出z轴传感装置15中因镀铜而具有导电性能的部分，然后通过电镀或印刷的方式，将焊接材料(例如，锡)覆盖步骤1中镀铜的部分(步骤2)。为确保焊接材料层，例如锡镀层19完全覆盖铜镀层，光罩B的开孔在各维尺寸上都稍微大于光罩A的开孔。光罩A和光罩B之间的间隙将会产生比较厚的锡镀层19，例如，厚度约为50微米或更厚，它将完全包绕或覆盖下面的铜镀层。于是，z轴传感装置15完成，并切割(步骤3)，为安装到基板12上 作好准备。 
现在请参阅图2B，为将z轴传感装置15安装到基板12上作准备，应当在基板12表面的某些部分设置好焊接图形(未显示)，例如，可以通过丝网印刷或点胶等方法形成焊接图形(步骤4)。丝网印刷和/或点胶可以采用助焊剂材料、焊膏、填充材料或它们的组合物等。焊接图形提供与锡镀层19对应的焊接区域。 
一旦所需的焊接图形准备好或在基板12上形成，z轴传感装置15的锡镀层19则可以机械和电气耦合到焊接图形的焊接区域(步骤5)。z轴传感装置15最好保持垂直或基本垂直于基板12的表面，以确保z轴传感装置15的精准地垂直对齐。在一个实施例中，z轴传感装置15的锡镀层19与焊接图形上对应的焊接区域耦合之后，基板12的表面要进行回流(步骤6)，以便使z轴传感装置15固接在基板12上。回流工序(步骤6)保持z轴传感装置15相对于基板12垂直或基本垂直。 
一旦z轴传感装置15已经安装到基板12上(步骤5)，且回流工序(步骤6)已经完成，ASIC装置16则电气和机械耦合到基板12上(步骤7)。此耦合过程可通过芯片倒装技术完成。接着，xy轴传感装置14可机械耦合到ASIC装置16的上表面11(步骤8)，来自xy轴传感装置14的引线13可通过，例如球焊，电气耦合到基板12上的相应焊盘17和/或ASIC装置16上的相应焊盘(未显示)(步骤8)。另外，xy轴传感装置14也可以在ASIC装置16安装到基板12之前机械耦合到ASIC装置16的上表面11。 
一旦xy轴传感装置14机械耦合到ASIC装置16，并且电气耦合到ASIC装置16和/或基板12上的焊盘，ASIC装置16再电气和机械耦合到基板12上，则通过注塑和切割基板12(步骤9)，使整个基板12封装得以完成。 
本发明的有益之处在于能够实现精准的垂直安装，且封装体积小、成本 低，适于大规模生产；并且可以通过有机基板技术实现，诸如LGA、BGA、引线框架技术、QFN、TLA和/或HLA。尽管本发明在描述时假定z轴传感装置15旋转90度以使焊盘18的方位垂直于xy平面，这样焊盘18可保持垂直方向安装到基板12的xy平面，或者，z轴传感装置15可以在制造工序和定位工序之前预先封装和定位，例如，将z轴传感装置15包装在华夫包或卷带包内，以方便后续将其安装到基板12上。 
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。 

Claims (15)

1.一种精准集成三轴MEMS装置到基板的方法，所述基板包括一个定位在xy平面的表面，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
在z轴传感装置的纵长一边或两边设置焊盘，用导电材料涂布所述焊盘；
用焊接材料覆盖焊盘上的导电材料；
在基板的预定位置设置焊接图形；
将焊接材料机械和电气耦合到基板上焊接图形的相应焊接区域；和
将xy轴传感装置机械和电气耦合到基板的表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述用导电材料涂布焊盘的步骤之前还包括使用第一光罩的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述用焊接材料覆盖导电材料的步骤之前还包括使用第二光罩的步骤。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述第二光罩的开孔大于第一光罩的开孔。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述第二光罩完全覆盖导电材料。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述涂布z轴传感装置的纵长一边或两边的焊盘所采用的导电材料选自铜、银、金、铂，或者其组合物、合金中的一种。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述焊接材料是锡或锡合金。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述将xy轴传感装置安装到基板的步骤，包括将xy轴传感装置机械耦合到基板上ASIC装置的上表面，以及将ASIC装置电气耦合到基板。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述ASIC装置电气耦合到基板的步骤采用芯片倒装方法。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：其进一步包括注塑基板和切割基板。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述导电材料的厚度为100微米。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述焊接材料的厚度为50微米。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述提供焊接图形的步骤可采用丝网印刷或点胶的方法。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：所述用丝网印刷或点胶的方法提供焊接图形的步骤，采用的是助焊剂材料、焊膏、填充材料或它们的组合物中的一种材料。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述将焊接材料机械和电气耦合到基板上焊接图形的相应焊接区域的步骤，包括对基板进行回流。
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