CN103674399A - 一种应力分散mems塑封压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应力分散MEMS塑封压力传感器及其制备方法。本发明的塑封压力传感器包括：压力芯片、压力缓冲层、基板、引脚框、导线和塑封体；其中，压力芯片的上表面覆盖一层软胶薄膜，并且露出压力芯片与导线的焊接点，形成压力缓冲层；塑封体与压力缓冲层之间具有空腔，并且在空腔与塑封体的外表面之间开设通孔，与外界连通。本发明采用软胶薄膜的压力缓冲层覆盖压力芯片的敏感结构，通过压力缓冲层的应力分散，减缓注塑时的压力；并且在压力缓冲层上具有大面积的空腔，有利于压力芯片的通风和散热，保障压力芯片的性能完整和正常的功能；具有制作工艺简单先进、保证压力芯片不受应力影响、性能完整、体积相对较小、散热优良等特点。

Description

一种应力分散MEMS塑封压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及微电子封装技术，具体涉及一种应力分散MEMS塑封压力传感器及其制备方法。

背景技术

传感器封装是连接传感器压力芯片和电子系统的一道桥梁，通常是指传感器压力芯片及用来固定、保护它的基板通过热固性和热塑性材料塑封而成的模块。压力芯片的硅基板与载体或与管壳的连接，不仅对集成电路而且对传感器来说,都是重要的环节。

现有技术中的微电子封装虽然在电、热、光和机械性能方面对压力芯片提供了保护，但是却不能满足在一定的成本下，压力芯片不断增加的性能要求和可靠性、散热及功率分配等功能的需要。压阻型压力传感器要将压力或流体流量转换成硅晶体的形变，从而引起电阻条电阻的变化。硅基板和金属载体由于热膨胀系数不同而引起的热应力分布，所以，应避免热应力所引起的压力测量值虚假结果。

发明内容

针对以上对压力传感器压力芯片封装技术不断提出的各种要求，本发明提供一种应力分散MEMS塑封压力传感器及其制备方法。本发明具有制作工艺先进、保证压力芯片不受应力影响、性能完整、体积相对较小、散热优良等特点，从而提高压力传感器压力芯片使用过程中的可靠性。

本发明的一个目的在于提供一种应力分散，并在封装前涂胶保护的MEMS塑封压力传感器。

本发明的MEMS塑封压力传感器包括：压力芯片、压力缓冲层、基板、引脚框、导线和塑封体；其中，在压力芯片的上表面覆盖压力缓冲层，压力缓冲层包括中心缓冲层和边缘缓冲层两部分，中心缓冲层覆盖在压力芯片的敏感结构上，边缘缓冲层覆盖在敏感结构的四周，并且露出压力芯片与导线的焊接点；压力芯片的下表面设置在基板上；导线将压力芯片的焊接点与引脚框相连；塑封体将压力芯片、引脚框和基板封装，并在塑封体的底面或侧面露出引脚框；塑封体与压力缓冲层之间具有空腔，并且在空腔与塑封体的外表面之间开设通孔，与外界连通。

压力缓冲层的材料采用或BCB胶等。压力缓冲层包括中心缓冲层和边缘缓冲层两部分，在敏感结构上的中心缓冲层为一层很薄的低应力软胶，如BCB胶，厚度≤2μm；在敏感结构的四周覆盖的边缘缓冲层为一层较厚的高应力胶体，如SU8；厚度在40～60μm之间。

压力芯片的上表面设置有敏感结构，用来感应压力变化。本发明首先通过MEMS工艺，在压力芯片晶圆划片前，利用匀胶机在压力芯片的敏感结构上覆盖一层软胶薄膜形成压力缓冲层，不影响压力芯片的应力分布，保证散热优良，敏感结构的四周厚胶可在塑封时塑封体的材料固化对压力芯片性能的影响降至最小。压力芯片的下表面通过粘接物粘贴在基板上；导线通过导线粘接物或压焊工艺将压力芯片与引脚框相连接，为压力芯片导电。导线粘接物包括导电银浆或焊料等。，

在塑封体的内表面与压力缓冲层相对应处开设空腔，从而压力缓冲层的表面与塑封体之间完全不接触，空腔可使敏感结构完全暴露于外界，不像现在已有封装，只在塑封表面开一针眼大的小孔。

塑封体与压力缓冲层之间的空腔也可采用密封薄膜形成。压力芯片的下表面粘贴在基板上，通过导线连接引脚框，密封薄膜包裹已覆盖压力缓冲层的压力芯片、引脚框和基板，并露出引脚框的底面或侧面，将密封薄膜与引脚框的边缘密封；塑封体在密封薄膜外将其封装，并在塑封体的底面或侧面露出没有被密封薄膜包裹的引脚框，从而密封薄膜将塑封体与压力芯片之间形成空腔。塑封体与压力芯片之间的空腔可采用在塑封体开设空腔形成。

本发明的塑封压力传感器通过在敏感结构上覆盖压力缓冲层，通过软胶薄膜的压力缓冲层的应力分散，以减缓注塑时的压力；并且在压力缓冲层上具有大面积的空腔，使压力芯片的敏感结构的表面与塑封体完全不接触，从而有利于压力芯片的通风和散热，保障压力芯片的性能完整和正常的功能。

通孔的边缘与导线之间具有一定的安全距离，以保证金属导线不外漏，在塑封体的保护中。通孔与导线之间的距离根据具体压力芯片的尺寸和塑封体的材料确定。

本发明的另一个目的在于提供一种应力分散MEMS塑封压力传感器的制备方法。

本发明的塑封压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

1）对流片结束的压力芯片未划片的晶圆，在其正面利用匀胶机在压力芯片的晶圆覆盖一层软胶薄膜，控制匀胶机的转数和甩胶时间，以保证薄膜的厚度和表面均匀；

2）光刻，曝光，显影，只在敏感结构的表面覆盖一层软胶薄膜，形成压力缓冲层的中心缓冲层；

3）继续在其正面利用匀胶机在压力芯片的晶圆覆盖一层厚胶薄膜，控制匀胶机的转数和甩胶时间，以保证薄膜的厚度和表面均匀；

4）光刻，曝光，显影，在敏感结构的四周覆盖高应力的胶体，留出压力芯片与导线的焊接点，形成压力缓冲层的边缘缓冲层；

5）将压力芯片的下表面通过粘接物粘贴在基板上；

6）通过导线将压力芯片与引脚框相连接；

7）制备具有空腔和通孔的塑封体的注塑模具；

8）进行塑封体注塑，然后冷却，形成具有空腔和通孔的塑封体；

9）塑封体将压力芯片、引脚框和基板封装，并与压力芯片之间形成空腔，在塑封体的底面或侧面露出引脚框。

其中，在步骤1）中，中心缓冲层的材料采用BCB胶等；压力缓冲层的中心缓冲层的厚度小于2um，控制匀胶机的时间和转速，转速1500～2500转/分钟，时间30秒以下。

在步骤3）中，边缘缓冲层的材料采用SU8等；边缘缓冲层的厚度在40～60um之间，控制匀胶机的时间和转速，转速3500～4500转/分钟，时间1分钟以上。

本发明的MEMS塑封压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

1）对流片结束的压力芯片未划片的晶圆，在其正面利用匀胶机在压力芯片的晶圆覆盖一层软胶薄膜，控制匀胶机的转数和甩胶时间，以保证压力缓冲层的厚度和表面均匀；

2）光刻，曝光，显影，只在敏感结构的表面覆盖一层软胶薄膜，形成压力缓冲层的中心缓冲层；

3）继续在其正面利用匀胶机在压力芯片的晶圆覆盖一层厚胶薄膜，控制匀胶机的转数和甩胶时间，以保证此层的厚度和表面均匀；

4）光刻，曝光，显影，在敏感结构的四周覆盖高应力的胶体，留出压力芯片与导线的焊接点，形成压力缓冲层的边缘缓冲层；

5）将压力芯片的下表面通过粘接物粘贴在基板上；

6）通过导线将压力芯片与引脚框相连接；

7）采用密封薄膜包裹压力芯片、引脚框和基板，在压力缓冲层的上表面形成空腔，并露出引脚框的底面或侧面；

8）对密封薄膜和引脚框加热，将密封薄膜与引脚框的边缘密封；

9）制备具有通孔的塑封体注塑的模具；

10）进行塑封体注塑，然后冷却，形成具有通孔的塑封体；

11）塑封体将压力芯片、引脚框和基板封装，并在塑封体的底面或侧面露出没有被密封薄膜包裹的引脚框。

本发明的优点：

本发明采用软胶薄膜的压力缓冲层覆盖压力芯片的上表面的敏感结构，通过压力缓冲层的应力分散，减缓注塑时的压力；并且在压力缓冲层上具有大面积的空腔，使压力芯片的敏感结构的表面与塑封体完全不接触，从而有利于压力芯片的通风和散热，保障压力芯片的性能完整和正常的功能。本发明采用一次注塑成型，减少焊接次数，具有制作工艺简单先进、保证压力芯片不受应力影响、性能完整、体积相对较小、散热优良等特点，从而提高电子压力芯片使用过程中的可靠性。

附图说明

图1为本发明的应力分散MEMS塑封压力传感器的一个实施例的结构示意图；

图2为本发明的应力分散MEMS塑封压力传感器的压力芯片未封装的结构示意图，其中（a）位为俯视图，（b）为沿（a）中A-A’线的剖面图；

图3（a）至（e）为本发明的应力分散MEMS塑封压力传感器的制备方法的流程图；

图4为本发明的应力分散MEMS塑封压力传感器的另一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

实施例一

本实施例的塑封压力传感器包括：压力芯片1、压力缓冲层2、基板3、引脚框4、导线5和塑封体6；其中，压力芯片1的上表面覆盖一层软胶薄膜形成压力缓冲层2，并且露出压力芯片与导线的焊接点；压力芯片1的下表面设置在基板3上；导线4将压力芯片1的焊接点与引脚框4相连，如图2所示；塑封体6将压力芯片1、引脚框4和基板3封装，并在塑封体的底面或侧面露出引脚框；塑封体6与压力缓冲层2之间具有空腔61，并且在空腔61与塑封体的外表面之间开设通孔62，与外界连通，如图1所示。压力缓冲层2包括中心缓冲层21和边缘缓冲层22两部分。

塑封体6采用环氧树脂；导线5和引脚框4为金属；导线5通过导电银浆粘接将压力芯片1与引脚框4相连接。压力芯片的尺寸1mm×1mm，压力缓冲层的中心缓冲层厚度2μm，边缘缓冲层厚度40μm；导线的直径0.2mm，距离通孔0.45mm，距离塑封体外边界3mm。

本实施例的塑封压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

1）对流片结束的压力芯片未划片的晶圆，在其正面利用匀胶机在压力芯片的晶圆覆盖一层软胶薄膜，控制匀胶机的转数和甩胶时间，转速2000R/min，时间30s，以保证薄膜的厚度和表面均匀；

2）光刻，曝光，显影，只在敏感结构的表面覆盖一层BCB胶的软胶薄膜，形成压力缓冲层的中心缓冲层21，如图3（a）所示；

3）继续在其正面利用匀胶机在压力芯片的晶圆覆盖一层SU8的厚胶薄膜，控制匀胶机的转数和甩胶时间，转速4000R/min，时间1min，以保证薄膜的厚度和表面均匀；

4）光刻，曝光，显影，在敏感结构的四周覆盖高应力的胶体，留出压力芯片与导线的焊接点，形成压力缓冲层的边缘缓冲层22，如图3（b）所示；

5）将压力芯片1的下表面粘贴在基板3上，如图3（c）所示；

6）通过导线5将压力芯片的焊接点与引脚框4相连接，如图3（d）所示；

7）制备具有空腔和通孔的塑封体的注塑模具；

8）采用环氧树脂进行塑封体注塑，然后冷却，形成具有空腔和通孔的塑封体6；

9）塑封体6将压力芯片、引脚框和基板封装，并与压力缓冲层2之间形成空腔61，空腔与塑封体外表面之间形成通孔62，在塑封体的侧面露出引脚框，如图3（e）所示。

实施例二

在本实施例中，采用密封薄膜8包括已覆盖压力缓冲层2的压力芯片1、引脚框4和基板3，并露出引脚框的底面或侧面，将密封薄膜8与引脚框4的边缘密封；塑封体6在密封薄膜8外将其封装，从而在塑封体6和压力缓冲层2之间形成空腔61，并开设有通孔62，在塑封体的底面或侧面露出没有被密封薄膜包裹的引脚框，如图4所示。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种MEMS塑封压力传感器，其特征在于，所述塑封压力传感器包括：压力芯片（1）、压力缓冲层（2）、基板（3）、引脚框（4）、导线（5）和塑封体（6）；其中，在所述压力芯片（1）的上表面覆盖压力缓冲层（2），压力缓冲层（2）包括中心缓冲层（21）和边缘缓冲层（22）两部分，中心缓冲层（21）覆盖在压力芯片的敏感结构上，边缘缓冲层（22）覆盖在敏感结构的四周，并且露出压力芯片与导线的焊接点；所述压力芯片（1）的下表面设置在基板（3）上；所述导线（4）将压力芯片（1）的焊接点与引脚框（4）相连；所述塑封体（6）将压力芯片（1）、引脚框（4）和基板（3）封装，并在塑封体的底面或侧面露出引脚框；所述塑封体（6）与压力缓冲层（2）之间具有空腔（61），并且在空腔（61）与塑封体的外表面之间开设通孔（62），与外界连通。

2.如权利要求1所述的塑封压力传感器，其特征在于，所述中心缓冲层的厚度≤2μm，边缘缓冲层的厚度在40～60μm之间。

3.如权利要求1所述的塑封压力传感器，其特征在于，在所述塑封体（6）的内表面与压力缓冲层（2）相对应处开设空腔。

4.如权利要求1所述的塑封压力传感器，其特征在于，采用密封薄膜（8）包裹已覆盖压力缓冲层（2）的压力芯片（1）、引脚框（4）和基板（3），并露出引脚框的底面或侧面，将密封薄膜（8）与引脚框的边缘密封；所述塑封体（6）在所述密封薄膜（8）外将其封装，从而在塑封体（6）与压力缓冲层（2）之间形成空腔（61）。

5.如权利要求1所述的塑封压力传感器，其特征在于，所述中心缓冲层（21）的材料采用BCB胶；所述边缘缓冲层（22）的材料采用SU8。

6.一种权利要求1所述的MEMS塑封压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

1）对流片结束的压力芯片未划片的晶圆，在其正面利用匀胶机在压力芯片的晶圆覆盖一层软胶薄膜，控制匀胶机的转数和甩胶时间，以保证薄膜的厚度和表面均匀；

2）光刻，曝光，显影，只在敏感结构的表面覆盖一层软胶薄膜，形成压力缓冲层的中心缓冲层；

3）继续在其正面利用匀胶机在压力芯片的晶圆覆盖一层厚胶薄膜，控制匀胶机的转数和甩胶时间，以保证薄膜的厚度和表面均匀；

4）光刻，曝光，显影，在敏感结构的四周覆盖高应力的胶体，留出压力芯片与导线的焊接点，形成压力缓冲层的边缘缓冲层；

5）将压力芯片的下表面通过粘接物粘贴在基板上；

6）通过导线将压力芯片与引脚框相连接；

7）制备具有空腔和通孔的塑封体的注塑模具；

8）进行塑封体注塑，然后冷却，形成具有空腔和通孔的塑封体；

9）塑封体将压力芯片、引脚框和基板封装，并与压力芯片之间形成空腔，在塑封体的底面或侧面露出引脚框。

7.一种权利要求1所述的塑封压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

1）对流片结束的压力芯片未划片的晶圆，在其正面利用匀胶机在压力芯片的晶圆覆盖一层软胶薄膜，控制匀胶机的转数和甩胶时间，以保证压力缓冲层的厚度和表面均匀；

2）光刻，曝光，显影，只在敏感结构的表面覆盖一层软胶薄膜，形成压力缓冲层的中心缓冲层；

3）继续在其正面利用匀胶机在压力芯片的晶圆覆盖一层厚胶薄膜，控制匀胶机的转数和甩胶时间，以保证此层的厚度和表面均匀；

4）光刻，曝光，显影，在敏感结构的四周覆盖高应力的胶体，留出压力芯片与导线的焊接点，形成压力缓冲层的边缘缓冲层；

5）将压力芯片的下表面通过粘接物粘贴在基板上；

6）通过导线将压力芯片与引脚框相连接；

7）采用密封薄膜包裹压力芯片、引脚框和基板，在压力缓冲层的上表面形成空腔，并露出引脚框的底面或侧面；

8）对密封薄膜和引脚框加热，将密封薄膜与引脚框的边缘密封；

9）制备具有通孔的塑封体注塑的模具；

10）进行塑封体注塑，然后冷却，形成具有通孔的塑封体；

11）塑封体将压力芯片、引脚框和基板封装，并在塑封体的底面或侧面露出没有被密封薄膜包裹的引脚框。

8.如权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，在步骤1）中，所述中心缓冲层的材料采用BCB胶；压力缓冲层的中心缓冲层的厚度小于2μm，控制匀胶机的时间和转速，转速1500～2500转/分钟，时间30秒以下。

9.如权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，在步骤3）中，所述边缘缓冲层的材料采用SU8；边缘缓冲层的厚度在40～60μm之间，控制匀胶机的时间和转速，转速3500～4500转/分钟，时间1分钟以上。

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