CN104535055A - 一种基于硅硅键合的减少封装应力的微机械陀螺仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于硅硅键合的减少封装应力的微机械陀螺仪，包括芯片层和基座层，所述基座层表面刻蚀出一块用于硅硅键合的凸块。这种结构将热应力降至最小，有效地改善了微机械陀螺仪的全温漂移性能，对于高精度、高温 MEMS 传感器而言，效果显著，因此具有广泛的应用场合。

Description

一种基于硅硅键合的减少封装应力的微机械陀螺仪
技术领域
本发明涉及一种电容式微机械陀螺仪，具体涉及一种基于硅硅键合的减少封装应力的微机械陀螺仪。
背景技术
硅微机械陀螺仪由于具有体积小、成本低、功耗低、抗冲击、可靠性高等优点，在惯性测量领域有着广泛的应用前景。而电容式硅微机械陀螺仪又以其温度系数低，重复性好等优良特性而被广泛关注，是目前研制最多、应用最广的惯性器件之一。
电容式硅微机械陀螺仪的制作方法又分为两大类，第一类是表面微机械加工法，第二类是体硅微机械加工法。前者与集成电路工艺兼容，具有集成度高成本低的优点，但也存在稳定性差，噪声大等缺点。而体硅式加工的微陀螺计采用单晶硅作为敏感单元，质量块较大，因而灵敏度高，噪声小，性能稳定。因而高性能微机械陀螺仪通常采用体硅工艺制作。
体硅工艺主要又可分为硅-玻璃键合工艺和硅-硅键合工艺两种。当对传感器的性能要求进一步提高后，比如精度要求达到战术级和导航级后，对材料的热涨系数的匹配要求也更加严格。从这一点来说，硅-硅键合又比硅-玻璃键合更胜一筹。到目前为止，大多数硅-硅键合采用的是共熔键合，共熔材料可以是微晶玻璃浆料或可熔性合金材料，有时还需要一层二氧化硅绝缘材料作为隔离层。然而这些键合共熔材料和隔离材料或多或少会带来一些不匹配热应力问题，从而影响到器件性能。
众所周知，MEMS传感器芯片的封装应力来源于封装材料与硅芯片的热膨胀系数不匹配。MEMS传感器硅芯片通常是采用各种不同的粘接材料粘贴于衬底之上，然后经过一定的温度烧结使之固化。因材料的热不匹配在封装过程中引入的热应力显而易见，而传感器敏感区域的任何形式的应力都会对传感器的精度和稳定度产生影响。对于高精度MEMS传感器而言，这种由于封装材料与MEMS传感器芯片的热膨胀系数失配造成的热应力对器件精度的影响特别大，这使得芯片结构和封装的应力隔离设计显得尤为重要。必须采取措施来减小敏感元件区的热应力。传统减小热应力的方法有以下几类：（1）选用低热失配的衬底材料，即与硅的热膨胀系数接近的材料但是这种方法的成本比较高。
（2）选用低应力的柔性粘接材料如软性硅胶等；使用柔性粘接剂有粘接强度弱的缺点，而且柔性粘接剂不适合有剪切应力的应用场合。
（3）增加芯片的厚度，使得芯片敏感层面远离衬底粘接面；从结构上，采用高深宽比的支撑层连接传感芯片和封装管壳，支撑层和芯片层通过阳极键合方式键合，制作工艺简单，成本低，有较高的连接强度，使用范围较广。较厚的支撑层可以释放并隔离热应力，因而这种结构属于纵向隔离。缺点在于，当支撑层不是硅材料时，如使用Pyrex，由于阳极键合温度较高，会不可避免的引入残余热应力。另外，在高压应用场合，压力不仅作用于敏感膜片，同样作用于支撑层表面的压力产生的应力会传递至敏感区，对传感器的灵敏度和精度造成影响。通过减小支撑层和管壳的粘接面积可进一步降低热应力，但同时也会降低芯片的粘接强度。
（4）基于横向V型解耦结构释放应力，把芯片设计成梯形结构；这种结构增加了工艺的复杂性和减小了与管壳的粘接面积，降低了粘接强度。
（5）把芯片的敏感层设计成悬臂梁结构或者在沾片时仅把芯片的一端固定起来。不足之处在于增加了芯片面积，而且需要较为复杂的刻蚀工艺来制作悬臂梁结构。
发明内容
本发明目的是：提供一种能有效减少热应力、性能较好的基于硅硅键合的减少封装应力的微机械陀螺仪。
本发明的技术方案是：一种基于硅硅键合的减少封装应力的微机械陀螺仪，包括芯片层和基座层，其特征在于，所述基座层表面刻蚀出至少一块用于硅硅键合的凸块。
进一步的，所述凸块周围刻蚀有深槽。
进一步的，所述凸块为方形或者圆形。
进一步的，所述凸块可以是1块，2块，3块或者4块，均匀分布于基座层的一边角位置。
进一步的，所述凸块的键合面积占芯片面积的2%-15%，典型值为4%。进一步的，所述凸块高于其它非键合区为0.1-5um，典型值为3um。
进一步的，所述深槽的刻蚀深度为10-100um。
为了防止上面的芯片层与下面的基座衬底层发生粘连，所述基座层表面的非键合区还均匀刻蚀有高度低于凸块的凸点。凸点的高度比键合区凸块低1-3um。
本发明的优点是：
1、该种结构的微机械陀螺仪硅硅键合的键合区域放置于芯片的边角，通过减小键合面积和深沟槽刻蚀减小因材料热膨胀系数不匹配而产生的热应力，这种结构可以避免过多的考虑材料的选择（如低应力的封装衬底和低应力的粘接剂）。
2、不仅将热应力降至最小，还有效地减小了器件的尺寸，成本低；而且全温漂移性能提高10-100倍左右，对于高精度高温MEMS传感器而言，效果更加突出，因此具有广泛的应用场合。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1是本发明基于硅硅键合的减少封装应力的微机械陀螺仪设置一块键合区域的剖视图；
图2是本发明基于硅硅键合的减少封装应力的微机械陀螺仪的基座层设置一块键合区域的俯视图；
图3是本发明基于硅硅键合的减少封装应力的微机械陀螺仪的基座层设置三块键合区域的俯视图；
图4是本发明基于硅硅键合的减少封装应力的微机械陀螺仪的基座层设置四块键合区域的俯视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例：
如图1所述的基于硅硅键合的减少封装应力的微机械陀螺仪，该结构由芯片层1和基座层组成，基座层包括硅衬底层2和LTCC基板4，硅衬底层2和LTCC基板4之间通过粘结剂连接，在硅衬底层2表面刻蚀出一块用于硅硅键合的小方块5（刻蚀的形状可以根据传感器的结构而定，例如支撑层为方形或者长方形，则刻蚀的形状可以为方形或者长方形，硅衬底层为圆形，则刻蚀的形状可以为圆形），在小方块5周围刻蚀一深槽6。
下面以微机械陀螺仪为例对该隔离结构进行分析。
1、键合位置的选取
键合区域（凸块）可放置在芯片上的任意相对位置。经实验证明，随着键合区域靠近芯片的边角，热应力均有明显减小，即在获得同等的热应力隔离效果时，相比将键合区域放置在芯片中心，将键合区域放置在边角可以获得较大的键合面积，从而获得更大的键合强度。
键合区域可以采用一个凸块，设置在基座层的一边，如图2所示。键合区域也可以采用三个凸块，三个凸块分布设置在基座层的边角构成三角形分布，如图3所示。键合区域也可以是四个凸块设置在基座层的四角，如图4所示。
2、键合面积对热应力的影响
经实验证明，当小方块的高度（刻蚀深度）一致时，随着键合面积的减小，热应力明显减小。可大大提高传感器的精度。如果进一步将键合面积减小，热应力将几乎被完全隔离。
3、深槽刻蚀深度对结构的影响
深槽刻蚀的越深，热应力隔离效果越好，当高度大于50um时，隔离效果相差不大，考虑到抗冲击性能等因素，高度宜取在在50-100um之间。
4、非键合区的上下层间隙
为了使的芯片能用于高过载环境，非键合区的上芯片层与下基座层的间隙设计得比较小，一般为0.1 -5 um。，这样在高过载环境下，上芯片与下基座紧贴在一起，不会在键合区（凸块区）产生具有破坏性的应力，所以上下层间隙越小越好。
为了防止上面的芯片层与下面的基座衬底层发生粘连。在非键合区再刻蚀出一些微小凸点，这些微小凸点的高度比键合区凸块略低1到3个微米。这样在高过载环境下，上芯片与下基座紧贴在一起时，二者也不会粘连。这种硅硅键合方法可以将热应力降至最小，使得陀螺器件的全温零漂性能提高10-100倍左右。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1. 一种基于硅硅键合的减少封装应力的微机械陀螺仪，包括芯片层和基座层，其特征在于，所述基座层表面刻蚀出至少一块用于硅硅键合的凸块。
2.根据权利要求1所述的基于硅硅键合的减少封装应力的微机械陀螺仪，其特征在于，所述凸块周围刻蚀有深槽。
3.根据权利要求1所述的基于硅硅键合的减少封装应力的微机械陀螺仪，其特征在于，所述凸块为方形或者圆形。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于硅硅键合的减少封装应力的微机械陀螺仪，其特征在于，所述凸块对称分布于基座层的边角。
5.根据权利要求1-3任一项所述的基于硅硅键合的减少封装应力的微机械陀螺仪，其特征在于，所述凸块的键合面积占芯片面积的2%-15%,典型值为4%。
6.根据权利要求2所述的基于硅硅键合的减少封装应力的微机械陀螺仪，其特征在于，所述深槽的刻蚀深度为10-100um。
7.根据权利要求1所述的基于硅硅键合的减少封装应力的微机械陀螺仪，其特征在于，所述凸块高于其它非键合区为0.1-5um，典型值为3um。
8.根据权利要求1所述的基于硅硅键合的减少封装应力的微机械陀螺仪，其特征在于，所述基座层表面的非键合区还均匀刻蚀有高度低于凸块的凸点。
9.根据权利要求1所述的基于硅硅键合的减少封装应力的微机械陀螺仪，其特征在于，所述凸点的高度比键合区凸块低1-3um。
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