CN105047615B - Mems传感器的封装结构及封装方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种MEMS传感器的封装结构及封装方法，所述封装结构包括：氮化硅陶瓷基座，用于固定MEMS传感器芯片；内部焊盘，位于所述氮化硅陶瓷基座上表面，与MEMS传感器芯片的信号输出端相连；外部焊盘，位于所述氮化硅陶瓷基座下表面；内部电路，用于连接所述内部焊盘和外部焊盘；金属盖，固定于所述氮化硅陶瓷基座的上表面。本申请实现了有效的减小封装热应力对MEMS传感器器件性能造成的影响，从而改善传感器整体性能。
Description
技术领域
本申请涉及元器件封装技术领域，尤其涉及一种MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)传感器的封装结构及封装方法。
背景技术
MEMS(微机械系统)是在传统集成电路技术上发展而来的一门新兴技术，通过制作微米纳米尺度的机械结构来实现感知或执行功能。由于其大小与常规的毫米或者厘米的功能模块之间存在很大的差异，因此需要通过封装来实现电信号在不同尺度的模块间的相互传递，在实现信号传输的过程中，封装本身要尽可能减小对MEMS芯片的影响，同时还要保护MEMS芯片不受外部环境干扰因素的影响。
传统的MEMS传感器芯片的封装主要有：采用金属材料进行封装、采用陶瓷材料进行封装和采用塑料材料进行封装三种方式。其中，陶瓷封装由于其导热性能好，气密性好等优点被广泛使用。
由于MEMS传感器器件的核心功能由其内部的微小可动部件来实现，因此封装时必须考虑封装引起的应力对传感器的器件性能造成的影响。现在主流的MEMS传感器芯片大多由硅材料制成，而传统的陶瓷封装方式中所采用的陶瓷多为氧化铝、氮化铝，该材料与MEMS传感器芯片的材料(硅)的热膨胀系数差别较大，当封装时或封装后的器件温度发生变化时，不同材料的收缩或膨胀程度不同，由此产生的应力失配就会导致MEMS传感器芯片的封装管壳以及MEMS芯片本身发生变形，进而影响MEMS传感器芯片器件性能，甚至直接导致MEMS传感器芯片器件失效。
因此需要找到一种新的封装方法来解决封装所带来的热应力问题。
发明内容
本申请解决的技术问题之一是提供一种MEMS传感器的封装结构及封装方法，减小封装热应力对MEMS传感器器件性能造成的影响。
根据本申请一方面的一个实施例，提供了一种MEMS传感器的封装结构，包括：
氮化硅陶瓷基座，用于固定MEMS传感器芯片；
内部焊盘，位于所述氮化硅陶瓷基座上表面，与MEMS传感器芯片的信号输出端相连；
外部焊盘，位于所述氮化硅陶瓷基座下表面；
内部电路，用于连接所述内部焊盘和外部焊盘；
金属盖，固定于所述氮化硅陶瓷基座的上表面。
可选地，所述氮化硅陶瓷基座包括至少一层氮化硅陶瓷基板。
可选地，所述氮化硅陶瓷基板的厚度范围为0.1～1mm。
可选地，所述氮化硅陶瓷基板的厚度为0.64mm。
可选地，所述氮化硅陶瓷基座上表面或上下表面设置有图形化的金属铜层。
可选地，所述金属铜层厚度范围为0.02～0.3mm。
可选地，所述金属铜层厚度为0.1mm。
可选地，所述金属铜层上依次设置有金属镍层和金层。
可选地，所述金属盖的材料为可伐合金。
可选地，所述内部电路包括：各层氮化硅陶瓷基板内部的金属通孔和氮化硅陶瓷基板表面的功能性电路。
可选地，所述功能性电路包括如下功能中的至少一种：
信号转换功能、信号调理功能、控制回路功能、电源电路功能。
根据本申请另一方面的一个实施例，提供了一种MEMS传感器的封装方法，包括：
提供氮化硅陶瓷基座，所述氮化硅陶瓷基座上表面具有一内部焊盘，氮化硅陶瓷基座下表面具有一外部焊盘，所述内部焊盘与外部焊盘通过内部电路连接；
将MEMS传感器芯片固定在所述氮化硅陶瓷基座的上表面；
连接MEMS传感器芯片信号输出端与氮化硅陶瓷基座上表面的内部焊盘；
将金属盖固定在氮化硅陶瓷基座上，使得MEMS传感器芯片被封装在由所述氮化硅陶瓷基座和所述金属盖组成的壳体内部。
可选地，所述氮化硅陶瓷基座包括至少一层氮化硅陶瓷基板。
可选地，所述氮化硅陶瓷基板的厚度范围为0.1～1mm。
可选地，所述氮化硅陶瓷基板的厚度为0.64mm。
可选地，所述氮化硅陶瓷基座上表面或上下表面设置有图形化的金属铜层。
可选地，所述金属铜层厚度范围为0.02～0.3mm。
可选地，所述金属铜层厚度为0.1mm。
可选地，在所述金属铜层上依次设置有金属镍层和金层。
可选地，通过贴片胶粘接或者焊料焊接的方式将MEMS传感器芯片固定在所述氮化硅陶瓷基座的上表面。
可选地，所述金属盖的材料为可伐合金。
可选地，通过引线键合的方式来连接MEMS传感器芯片信号输出端与氮化硅陶瓷基座上表面的内部焊盘。
可选地，所述MEMS传感器芯片为硅材料制作的惯性传感器，包括：加速度计或陀螺仪。
可选地，将MEMS传感器芯片固定在所述氮化硅陶瓷基座的上表面包括：
将MEMS传感器芯片固定在所述氮化硅陶瓷基座上表面的中心位置。
本申请实施例利用氮化硅陶瓷材料的热膨胀系数与硅接近的特点，选用氮化硅陶瓷作为封装MEMS传感器芯片的基座，可以有效的减小封装热应力对MEMS传感器芯片器件性能造成的影响，从而改善MEMS传感器芯片整体性能。
本领域普通技术人员将了解，虽然下面的详细说明将参考图示实施例、附图进行，但本申请并不仅限于这些实施例。而是，本申请的范围是广泛的，且意在仅通过后附的权利要求限定本申请的范围。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是根据本申请一个实施例的MEMS传感器封装结构剖面图。
图2是根据本申请一个实施例的MEMS传感器封装结构去掉金属盖后的俯视示意图。
图3是根据本申请一个实施例的位于氮化硅陶瓷基座中间层的氮化硅陶瓷基板俯视示意图。
图4是根据本申请一个实施例的MEMS传感器封装方法流程图。
图5所示为采用传统封装结构热应力作用示意图。
图6所示为采用本申请实施例的封装结构热应力作用示意图。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的技术方案作进一步详细描述。
图1是根据本申请一个实施例的一种MEMS传感器的封装结构的剖面图，图2是根据本申请一个实施例的MEMS传感器封装结构去掉金属盖后的俯视示意图。本申请实施例的MEMS传感器的封装结构用于封装硅材料制成的MEMS传感器芯片，该封装结构包括：氮化硅陶瓷基座10、内部焊盘11、外部焊盘12、内部电路13、金属盖14。
其中，氮化硅陶瓷基座10，用于固定MEMS传感器芯片，优选的固定在氮化硅陶瓷基座10的中心位置；该氮化硅陶瓷基座10可以包括至少一层氮化硅陶瓷基板101。如图1中所示为氮化硅陶瓷基座10包括三层氮化硅陶瓷基板101的实施例。其中，每层氮化硅陶瓷基板101的厚度范围为0.1～1mm，优选为0.64mm。本申请实施例的由多层氮化硅陶瓷基板101组成氮化硅陶瓷基座10的方式可以实现在氮化硅陶瓷基板101之间布线，增加走线数量。如图3所示为根据本申请一个实施例的位于氮化硅陶瓷基座中间层的氮化硅陶瓷基板101俯视示意图，可见，在每层氮化硅陶瓷基板101上表面可根据需要布线。图3中位于中间层氮化硅陶瓷基板101表面的电路并非限定于此，其仅用于说明在中间层的该氮化硅陶瓷基板101上表面可根据需要任意布线。该中间层氮化硅陶瓷基板101表面电路通过与上层连接的内部焊盘11与上层电路连接，通过与下层连接的内部焊盘11来与下层电路实现连接。
可选的，在该氮化硅陶瓷基座10上表面或上下表面设置有图形化的金属铜层，使得该氮化硅陶瓷基座的热膨胀系数可调。所述图形化即，该金属铜层并非完全覆盖该氮化硅陶瓷基座10上表面或上下表面，如图1中所示，针对氮化硅陶瓷基座10的上表面，可以仅在固定MEMS传感器芯片的位置、固定内部焊盘11的位置及固定金属盖14的位置设置金属铜层。针对氮化硅陶瓷基座10的下表面可以仅在固定外部焊盘12的位置及中心指定范围设置金属铜层。当然本申请并不局限于此。其中，所述金属铜层厚度范围可以为0.02～0.3mm，优选为0.1mm。
另外，可选地，在所述金属铜层上可以依次设置有金属镍层和金层，例如，如图1中所示，针对氮化硅陶瓷基座上表面，可以在金属铜层上依次设置有金属镍层和金层，使得在该位置可以实现焊接。也可以氮化硅陶瓷基座的上设置有金属镍层和金层，使得在该位置可以实现焊接。例如，如图1中所示，针对氮化硅陶瓷基座下表面，在金属铜层上依次设置有金属镍层和金层，，使得在该位置可以实现焊接。
内部焊盘11，位于所述氮化硅陶瓷基座10上表面，该内部焊盘11与MEMS传感器芯片的信号输出端相连，例如可以通过引线键合的方式或焊接的方式相连。
外部焊盘12，位于所述氮化硅陶瓷基座下表面。该外部焊盘12可以与该封装结构的外部电路连接。
内部电路13，主要用于连接所述内部焊盘11和外部焊盘12。所述内部电路13包括：各层氮化硅陶瓷基板内部的金属通孔和氮化硅陶瓷基板表面的功能性电路。也就是该内部电路13可以起到连接电路的作用，此时该内部电路13可以为氮化硅陶瓷基板内部的金属通孔。另外，该内部电路13还可以包括一些功能性电路，所述功能性电路包括但不限于如下功能中的至少一种：信号转换功能、信号调理功能、控制回路功能、电源电路功能等等。所述功能性电路可以布置于氮化硅陶瓷基座上表面、布置于中间的氮化硅陶瓷基板表面、及氮化硅陶瓷基座下表面中的任一个或多个上。
金属盖14，固定于所述氮化硅陶瓷基座的上表面。该金属盖14的材料可以为与硅材料热膨胀系数接近的可伐合金。该金属盖14的形状可以如图1中所示为方形容器状。当然本申请并不局限于此，也可以为弧形容器状。
本申请实施例还提供一种与上述MEMS传感器封装结构相应的MEMS传感器的封装方法，用于利用上述实施例的封装结构封装MEMS传感器芯片。如图4中所示为该封装方法的流程图，该封装方法主要包括如下步骤S10～S13：
S10、提供氮化硅陶瓷基座。
该氮化硅陶瓷基座可以包括至少一层氮化硅陶瓷基板。如图1中所示为氮化硅陶瓷基座包括三层氮化硅陶瓷基板的示意图。其中，每层氮化硅陶瓷基板的厚度范围为0.1～1mm，优选0.64mm。本申请实施例的由多层基板组成基座的方式可以实现在基板与基板之间布线，增加走线数量。
可选的，在提供的氮化硅陶瓷基座上表面或上下表面设置有图形化的金属铜层，使得该氮化硅陶瓷基座的热膨胀系数可调。所述图形化即，该金属铜层并非完全覆盖该氮化硅陶瓷基座上表面或上下表面，如图1中所示，针对氮化硅陶瓷基座的上表面，可以仅在固定MEMS传感器芯片的位置、固定内部焊盘的位置及固定金属盖的位置设置金属铜层。针对氮化硅陶瓷基座的下表面可以仅在固定外部焊盘的位置及中心指定范围设置金属铜层。当然本申请并不局限于此。其中，所述金属铜层厚度范围可以为0.02～0.3mm，优选0.1mm。
另外，可选地，在所述金属铜层上可以依次设置有金属镍层和金层，例如，如图1中所示，针对氮化硅陶瓷基座上表面，可以在金属铜层上依次设置有金属镍层和金层，使得在该位置可以实现焊接。也可以在氮化硅陶瓷基座上设置金属镍层和金层，使得在该位置可以实现焊接。例如，如图1中所示，针对氮化硅陶瓷基座下表面，在金属铜层上依次设置有金属镍层和金层，使得在该位置可以实现焊接。
其中，在提供的所述氮化硅陶瓷基座上表面具有一内部焊盘，氮化硅陶瓷基座下表面具有一外部焊盘，所述内部焊盘与外部焊盘通过内部电路连接。所述内部焊盘用于与MEMS传感器芯片连接，所述外部焊盘用于与外部电路连接。
S11、将MEMS传感器芯片固定在所述氮化硅陶瓷基座的上表面。
优选的，将MEMS传感器芯片固定在所述氮化硅陶瓷基座上表面的中心位置，因为由不同层氮化硅陶瓷基板间热失配所引起的应力，在中心位置是最小的。
其中，可以通过贴片胶粘接或者焊料焊接的方式将MEMS传感器芯片固定在所述氮化硅陶瓷基座的上表面。
可选地，若所述氮化硅陶瓷基座上图形化的设置有金属铜层，并在金属铜层上依次设置有金属镍层和金层，则在将MEMS传感器芯片固定在所述氮化硅陶瓷基座上时，可将该MEMS传感器芯片固定在具有该镀层的位置上。
S12、连接MEMS传感器芯片信号输出端与氮化硅陶瓷基座上表面的内部焊盘。
可通过引线键合的方式或焊接的方式来连接MEMS传感器芯片信号输出端与氮化硅陶瓷基座上表面的内部焊盘。
S13、将金属盖固定在氮化硅陶瓷基座上，使得MEMS传感器芯片被封装在由所述氮化硅陶瓷基座和所述金属盖组成的壳体内部。
所述金属盖的材料为可伐合金，可通过钎焊或共晶焊的方式将金属盖固定在氮化硅陶瓷基座上。
需要说明的是，由所述氮化硅陶瓷基座和所述金属盖组成的壳体内部可以为真空环境。例如，可在真空环境中实现上述步骤S13的操作。当然本申请实施例并不局限于此，还可以为气密环境，所谓气密环境即壳体内外部不发生漏气现象，进一步的，该壳体内部为氮气气氛。。
本实施例所述的MEMS传感器的封装方法适用于硅材料制作的惯性传感器，包括：加速度计或陀螺仪。
通过大量的实验数据可以发现，使用本申请实施例中所述的封装结构相对传统的封装结构可以大大减小热应力对MEMS传感器器件性能造成的影响。例如，图5所示为采用传统封装结构热应力作用示意图。其中图5中左侧所示为采用传统陶瓷封装结构时，固定MEMS传感器芯片的陶瓷底座与MEMS传感器芯片在常温状态下示意图，图5中右侧所示为采用传统陶瓷封装结构时，在热应力作用下造成的变形示意图。图6所示为采用本申请实施例的封装结构热应力作用示意图。其中，图6中左侧所示为采用本申请实施例的封装结构时，固定MEMS传感器芯片的氮化硅管壳衬底及MEMS传感器芯片在常温状态下示意图，图6中右侧所示的结构在热应力作用下造成的变形示意图。由图5与图6的对比可以看出，采用本申请实施例的封装结构热应力对MEMS传感器芯片造成的弯曲比传统封装结构低，且根据实验数据发现可以低5倍以上。
综上所述，本申请实施例利用氮化硅陶瓷材料的热膨胀系数与硅接近的特点，选用氮化硅陶瓷作为封装MEMS传感器的基座，可以有效的减小封装热应力对MEMS传感器器件性能造成的影响，改善传感器整体性能。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
Claims (20)
1.一种MEMS传感器的封装结构，其特征在于，包括：
氮化硅陶瓷基座，用于固定MEMS传感器芯片，所述氮化硅陶瓷基座包括至少一层氮化硅陶瓷基板，氮化硅陶瓷基座上表面或上下表面设置有图形化的金属铜层，所述金属铜层使得该氮化硅陶瓷基座的热膨胀系数可调；
内部焊盘，位于所述氮化硅陶瓷基座上表面，与MEMS传感器芯片的信号输出端相连；
外部焊盘，位于所述氮化硅陶瓷基座下表面；
内部电路，用于连接所述内部焊盘和外部焊盘；
金属盖，固定于所述氮化硅陶瓷基座的上表面。
2.如权利要求1所述的MEMS传感器的封装结构，其特征在于，所述氮化硅陶瓷基板的厚度范围为0.1～1mm。
3.如权利要求1所述的MEMS传感器的封装结构，其特征在于，所述氮化硅陶瓷基板的厚度为0.64mm。
4.如权利要求1所述的MEMS传感器的封装结构，其特征在于，所述金属铜层厚度范围为0.02～0.3mm。
5.如权利要求4所述的MEMS传感器的封装结构，其特征在于，所述金属铜层厚度为0.1mm。
6.如权利要求1所述的MEMS传感器的封装结构，其特征在于，所述金属铜层上依次设置有金属镍层和金层。
7.如权利要求1所述的MEMS传感器的封装结构，其特征在于，所述金属盖的材料为可伐合金。
8.如权利要求1所述的MEMS传感器的封装结构，其特征在于，所述内部电路包括：各层氮化硅陶瓷基板内部的金属通孔和氮化硅陶瓷基板表面的功能性电路。
9.如权利要求8所述的MEMS传感器的封装结构，其特征在于，所述功能性电路包括如下功能中的至少一种：
信号转换功能、信号调理功能、控制回路功能、电源电路功能。
10.一种MEMS传感器的封装方法，其特征在于，包括：
提供氮化硅陶瓷基座，所述氮化硅陶瓷基座上表面具有一内部焊盘，氮化硅陶瓷基座下表面具有一外部焊盘，所述内部焊盘与外部焊盘通过内部电路连接，所述氮化硅陶瓷基座包括至少一层氮化硅陶瓷基板，氮化硅陶瓷基座上表面或上下表面设置有图形化的金属铜层，所述金属铜层使得该氮化硅陶瓷基座的热膨胀系数可调；
将MEMS传感器芯片固定在所述氮化硅陶瓷基座的上表面；
连接MEMS传感器芯片信号输出端与氮化硅陶瓷基座上表面的内部焊盘；
将金属盖固定在氮化硅陶瓷基座上，使得MEMS传感器芯片被封装在由所述氮化硅陶瓷基座和所述金属盖组成的壳体内部。
11.如权利要求10所述的MEMS传感器的封装方法，其特征在于，所述氮化硅陶瓷基板的厚度范围为0.1～1mm。
12.如权利要求11所述的MEMS传感器的封装方法，其特征在于，所述氮化硅陶瓷基板的厚度为0.64mm。
13.如权利要求10所述的MEMS传感器的封装方法，其特征在于，所述金属铜层厚度范围为0.02～0.3mm。
14.如权利要求10所述的MEMS传感器的封装方法，其特征在于，所述金属铜层厚度为0.1mm。
15.如权利要求10所述的MEMS传感器的封装方法，其特征在于，在所述金属铜层上依次设置有金属镍层和金层。
16.如权利要求10所述的MEMS传感器的封装方法，其特征在于，通过贴片胶粘接或者焊料焊接的方式将MEMS传感器芯片固定在所述氮化硅陶瓷基座的上表面。
17.如权利要求10所述的MEMS传感器的封装方法，其特征在于，所述金属盖的材料为可伐合金。
18.如权利要求10所述的MEMS传感器的封装方法，其特征在于，通过引线键合的方式或焊接来连接MEMS传感器芯片信号输出端与氮化硅陶瓷基座上表面的内部焊盘。
19.如权利要求10所述的MEMS传感器的封装方法，其特征在于，所述MEMS传感器芯片为硅材料制作的惯性传感器，包括：加速度计或陀螺仪。
20.如权利要求10所述的MEMS传感器的封装方法，其特征在于，将MEMS传感器芯片固定在所述氮化硅陶瓷基座的上表面包括：
将MEMS传感器芯片固定在所述氮化硅陶瓷基座上表面的中心位置。
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