CN105129720A - Mems传感器的封装结构及封装方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种MEMS传感器芯片的封装结构及封装方法，所述封装结构包括：氮化硅陶瓷管壳，包括衬底与侧壁，所述衬底用于固定MEMS传感器芯片，位于所述氮化硅陶瓷管壳内侧的侧壁具有一台阶；内部焊盘，位于所述台阶上表面，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管壳外表面；内部电路，用于连接所述内部焊盘和外部焊盘；盖板，部分或全部位于所述衬底与侧壁内部，用于对所述氮化硅陶瓷管壳进行封口。本申请实现了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，从而改善传感器整体性能。

Description

MEMS传感器的封装结构及封装方法

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-MechanicalSystem，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：

氮化硅陶瓷管壳，包括衬底与侧壁，所述衬底用于固定MEMS传感器芯片，位于所述氮化硅陶瓷管壳内侧的侧壁设置一台阶；

内部焊盘，位于所述台阶上表面，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管壳外表面；

内部电路，部分或全部位于所述衬底与侧壁内部，用于连接所述内部焊盘和外部焊盘；

盖板，用于对所述氮化硅陶瓷管壳进行封口。

可选地，所述内部焊盘由所述台阶上表面设置的金属组成。

可选地，所述金属包括金属镍和金。

可选地，所述盖板采用陶瓷或可伐合金材料。

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：

提供氮化硅陶瓷管壳，所述氮化硅陶瓷管壳包括衬底与侧壁，位于所述氮化硅陶瓷管壳内侧的侧壁具有一台阶，所述台阶上表面具有一内部焊盘，在所述氮化硅陶瓷管壳外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管壳衬底的上表面；

连接MEMS传感器芯片信号输出端与所述内部焊盘；

将盖板固定在氮化硅陶瓷管壳侧壁上表面，使得MEMS传感器芯片被封装在由所述氮化硅陶瓷管壳和所述盖板组成的壳体内部。

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管壳衬底的上表面。

可选地，通过引线键合的方式连接MEMS传感器芯片信号输出端与氮化硅陶瓷管壳侧壁台阶上表面的内部焊盘。

可选地，通过粘胶或焊接的方式将盖板固定在氮化硅陶瓷管壳侧壁上表面。

可选地，由所述氮化硅陶瓷管壳和所述盖板组成的壳体内部为真空环境。

可选地，由所述氮化硅陶瓷管壳和所述盖板组成的壳体内部为气密环境，壳体内部为氮气氛围。

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。

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，选用氮化硅陶瓷管壳封装MEMS传感器芯片，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，从而改善传感器整体性能。

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盖板后的俯视示意图。

图3是根据本申请一个实施例的MEMS传感器封装方法流程图。

图4所示为采用传统封装结构热应力作用示意图。

图5所示为采用本申请一个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盖板后的俯视示意图。该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，例如硅材料制作的惯性传感器，包括：陀螺仪或加速度计。该封装结构包括：氮化硅陶瓷管壳10、内部焊盘11、外部焊盘12、内部电路13、盖板14。

其中，氮化硅陶瓷管壳10，包括衬底101与侧壁102，所述衬底101用于固定MEMS传感器芯片。位于所述氮化硅陶瓷管壳10内侧的侧壁102具有一台阶。内部焊盘11位于该台阶上表面，且该内部焊盘11可以由多层金属构成，例如，该内部焊盘11可以由所述台阶上表面设置的金属镍及金组成。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管壳10外表面，可以位于衬底101的下表面，也可以位于侧壁102的外表面。优选的，位于衬底101下表面的边缘。其中内部焊盘11与外部焊盘12通过内部电路13连接，该内部电路13用于将内部焊盘11的电信号引出给外部焊盘12。即MEMS传感器芯片的输出端与内部焊盘11连接，内部焊盘11通过内部电路13与外部焊盘12连接，外部焊盘12可与外围的PCB电路连接。

盖板14，用于对所述氮化硅陶瓷管壳进行封口。该盖板14可以采用陶瓷或可伐合金材料。

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3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～S12：

S10、提供氮化硅陶瓷管壳。

该氮化硅陶瓷管壳可以包括衬底与侧壁，位于所述氮化硅陶瓷管壳内侧的侧壁具有一台阶，该台阶的高度取决于待封装MEMS传感器芯片的厚度，确保连接MEMS传感器芯片与内部焊盘的引线两端的落差在规定范围内，因此台阶的高度与MEMS传感器芯片的厚度差需要在规定值范围内。即对于较厚的MEMS传感器芯片，台阶高度相对较高；对于较薄的MEMS传感器芯片，台阶高度相对较低，甚至可以不设置台阶，而直接在衬底上设置所述内部焊盘以引出MEMS传感器芯片的信号。

在所述台阶上表面具有一内部焊盘，在所述氮化硅陶瓷管壳外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。

S11、将MEMS传感器芯片固定在所述氮化硅陶瓷管壳衬底的上表面。

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管壳衬底的上表面。

可选地，当选择焊接方式将MEMS传感器芯片固定在所述氮化硅陶瓷管壳衬底的上表面时，可以在所述衬底上表面焊接该MEMS传感器芯片的位置设置金属层，以实现该焊接工艺。

S12、将盖板固定在氮化硅陶瓷管壳侧壁上表面，使得MEMS传感器芯片被封装在由所述氮化硅陶瓷管壳和所述盖板组成的壳体内部。

所述盖板的材料为陶瓷或可伐合金材料，如果盖板是陶瓷材料，则优选用粘胶的方式固定；如果盖板是可伐金属材料，则选择胶粘与焊接的方式均可。

需要说明的是，由所述氮化硅陶瓷管壳和所述盖板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S12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的封装，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传感器芯片器件性能造成的影响。例如，图4所示为采用传统封装结构热应力作用示意图。其中图4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4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形变示意图。图5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5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5中右侧所示的结构在热应力作用下造成的形变示意图。由图4与图5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，选用氮化硅陶瓷管壳封装MEMS传感器芯片，可以有效的降低由温度变化引起的热应力，减小封装结构对MEMS传感器芯片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 (10)

1.一种MEMS传感器芯片的封装结构，其特征在于，包括：

氮化硅陶瓷管壳，包括衬底与侧壁，所述衬底用于固定MEMS传感器芯片，位于所述氮化硅陶瓷管壳内侧的侧壁具有一台阶；

内部焊盘，位于所述台阶上表面，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管壳外表面；

内部电路，部分或全部位于所述衬底与侧壁内部，用于连接所述内部焊盘和外部焊盘；

盖板，用于对所述氮化硅陶瓷管壳进行封口。

2.如权利要求1所述的MEMS传感器芯片的封装结构，其特征在于，所述内部焊盘由所述台阶上表面设置的金属层组成。

3.如权利要求2所述的MEMS传感器芯片的封装结构，其特征在于，所述金属包括：金属镍和金。

4.如权利要求1所述的MEMS传感器芯片的封装结构，其特征在于，所述盖板采用陶瓷或可伐合金材料。

5.一种MEMS传感器芯片的封装方法，其特征在于，包括：

提供氮化硅陶瓷管壳，所述氮化硅陶瓷管壳包括衬底与侧壁，位于所述氮化硅陶瓷管壳内侧的侧壁具有一台阶，所述台阶上表面具有一内部焊盘，在所述氮化硅陶瓷管壳外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管壳衬底的上表面；

连接MEMS传感器芯片信号输出端与氮化硅陶瓷管壳侧壁台阶上表面的内部焊盘；

将盖板固定在氮化硅陶瓷管壳侧壁上表面，使得MEMS传感器芯片被封装在由所述氮化硅陶瓷管壳和所述盖板组成的壳体内部。

6.如权利要求5所述的MEMS传感器芯片的封装方法，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管壳衬底的上表面。

7.如权利要求5所述的MEMS传感器芯片的封装方法，其特征在于，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管壳侧壁台阶上表面的内部焊盘。

8.如权利要求7所述的MEMS传感器芯片的封装方法，其特征在于，通过粘胶或焊接的方式将盖板固定在氮化硅陶瓷管壳侧壁上表面。

9.如权利要求5所述的MEMS传感器芯片的封装方法，其特征在于，由所述氮化硅陶瓷管壳和所述盖板组成的壳体内部为真空环境。

10.如权利要求5所述的MEMS传感器芯片的封装方法，其特征在于，由所述氮化硅陶瓷管壳和所述盖板组成的壳体内部为气密环境，且壳体内部为氮气。