CN105716606A - 三轴mems惯性传感器系统级封装单元结构 - Google Patents

三轴mems惯性传感器系统级封装单元结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及三维集成电路应用技术领域，提供一种三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构，包含一个长方体基板，以及在所述基板表面铺镀的用于MEMS惯性传感器电气连接的金属化图形。将三轴MEMS惯性传感器正交封装单元化，采用抛光后的ALN作为基材，满足MEMS惯性传感器的组装低应力、平整度和正交度的要求。金属化图形具有很好的适应性，能满足多种类型MEMS惯性传感器的组装要求，且单元化的封装结构形式便于实现三轴惯性传感器单元的模块化、标准化，无需安装任何支架即可实现传感器的三轴正交组装，减小体积、减轻重量的同时提高效率，减少误差，成本低、适用范围广，实用性强。

Description

三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构
技术领域
本发明属于三维集成电路应用技术领域，涉及一种三轴正交的系统级封装方法，尤其涉及一种三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构设计。
背景技术
随着军用导航、控制和民用高端测量领域对多轴惯性感测器件小型化、系统化等方面的要求，并同时保证测量的高精度和长期稳定性，三轴惯性传感器的封装尺寸在不断缩小。传统的2D封装技术采用X和Y轴平面组装，Z轴需与其他两轴正交，是封装的难点，目前在Z轴方向的封装采用立方或直角三角体支架固定传感器，以实现三轴惯性传感器的正交封装，其体积、重量均难以满足小型化系统需求，且正交精度受支架加工精度和安装精度的影响，其产品一致性、稳定性、正交性均较差，且安装效率较低。对于单片集成的三轴惯性传感器，其制备工艺难度大，精度低，无法满足高端惯性感测领域。
发明内容
本发明的目的是设计一种克服上述问题的系统级封装单元结构，在减小封装体积、重量的同时保证良好的精度和正交性，并形成适应多种三轴MEMS惯性传感器的新型独立封装单元结构，便于后续SIP或高集成度电路的组装。
本发明是通过以下技术方案实现的：
三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构，包含一个长方体基板，以及在所述基板表面铺镀的用于MEMS惯性传感器电气连接的金属化图形。
本发明所述的三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构，所述金属化图形包括设置在基板相互正交的三个面的每个面上的矩阵图形，基板剩余三个面中任一面上设置的焊盘，以及用于将矩阵图形电气连接汇集于焊盘的连通图形。
本发明所述的三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构，鉴于传感器(如MEMS陀螺)输出端一般数量为5个，而组装对位和信号引出则至少需要2行金属化图形，所述每一面上的矩阵图形由至少2*5(行*列)个粘结或焊接在基板上的金属化矩形组成。
本发明所述的三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构，所述金属化图形采用Ti、Ni、Au、Sn中的一种金属或多种合金以化学溅射或物理沉淀方式铺镀。
本发明所述的三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构，所述的矩阵图形为TiNiAu层或AuSn层。
本发明所述的三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构，所述金属化矩形之间的连接方式为再流焊或金丝球焊。
本发明所述的三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构，所述基板采用陶瓷材料。
本发明所述的三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构，所述陶瓷材料为抛光AlN材料。
本发明所述的三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构，所述抛光ALN材料的平整度≤5μm/mm，粗糙度≤0.08μm，正交度误差≤±0.08°，热膨胀系数4～4.5ppm/K。
本发明的有益效果在于：
将三轴MEMS惯性传感器的正交封装单元化，采用抛光后的ALN作为基材，满足MEMS惯性传感器的组装低应力、平整度和正交度的要求。矩阵图形、连通图形和焊盘组成的金属化图形具有很好的适应性，能满足多种类型MEMS惯性传感器的组装要求。矩阵图形采用至少2*5个金属化矩形分布在基板表面，矩阵化的金属图形用于组装和电气连接引出，矩阵化的设计方便适配不同类型的传感器输出端数量，以及不同大小的传感器的对准组装，具有很好的适应性。此外，单元化的封装结构形式便于实现三轴惯性传感器单元的模块化、标准化，Z轴方向无需安装任何支架即可通过基板自身的正交性实现传感器的X、Y、Z三轴正交组装，减小体积、减轻重量的同时能够提交效率，并减少因多次组装和支架组装等带来的正交误差的累积，成本低、适用范围广，实用性强。
附图说明
图1为本发明三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构的立体图；
图2为本发明三轴MEMS惯性传感器的组装示意图；
图3为本发明三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构的俯视图；
图4为本发明三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构的左视图；
图5为本发明三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构的仰视图。
附图标记：100，基板；200，金属化图形；210，矩阵图形；211，金属化矩形；220，焊盘；230，连通图形；231，电气连接线；300，MEMS惯性传感器。
具体实施方式
为更好理解本发明，下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅是对本发明进行说明而非对其加以限定。
封装单元结构：
如图1～5所示，三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构，包含一个长方体(优选正方体)基板100，以及在基板100表面铺镀的用于电气连接的金属化图形200。金属化图形200包括焊接在基板100两相邻侧面及顶面上的矩阵图形210，基板100底面设置的焊盘220以及用于将矩阵图形210电气连接汇集于焊盘220的连通图形230。每一面的矩阵图形210均包含4*5(行*列)个金属化矩形211。矩阵图形210采用TiNiAu合金，焊盘220、连通图形230采用AuSn合金以化学溅射方式铺镀。基板100采用抛光ALN陶瓷材料，平整度≤5μm/mm，粗糙度≤0.08μm，正交度误差≤±0.08°，热膨胀系数4～4.5ppm/K。
三轴MEMS惯性传感器封装：
如图2～4，选取基板100的一个面，将单轴MEMS惯性传感器300边缘平行于金属化矩形211的侧边，采用焊接或粘接方式组装在第1、2行金属化矩形211上，MEMS惯性传感器300的电气引出管脚通过电气连接线231金丝球焊至第2行金属化矩形211，且两个管脚分别连接在不同的金属化矩形211上。随后，分别使用电气连接线231连接至第3、4行金属化矩形211。用同样的方法，在相互正交的三个面上都安装上单轴MEMS惯性传感器300。三个正交面上的三个MEMS惯性传感器300通过连通图形230汇集于基板100底部的焊盘220，用以将封装单元组装到其他模块或SIP结构中。
封装单元结构中没有金属化图形的面为正交组装标定面，由于结构加工本身正交度的保证，在组装前应采用标准直角标尺校准夹具标定封装结构面与焊接面的正交性，通过基板自身的立体正交从而可保证三轴惯性传感器的正交组装。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构，其特征在于：包含一个长方体基板(100)，以及在所述基板(100)表面铺镀的用于MEMS惯性传感器电气连接的金属化图形(200)。
2.根据权利要求1所述的三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构，其特征在于：所述金属化图形(200)包括
设置在基板(100)相互正交的三个面的每个面上的矩阵图形(210)，
基板(100)剩余三个面中任一面上设置的焊盘(220)，以及
用于将矩阵图形(210)电气连接汇集于焊盘(220)的连通图形(230)。
3.根据权利要求1所述的三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构，其特征在于：所述每一面上的矩阵图形(210)由至少2*5个粘结或焊接在基板(100)上的金属化矩形(211)组成。
4.根据权利要求1所述的三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构，其特征在于：所述金属化图形(200)采用Ti、Ni、Au、Sn中的一种金属或多种合金以化学溅射或物理沉淀方式铺镀。
5.根据权利要求2所述的三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构，其特征在于：所述的矩阵图形(210)为TiNiAu层或AuSn层。
6.根据权利要求3所述的三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构，其特征在于：所述金属化矩形(211)之间的连接方式为再流焊或金丝球焊。
7.根据权利要求1所述的三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构，其特征在于：所述基板(100)采用陶瓷材料。
8.根据权利要求7所述的三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构，其特征在于：所述陶瓷材料为抛光AlN材料。
9.根据权利要求8所述的三轴MEMS惯性传感器系统级封装单元结构，其特征在于：所述抛光ALN材料的平整度≤5μm/mm，粗糙度≤0.08μm，正交度误差≤±0.08°，热膨胀系数4～4.5ppm/K。
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