CN106298704A - 一种带热沉和磁屏蔽的mems封装及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种带热沉和电磁屏蔽的MEMS封装结构及其制备方法，所述MEMS封装结构包括封装管壳、MEMS芯片和ASIC芯片，所述封装管壳上设有电磁屏蔽通路和快速导热通道，本发明中封装管壳侧壁内置密集的金属垂直通路屏蔽来自侧面的电磁影响，同时还能与MEMS芯片或ASIC芯片相连将MEMS和ASIC的信号引出；金属盖板与金属底板对封装管壳的上方和下方同时进行电磁屏蔽，配合金属垂直通路实现整个封装结构的电磁屏蔽；ASIC通过导热性好的胶连接导热柱体，实现热沉，减小热量带来的影响，MEMS芯片下的胶厚度较大，且点胶面积小，部分位置悬空，可以有效隔热。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统领域，具体涉及一种带热沉和磁屏蔽的MEMS封装及其制备方法。
背景技术
微机电系统(Microelectromechanical Systems.缩写为MEMS)是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米范围内。比它更小的，在纳米范围的类似的技术被称为纳机电系统(美国称谓)。作为微电子学与微机械学相互融合的产物，微机械电子系统将集成电路制造工艺中的硅微细加工技术和机械工业中的微机械加工技术结合起来，制造出机、电成一体甚至光、机、电成一体的新器件，有着广阔的应用前景，例如现在一些新型的小轿车中，已装有多种MEMS器件，像温度传感器、压力传感器、加速度计、尾气探测器和各种控制器等。但是只有经过封装的MEMS器件才能真正称其为产品，才能投入使用，否则只能称作“MEMS芯片”，目前，很多成功的MEMS芯片没有作为产品得到实际应用的主要原因就是MEMS的封装技术滞后于器件研究，MEMS封装技能的发展将直接影响到MEMS产品的进一步发展和进入市场，MEMS的本质是机械运动，所以封装和保护首先考虑的问题包括机械震动与冲击、加速度、颗粒、热沉、磁干扰以及避免各种物理损伤，其次封装管壳、基板的热膨胀系数也是封装中需要重点考虑的因素，对于不同的应用要求，需要考虑不同的外壳要求，再者在信号界面、立体结构、芯片钝化以及可靠性方面也需要考虑。在保护性方面，MEMS器件对环境的影响极其敏感，MEMS封装的各操作工序、划片、烧结、互连、密封等需要采用特殊的处理方法，提供相应的保护措施，防止可动部件受机械损伤。系统的电路部分也必须与环境隔离保护，以免影响处理电路性能，要求封装及其材料不应对使用环境造成不良影响，在考虑电磁的影响同时将信号引出。
ASIC芯片是运算量非常高的集成电路芯片，在正常工作时，由于其内部电路高度密集，所以产热量非常大，这就会给整个MEMS封装系统内部带来温度的梯度分布，所以当将MEMS芯片与ASIC芯片一起封装时需要考虑ASIC芯片产生的热量对MEMS芯片的影响。
而MEMS封装系统通常是多种材料组合而成的系统，温度变化会导致不同材料间产生热失配，进而产生热应力。MEMS芯片通常对应力都是高度敏感的。因此MEMS系统级封装的散热性能是非常关键的。
MEMS传感器通常敏感的对象都是非常微弱的信号，根据这些弱信号转化而成的电信号也是我非常微弱的。而外界环境充斥的电磁信号，或磁信号会对MEMS传感器检测到的微弱信号产生巨大的干扰，使得MEMS传感器无法正常工作，例如对于最常见的MEMS电容传感器来说(MEMS加速度计、陀螺仪等诸多传感器都是以此为原理制成的)，其检测到的电容变化在pF/fF甚至aF量级，如此小的电容变化，很容易被外界电磁信号干扰，要想得到正确的检测结果，就必须将干扰信号屏蔽。对于应用于井下钻探设备上的MEMES器件，在地下的应用环境中需要面对复杂的电磁环境，因此器件的电磁屏蔽非常重要。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种带热沉和磁屏蔽的MEMS封装及其制备方法，所述MEMS封装结构包括封装管壳、MEMS芯片和ASIC芯片，所述封装管壳上设有磁屏蔽通路和快速导热通道；
进一步地，所述磁屏蔽通路包括金属垂直通路、金属盖板和金属底板，所述金属盖板、金属垂直通路和金属底板同时接地，其中；
所述金属垂直通路用于屏蔽封装管壳侧壁的电磁影响；
所述金属盖板用于屏蔽封装管壳顶端的电磁影响；
所述金属底板用于屏蔽封装管壳底端的电磁影响；
进一步地，所述金属垂直通路包括多个金属条，所述多个金属条在垂直方向平行内置于所述封装管壳的侧壁上，所述多个金属条包括信号金属条和磁屏蔽金属条；
进一步地，所述信号金属条用于所述MEMS芯片和ASIC芯片的信号传输，所述信号金属条一端连接MEMS芯片或ASIC芯片，另一端连接封装管壳外的输出PAD上，所述信号金属条中包括一条地信号金属条，所述地信号金属条一端与所述磁屏蔽金属条相连，另一端接地；
进一步地，所述磁屏蔽金属条中至少有一根与金属盖板相连，至少有一根与金属底板相连，所述磁屏蔽金属条均连接至所述地信号金属条；
进一步地，所述金属盖板位于所述封装管壳顶端，所述金属盖板通过磁屏蔽金属条连接地信号金属条；
进一步地，所述金属底板内置于所述封装管壳的底层，所述金属底板通过磁屏蔽金属条连接地信号金属条；
进一步地，所述MEMS封装结构还包括温度传感器，所述温度传感器位于所述MEMS芯片周侧，所述温度传感器用于对MEMS芯片的实时温度进行测量；
进一步地，所述温度传感器、MEMS芯片和ASIC芯片均置于所述封装管壳内，所述温度传感器、MEMS芯片和ASIC芯片均通过信号金属条连接封装管壳外的输出PAD；
进一步地，所述ASIC芯片底端通过所述快速导热通道连接所述封装管壳的底部，所述快速导热通道包括第一贴片胶和导热金属柱，所述第一贴片胶一端连接ASIC芯片，另一端连接所述导热金属柱，所述导热金属柱贯穿封装管壳底端并连接所述封装管壳外部；
进一步地，所述MEMS芯片底端设有第二贴片胶，所述第二贴片胶厚度高于第一贴片胶，并且面积小于第一贴片胶，所述MEMS芯片中心位置通过第二贴片胶连接封装管壳底层，其余位置悬空；
进一步地，所述第一贴片胶为导热率大于所述第二贴片胶，所述导热金属柱面积大于所述第一贴片胶面积；
进一步地，所述金属底板为金属平板或金属网；
进一步地，所述MEMS芯片底端设有第二贴片胶，所述第二贴片胶厚度高于第一贴片胶，并且面积小于第一贴片胶，所述MEMS芯片中心位置通过第二贴片胶连接封装管壳底层，其余位置悬空；
进一步地，所述第一贴片胶为导热率大于所述第二贴片胶，所述导热金属柱面积大于所述第一贴片胶面积；
进一步地，所述金属底板为金属平板或金属网；
进一步地，一种带热沉和磁屏蔽的MEMS封装的其制备方法，所述制备方法包括：
S1：制备封装管壳；
S2：置入MEMS芯片和温度传感器并固定MEMS芯片和温度传感器，通过连接线分别连接MEMS芯片与信号金属条以及温度传感器和信号金属条，所述温度传感器位于所述MEMS芯片周侧；
S3：置入ASIC芯片并固定在快速导热通道上，并通过连接线连接ASIC芯片与信号金属条；
S4:封装金属盖板；
进一步地，所述S2包括：
S201：在封装管壳底部涂覆第二贴片胶，且涂胶的位置远离快速导热通道、所述第二贴片胶的面积小于MEMS芯片，厚度大于所述第一贴片胶；
S202：MEMS芯片的中心位置对准第二贴片胶的圆心，在第二贴片胶上放置MEMS芯片；
S203：对S202中所述第二贴片胶进行固化；
S204：通过连接线连接MEMS芯片与信号金属条，与此同时，在MEMS芯片周侧通过第二贴片胶固定放置温度传感器，并连接温度传感器与信号金属条；
进一步地，所述S3包括：
S301：在导热金属柱上涂覆第一贴片胶，所述第一贴片胶为高导热性贴片胶，面积大于所述ASIC芯片底部面积，小于所述导热金属柱面积，厚度小于所述第二贴片胶；
S302：在所述第一贴片胶上放置ASIC芯片；
S303：对S302中所述第一贴片胶进行固化；
S304：通过连接线连接ASIC芯片与封装管壳；
本发明的有益效果如下：
1)封装管壳侧壁内置密集的金属垂直通路一部分用来屏蔽来自侧面的电磁影响，另一部分与MEMS芯片或ASIC芯片相连将MEMS和ASIC的信号引出；
2)金属盖板与金属底板对封装管壳的上方和下方同时进行磁屏蔽，配合金属垂直通路在所有方向实现对整个封装结构的磁屏蔽；
3)ASIC通过导热性好的胶连接贯穿封装底板的导热柱体，通过热沉装置实现散热，减小热量带来的影响，MEMS芯片下的胶厚度较大，且点胶面积小，部分位置悬空，可以有效隔热，并减小ASIC散热对MEMS芯片的影响；
4)通过金属垂直通道的设计，实现了ASIC芯片热源与外界温度场快速热交换，极大地缩短了热平衡时间，从而缩短了MEMS传感器的warm-up(热启动)时间；
5)金属垂直通路、金属盖板与金属底板最终均与地信号金属条连接，保证三者均接地；
6)整个结构简单易生产，使用最少的材料实现最大效果的磁屏蔽。
附图说明
图1为本发明MEMS封装结构的实施例一的俯视图；
图2为本发明MEMS封装结构的实施例二的俯视图；
图3为本发明MEMS封装结构的实施例一、二的侧视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：
对于应用于钻探设备上的MEMES器件，在地下的应用环境中需要面对复杂的电磁环境和温度场环境，因此器件的热匹配和电磁屏蔽非常重要，本发明提供了一种带热沉和磁屏蔽的MEMS封装。
实施例一：
如图1和图3所示，一种带热沉和磁屏蔽的MEMS封装，所述MEMS封装包括封装管壳1、MEMS芯片2、ASIC芯片3和温度传感器6，所述封装管壳1为长方体结构，包括四个侧壁，所述封装管壳设有磁屏蔽通路，所述磁屏蔽通路包括金属垂直通路41、金属盖板42和金属底板43，所述金属底板43为金属平板或金属网，所述金属垂直通路41包括多个金属条，所述多个金属条在垂直方向平行内置于所述封装管壳1的侧壁上，所述多个金属条包括信号金属条411和磁屏蔽金属条412，所述信号金属条411和磁屏蔽金属条412设置在同一层，所述信号金属条411用于所述MEMS芯片2和ASIC芯片3与外界的信号传输，所述信号金属条411一端连接MEMS芯片2或ASIC芯片3，另一端连接封装管壳1外部的输出PAD，所述信号金属条411中包括一条地信号金属条413，所述地信号金属条413一端与所述磁屏蔽金属条412相连，另一端通过管壳外部其中一个PAD，并在使用时接地，所述磁屏蔽金属条412中至少有一根与金属盖板42相连，至少有一根与金属底板43相连，所述磁屏蔽金属条412均与所述地信号金属条413相连(也可以是间接相连，如均连接在金属底板上)，所述金属盖板42位于所述封装管壳1顶端，所述金属盖板42通过磁屏蔽金属条412连接地信号金属条413，所述金属底板43内置于所述封装管壳1的底层，所述金属底板43通过磁屏蔽金属条412连接地信号金属条413，使得金属底板43、金属盖板42以及磁屏蔽金属条412处于等电位并接地，对整个封装结构在所有方向上进行完整磁屏蔽。
所述MEMS芯片2和ASIC芯片均3置于所述封装管壳1内的底端上方，所述MEMS芯片2和ASIC芯片3上均连有多根连接线5，所述MEMS芯片2、ASIC芯片3和温度传感器6均通过所述连接线5连接所述信号金属条411，所述信号金属条411将MEMS芯片2。ASIC芯片3和温度传感器6的信号传出。
所述封装管壳1内还设置有快速导热通道5，所述ASIC芯片3底端通过所述快速导热通道5连接所述封装管壳1的底层，所述快速导热通道5包括第一贴片胶51和导热金属柱52，所述第一贴片胶51一端连接ASIC芯片3，另一端通过导热金属柱52连接封装管壳1底层，所述导热金属柱52由封装管壳底层内表面贯穿至封装管壳底层外表面，所述金属是导热性能好的金属材料，所述第一贴片胶51为导热性能较好的贴片胶，例如导热硅脂，所述导热金属柱52面积不小于所述第一贴片胶51面积，所述第一贴片胶51面积不小于ASIC芯片面积，所述第一贴片胶51厚度薄，厚度值为5-100um。所述MEMS芯片2底端设有第二贴片胶53，所述第二贴片胶53厚度高于第一贴片胶51，厚度值为30-100um,并且面积较小，实际面积不大于所述MEMS芯片2面积，所述MEMS芯片2中心位置通过第二贴片胶53，连接封装管壳1底层，其余位置悬空。所述第二贴片胶52导热性能低于所述第一贴片胶51。
温度传感器的设置是为了在使用时，能够得到MEMS芯片的实时温度，这样就为通过算法补偿温度对MEMS芯片造成的影响提供了数据，所以我们必须减小MEMS芯片与温度传感器之间的温度差，因此才用此高导热率薄板的方法。
实施例二：
如图2-图3所示，一种带热沉和磁屏蔽的MEMS封装，所述MEMS封装包括封装管壳1、MEMS芯片2、ASIC芯片3和温度传感器6，所述封装管壳1为长方体结构，包括四个侧壁，所述封装管壳设有磁屏蔽通路，所述磁屏蔽通路包括金属垂直通路41、金属盖板42和金属底板43，所述金属底板43为金属平板或金属网，所述金属垂直通路41包括多个金属条，所述多个金属条在垂直方向平行内置于所述封装管壳1的侧壁上，所述多个金属条包括信号金属条411和磁屏蔽金属条412，所述信号金属条411和磁屏蔽金属条412设置在不同层，所述信号金属条411位于靠近MEMS芯片和ASIC芯片的内侧，所述磁屏蔽金属条412设置与所述信号金属条411的外侧，所述磁屏蔽金属条412紧密设置，形成相对完整的屏蔽圈，所述信号金属条411同时也具有磁屏蔽功能，加强了原先磁屏蔽金属条412形成的屏蔽圈的磁屏蔽功能，所述信号金属条411用于所述MEMS芯片2和ASIC芯片3与外界的信号传输，所述信号金属条411一端连接MEMS芯片2或ASIC芯片3，另一端连接封装管壳1外部的输出PAD，所述信号金属条411中包括一条地信号金属条413，所述地信号金属条413一端与所述磁屏蔽金属条412相连，另一端通过管壳外部其中一个PAD，并在使用时接地，所述磁屏蔽金属条412中至少有一根与金属盖板42相连，至少有一根与金属底板43相连，所述磁屏蔽金属条412均与所述地信号金属条413相连(也可以是间接相连，如均连接在金属底板上)，所述金属盖板42位于所述封装管壳1顶端，所述金属盖板42通过磁屏蔽金属条412连接地信号金属条413，所述金属底板43内置于所述封装管壳1的底层，所述金属底板43通过磁屏蔽金属条412连接地信号金属条413，使得金属底板43、金属盖板42以及磁屏蔽金属条412处于等电位并接地，对整个封装结构在所有方向上进行完整磁屏蔽。
所述MEMS芯片2和ASIC芯片均3置于所述封装管壳1内的底端上方，所述MEMS芯片2和ASIC芯片3上均连有多根连接线5，所述MEMS芯片2、ASIC芯片3和温度传感器6均通过所述连接线5连接所述信号金属条411，所述信号金属条411将MEMS芯片2。ASIC芯片3和温度传感器6的信号传出。
所述封装管壳1内还设置有快速导热通道5，所述ASIC芯片3底端通过所述快速导热通道5连接所述封装管壳1的底层，所述快速导热通道5包括第一贴片胶51和导热金属柱52，所述第一贴片胶51一端连接ASIC芯片3，另一端通过导热金属柱52连接封装管壳1底层，所述导热金属柱52由封装管壳底层内表面贯穿至封装管壳底层外表面，所述金属是导热性能好的金属材料，所述第一贴片胶51为导热性能较好的贴片胶，例如导热硅脂，所述导热金属柱52面积不小于所述第一贴片胶51面积，所述第一贴片胶51面积不小于ASIC芯片面积，所述第一贴片胶51厚度薄，厚度值为5-100um。所述MEMS芯片2底端设有第二贴片胶53，所述第二贴片胶53厚度高于第一贴片胶51，厚度值为30-100um,并且面积较小，实际面积不大于所述MEMS芯片2面积，所述MEMS芯片2中心位置通过第二贴片胶53，连接封装管壳1底层，其余位置悬空。所述第二贴片胶52导热性能低于所述第一贴片胶51。
温度传感器的设置是为了在使用时，能够得到MEMS芯片的实时温度，这样就为通过算法补偿温度对MEMS芯片造成的影响提供了数据，所以我们必须减小MEMS芯片与温度传感器之间的温度差，因此才用此高导热率薄板的方法。
一种带热沉和磁屏蔽的MEMS封装的制备方法，所述制备方法包括：
S1：制备封装管壳；
S2：先置入高导热薄板于封装管壳底部，再置入MEMS芯片和温度传感器并固定MEMS芯片和温度传感器于高导热薄板上，将所述通过连接线分别连接MEMS芯片与信号金属条以及温度传感器和信号金属条，所述温度传感器位于所述MEMS芯片周侧；
S3：置入ASIC芯片并固定在快速导热通道上，并通过连接线连接ASIC芯片与信号金属条；
S4:封装金属盖板。
所述S2包括：
S201：在封装管壳底部涂覆第二贴片胶，且涂胶的位置远离快速导热通道、所述第二贴片胶的面积不大于MEMS芯片，厚度不小于所述第一贴片胶；
S202：MEMS芯片的中心位置优选为对准第二贴片胶的圆心，在第二贴片胶上放置MEMS芯片；
S203：对S202中所述第二贴片胶进行固化；
S204：通过连接线连接MEMS芯片与信号金属条；
所述S3包括：
S301：在导热金属柱上涂覆第一贴片胶，所述第一贴片胶为高导热性贴片胶，面积不小于所述ASIC芯片底部面积，不大于所述导热金属柱面积，厚度不大于所述第二贴片胶；
S302：在所述第一贴片胶上放置ASIC芯片；
S303：对S302中所述第一贴片胶进行固化；
S304：通过连接线连接ASIC芯片与封装管壳。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (16)
1.一种带热沉和磁屏蔽的MEMS封装结构，所述MEMS封装结构包括封装管壳、MEMS芯片和ASIC芯片，其特征在于，所述封装管壳上设有磁屏蔽通路和快速导热通道。
2.根据权利要求1所述的MEMS封装结构，其特征在于，所述磁屏蔽通路包括金属垂直通路、金属盖板和金属底板，所述金属盖板、金属垂直通路和金属底板同时接地，其中；
所述金属垂直通路用于屏蔽封装管壳侧壁的电磁影响；
所述金属盖板用于屏蔽封装管壳顶端的电磁影响；
所述金属底板用于屏蔽封装管壳底端的电磁影响。
3.根据权利要求2所述的MEMS封装结构，其特征在于，所述金属垂直通路包括多个金属条，所述多个金属条在垂直方向平行内置于所述封装管壳的侧壁上，所述多个金属条包括信号金属条和磁屏蔽金属条。
4.根据权利要求3所述的MEMS封装结构，其特征在于，所述信号金属条用于所述MEMS芯片和ASIC芯片的信号传输，所述信号金属条一端连接MEMS芯片或ASIC芯片，另一端连接封装管壳外的输出PAD上，所述信号金属条中包括一条地信号金属条，所述地信号金属条一端与所述磁屏蔽金属条相连，另一端接地。
5.根据权利要求4所述的MEMS封装结构，其特征在于，所述磁屏蔽金属条中至少有一根与金属盖板相连，至少有一根与金属底板相连，所述磁屏蔽金属条均连接至所述地信号金属条。
6.根据权利要求5所述的MEMS封装结构，其特征在于，所述金属盖板位于所述封装管壳顶端，所述金属盖板通过磁屏蔽金属条连接地信号金属条。
7.根据权利要求5所述的MEMS封装结构，其特征在于，所述金属底板内置于所述封装管壳的底层，所述金属底板通过磁屏蔽金属条连接地信号金属条。
8.根据权利要求4所述的MEMS封装结构，其特征在于，所述MEMS封装结构还包括温度传感器，所述温度传感器位于所述MEMS芯片周侧，所述温度传感器用于对MEMS芯片的实时温度进行测量。
9.根据权利要求8所述的MEMS封装结构，其特征在于，所述温度传感器、MEMS芯片和ASIC芯片均置于所述封装管壳内，所述温度传感器、MEMS芯片和ASIC芯片均通过信号金属条连接封装管壳外的输出PAD。
10.根据权利要求1所述的MEMS封装结构，其特征在于，所述ASIC芯片底端通过所述快速导热通道连接所述封装管壳的底部，所述快速导热通道包括第一贴片胶和导热金属柱，所述第一贴片胶一端连接ASIC芯片，另一端连接所述导热金属柱，所述导热金属柱贯穿封装管壳底端并连接所述封装管壳外部。
11.根据权利要求10所述的MEMS封装结构，其特征在于，所述MEMS芯片底端设有第二贴片胶，所述第二贴片胶厚度高于第一贴片胶，并且面积小于第一贴片胶，所述MEMS芯片中心位置通过第二贴片胶连接封装管壳底层，其余位置悬空。
12.根据权利11所述的MEMS封装结构，其特征在于，所述第一贴片胶为导热率大于所述第二贴片胶，所述导热金属柱面积大于所述第一贴片胶面积。
13.根据权利要求2所述的MEMS封装结构，其特征在于，所述金属底板为金属平板或金属网。
14.一种带热沉和磁屏蔽的MEMS封装结构的制备方法，基于上述权利要求1-13之一所述的MEMS封装结构，其特征在于，所述制备方法包括：
S1：制备封装管壳；
S2：先置入高导热薄板于封装管壳底部，再置入MEMS芯片和温度传感器并固定MEMS芯片和温度传感器于高导热薄板上，将所述通过连接线分别连接MEMS芯片与信号金属条以及温度传感器和信号金属条，所述温度传感器位于所述MEMS芯片周侧；
S3：置入ASIC芯片并固定在快速导热通道上，并通过连接线连接ASIC芯片与信号金属条；
S4:封装金属盖板。
15.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，所述S2包括：
S201：在封装管壳底部涂覆第二贴片胶，且涂胶的位置远离快速导热通道、所述第二贴片胶的面积小于MEMS芯片，厚度大于所述第一贴片胶；
S202：MEMS芯片的中心位置对准第二贴片胶的圆心，在第二贴片胶上放置MEMS芯片；
S203：对S202中所述第二贴片胶进行固化；
S204：通过连接线连接MEMS芯片与信号金属条。
16.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，所述S3包括：
S301：在导热金属柱上涂覆第一贴片胶，所述第一贴片胶为高导热性贴片胶，面积大于所述ASIC芯片底部面积，小于所述导热金属柱面积，厚度小于所述第二贴片胶；
S302：在所述第一贴片胶上放置ASIC芯片；
S303：对S302中所述第一贴片胶进行固化；
S304：通过连接线连接ASIC芯片与封装管壳。
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