CN107416760B - 倒置装配可应力释放的mems芯片封装结构制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倒置装配可应力释放的MEMS芯片封装结构制作方法，在晶圆片A的硅衬底上加工出导电通孔，然后对晶圆片A进行氧化形成二氧化硅保护层；去除硅电极层表面的二氧化硅保护层，在硅电极层上加工出锚点结构和敏感结构腔体；在敏感结构腔体内加工出电极结构；采用键合工艺将另一片晶圆片B的硅电极层键合到晶圆片A的硅电极层上；去除晶圆片B的硅衬底和二氧化硅隔离层；在晶圆片B的硅电极层上加工出敏感结构；将硅帽键合到晶圆片B的硅电极层上；采用深槽刻蚀工艺在晶圆片A的硅衬底上加工出应力释放槽；芯片倒置，将硅帽表面粘胶或键合固定到陶瓷管壳腔体底面，使导电通孔通过键合金属引线与陶瓷管壳引脚之间电连接，最后采用可伐合金盖板密封陶瓷管壳。该方法封装工艺简单、不显著增加封装成本的优势，易于实现。

Description

倒置装配可应力释放的MEMS芯片封装结构制作方法

技术领域

本发明涉及一种MEMS芯片封装结构，属于MEMS技术领域。

背景技术

MEMS（Micro Electro Mechanical System）电容传感器具有体积小、质量轻、功耗低、成本低等优点，应用广泛。MEMS电容传感器通过测量微小敏感结构构成的电容变化来实现相应待测物理量的测量。通常MEMS传感器需封装在一定的结构中，以提供传感器所需的电连接、机械连接和相应的化学环境保护等。

金属封装、塑料封装和陶瓷封装是最常见的三种MEMS芯片的封装形式。由于陶瓷封装具有导热性、气密性好的优点，因此陶瓷封装使用的最为广泛。

通常陶瓷封装的MEMS传感器的封装结构如图1所示。传统MEMS电容传感器首先加工出MEMS传感器裸芯片100，然后通过粘胶或键合的方式固定在陶瓷管壳200腔体内。裸芯片上的焊盘与陶瓷管壳腔体内的焊盘通过金属引线300相互连接，实现电信号在管壳内外的相互传输。最后采用可伐合金盖板400密封陶瓷管壳200腔体。然而不论是陶瓷封装还是金属封装亦或是塑料封装，始终存在着封装材料与硅材料的热膨胀系数不同，因此温度变化会产生封装应力。封装应力会对传感器的精度和稳定度产生影响。如何降低封装应力，是高精度MEMS电容传感器设计的重点和难点。

发明专利申请《具有应力隔离的MEMS惯性传感器封装结构》（申请号201020124304.6）提出通过在传感器芯片与封装管壳之间粘接一层与传感器衬底相同材料的应力隔离层，实现对MEMS惯性传感器芯片的应力隔离。发明专利申请《可降低封装应力的封装构造》（申请号200810083425.8）提出了一种包含承载器、中介基板、第一密封胶以及第二密封胶的一种降低芯片封装应力的构造。该方法通过在芯片与中介基板之间包覆第一密封胶，在中介基板与承载器之间包覆第二密封胶，选择第一密封胶的玻璃转化温度大于第二密封胶的玻璃转化温度，实现降低封装应力。

飞思卡尔半导体公司提出了若干改善封装应力的技术途径。发明专利申请《具有补偿封装应力的应力消除的电容传感器》（申请号200980119818.2）提出了一种在MEMS电容式传感器内活动元件的末端加工出朝旋转轴延伸的槽缝，实现补偿封装应力改善传感器性能的目的。发明专利申请《降低了对封装应力的敏感性的半导体器件》（申请号200980120339.2）提出了通过差分电容性换能器包括元件的对称布置以及由固定指锚的位置定义的锚区域的建立，用于可移动元件或者检测质量块的悬置锚位于该锚区域中，可以有效地消除移位的非线性分量，进而降低封装应力对传感器输出的影响。发明专利申请《具有用于应力隔离的中央锚的MEMS装置》提出通过相对于现有技术的装置显著减少元件到基板的连接以及通过使这些连接位于彼此很接近的范围内并且在基板的中央局部处，实现减小应力的目的。

发明专利申请《一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片及其制作方法》（申请号201210333367.6）和发明专利申请《封装应力与温漂自补偿的双悬浮力敏传感器芯片及制备方法》（申请号201310234503.0）均是采用一种设计和加工手段将压力传感器集成在悬臂梁结构带上，充分依靠悬臂梁尾端活动自由结构的力学特性，使悬臂梁上的压力传感器能有效抑制芯片外部封装应力给力敏传感器性能带来的不利影响。

发明专利申请《一种加速度计及其制造工艺》（申请号201210356535.3）和发明专利申请《一种加速度计及其制造工艺》（申请号201210356922.7）提出加速度计的质量块通过不同的弹性梁与框架相连接，框架在通过四根悬臂梁与活动限位体相连接，从而实现结构的封装应力隔离。

发明专利申请《芯片附接应力隔离》（申请号201310016701.X）提出采用一种用于微结构设备的应力隔离托架，其包括托架底座并且具有第一托架臂和第二托架臂，第一托架臂用于附接至微结构设备并且相对于所述通道面向内的第一安装表面，第二托架臂相对于所述通道面向对外以附接至用于容纳微结构设备的封装的第二安装表面。

发明专利申请《通过背面图形化降低MEMS芯片封装应力的方法》（申请号201310140175.8）提出通过光刻胶图形作为刻蚀腌膜对MEMS芯片的背面层进行刻蚀，形成装片柱。在封装管壳的底板上涂覆粘片胶，将带有装片柱的MEMS芯片通过装片柱固定在封装管的壳底板上，进而实现降低封装应力的目的。

发明专利申请《一种MEMS传感器封装结构及其封装方法》（申请号201410183524.9）提出选用与MEMS传感器材料热膨胀系数接近的陶瓷基底作为封装材料，实现降低基座膨胀应力对MEMS传感器的影响。发明专利申请《MEMS传感器的封装结构及封装方法》（申请号201510441722.5）提出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，实现减小封装应力的目的。

发明专利申请《一种基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器》（申请号201410306360.4）和发明专利申请《一种基于硅硅键合的减小封装应力的微机械陀螺仪》（申请号201410816214.6）均是提出在支撑层表面刻蚀出一块用于硅硅键合的凸块，将传感器芯片通过硅硅键合固定在支撑层表面的凸块上。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。

发明专利申请《一种MEMS器件热应力隔离结构》（申请号201410465729.6）提出了一种MEMS器件热应力隔离结构。该结构四角分别设有一个凸起的键合面与MEMS器件衬底硅硅键合，隔热结构中部形成贯通的空腔，空腔中设有纵横交错并贯通的散热槽。通过采用该热应力隔离结构可以降低封装应力对MEMS器件的影响。

发明专利申请《一种LCC封装应力释放结构》（申请号201410720844.3）提出一种与芯片外形匹配的LCC封装应力释放结构。该结构设置锚点和支撑点，锚点和支撑点之间通过连接梁连接。通过该结构可以有效减少LCC封装传递给芯片的热应力。

发明专利申请《对封装应力不敏感的MEMS芯片的制造方法及其MEMS芯片》（申请号201510114611.3）提出了一种对封装应力不敏感的MEMS芯片制造方法。采用该方法制造出的下电极和MEMS活动结构被密封在一个密封腔内，且下电极和MEMS活动结构与底板的接触面积都非常小，因此只有一部分热应力传导到下电极和MEMS活动结构上。

发明专利申请《一种MEMS器件及其制作方法》（申请号201510365845.5）提出通过在MEMS器件下部添加一个独立的隔离结构来实现降低热应力的目的。

发明专利申请《一种低应力加速度计的制备方法》（申请号201510661783.2）提出将传统固定电极结构改变为双端固支悬浮电极结构，使得热应力对电极结构的影响大幅下降，从而实现提高加速度计全温性能的目的。

发明专利申请《MEMS芯片的封装结构及封装方法》（申请号201610046817.1）提出用引线结构将MEMS芯片固定在封装结构内，使其悬空在封装结构内部，不与封装基板接触，从而彻底隔离封装所导致的应力。

发明专利《具有应力隔离的MEMS惯性传感器封装结构》、《可降低封装应力的封装构造》、《芯片附接应力隔离》、《一种基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器》、《一种MEMS器件热应力隔离结构》、《一种MEMS器件及其制作方法》等均是在现有MEMS裸芯片下增加一层特殊的隔离结构来实现减小封装应力对芯片形变的影响，该方法的缺点是需要额外增加一层结构层，因此会增加器件的总厚度。发明专利《通过背面图形化降低MEMS芯片封装应力的方法》虽然采用了刻蚀工艺在芯片背面加工出了特殊的图形结构，减小了芯片与封装的接触面积，但芯片底部仍然存在着多部位与管壳固定连接的问题，多位置的固定连接依然会产生热应力，造成芯片的形变。发明专利《MEMS芯片的封装结构及封装方法》采用金属引线将芯片悬浮于封装腔体内，然后填充电绝缘的阻滞填充物，最后密封封装腔体。其缺点是封装腔体和阻滞填充物需特殊定制，增加了加工复杂程度和成本。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本专利提供了一种倒装且具有应力释放结构的MEMS芯片封装结构及其制作方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种倒置装配可应力释放的MEMS芯片封装结构制作方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：在标准SOI晶圆片A的硅衬底上加工出导电通孔，然后对晶圆片A进行氧化，形成二氧化硅保护层；

步骤2：去除SOI晶圆片A上硅电极层表面的二氧化硅保护层，在硅电极层上加工出锚点结构和敏感结构腔体；

步骤3：在敏感结构腔体内加工出电极结构；

步骤4：采用键合工艺将另一片SOI晶圆片B的硅电极层键合到SOI晶圆片A的硅电极层上；

步骤5：去除SOI晶圆片B的硅衬底和二氧化硅隔离层；

步骤6：在SOI晶圆片B的硅电极层上加工出敏感结构；

步骤7：采用键合工艺，将硅帽键合到SOI晶圆片B的硅电极层上，将敏感结构密封到硅帽的腔体与敏感结构腔体形成的空间中；

步骤8：划片形成MEMS裸芯片，MEMS裸芯片倒置，将硅帽表面粘胶或键合固定到陶瓷管壳腔体底面，使导电通孔通过键合金属引线与陶瓷管壳引脚之间电连接，最后采用可伐合金盖板密封陶瓷管壳。

在SOI晶圆片A的硅衬底上还刻蚀有应力释放槽，应力释放槽位于SOI晶圆片A的电极结构与腔体侧壁结构之间空隙区域背面的SOI晶圆片A的硅衬底上。

采用深槽刻蚀工艺在SOI晶圆片A的硅衬底上，刻蚀出应力释放槽；

步骤1中，先对标准SOI晶圆片A的硅衬底进行减薄，然后再采用TSV工艺在硅衬底上加工出导电通孔。

步骤1中，所述导电通孔从硅衬底层一直延伸到SOI晶圆片A的硅电极层。

锚点结构、敏感结构腔体和/或电极结构采用干法或湿法刻蚀工艺加工而成。

步骤5中，采用CMP和刻蚀工艺去除SOI晶圆片B的硅衬底和二氧化硅隔离层。

步骤6中，采用深槽刻蚀工艺在SOI晶圆片B的硅电极层上加工出敏感结构。

制备硅帽的步骤为：将单晶硅晶圆片C首先进行高温氧化，然后刻蚀去除部分二氧化硅层，仅保留硅帽键合区域的二氧化硅层，再采用湿法刻蚀工艺，加工出硅帽腔体。

还包括设置金属焊盘的步骤：

采用干法或湿法刻蚀工艺去除导电通孔表面的二氧化硅保护层，暴露出焊盘区域，在焊盘区域采用溅射或蒸发工艺在焊盘区域加工出金属焊盘；金属焊盘通过键合金属引线与陶瓷管壳引脚之间电连接。

本发明所达到的有益效果：

本专利提出裸芯片衬底上加工出应力释放槽同时倒置安装MEMS裸芯片的方法，可以大幅减小封装应力对MEMS电容传感器的影响。该方法仅改变MEMS芯片焊盘的位置和其相关制造步骤及工艺，而不改变MEMS芯片内传感器敏感结构的任何结构设计和工艺步骤，故而不显著增加MEMS芯片的加工步骤数量和复杂程度。倒装的封装方式与传统封装方式类似，不需特殊材料和工艺步骤，不增加芯片厚度，因此具有封装工艺简单、不显著增加封装成本的优势，且易于实现。

附图说明

图1为普通MEMS电容式传感器的封装示意图。

图2（a）-图2（j）为本发明的MEMS电容式传感器加工工艺步骤示意图。

图3为本发明的的MEMS电容式传感器的封装示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

传统变间距式的MEMS电容传感器如图1所示。MEMS电容传感器的下电极直接固定在二氧化硅隔离层上，二氧化硅隔离层固定在硅衬底上。MEMS电容传感器的上电极（即MEMS敏感结构质量块）通过中心锚点结构支撑悬浮在下电极上。上电极与下电极相对构成电容，当存在外界敏感量输入时，上电极与下电极构成的电容容值发生变化，通过检测该容值的变化量即可实现待测敏感量的检测。

当MEMS芯片衬底通过粘胶或金属键合方式固定在陶瓷管壳内后，不同材料热膨胀系数不同，温度变化将产生热应力。由于下电极直接固定在二氧化硅隔离层上，因此下电极形变较大。而上电极通过一个中心锚点结构支撑悬浮于下电极之上，且锚点面积小，因此上电极受热应力影响很小。故温度变化时，上电极与下电极随温度的形变不一致，导致上电极与下电极构成的电容宜受温度影响，传感器的温度特性较差。

本发明通过将MEMS芯片倒置安装，将裸芯片的硅帽粘胶或键合在陶瓷管壳腔体底面，使得裸芯片衬底远离了芯片与陶瓷之间的固定接触面，从而减小了封装应力对下电极形变的影响，如图3所示。

更进一步的在MEMS芯片衬底上加工出应力释放槽，位于SOI晶圆片A的电极结构与腔体侧壁结构之间空隙区域19背面的SOI晶圆片A的硅衬底上的应力释放槽进一步的释放由MEMS裸芯片侧壁传递到衬底的应力。

为了实现MEMS裸芯片倒置安装后，MEMS裸芯片与陶瓷管壳之间的电信号的连接，需要调整MEMS裸芯片的焊盘位置。将MEMS裸芯片的焊盘由传统的MEMS敏感结构层朝硅帽的顶面调整到MEMS敏感结构层朝衬底的底面。焊盘位置的改变需调整与焊盘相关的结构和工艺。

制作方法包括以下步骤：

步骤1：MEMS电容传感器采用标准SOI晶圆片。首先对SOI晶圆片A的硅衬底进行减薄。然后采用TSV（Through Silicon Via）工艺在硅衬底11上加工出导电通孔15（通孔穿过硅衬底11、二氧化硅隔离层12一直加工到SOI晶圆片A的硅电极层13），然后对硅衬底再次氧化，形成二氧化硅保护层14，如图2（a）所示。

步骤2：去除晶圆片A顶面的二氧化硅保护层，再采用干法或湿法刻蚀工艺在晶圆片A的硅电极层上加工出锚点结构16和敏感结构腔体17，如图2（b）所示。

步骤3：采用干法或湿法刻蚀工艺在敏感结构腔体17内加工出电极结构18（下电极），如图2（c）所示。

步骤4：采用键合工艺将另一片SOI晶圆片B的硅电极层键合到A晶圆片的硅电极层上，同时使晶圆片B的硅电极层与锚点结构相接触，如图2（d）所示。

步骤5：采用CMP和刻蚀工艺去除晶圆片B的硅衬底和二氧化硅隔离层，如图2（e）所示。

步骤6：采用深槽刻蚀工艺，在晶圆片B的硅电极层上加工出敏感结构21（上电极），锚点结构16连接并支撑电极结构21，敏感结构21与电极结构18相对（即上电极、下电极相对）,如图2（f）所示。

步骤7：制备硅帽。将单晶硅晶圆片C首先进行高温氧化，然后刻蚀去除部分氧化的二氧化硅层，仅保留硅帽键合区域的二氧化硅层，再采用湿法刻蚀工艺，加工出硅帽腔体，如图2（g）所示。

步骤8：采用键合工艺，将硅帽键合到敏感结构上，从而将MEMS敏感结构密封到MEMS芯片的腔体内，如图2（h）所示。

步骤9：采用深槽刻蚀工艺在SOI晶圆片A的硅衬底上，刻蚀出应力释放槽，如图2（i）所示。

步骤10：采用干法或湿法工艺将TSV上方的二氧化硅保护层刻蚀去除，暴露出焊盘区域，然后采用溅射或蒸发工艺在焊盘区域加工出金属焊盘，如图2（j）所示。

步骤11：将加工完成的MEMS晶圆片进行划片，然后采用粘胶方式将芯片硅帽C粘胶到陶瓷管壳3上，再键合金属引线4实现MEMS裸芯片与陶瓷管壳引脚之间的电信号连接，最后采用可伐合金盖板5密封陶瓷管壳。最终加工完成的倒置封装的MEMS传感器如图3所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种倒置装配可应力释放的MEMS芯片封装结构制作方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：在标准的SOI晶圆片A的硅衬底上加工出导电通孔，然后对SOI晶圆片A进行氧化，形成二氧化硅保护层；

步骤2：去除SOI晶圆片A上硅电极层表面的二氧化硅保护层，在硅电极层上加工出锚点结构和敏感结构腔体；

步骤3：在敏感结构腔体内加工出电极结构；

步骤4：采用键合工艺将另一片SOI晶圆片B的硅电极层键合到SOI晶圆片A的硅电极层上；

步骤5：去除标准的SOI晶圆片B的硅衬底和二氧化硅隔离层；

步骤6：在SOI晶圆片B的硅电极层上加工出敏感结构；

步骤7：采用键合工艺，将硅帽键合到SOI晶圆片B的硅电极层上，将敏感结构密封到硅帽的腔体与敏感结构腔体形成的空间中；

步骤8：划片形成MEMS裸芯片，然后通过将硅帽表面粘胶或键合固定到陶瓷管壳腔体底面，将MEMS裸芯片倒置装配，使导电通孔通过键合金属引线与陶瓷管壳引脚之间电连接，最后采用可伐合金盖板密封陶瓷管壳；

在SOI晶圆片A的硅衬底上还刻蚀有应力释放槽。

2.根据权利要求1所述的倒置装配可应力释放的MEMS芯片封装结构制作方法，其特征是，应力释放槽位于SOI晶圆片A的电极结构与腔体侧壁结构之间空隙区域背面的SOI晶圆片A的硅衬底上。

3.根据权利要求1所述的倒置装配可应力释放的MEMS芯片封装结构制作方法，其特征是，步骤1中，先对标准SOI晶圆片A的硅衬底进行减薄，然后再采用TSV工艺在硅衬底上加工出导电通孔。

4.根据权利要求1所述的倒置装配可应力释放的MEMS芯片封装结构制作方法，其特征是，步骤1中，所述导电通孔从硅衬底层一直延伸到SOI晶圆片A的硅电极层。

5.根据权利要求1所述的倒置装配可应力释放的MEMS芯片封装结构制作方法，其特征是，锚点结构、敏感结构腔体和/或电极结构采用干法或湿法刻蚀工艺加工而成。

6.根据权利要求1所述的倒置装配可应力释放的MEMS芯片封装结构制作方法，其特征是，步骤5中，采用CMP和刻蚀工艺去除SOI晶圆片B的硅衬底和二氧化硅隔离层。

7.根据权利要求1所述的倒置装配可应力释放的MEMS芯片封装结构制作方法，其特征是，步骤6中，采用深槽刻蚀工艺在SOI晶圆片B的硅电极层上加工出敏感结构。

8.根据权利要求1所述的倒置装配可应力释放的MEMS芯片封装结构制作方法，其特征是，制备硅帽的步骤为：将单晶硅晶圆片C首先进行氧化形成二氧化硅层，刻蚀去除部分二氧化硅层，仅保留硅帽键合区域的二氧化硅层，再采用湿法刻蚀工艺，加工出硅帽腔体。

9.根据权利要求1所述的倒置装配可应力释放的MEMS芯片封装结构制作方法，其特征是，还包括设置金属焊盘的步骤：

去除导电通孔表面的二氧化硅保护层，暴露出焊盘区域，在焊盘区域加工出金属焊盘；

金属焊盘通过键合金属引线与陶瓷管壳引脚之间电连接。