CN108622847A - Mems传感器的封装方法及封装结构 - Google Patents

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CN108622847A CN201810415088.1A CN201810415088A CN108622847A CN 108622847 A CN108622847 A CN 108622847A CN 201810415088 A CN201810415088 A CN 201810415088A CN 108622847 A CN108622847 A CN 108622847A
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Abstract

本发明适用于半导体技术领域，提供了一种MEMS传感器的封装方法及封装结构，所述方法包括：使用PCB基板或者塑封空腔金属引线框架作为基底；将目标垫片固定在所述基底的预设位置处；将MEMS传感器芯片固定在所述目标垫片上；将所述MEMS传感器芯片与所述基底进行电气连接；在所述MEMS传感器芯片的表面设置保护层；根据所述目标垫片和设置保护层后的MEMS传感器芯片，对所述基底进行切割，通过在传感器芯片与基底之间采用垫片结构，实现较好的结构应力隔离和温度应力匹配，提高MEMS传感器的性能。

Description

MEMS传感器的封装方法及封装结构
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种MEMS传感器的封装方法及封装结构。
背景技术
微机电系统(Micro-Electro-Mechanical-System，MEMS)传感器芯片通常包含支撑梁或者支撑薄膜结构，其传感器原理通常采用应力应变原理，因此，结构应力和温度应力都会对其产生交叉耦合干扰，造成传感器性能劣化，而且，结构应力和温度应力还有可能导致MEMS传感器芯片损坏失效。
高性能MEMS传感器通常采用陶瓷管壳或者金属可伐管壳封装，但是，陶瓷管壳或者金属可伐管壳通常比较昂贵，制约了其在成本敏感型应用中的使用。低成本MEMS传感器通常采用印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)基板或者塑封金属引线框架材料进行封装，但是，PCB基板或者塑封金属引线框架材料与MEMS传感器芯片存在较大温度失配，严重制约MEMS传感器的性能。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种MEMS传感器的封装方法及封装结构，在传感器芯片与基底之间采用垫片结构，实现较好的结构应力隔离和温度应力匹配，提高MEMS传感器的性能。
本发明实施例的第一方面提供了一种MEMS传感器的封装方法，包括：
使用PCB基板或者塑封空腔金属引线框架作为基底；
将目标垫片固定在所述基底的预设位置处；
将MEMS传感器芯片固定在所述目标垫片上；
将所述MEMS传感器芯片与所述基底进行电气连接；
在所述MEMS传感器芯片的表面设置保护层；
根据所述目标垫片和设置保护层后的MEMS传感器芯片，对所述基底进行切割。
此外，在一个具体示例中，上述MEMS传感器的封装方法，还包括：
在所述基底的特定位置开孔；
在所述目标垫片上开孔，其中，所述目标垫片的开孔位置与所述基底的开孔位置对应；
在所述MEMS传感器芯片上开孔，其中，所述MEMS传感器芯片的开孔位置与所述目标垫片的开孔位置对应。
此外，在一个具体示例中，所述将目标垫片固定在所述基底的预设位置处包括：
采用低应力胶或者低应力焊料将所述目标垫片固定在所述基底的预设位置处，所述低应力胶为硅胶或硅酮胶，所述低应力焊料为铅锡焊料。
此外，在一个具体示例中，所述将所述MEMS传感器芯片与所述基底进行电气连接包括：
采用引线键合工艺完成所述MEMS传感器芯片与所述基底的电气连接。
此外，在一个具体示例中，所述在所述MEMS传感器芯片的表面设置保护层包括：
采用气相沉积工艺和/或灌封方法在所述MEMS传感器芯片的表面形成保护层，所述保护层的结构为单层结构或者多层复合结构，所述保护层的材质为硅凝胶或者派瑞林。
此外，在一个具体示例中，所述目标垫片的材质为硅、陶瓷或金属，所述目标垫片的厚度为0.1毫米至1毫米。
此外，在一个具体示例中，所述基底或者所述目标垫片的结构中包含凸点结构，所述凸点结构的厚度为10微米至100微米。
此外，在一个具体示例中，所述基底或者所述目标垫片的结构中包含凹坑结构，所述凹坑结构用于平坦化或者定限位。
本发明实施例的第二方面提供了一种MEMS传感器的封装结构，包括基底、目标垫片和MEMS传感器芯片；
所述基底为PCB基板或者塑封空腔金属引线框架，所述目标垫片固定在所述基底的预设位置处，所述MEMS传感器芯片固定在所述目标垫片上，所述MEMS传感器芯片与所述基底电气连接，所述MEMS传感器芯片的表面设置有保护层。
此外，在一个具体示例中，所述基底的特定位置处设有开孔，所述目标垫片上设有开孔，所述目标垫片的开孔位置与所述基底的开孔位置对应，所述MEMS传感器芯片上设有开孔，所述MEMS传感器芯片的开孔位置与所述目标垫片的开孔位置对应。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明实施例中以PCB基板或者塑封空腔金属引线框架作为基底，在MEMS传感器芯片与基底之间采用垫片结构，即采用三明治封装结构，可以实现较好的结构应力隔离和温度应力匹配，极大降低了传感器安装结构应力和温度应力对传感器性能的影响，具有良好的重复性、稳定性和温度回滞性能，最大程度保证了较理想的封装性能，同时采用标准工艺实现，不仅可以实现低成本的批量生产，也最大程度保证了较理想的封装性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种MEMS传感器的封装方法的示意流程图；
图2是本发明另一实施例提供的一种MEMS传感器的封装方法的示意流程图；
图3是本发明实施例提供的一种MEMS传感器的封装结构的示意图；
图4是本发明另一实施例提供的一种MEMS传感器的封装结构的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
参见图1，图1是本发明实施例提供的一种MEMS传感器的封装方法的示意流程图。如图1所示，在该实施例中，可以包括以下步骤：
S101：使用PCB基板或者塑封空腔金属引线框架作为基底。
这里，PCB为印制电路板，又称印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的载体。引线框架作为集成电路的芯片载体，是一种借助于键合金丝实现芯片内部电路引出端与外引线的电气连接。
PCB基板和塑封空腔金属引线框架通常为单元结构阵列后的拼版形式，根据结构设计需要，PCB基板或塑封空腔金属引线框架特定位置可能会开孔。
S102：将目标垫片固定在所述基底的预设位置处。
具体地，目标垫片可以根据实际需要选择，例如陶瓷垫片、金属垫片等，预设位置可以根据实际情况确定，例如垫片中间位置，目标垫片具有较好的刚性且与MEMS传感器芯片材料具有较好的温度匹配特征。
S103：将MEMS传感器芯片固定在所述目标垫片上。
这里，可以首先确定固定位置，根据确定的固定位置将MEMS传感器芯片固定在目标垫片上，其中，上述固定位置根据MEMS传感器芯片的大小和目标垫片的大小确定。具体地，可以采用低应力胶或者低应力焊料或者其它等效方法将MEMS传感器芯片固定在目标垫片上。
S104：将所述MEMS传感器芯片与所述基底进行电气连接。
这里，可以采用键合线将MEMS传感器芯片与所述基底进行电气连接，具体电气连接方式可以根据实际情况确定。
S105：在所述MEMS传感器芯片的表面设置保护层。
具体地，可以采用气相沉积工艺和/或者灌封方法在MEMS传感器芯片的表面形成保护层，避免MEMS传感器芯片被破坏。
S106：根据所述目标垫片和设置保护层后的MEMS传感器芯片，对所述基底进行切割。
这里，对基底进行切割，形成单个封装的传感器单元。
从以上描述可知，本发明MEMS传感器的封装方法，以PCB基板或者塑封空腔金属引线框架作为基底，在MEMS传感器芯片与基底之间采用垫片结构，即采用三明治封装结构，可以实现较好的结构应力隔离和温度应力匹配，极大降低了传感器安装结构应力和温度应力对传感器性能的影响，具有良好的重复性、稳定性和温度回滞性能，最大程度保证了较理想的封装性能，同时采用标准工艺实现，不仅可以实现低成本的批量生产，也最大程度保证了较理想的封装性能。
此外，在一个具体示例中，上述MEMS传感器的封装方法，还包括：
在所述基底的特定位置开孔；
在所述目标垫片上开孔，其中，所述目标垫片的开孔位置与所述基底的开孔位置对应；
在所述MEMS传感器芯片上开孔，其中，所述MEMS传感器芯片的开孔位置与所述目标垫片的开孔位置对应。
这里，特定位置可以根据结构设计需要确定，根据结构设计需要，在基底的特定位置开孔，垫片和MEMS传感器芯片也开孔，且垫片的孔与基底的孔对应通透，MEMS传感器芯片的孔与垫片的孔对应通透。
此外，在一个具体示例中，所述将目标垫片固定在所述基底的预设位置处包括：
采用低应力胶或者低应力焊料将所述目标垫片固定在所述基底的预设位置处，所述低应力胶为硅胶或硅酮胶，所述低应力焊料为铅锡焊料。
具体地，可以采用低应力胶或者低应力焊料或者其它等效方法将目标垫片固定在上述基底的预设位置处，低应力胶为硅胶、硅酮胶等，低应力焊料为铅锡焊料或其他等效焊料，具体地低应力胶、低应力焊料可以根据实际需要选择。
此外，在一个具体示例中，所述将所述MEMS传感器芯片与所述基底进行电气连接包括：
采用引线键合工艺完成所述MEMS传感器芯片与所述基底的电气连接。
这里，可以采用引线键合工艺或者其它等效工艺进行电气连接，简单、快速地完成电气连接，适合应用。
此外，在一个具体示例中，所述在所述MEMS传感器芯片的表面设置保护层包括：
采用气相沉积工艺和/或灌封方法在所述MEMS传感器芯片的表面形成保护层，所述保护层的结构为单层结构或者多层复合结构，所述保护层的材质为硅凝胶或者派瑞林。
具体地，可以采用气相沉积工艺和/或者灌封方法在表面形成单层/多层保护层，保护层材料可以为但不限于硅凝胶、派瑞林等。
此外，在一个具体示例中，所述目标垫片的材质为硅、陶瓷或金属，所述目标垫片的厚度为0.1毫米至1毫米。
这里，垫片材料可以为但不限于硅、陶瓷、金属等，其具有较好的刚性且与MEMS传感器芯片材料具有较好的温度匹配特征，垫片的厚度可以为但不限于0.1～1mm。
此外，在一个具体示例中，所述基底或者所述目标垫片的结构中包含凸点结构，所述凸点结构的厚度为10微米至100微米。
具体地，上述基底或者目标垫片，结构上包含微小的凸点结构，凸点结构的厚度可以为但不限于10～100μm，通过凸点结构确保固定材料(低应力胶或者低应力焊料)厚度的均匀性和一致性。
此外，在一个具体示例中，所述基底或者所述目标垫片的结构中包含凹坑结构，所述凹坑结构用于平坦化或者定限位。
这里，上述基底或者目标垫片，根据设计需要，还包括凹坑结构，用于平坦化或者定限位。
为了更好地理解上述方法，以下详细阐述本发明另一实施例提供的一种MEMS传感器的封装方法的示意流程图。
在本实施例中，MEMS传感器的封装方法可以包括：
S201：使用PCB基板或者塑封空腔金属引线框架作为基底，在所述基底的特定位置开孔。
S202：采用低应力胶或者低应力焊料将目标垫片固定在所述基底的预设位置处，并在目标垫片上开孔，其中，目标垫片的开孔位置与所述基底的开孔位置对应，低应力胶为硅胶或硅酮胶，低应力焊料为铅锡焊料，目标垫片的材质为硅、陶瓷或金属，目标垫片的厚度为0.1毫米至1毫米。
这里，上述基底或者目标垫片，结构上包含微小的凸点结构，凸点结构的厚度可以为但不限于10～100μm，通过凸点结构确保固定材料(低应力胶或者低应力焊料)厚度的均匀性和一致性。上述基底或者目标垫片，根据设计需要，还包括凹坑结构，用于平坦化或者定限位。
S203：采用低应力胶或者低应力焊料将MEMS传感器芯片固定在目标垫片上，并在MEMS传感器芯片上开孔，其中，MEMS传感器芯片的开孔位置与目标垫片的开孔位置对应。
S204：采用引线键合工艺完成MEMS传感器芯片与所述基底的电气连接。
S205：采用气相沉积工艺和/或灌封方法在MEMS传感器芯片的表面形成保护层，所述保护层的结构为单层结构或者多层复合结构，所述保护层的材质为硅凝胶或者派瑞林。
S206：根据目标垫片和设置保护层后的MEMS传感器芯片，对所述基底进行切割，形成单个封装的传感器单元。
从以上描述可知，本实施例采用标准的基于塑封金属引线框架的塑封技术或者基于PCB基板的栅格阵列封装技术，可以实现MEMS传感器的低成本的批量生产；以塑封金属引线框架或者PCB基板作为基底，但是在传感器与基底之间采用垫片结构，这种三明治封装结构，实现较好的结构应力隔离和温度应力匹配，极大降低了传感器安装结构应力和温度应力对传感器性能的影响，具有良好的重复性、稳定性和温度回滞性能，最大程度保证了较理想的封装性能。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
对应于上文实施例所述的MEMS传感器的封装方法，图3和图4示出了本发明实施例提供的一种MEMS传感器的封装结构的示意图。本实施例的MEMS传感器的封装结构包括基底、目标垫片和MEMS传感器芯片；
所述基底为PCB基板或者塑封空腔金属引线框架，所述目标垫片固定在所述基底的预设位置处，所述MEMS传感器芯片固定在所述目标垫片上，所述MEMS传感器芯片与所述基底电气连接，所述MEMS传感器芯片的表面设置有保护层。
其中，所述基底的特定位置处设有开孔，所述目标垫片上设有开孔，所述目标垫片的开孔位置与所述基底的开孔位置对应，所述MEMS传感器芯片上设有开孔，所述MEMS传感器芯片的开孔位置与所述目标垫片的开孔位置对应。
目标垫片通过低应力胶或者低应力焊料固定在所述基底的预设位置处，所述低应力胶为硅胶或硅酮胶，所述低应力焊料为铅锡焊料。
MEMS传感器芯片也通过低应力胶或者低应力焊料固定在目标垫片上。
MEMS传感器芯片通过引线键合工艺，即键合线与所述基底电气连接。
MEMS传感器芯片的表面通过气相沉积工艺和/或灌封方法形成保护层，所述保护层的结构为单层结构或者多层复合结构，所述保护层的材质为硅凝胶或者派瑞林。
所述目标垫片的材质为硅、陶瓷或金属，所述目标垫片的厚度为0.1毫米至1毫米。
所述基底或者所述目标垫片的结构中包含凸点结构，所述凸点结构的厚度为10微米至100微米。
所述基底或者所述目标垫片的结构中包含凹坑结构，所述凹坑结构用于平坦化或者定限位。
从以上描述可知，本发明MEMS传感器的封装结构，以PCB基板或者塑封空腔金属引线框架作为基底，在MEMS传感器芯片与基底之间采用垫片结构，即采用三明治封装结构，可以实现较好的结构应力隔离和温度应力匹配，极大降低了传感器安装结构应力和温度应力对传感器性能的影响，具有良好的重复性、稳定性和温度回滞性能，最大程度保证了较理想的封装性能，同时采用标准工艺实现，不仅可以实现低成本的批量生产，也最大程度保证了较理想的封装性能。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种MEMS传感器的封装方法，其特征在于，包括：
使用印制电路板PCB基板或者塑封空腔金属引线框架作为基底；
将目标垫片固定在所述基底的预设位置处；
将微机电系统MEMS传感器芯片固定在所述目标垫片上；
将所述MEMS传感器芯片与所述基底进行电气连接；
在所述MEMS传感器芯片的表面设置保护层；
根据所述目标垫片和设置保护层后的MEMS传感器芯片，对所述基底进行切割。
2.如权利要求1所述的MEMS传感器的封装方法，其特征在于，还包括：
在所述基底的特定位置开孔；
在所述目标垫片上开孔，其中，所述目标垫片的开孔位置与所述基底的开孔位置对应；
在所述MEMS传感器芯片上开孔，其中，所述MEMS传感器芯片的开孔位置与所述目标垫片的开孔位置对应。
3.如权利要求1所述的MEMS传感器的封装方法，其特征在于，所述将目标垫片固定在所述基底的预设位置处包括：
采用低应力胶或者低应力焊料将所述目标垫片固定在所述基底的预设位置处，所述低应力胶为硅胶或硅酮胶，所述低应力焊料为铅锡焊料。
4.如权利要求1所述的MEMS传感器的封装方法，其特征在于，所述将所述MEMS传感器芯片与所述基底进行电气连接包括：
采用引线键合工艺完成所述MEMS传感器芯片与所述基底的电气连接。
5.如权利要求1所述的MEMS传感器的封装方法，其特征在于，所述在所述MEMS传感器芯片的表面设置保护层包括：
采用气相沉积工艺和/或灌封方法在所述MEMS传感器芯片的表面形成保护层，所述保护层的结构为单层结构或者多层复合结构，所述保护层的材质为硅凝胶或者派瑞林。
6.如权利要求1所述的MEMS传感器的封装方法，其特征在于，所述目标垫片的材质为硅、陶瓷或金属，所述目标垫片的厚度为0.1毫米至1毫米。
7.如权利要求1所述的MEMS传感器的封装方法，其特征在于，所述基底或者所述目标垫片的结构中包含凸点结构，所述凸点结构的厚度为10微米至100微米。
8.如权利要求1所述的MEMS传感器的封装方法，其特征在于，所述基底或者所述目标垫片的结构中包含凹坑结构，所述凹坑结构用于平坦化或者定限位。
9.一种MEMS传感器的封装结构，其特征在于，包括基底、目标垫片和MEMS传感器芯片；
所述基底为PCB基板或者塑封空腔金属引线框架，所述目标垫片固定在所述基底的预设位置处，所述MEMS传感器芯片固定在所述目标垫片上，所述MEMS传感器芯片与所述基底电气连接，所述MEMS传感器芯片的表面设置有保护层。
10.如权利要求1所述的MEMS传感器的封装结构，其特征在于，所述基底的特定位置处设有开孔，所述目标垫片上设有开孔，所述目标垫片的开孔位置与所述基底的开孔位置对应，所述MEMS传感器芯片上设有开孔，所述MEMS传感器芯片的开孔位置与所述目标垫片的开孔位置对应。
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