CN109399557B - 一种高稳定性mems谐振器件的制造方法 - Google Patents

一种高稳定性mems谐振器件的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高稳定性MEMS谐振器件的制造方法，采用与谐振芯片热膨胀系数相同材料制造芯片支架，并通过所述芯片支架将谐振芯片固定安装在MEMS谐振器件的封装外壳内，然后对封装外壳进行密封加工，完成EMS谐振器件的制造。该方法制造出的MEMS谐振器件，受外部形变或温度变化产生的应力影响小，稳定性好，环境适应性强，同时降低了制造工艺难度。

Description

一种高稳定性MEMS谐振器件的制造方法
技术领域
本发明涉及MEMS谐振器件技术领域，尤其是一种高稳定性MEMS谐振器件的制造方法。
背景技术
MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是微机电系统的缩写，MEMS芯片制造利用微电子加工技术，特别是三维微细体加工技术，制造出各种微型机械结构敏感芯片，再与专用集成电路集成，组成微型化、智能化的传感器、执行器、光学器件等MEMS器件及组件，如晶体谐振器、角速度传感器、加速度传感器、压力传感器以及温度传感器等。MEMS器件及组件具有体积小、可靠性高、环境适应能力强、功耗低、成本低等特点，在航天、航空、电子等领域广泛应用，如手机、玩具、数码相机、无人飞机、汽车、机器人、智能交通、工业自动化、现代化农业等。
MEMS谐振器件的性能主要取决于MEMS谐振芯片的加工、组装及封装工艺，特别是谐振器件的频率稳定性。MEMS谐振器工作时谐振芯片处于振动状态，在将芯片组装封装时，需要将谐振芯片悬空，让谐振梁可自由谐振。现有MEMS谐振器通常在芯片上制作凸出的固支点，通过凸出的固支点与封装外壳（通常为金属、陶瓷等材料）贴装，通过设置凸出的固支点的高度，使谐振芯片悬空，形成谐振空间；或者制作一个垫片，先将垫片粘贴到封装外壳（通常为金属、陶瓷等材料）上，再在垫片上组装谐振芯片，通过设置垫片的高度，使谐振芯片悬空，形成一个谐振空间。上述两种MEMS谐振器结构，当温度发生变化时，由于谐振芯片材料、垫片材料与外壳材料的热膨胀系数不同，会产生热应力，引起谐振芯片结构形变，导致谐振频率发生变化；同时，当器件封装结构受到外力产生形变时，这种形变也会传到谐振芯片上，引起芯片结构形变，导致谐振频率发生变化，影响谐振频率的稳定性。
现有技术中减小组装封装对MEMS谐振芯片性能影响的方法有以下几种：其一是选用与谐振芯片材料（通常为石英晶体或硅晶体）的热膨胀系数相近的材料制作封装外壳，然而，封装外壳通常采用金属或陶瓷材料制作，与谐振芯片材料热膨胀系数相差较大，如采用与芯片相同材料来制作外壳，工艺难度大，且不能避免由于外壳变形导致的芯片结构形变的问题；其二是采用与芯片材料相同的材料制作垫片，这种方法仍不能避免由于外壳变形导致的芯片结构形变的问题；其三是增加外壳的强度，避免其变形，然而，由于受到体积、材料及工艺等的限制，外壳的结构强度不能无限制增加。
因此，如何提供一种新的技术方案，提高MEMS谐振器件的频率稳定性，成为了本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明需要解决的问题是：如何减少因热应力或其他原因导致的外壳底座形变对谐振芯片的影响，提高MEMS谐振器件的环境适应性，保证谐振芯片谐振频率的稳定性。
为解决现有技术中的问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种高稳定性MEMS谐振器件的制造方法，采用与谐振芯片热膨胀系数相同材料制造芯片支架，并通过所述芯片支架将谐振芯片固定安装在MEMS谐振器件的封装外壳内，然后对封装外壳进行密封加工，完成EMS谐振器件的制造。
优选的，该方法具体包括如下步骤：
制造封装外壳，所述封装外壳包括敞口向上的外壳底座及用于密封外壳底座的盖帽；
基于三维微细加工工艺制造谐振芯片，所述谐振芯片包括谐振梁及谐振梁两侧的谐振芯片固定部；
采用与谐振芯片热膨胀系数相同材料进行光刻及腐蚀形成芯片支架，芯片支架包括两下支撑脚、两与谐振芯片固定部对应的上支撑脚及连接两下支撑脚及两上支撑脚的横梁；
将芯片支架的下支撑脚固定安装在外壳底座的内底面上；
将谐振梁两侧的谐振芯片固定部分别与两上支撑脚固定连接；
安装引线将谐振芯片与封装外壳内壁电连接；
在外壳底座上盖上盖帽，进行储能焊气密封装，完成高稳定性MEMS谐振器件的制造。
优选的，所述芯片支架中，两上支撑脚沿横梁长度方向平行排布、竖向设置在横梁上侧，两下支撑脚沿横梁长度方向平行排布、竖向设置在横梁下侧，采用光刻的方式得到用于制造芯片支架的块状材料，所述块状材料的厚度等于横梁厚度、上支撑脚长度及下支撑脚长度之和，所述块状材料长度等于横梁长度，所述块状材料宽度等于横梁宽度，在所述块状材料上下两端面分别进行腐蚀形成上支撑脚及下支撑脚。
优选的，芯片支架的横梁两端向上延伸形成两上支撑脚，芯片支架的横梁两端向下延伸形成两下支撑脚，芯片支架呈H型。
优选的，芯片支架的横梁两端向上延伸形成两上支撑脚，芯片支架的横梁下侧向下延伸形成两下支撑脚，两下支撑脚间的距离小于两上支撑脚间的距离。
优选的，横梁长度与谐振芯片的长度相匹配，横梁厚度为200～600微米，上支撑脚在竖直方向的高度为50～300微米，下支撑脚在竖直方向的高度为50～300微米。
优选的，谐振芯片固定部的下端面通过贴片胶粘接在上支撑脚的上端面上。
优选的，下支撑脚的下端面通过贴片胶粘接在封装外壳的内底面上，且贴片胶周向包裹下支撑脚侧面的下端形成加固连接部。
优选的，谐振芯片与谐振支架采用相同材料制成。
本发明公开了一种高稳定性MEMS谐振器件的制造方法，采用与谐振芯片热膨胀系数相同材料制造芯片支架，并通过所述芯片支架将谐振芯片固定安装在MEMS谐振器件的封装外壳内，然后对封装外壳进行密封加工，完成EMS谐振器件的制造。该方法制造出的MEMS谐振器件，受外部形变或温度变化产生的应力影响小，稳定性好，环境适应性强，同时降低了制造工艺难度。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明公开的一种高稳定性MEMS谐振器件的制造方法的制造的高稳定性MEMS谐振器件的一种具体实施方式的剖面图；
图2为本发明公开的一种高稳定性MEMS谐振器件的制造方法的制造的高稳定性MEMS谐振器件的另一种具体实施方式的剖面图。
附图中标号的对应关系为：谐振芯片1、封装外壳2、外壳底座3、盖帽4、引线5、芯片支架6、横梁7、上支撑脚8、下支撑脚9、谐振梁10、谐振芯片固定部11、贴片胶12、加固连接部13。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种高稳定性MEMS谐振器件的制造方法，采用与谐振芯片热膨胀系数相同材料制造芯片支架，并通过所述芯片支架将谐振芯片固定安装在MEMS谐振器件的封装外壳内，然后对封装外壳进行密封加工，完成EMS谐振器件的制造。
该方法制造出的MEMS谐振器件，受外部形变或温度变化产生的应力影响小，稳定性好，环境适应性强，同时降低了制造工艺难度。
具体实施时，该方法具体包括如下步骤：
制造封装外壳，所述封装外壳包括敞口向上的外壳底座及用于密封外壳底座的盖帽；
基于三维微细加工工艺制造谐振芯片，所述谐振芯片包括谐振梁及谐振梁两侧的谐振芯片固定部；
采用与谐振芯片热膨胀系数相同材料进行光刻及腐蚀形成芯片支架，芯片支架包括两下支撑脚、两与谐振芯片固定部对应的上支撑脚及连接两下支撑脚及两上支撑脚的横梁；
将芯片支架的下支撑脚固定安装在外壳底座的内底面上；
将谐振梁两侧的谐振芯片固定部分别与两上支撑脚固定连接；
安装引线将谐振芯片与封装外壳内壁电连接；
在外壳底座上盖上盖帽，进行储能焊气密封装，完成高稳定性MEMS谐振器件的制造。
盖上盖帽后，采用储能焊接方式，将外壳底座上一圈的焊料融化，外壳底座上和盖帽就焊接住了，并且不会漏气，外壳内就形成了一个气密的空间
本领域技术人员应当知晓的是，图1及图2中谐振芯片的谐振横梁和谐振芯片固定部是相连的，图1和图2为剖面图，且将谐振横梁和谐振芯片的连接部分省略。
本发明中，谐振芯片和芯片支架可以采用石英晶体或硅晶体等，封装外壳可采用金属材料或陶瓷材料制造。根据MEMS谐振器件的功能不同，采用的材料不同，不局限于上述材料。
本发明采用与谐振芯片热膨胀系数相同的芯片支架，避免了谐振芯片因与芯片支架之间产生热应力而变形，且芯片支架下端通过下支撑脚安装在外壳底座内，与外壳底座接触面积小，减小了芯片支架与外壳底座之间的热应力对芯片支架造成的形变，下支撑脚通过横梁与上支撑脚连接，能够有效减少下支撑脚的形变传递到上支撑脚，从而减少因热应力或其他原因导致的外壳底座形变对谐振芯片的影响，提高了MEMS谐振器件的环境适应性，保证了谐振芯片谐振频率的稳定性。
具体实施时，所述芯片支架中，两上支撑脚沿横梁长度方向平行排布、竖向设置在横梁上侧，两下支撑脚沿横梁长度方向平行排布、竖向设置在横梁下侧，采用光刻的方式得到用于制造芯片支架的块状材料，所述块状材料的厚度等于横梁厚度、上支撑脚长度及下支撑脚长度之和，所述块状材料长度等于横梁长度，所述块状材料宽度等于横梁宽度，在所述块状材料上下两端面分别进行腐蚀形成上支撑脚及下支撑脚。
如图1所示，具体实施时，芯片支架的横梁两端向上延伸形成两上支撑脚，芯片支架的横梁两端向下延伸形成两下支撑脚，芯片支架呈H型。
将芯片支架制成H型时，H型结构除了有良好的结构强度，还具有便于制造的优点。由于H型的芯片支架其上支撑脚与下支撑脚处于同一平面上，因此加工时上支撑脚及下支撑脚背向横梁的一侧可一次加工完成，减少了加工的工序，降低了加工难度。此外，两上支撑脚之间的凹槽区域收纳谐振芯片与上支撑脚粘接时外溢的贴片胶，避免贴片胶粘接到芯片的其他部分，影响芯片性能，特别是在芯片尺寸很微小时，作用更加明显，进一步降低了制造MEMS谐振器件的工艺难度，有利于器件尺寸的微型化。
如图2所示，具体实施时，芯片支架的横梁两端向上延伸形成两上支撑脚，芯片支架的横梁下侧向下延伸形成两下支撑脚，两下支撑脚间的距离小于两上支撑脚间的距离。
将下支撑脚之间的距离减小，能够进一步减小由于封装外壳的形变引起的芯片支架的变形量，从而减小对MEMS谐振器性能的影响，提升其稳定性。
具体实施时，横梁长度与谐振芯片的长度相匹配，横梁厚度为200～600微米，上支撑脚在竖直方向的高度为50～300微米，下支撑脚在竖直方向的高度为50～300微米。
为了保证芯片支架支撑强度和整个结构的安装强度，又为了尽可能的节省材料，因此，横梁厚度为200～600微米。为了有足够的空间收纳多余的贴片胶，因此上支撑脚在竖直方向的高度为50～300微米，下支撑脚在竖直方向的高度为50～300微米。
具体实施时，谐振芯片固定部的下端面通过贴片胶粘接在上支撑脚的上端面上。
具体实施时，下支撑脚的下端面通过贴片胶粘接在封装外壳的内底面上，且贴片胶周向包裹下支撑脚侧面的下端形成加固连接部。
在采用贴片胶将下支撑脚粘接在封装外壳的内底面上时，为了保证芯片支架粘接的稳固，可将下支撑脚侧壁的下端用贴片胶包裹，形成加固连接部。
具体实施时，谐振芯片与谐振支架采用相同材料制成。
为了保证谐振芯片与谐振支架的热膨胀系数相同，因此可以采用相同的材料制造谐振芯片及谐振支架。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种高稳定性MEMS谐振器件的制造方法，其特征在于，采用与谐振芯片热膨胀系数相同材料制造芯片支架，并通过所述芯片支架将谐振芯片固定安装在MEMS谐振器件的封装外壳内，然后对封装外壳进行密封加工，完成MEMS谐振器件的制造；
该方法具体包括如下步骤：
制造封装外壳，所述封装外壳包括敞口向上的外壳底座及用于密封外壳底座的盖帽；
基于三维微细加工工艺制造谐振芯片，所述谐振芯片包括谐振梁及谐振梁两侧的谐振芯片固定部；
采用与谐振芯片热膨胀系数相同材料进行光刻及腐蚀形成芯片支架，芯片支架包括两下支撑脚、两与谐振芯片固定部对应的上支撑脚及连接两下支撑脚及两上支撑脚的横梁；
将芯片支架的下支撑脚固定安装在外壳底座的内底面上；
将谐振梁两侧的谐振芯片固定部分别与两上支撑脚固定连接；
安装引线将谐振芯片与封装外壳内壁电连接；
在外壳底座上盖上盖帽，进行储能焊气密封装，完成高稳定性MEMS谐振器件的制造。
2.如权利要求1所述的高稳定性MEMS谐振器件的制造方法，其特征在于，所述芯片支架中，两上支撑脚沿横梁长度方向平行排布、竖向设置在横梁上侧，两下支撑脚沿横梁长度方向平行排布、竖向设置在横梁下侧，采用光刻的方式得到用于制造芯片支架的块状材料，所述块状材料的厚度等于横梁厚度、上支撑脚长度及下支撑脚长度之和，所述块状材料长度等于横梁长度，所述块状材料宽度等于横梁宽度，在所述块状材料上下两端面分别进行腐蚀形成上支撑脚及下支撑脚。
3.如权利要求1所述的高稳定性MEMS谐振器件的制造方法，其特征在于，芯片支架的横梁两端向上延伸形成两上支撑脚，芯片支架的横梁两端向下延伸形成两下支撑脚，芯片支架呈H型。
4.如权利要求1所述的高稳定性MEMS谐振器件的制造方法，其特征在于，芯片支架的横梁两端向上延伸形成两上支撑脚，芯片支架的横梁下侧向下延伸形成两下支撑脚，两下支撑脚间的距离小于两上支撑脚间的距离。
5.如权利要求1所述的高稳定性MEMS谐振器件的制造方法，其特征在于，横梁长度与谐振芯片的长度相匹配，横梁厚度为200～600微米，上支撑脚在竖直方向的高度为50～300微米，下支撑脚在竖直方向的高度为50～300微米。
6.如权利要求1所述的高稳定性MEMS谐振器件的制造方法，其特征在于，谐振芯片固定部的下端面通过贴片胶粘接在上支撑脚的上端面上。
7.如权利要求1所述的高稳定性MEMS谐振器件的制造方法，其特征在于，下支撑脚的下端面通过贴片胶粘接在封装外壳的内底面上，且贴片胶周向包裹下支撑脚侧面的下端形成加固连接部。
8.如权利要求1所述的高稳定性MEMS谐振器件的制造方法，其特征在于，谐振芯片与谐振支架采用相同材料制成。
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