CN109437090A - 一种新型无引线键合的mems传感器封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型无引线键合的MEMS传感器封装方法,属于微电子机械系统或半导体制造领域。该方法中单晶圆MEMS传感器电极采用可锡焊电极，同时采用表面贴装技术直接将未保护的单晶圆MEMS传感器芯片组装到PCB或基板上，并通过在PCB或基板上打孔的方法暴露传感器的敏感区域以确保传感器封装后可以正常工作。本方法采用表面贴装技术进行组装，提高了组装效率，节约了时间与成本，使得良率大幅提高、成本大幅降低。同时该方法具备高产品可靠性，确保传感器在恶劣工作环境下(如水下)不会因为引线断裂而失效，特别适合面向海洋应用的传感器。
Description
所属领域：
本发明涉及一种传感器封装技术，属于微电子机械系统或半导体制造领域。
背景技术
微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)是指可利用半导体制造平台批量制作的微型传感器、执行器等器件或系统。近年来，物联网技术迅速发展，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮；传感器技术是物联网三大关键技术之一(另两个分别是传感器、通信和云计算)，负责原始信号与数据获取。
封装是MEMS传感器制造的关键技术，对传感器的性能、可靠性和成本等有着重要影响。当前MEMS传感器封装方法主要有两种。第一种：基于引线键合的封装方法。首先采用焊料将MEMS传感器芯片贴装在基板上；然后采用引线键合将传感器芯片焊接到基板电极形成电学连接，基板可以是PCB电路板、QFN、DSP、DIP等任何合适的封装载体；最后采用焊料将盖板贴装在基板上来完成封装。如图1所示，这种封装方法对于多数传感器而言具有工艺相对简单、成熟，且成本较低的优点。第二种：基于晶圆级键合(wafer level bonding)与硅通孔技术(TSV)的圆片级封装，也称作晶圆级芯片封装(wafer level chip scalepackaging,WLCSP)。其典型的封装过程包括：首先，MEMS传感器芯片在一片晶圆上完成加工；其次，MEMS传感器晶圆和一片预置TSV的盖片晶圆完成晶圆级键合；再次，在盖片晶圆的背面加工相应的电极，并在电极上沉积锡焊球，实现MEMS传感器到封装的电学连接；最后，对圆片级封装的晶圆进行切片(dicing)，得到封装的传感器。此传感器可以使用表面贴装技术(SMT)在PCB或基板上直接组装而无须引线键合工序，因而组装可靠性更好，效率也更高；但成本较高，如图2所示。
对于某些MEMS传感器而言，如声学与压力MEMS传感器，以上两种封装方法各自存在一些缺点。
第一种：与表面贴装技术相比，引线键合由于采用细金属导线(典型的如25um直径的金线)作为电学连接，在某些恶劣环境应用中可靠性不够。例如在海洋环境或高温环境中，海水的侵蚀、深水环境下静水的压迫或高温通常使封装的传感器体积膨胀，从而使引线承受较大的拉伸应力，严重的可能导致金属引线断裂或脱落，从而使传感器失效；如图3所示为一种基于引线键合封装的MEMS传感器X射线透视图(传感器封装后需要通过X射线投射才能看到内部引线结构)。图3(a)为封装后置于室温、空气环境中，可以看出，传感器芯片303通过引线301键合实现和PCB305的电学连接，位于传感器芯片303和PCB305的焊接点分别为302和304，引线301呈现舒展的状态。图3(b)为此传感器在模拟海洋环境中放置一个月后损坏，X射线透视图显示其中一根引线301分别从传感器芯片的键合点302和PCB上的键合点304断裂；另一根引线在传感器芯片的键合点302断裂，同时引线严重变形。进一步的分析表明在模拟海洋环境的情况下，海水的渗透使得基于引线键合封装的传感器发生膨胀，每个方向约膨胀12％，而引线键合使用的25微米直径的金线最大允许拉伸约5％，远低于实际膨胀尺寸，因此，膨胀所引起拉伸应力直接导致引线大幅度变形与断裂。第二种：圆片级键合与硅通孔技术不仅成本高昂，而且良率较低。主要是因为圆片级键合包含昂贵的键合工艺、大深度反应离子刻蚀工艺(Deep Reactive Ion Etching,DRIE)、化学机械抛光工艺(Chemical Mechanical Polishing，CMP)以及高温氧化工艺，低良率主要是因为晶圆温度分布不均匀以及对准精度所导致。此外，封闭式的晶圆级封装阻挡了诸如声学与压力信号，使其无法进入传感器的敏感芯片，因而这种方法不适合声学与压力传感器。
因此，对于声学与压力MEMS传感器，需要一种高可靠性、低成本的封装方法。
发明内容：
本发明的目的是：为了克服现有的引线键合方法与圆片级封装方法，均不适用于声学与压力MEMS传感器的不足，公开一种无引线键合、单片晶圆的声学或压力MEMS传感器的封装方法。
所述新型无引线键合的MEMS传感器封装方法，包括至少一个敏感区域暴露的单晶圆MEMS传感器芯片，其电极是可锡焊多金属叠层电极，如Cu/Ni/Au、Ti/Ni/Au、Ti/Cr/Au构成的金属叠层或任何其它合适的可锡焊电极；所述MEMS传感器芯片电极的单侧尺寸不小于40000μm2.
至少一个基板或电路板，基板或电路板上至少有一个通孔；
其它必要的电子元器件或ASIC芯片，至少一个封装模具或制具；至少一种封装材料。
本发明的封装方法为：
第一步，加工单晶圆MEMS传感器芯片，传感器芯片的所有电极均为可锡焊电极；
第二步，加工含有通孔的基板或电路板，所述基板或电路板上有与MEMS传感器芯片所有电极位置相应的可锡焊电极；
第三步，采用表面贴装工艺，将必要的电子元器件或ASIC芯片贴装在基板或PCB板上，同时将MEMS传感器也贴装在基板或PCB板上，确保传感器芯片的敏感结构与基板或PCB板上的通孔位置相应使得传感器的敏感区域暴露，MEMS传感器芯片上的可锡焊电极与基板或PCB板上相应的可锡焊电极对准；
第四步，在MEMS传感器芯片上的可锡焊电极与基板或PCB板上相应的可锡焊电极之间进行锡焊组装，作为优选方案之一，所述焊接操作采用回流焊技术，其他任何合适的技术也在本发明的构思之内；
对于MEMS传感器，必要的情况下表面贴装可通过环氧树脂等材料进行加固，以提高可靠性；
第五步，设计并加工相应的模具，将完成MEMS传感器芯片贴装与焊接的基板或PCB板放入模具或制具中，往其中注入封装材料且完全覆盖已经组装的MEMS传感器，并除泡、固化后，得到封装的MEMS传感器产品；
所用模具或制具材料可以是金属、塑料或其它合适的材料。
为了使所述封装后的传感器具备良好的声学或压力性能，所述封装材料具有透声、防水、电绝缘特性，例如橡胶、聚氨酯或其它合适的材料。
本发明的有益效果包括：
1.MEMS传感器与电子元件均采用表面贴装技术进行组装，避免传统基于引线键合的MEMS封装方法在表面贴装与引线键合之间切换，从而提高了组装效率，节约了时间与成本。
2.与基于引线键合的MEMS传感器封装方法相比，本方法提高了产品的可靠性，确保传感器在恶劣工作环境下(如水下)不会因为引线断裂而失效，特别适合面向海洋应用的传感器。
3.与晶圆级封装方法相比，本方法只使用一片晶圆，且无需昂贵的硅通孔技术与后道加工技术及其相关的盖片晶圆，因而良率大幅提高、成本大幅降低。
4.与晶圆级封装方法相比，本方法在PCB或基板上开孔，不会阻挡声学与压力等敏感信号进入传感器，确保传感器封装后可以正常工作。
附图说明：
图1是背景技术中基于引线键合的MEMS传感器封装技术示意图；
图2是背景技术中晶圆级芯片封装示意图；
图3是背景技术中基于引线键合封装的MEMS传感器X-Ray示意图(a)置于室温、空气环境中，(b)在100米深海水使用30天后；
图4是实施例中的一种典型水声MEMS传感器示意图,(a)俯视图，(b)A-A剖面图
图5其它典型MEMS传感器结构示意图：(a)阵列式敏感结构；(b)四面电极结构；(c)阵列式电极结构
图6是带通孔的PCB结构示意图，PCB上的电极需和MEMS传感器一一对应，且MEMS传感器的敏感结构需通过通孔和外界接触，确保外部信号可以到达传感器。
图7是实施例中组装过程示意图，传感器和必要的电子元器件组装在刷好锡膏PCB上，采用回流焊完成焊接，并根据需要采用非导电epoxy对焊接电极进行加固。
图8是实施例中完成封装的MEMS传感器示意图。
图中，301：引线，302：传感器芯片的焊点；303：传感器芯片；304：PCB上的焊点；305：PCB；4：MEMS传感器；401:MEMS传感器衬底，402：背腔，403支撑层，404：可锡焊金属电极叠层，405：敏感结构，406：空间隔离带；501：PCB或基板衬底，502：通孔，503：引线电极，504：可锡焊金属电极叠层；601:焊锡，602：环氧树脂；603：电源线；604：信号输出线；701:封装模具或制具；702：封装材料
具体实施实例：一个水声MEMS传感器的封装方法
第一步：准备MEMS传感器。参考图4，图4是本发明提出的一种典型的声学MEMS传感器示意图，其中(a)是俯视图，(b)是A-A剖面图。MEMS传感器由衬底401、背腔402、支撑层403、电极叠层404和敏感结构405组成；敏感结构与电极之间通过空间隔离带进行隔离；MEMS传感器通过常见的MEMS加工工艺进行加工。传感器敏感原理可以是电容式、压电式、压阻式或任何其它合适的敏感原理；传感器敏感结构可以是单个敏感结构或阵列式敏感结构或任何其它合适的敏感结构。传感器电极可以为双电极对称结构(图4a)、四电极对称结构(图4b)、阵列式结构(图4c)或其它合适的布置。传感器电极404为可锡焊电极，如Cu/Ni/Au、Ti/Ni/Au、Ti/Cr/Au构成的金属叠层或任何其它可锡焊金属构成的叠层。为了控制锡焊的应力并确保锡焊的可靠性，单侧电极的总面积应不小于40000μm2，而典型非锡焊MEMS传感器电极尺寸约为10000μm2；传感器电极可以是实现电学连接的电极，也可以是为了增强焊接强度的辅助电极。图5是本发明提出的其它可能的传感器电极实例。
第二步：准备PCB或基板。图6所示为设计的PCB示意图，图6(a)为俯视图，图6(b)B-B面剖视图。PCB上的可锡焊电极和MEMS传感器上可锡焊电极一一对应，PCB由衬底501；和MEMS传感器敏感区域面积相当的通孔502；引线电极503；可锡焊电极504组成。
第三步：组装。参考图7，在PCB上刷锡膏焊料601，然后将MEMS传感器面对面组装(倒装)到PCB上，确保传感器电极与PCB的电极对准，传感器的敏感结构通过PCB上的通孔和外界接触，确保外部信号可以被敏感结构拾取。采用类似的方法将其它必要的电子元器件组装在PCB上，然后采用回流焊技术或其它合适的技术融化锡球，使MEMS传感器、电子元件的电极和PCB上相应的电极通过锡球形成电学连接。为了加强连接可靠性，可选择采用非导电环氧树脂602对电极连接进行加固；同时完成电源线603与信号输出线604的焊接。
第四步：封装。根据PCB尺寸和相应的产品需求，设计并加工合适的模具701。将组装有MEMS传感器和必要电子元件的PCB放入模具中并固定；然后往模具中注入合适的封装材料702，除泡、加热、固化后完成封装，得到MEMS传感器产品。为了确保声波在进入封装材料后不因为气泡的存在而发生大量散射，造成信号损失，需要在封装时对材料进行除泡处理，典型的除泡方法包括真空除泡、清洁模具除泡等方法或其它合适的方法。为了确保外部声信号能够通过封装材料到达传感器敏感结构。封装材料的选择必须符合以下几个条件：a)和外部传输介质的声学阻抗匹配；假如声音信号在海水中传播，则封装材料的密度和声速应和海水相当；b)必须为绝缘体，以避免可能短路而损坏传感器；c)耐海水腐蚀。
Claims (7)
1.一种新型无引线键合的MEMS传感器封装方法，其特征在于，该过程包括：
至少一个敏感区域暴露的单晶圆MEMS传感器芯片，
至少一个基板或电路板，基板或电路板上至少有一个通孔，
其它必要的电子元器件或ASIC芯片，
至少一个封装模具或制具，
至少一种封装材料。
所述方法具体包括如下步骤：
第一步，加工单晶圆MEMS传感器芯片，传感器芯片的电极均为可锡焊电极；
第二步，加工含有通孔的基板或电路板，所述基板或电路板上有与MEMS传感器芯片电极对应的可锡焊电极；
第三步，采用表面贴装工艺，将必要的电子元器件或ASIC芯片贴装在基板或PCB板上，同时将MEMS传感器也面对面贴装在基板或PCB板上，确保传感器芯片的敏感结构与基板或PCB板上的通孔位置对准，MEMS传感器芯片上的可锡焊电极与基板或PCB板上相应的可锡焊电极对准；
第四步，在MEMS传感器芯片上的可锡焊电极与基板或PCB板上相应的可锡焊电极之间进行锡焊组装；
第五步，设计并加工相应的模具，将完成MEMS传感器芯片贴装与焊接的基板或PCB板放入模具或制具中，往其中注入封装材料且完全覆盖已经组装的MEMS传感器，并除泡、固化后，得到封装的MEMS传感器产品。
2.一种如权利要求1所述的新型无引线键合的MEMS传感器封装方法，其特征在于，所述MEMS传感器芯片的电极是可锡焊多金属叠层电极，如Cu/Ni/Au、Ti/Ni/Au或Ti/Cr/Au构成的金属叠层或其它可锡焊电极。
3.一种如权利要求1所述的新型无引线键合的MEMS传感器封装方法，其特征在于，所述MEMS传感器芯片电极的单侧尺寸不小于40000μm2。
4.一种如权利要求1所述的新型无引线键合的MEMS传感器封装方法，其特征在于，所述MEMS传感器芯片的电极是电学连接的电极，或者是为了增强焊接强度的辅助电极，但至少有两个电学连接电极。
5.一种如权利要求1所述的新型无引线键合MEMS传感器封装方法，其特征在于，所述步骤四中焊接操作采用回流焊技术。
6.一种如权利要求1所述的新型无引线键合的MEMS传感器封装方法，其特征在于，所述步骤四中表面贴装通过非导电材料进行加固，相应材料可以是环氧树脂、聚氨酯或硅胶材料。
7.一种如权利要求1所述的新型无引线键合的MEMS传感器封装方法，其特征在于，所述步骤五中封装材料为橡胶或聚氨酯材料，或橡胶与聚氨酯材料的组合。
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