CN110143565A - 一种用于mems器件的封装应力隔离微结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于MEMS器件的封装应力隔离微结构。所述封装应力隔离微结构包括上极板和下极板；由下至上，MEMS器件包括基底层、走线层和结构层；上极板采用与基底层相同的材料制成；下极板采用与封装MEMS器件的封装管壳膨胀系数相近的材料制成；上极板与下极板通过锚点柱相连接。与现有技术相比，本发明具备如下优点：(1)通过保证材料与MEMS器件基底一致的方式完全消除粘接面上热膨胀系数失配带来的热应力；(2)微结构采用刻蚀、键合等常规MEMS工艺，加工方式简单，可大批量生产；(3)可适用各种基底的MEMS器件，实用性强。

Description

一种用于MEMS器件的封装应力隔离微结构

技术领域

本发明涉及一种用于MEMS器件的封装应力隔离微结构，属于MEMS封装及微机械制造领域。

背景技术

MEMS(微机电系统，Microelectro Mechanical Systems)是一门跨学科的简短技术领域，涉及到微电子，机械，光学，生物，材料，物理，化学，信号处理等多种学科。基于MEMS技术的MEMS传感器具有体积小、功耗低、成本低的优点，目前已经持续发展，对消费、工业、国防等多个重要领域产生深远影响。

以加速度计、陀螺仪、压力计为典型代表的力敏感MEMS器件，其检测原理是将外部待检测量(加速度，角速度，压力)转化为力施加到敏感结构上，检测力作用下敏感结构运动产生的电信号，可以实现高精度测量。在实际使用过程中，通常将MEMS器件与匹配电路芯片封装在一个管壳中，形成一个可以独立使用的微型传感器。然而由于封装管壳与MEMS器件材料不一致，在器件温度变化时，杨氏模量及热膨胀系数的失配、贴片封装时高低温转化都会产生残余应力，应力通过锚点传到敏感结构，引起关键部分的变形和应力集中，会造成器件疲劳断裂，影响使用寿命。

现有技术中，分别从以下几个方面隔离封装应力：1.结构设计，2015年清华大学公开了一种单锚定点四质量块MEMS谐振式陀螺仪，单点支撑减小键合接触面积，“田”字形支撑架进一步隔离锚点键合应力，而结构设计无法避免封装应力通过基底传递到结构；2.在MEMS器件与封装管壳之间插入衬板上制作应力缓冲结构，此方法因为效果最好而被广泛应用，因此已经有较多的应力隔离方案。2015年歌尔声学股份有限公司公开了一种应力隔离的MEMS惯性传感器，该发明通过应力隔离层将单点传入的应力均匀传递到敏感结构，利用敏感结构的差分设计将应力的一致响应消除，而复杂的结构设计在加工过程中带来更多应力源头。专利US8614491中将应力缓冲结构键合在封装衬板上，再将多个MEMS芯片粘贴在应力缓冲结构中；2018年北方芯动联科微系统技术有限公司提出了一种具有应力缓冲结构的MEMS芯片，该发明选取SOI圆片作为MEMS器件的基底，通过半导体加工工艺将SOI的底层硅刻蚀成应力释放结构，埋氧层作为形成连接层，具有工艺简单和体积小的优点。上述技术方案均从应力缓冲的结构设计上进行应力缓冲，应力产生原因材料间在温度变化时热膨胀系数失配，应力缓冲结构无法从根源上抑制封装应力。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于MEMS器件的封装应力隔离微结构，该结构与MEMS器件基底采用相同材料，与封装管壳连接一面采用热膨胀系数与管壳相似的材料，从根源上隔离封装应力；并且可以通过常规MEMS工艺实现圆片级加工，工艺简单，芯片面积小，成本低。

本发明所涉及的MEMS器件可以是陀螺仪，加速度计或压力计等常规力敏感器件。

本发明所提供的用于MEMS器件的封装应力隔离微结构，包括上极板和下极板；

由下至上，所述MEMS器件包括基底层、走线层和结构层；

所述上极板采用与所述基底层相同的材料制成，其与所述MEMS器件的所述基底层接触；

所述下极板采用与封装所述MEMS器件的封装管壳膨胀系数相近的材料制成，其与所述封装管壳接触；

所述上极板与所述下极板通过锚点柱相连接。

上述的封装应力隔离微结构中，“膨胀系数相近”相近指的是膨胀系数的差异不大于2ppm/℃。

如果所述MEMS器件为圆片级封装器件，则还有盖帽，所述MEMS器件的信号引出的走线层可以位于基底层，也可以位于盖帽上，通过TSV技术与盖帽互联。

上述的封装应力隔离微结构中，所述锚点柱采用与所述上极板相同的材料制成；

所述锚点柱与所述上极板一体成型。

上述的封装应力隔离微结构中，采用刻蚀的方式形成所述锚点柱，包括通过涂胶、光刻、显影、刻蚀等常规步骤。

上述的封装应力隔离微结构中，所述锚点柱采用键合方式与所述下极板连接。

上述的封装应力隔离微结构中，所述锚点柱位于所述上极板的中心位置。

上述的封装应力隔离微结构中，所述锚点柱的高度为20～50μm；

所述锚点柱的面积小于所述封装应力隔离微结构的面积的1/10。

本发明应力隔离微结构中，下极板采用与封装管壳热膨胀系数相近的材料，当温度变化时，应力隔离微结构和封装管壳产生失配应力，经过下极板时得到缓冲，上极板与下极板通过长锚点柱与下极板连接，中心锚点面积小，上下极板间应力传递量较小。上极板与MEMS器件基底材料相同，不存在热膨胀系数失配，此应力隔离微结构通过材料匹配的方式实现隔离基底封装应力。

为制造上述应力隔离微结构，本发明还提供了制造方法。

本发明所提供的所述封装应力隔离微结构的制造方法，包括如下步骤：

(1)采用与所述MEMS器件的所述基底层的材料相同的圆片Ⅰ，在所述圆片Ⅰ上加工形成所述锚点柱；

(2)采用与封装所述MEMS器件的封装管壳膨胀系数相近的圆片Ⅱ，将所述圆片Ⅱ与所述锚点柱相连接；然后进行切割即形成若干所述封装应力隔离微结构。

上述的制造方法中，步骤(1)中，采用刻蚀的方式在所述圆片Ⅰ上形成所述锚点柱。

上述的制造方法中，步骤(2)中，采用键合方式连接所述圆片Ⅱ与所述锚点柱。

上述的制造方法中，所述键合方式为下述1)或2)：

1)当所述圆片Ⅰ的材质为硅时，所述圆片Ⅱ的材料为玻璃时，采用阳极键合方式；

2)当所述圆片Ⅰ和所述圆片Ⅱ的材质均为硅时，采用硅硅键合方式。

与现有技术相比，本发明具备如下优点：

(1)通过保证材料与MEMS器件基底一致的方式完全消除粘接面上热膨胀系数失配带来的热应力；

(2)微结构采用刻蚀、键合等常规MEMS工艺，加工方式简单，可大批量生产；

(3)可适用各种基底的MEMS器件，实用性强。

附图说明

图1是本发明应力隔离微结构的剖视图。

图2是带有本发明应力隔离微结构的MEMS芯片的封装剖视图。

图中各标记如下：

11上极板、12下极板、13锚点柱、21结构层、22走线层、23基底层、31金线(铝线)、32粘片胶、33封装管壳。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

本发明提供的用于MEMS器件的封装应力隔离微结构，如图1和图2所示，包括上极板11和下极板12，位于MEMS器件与封装管壳之间。上极板11与MEMS器件的基底层23接触(之间粘结粘片胶32)，采用与MEMS器件基底层23相同的材料，下极板12与封装管壳33(之间粘结粘片胶32)接触，采用封装管壳热膨胀系数相近的材料；上极板11和下极板12通过中心锚点柱13连接，锚点柱13材料与上极板11材料相同，通过键合方式与下极板12连接，锚点柱13的面积小于整个微结构面积的1/10。

本实施例中MEMS器件为硅基MEMS器件，上极板11和下极板12的材料均为硅。MEMS器件是常规力敏感器件，由MEMS结构层21、走线层22和基底层23组成，将MEMS器件的信号引出的走线层22位于基底层23上方，并通过金线或者铝线31与封装管壳33连接。

作为本发明的第一实施例，制作硅基底的MEMS器件的应力隔离微结构，包括如下步骤：

(1)准备与MEMS器件衬底参数相同的硅圆片，通过涂胶、光刻、显影、干法刻蚀等常规MEMS微工艺在硅片一面加工形成中心锚定点，然后去胶；

(2)准备另一片硅片，与经过步骤(1)的硅片进行硅硅键合；

(3)将经过步骤(2)的圆片沿划片槽切割，即形成多个应力隔离微结构。

作为本发明的第二个实施例，制作玻璃基底的MEMS器件的应力隔离微结构，包括如下步骤：

(1)准备与MEMS器件衬底参数相同的玻璃圆片，通过涂胶、光刻、显影形成腐蚀玻璃的掩膜层，在氢氟酸中浸泡进行湿法腐蚀，形成中心锚定点，然后去胶；

(2)准备另一片硅片，与将经过步骤(1)的玻璃片进行阳极键合；

(3)将经过步骤(2)的圆片沿划片槽切割，即形成多个应力隔离微结构。

取本实施例应力隔离微结构用于MEMS器件的封装：

选取清华大学研制的中心支撑四质量陀螺(申请号为201510362795.5)进行应力隔离结构的效果对比。封装应力会引起MEMS器件的结构变形，对于该陀螺，封装应力经过锚点传递到陀螺结构，使得其结构发生以锚点为中心的伞状离面变形，利用白光干涉仪分别测试未封装陀螺、有应力隔离微结构的封装陀螺、无应力封装隔离微结构的封装陀螺的面外变形，结果如表1所示，表明应力隔离效果明显。

表1各封装陀螺的面外变形

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种用于MEMS器件的封装应力隔离微结构，包括上极板和下极板；

由下至上，所述MEMS器件包括基底层、走线层和结构层；

所述上极板采用与所述基底层相同的材料制成；

所述下极板采用与封装所述MEMS器件的封装管壳膨胀系数相近的材料制成；

所述上极板与所述下极板通过锚点柱相连接。

2.根据权利要求1所述的封装应力隔离微结构，其特征在于：所述锚点柱采用与所述上极板相同的材料制成；

所述锚点柱与所述上极板一体成型。

3.根据权利要求2所述的封装应力隔离微结构，其特征在于：采用刻蚀的方式形成所述锚点柱。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的封装应力隔离微结构，其特征在于：所述锚点柱采用键合方式与所述下极板连接。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的封装应力隔离微结构，其特征在于：所述锚点柱位于所述上极板的中心位置。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的封装应力隔离微结构，其特征在于：所述锚点柱的高度为20～50μm；

所述锚点柱的面积小于所述封装应力隔离微结构的面积的1/10。

7.权利要求1-6中任一项所述封装应力隔离微结构的制造方法，包括如下步骤：

(1)采用与所述MEMS器件的所述基底层的材料相同的圆片Ⅰ，在所述圆片Ⅰ上加工形成所述锚点柱；

(2)采用与封装所述MEMS器件的封装管壳膨胀系数相近的圆片Ⅱ，将所述圆片Ⅱ与所述锚点柱相连接；然后进行切割即形成若干所述封装应力隔离微结构。

8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于：步骤(1)中，采用刻蚀的方式在所述圆片Ⅰ上形成所述锚点柱。

9.根据权利要求7或8所述的制造方法，其特征在于：步骤(2)中，采用键合方式连接所述圆片Ⅱ与所述锚点柱。

10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于：所述键合方式为下述1)或2)：

1)当所述圆片Ⅰ的材质为硅时，所述圆片Ⅱ的材料为玻璃时，采用阳极键合方式；

2)当所述圆片Ⅰ和所述圆片Ⅱ的材质均为硅时，采用硅硅键合方式。