CN110526207A - 一种mems芯片的粘接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS芯片的粘接方法，通过在芯片与粘胶之间添加一定厚度的垫片来辅助控制相应粘胶的厚度，从而实现粘胶厚度一致的粘接方式，具体实施步骤如下：（1）、制作垫片，首先按设计要求制作配合硬胶使用的粘片为小颗粒状的微小硅片，配合软胶使用的粘片为细条状的细条状硅片；（2）、垫片和粘胶的放置（3）、施压固化（4）、与ASIC芯片之间的键合连接，硬胶键合后即得相应的产品，软胶键合后，在MEMS芯片与管壳相邻的三边悬空处采用软胶的点胶方法，将MEMS芯片三边与管壳三边侧壁粘接在一起。本发明有效保证MEMS芯片组装后的表面平整度，精确控制粘片胶厚度，且提高电路的耐高冲击能力，实施方案简单，可进行批量加工。
Description
技术领域
本发明涉及传感器芯片领域，具体涉及一种MEMS 芯片的粘接方法。
背景技术
现在部分MEMS器件与调理解调电路ASIC粘接在一个陶瓷管壳内，其组装工艺流程为：晶圆划片--MEMS+ASIC芯片粘片--粘片镜检--粘片固化--固化后芯片镜检--引线键合（ASIC与管壳之间键合，ASIC与MEMS之间引线键合）--键合检验--气密性封盖。在整个组装工艺过程中芯片粘片和引线键合属于关键工序，直接影响器件性能，对于粘片主要是MEMS芯片组装的平整度如何控制及减少应力对MEMS芯片的影响，其平整度指芯片在管壳载体中安装完成后的平整度，即芯片下部粘接材料需均匀，保证芯片表面与管壳底部相对平整，若出现芯片左右或前后偏差5µm以上，将导致器件性能变差，甚至不合格，对于应力主要是减小管壳变形及组装载体的热膨胀应力传递至MEMS芯片上，需在组装过程中增加粘片胶体的用量（一般为50µm以上厚度胶体），胶量较厚时又会给MEMS芯片组装平整度增加难度。现有技术中一般采用设计带有4个50µm以上垫块的工装，首先先进行垫块胶点制作，然后通过垫块胶点保证芯片下胶体厚度和芯片表面粘接平整度，该方法弊端较多，工装下50µm垫块通过机械加工，精度无法保证。点胶后通过工装压接式是否平整也无法保证，因此该方法即不利于实际粘片操作，同时无法完全保证芯片平整度控制在5µm以内。
而且现有的MEMS器件根据其性能不同粘片胶可采用环氧树脂硬胶和硅树脂软胶粘片，一般对应力极其敏感的器件采用硅树脂软胶粘片。硬胶粘片电路， 50µm以上厚度的粘片胶，其耐高冲击（一般高冲击加速度在1～10万G）影响不大，而对于高于50µm厚度以上硅树脂软胶粘片电路，其无法满足高冲击要求。所述MEMS芯片一般与专用解调电路ASIC芯片粘接在同一封装管壳腔体内，MEMS芯片对应力敏感，其使用软胶粘片，ASIC一般不使用软胶粘片，高冲击时软胶粘片的MEMS芯片会出现滑移，若芯片没有特别的保护，滑移时会撞击管壳侧壁，导致芯片损伤，同时较大滑移会导致MEMS芯片与ASIC芯片之间的金属键合丝断裂。
现有的技术中将管壳侧壁和盖板上涂抹软胶，要求与MEMS芯片保持一定距离，其缺点是需首先在管壳上按设计要求匀涂胶体，特别是管壳侧壁涂抹胶，需保持一定的厚度，控制难度大，且不易操作，其方法只能起到防止撞伤芯片，无法抑制MEMS芯片在高冲击下运动，同时若采用腔体内全部灌封软胶，其胶体与MEMS芯片接触面积较大，会影响对应力敏感的MEMS芯片性能。
粘胶厚度和平整度主要是影响器件在不同温度状态下的应力分布不同，主要体现在MEMS传感器在低温（-40℃）致高温（60℃）下零偏状态，正常MEMS组装完成后，其在-40℃-60℃温度区间范围内，其零偏值呈现规律变化，通过补偿方法可将零偏调整致0，符合使用要求，组装过程中影响零偏即为粘胶厚度、粘片平整度，若厚度和平整度符合要求，其在不同温度状态下零偏为规律变化，若呈现不规律变化说明组装粘片胶厚度和粘片平整度较差。因此粘片胶厚度和粘片平整度是影响器件应力的关键因素。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种MEMS 芯片的粘接方法，有效保证MEMS芯片组装后的表面平整度，精确控制粘片胶厚度，且提高了软胶粘片的MEMS芯片的高冲击能力，且实施方案简单，可进行批量加工。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种MEMS 芯片的粘接方法，其特征在于：通过在芯片底部与粘胶之间添加确定厚度的垫片来辅助控制相应粘胶的厚度，从而实现粘胶厚度一致的粘接方式，具体实施步骤如下：
（1）、制作垫片
首先按设计要求将晶圆研磨至需要的厚度，然后利用砂轮划片机将硅片切割成小颗粒状的微小硅片或细条状的硅片，得到不同规格的垫片，配合硬胶使用的垫片为小颗粒状的微小硅片，配合软胶使用的垫片为细条状的硅片；
（2）、垫片和粘胶的放置
当MEMS 芯片与管壳底部采用硬胶粘接时，根据仿真应力缓解需要的粘片胶厚度，确定垫片的厚度，选择四颗步骤（1）制得的相同厚度的颗粒状的微小硅片作为垫片，然后将相应硬胶涂抹至管壳底部粘片区域内的MEMS芯片安装位置上，然后将四颗微小硅片分别放置在硬胶粘片上的四个拐角处，然后将MEMS芯片放置到对应的硬胶粘片置于微小硅片的上面；
当MEMS 芯片与管壳底部采用软胶粘接时，根据仿真应力缓解需要的粘片胶厚度，确定垫片的厚度，选择两条步骤（1）制得的相同厚度的细条状的硅片作为垫片，在管壳底部粘片区域内MEMS芯片安装的位置上通过点胶机或手动方式进行点胶，其点胶的位置至少为三处，点胶之后在胶体的两侧分别放置细条状硅片，所述细条状硅片之间的距离略小于MEMS芯片宽度，然后将MEMS芯片平放在粘片位置的点胶和细条状硅片的上面；
（3）、施压固化
对步骤（2）中放置在相应位置上的MEMS芯片通过施压器对其进行施压，施压之后将其分别放置到高温固化箱内进行烘烤固化，高温固化箱的温度为100-200℃；通过垫片的设置，固化后的MEMS下方粘片胶厚度即为垫片的厚度，硬胶固定化即得相应的MEMS芯片粘接产品，软胶固定化后，只需要将细条状硅片从两侧抽出，即得相应的MEMS芯片粘接产品；
（4）、与ASIC芯片之间的键合连接
将上述步骤（3）中固化后的MEMS芯片通过键合丝与管壳底部粘片区域内点胶粘合的ASIC芯片热超声键合连接，硬胶键合后即得相应的MEMS芯片和ASIC芯片之间通过键合丝可靠的电路连接，软胶键合后，在MEMS芯片与管壳相邻的三边悬空处采用软胶的点胶方法，将MEMS芯片三边与管壳三边侧壁粘接在一起，通过此三个方向的点胶与MEMS芯片底部胶点，可保证MEMS芯片与ASIC芯片之间的键合丝电路连接的可靠性。
进一步地，所述垫片的厚度由仿真应力缓解需要的粘胶厚度来确定，若仿真应力缓解需要50µm厚度的粘胶，则选择的微小硅片或细条状硅片的厚度就为50µm。
进一步地，所述的细条状硅片的材料可采用金属键合丝或厚度可控的耐高温材料替代。
进一步地，所述的细条状硅片的长度略长于待安装的MEMS芯片的长度。
进一步地，所述的步骤（2）中点胶机或手动进行点胶时，点出的胶点为圆点状。
其原理是：通过在芯片与粘胶之间添加一定厚度的垫片，通过垫片的厚度确保粘胶的厚度和整个芯片的平整度；由于粘胶分为硬胶和软胶，因此垫片的添加方式和添加位置有所不同；采用硬胶时，先在相应的位置施胶，保证有一定量的胶体即可，然后将微小垫片放置在胶体上，在施压固化过程中，对芯片进行施压，垫片会随着施压力进入到胶体内，由于垫片有一定厚度，因此施压过程最终施压至垫片的厚度而停止，从而保证了粘胶与芯片之间的胶体的厚度，放置四个相同厚度的垫片从而保证了一个平面的平整度；采用软胶时，由于软胶是为解决应力特别敏感芯片封装应力传递问题，因此不宜将微小硅片粘接在胶体中间，因此在其施胶时，首先在粘芯区域内两侧放置两细条状硅片，然后在垫片之间点一定量的胶，通过两侧细条状硅片的厚度来限制整个软胶在施压过程中的扩散范围和胶体厚度位置，进而保证了一个平面的平整度。
本发明的优点是：
本发明针对粘接胶厚度和平整度提出了解决方案，通过在芯片与粘胶之间添
加一定厚度的垫片来辅助控制相应粘胶的厚度，方案实施简单，操作难度低，适合批量重复性加工，保证胶体厚度同时可保证芯片粘接固化后的平整度，同时针对软胶耐高冲击提出切实可行的操作方案，较现有方案实施简单，可通过主动抑制器件运动保证芯片在高冲击下芯片撞碎和键合丝断裂问题。
附图说明：
图1为MEMS 芯片采用硬胶粘合时的截面结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为MEMS 芯片采用软胶粘合时的截面结构示意图；
图4为图3的俯视图；
图5为软胶粘接时的MEMS 芯片与ASIC芯片键合连接的结构示意图；
图6为采用本发明的粘片方法制得的加速度计的电路零偏值随温度变化情况；
图7为采用常规的粘片方法制得的加速度计的电路零偏值随温度变化情况。
具体实施方式：
一种MEMS 芯片的粘接方法，通过在芯片底部与粘胶之间添加确定厚度的垫片来辅助控制相应粘胶的厚度，从而实现粘胶厚度一致的粘接方式，具体实施步骤如下：
（1）、制作垫片
由于粘胶分为硬胶和软胶，所述的垫片为硅片，在硬胶和软胶粘接方式中所对应的垫片结构不同；首先按设计要求将未作任何图形的原始硅片（晶圆）研磨至需要厚度，然后利用砂轮划片机将硅片切割成相应的规格，配合硬胶使用的垫片为小颗粒状的微小硅片，配合软胶使用的垫片为细条状的细条状硅片；
（2）、垫片和粘胶的放置
当MEMS 芯片与管壳底部采用硬胶粘接时，根据仿真应力缓解需要的粘片胶厚度，确定垫片的厚度，选择四颗步骤（1）制得的相同厚度的颗粒状的微小硅片作为垫片，然后将相应硬胶涂抹至管壳底部粘片区域内的MEMS芯片安装位置上，然后将四颗微小硅片分别放置在硬胶粘片上的四个拐角处，然后将MEMS芯片放置到对应的硬胶粘片置于微小硅片的上面；
当MEMS 芯片与管壳底部采用软胶粘接时，根据仿真应力缓解需要的粘片胶厚度，确定垫片的厚度，选择两条步骤（1）制得的相同厚度的细条状的硅片作为垫片，在管壳底部粘片区域内MEMS芯片安装的位置上通过点胶机或手动方式进行点胶，其点胶的位置至少为三处，点胶之后在胶体的两侧分别放置细条状硅片，所述细条状硅片之间的距离略小于MEMS芯片宽度，然后将MEMS芯片平放在粘片位置的点胶和细条状硅片的上面；
（3）、施压固化
对步骤（2）中放置在相应位置上的MEMS芯片通过施压器对其进行施压，施压之后将其分别放置到高温固化箱内进行烘烤固化，高温固化箱的温度为100-200℃；通过垫片的设置，固化后的MEMS下方粘片胶厚度即为垫片的厚度，硬胶固定化即得相应的MEMS芯片粘接产品，软胶固定化，只需要将细条状硅片从两侧抽出，即得相应的MEMS芯片粘接产品；
（4）、与ASIC芯片之间的键合连接
将上述步骤（4）中固化后的MEMS芯片通过键合丝与管壳底部粘片区域内点胶粘合的ASIC芯片热超声键合连接，硬胶键合后即得相应的MEMS芯片和ASIC芯片之间通过键合丝可靠的电路连接，软胶键合后，在MEMS芯片与管壳相邻的三边悬空处采用软胶的点胶方法，将MEMS芯片三边与管壳三边侧壁粘接在一起，通过此三个方向的点胶与MEMS芯片底部胶点，可保证MEMS芯片与ASIC芯片之间的键合丝电路连接的可靠性。
所述垫片的厚度由仿真应力缓解需要的粘胶厚度来确定，若仿真应力缓解需要50µm厚度的粘胶，则选择的微小硅片或细条状硅片的厚度就为50µm。
所述的细条状硅片的材料可采用金属键合丝或厚度可控的耐高温材料替代。
所述的细条状硅片的长度略长于待安装的MEMS芯片的长度。
所述的步骤（2）中点胶机或手动进行点胶时，点出的胶点为圆点状。
上述方案的具体实施例如下：
结合图1和2，1为陶瓷或其他形式管壳，2为MEMS芯片，3为硅垫块，4为树脂硬质胶体，5为管壳底部粘片区域，首先在管壳底部粘片区域5匀涂脂硬质胶体4，其尺寸略小于MEMS芯片，厚度超过设计厚度，然后在胶的4个拐角处放置四个切割后的硅垫块3，最后将MEMS芯片安装在胶体的上方，施加一定压力后至不能将MEMS芯片往下压为止，然后将电路放置在高温固化箱内固化，这样粘接后的电路既能保证胶体的厚度，又能保证芯片表面的平整度。
结合图3和4，7为硅胶软胶体，8为细长状硅片，具体实施首先在管壳内的管壳底部粘片区域5上使用点胶机按设计要求点圆点状硅胶软胶体7，然后取细条状硅片，所述细条状硅片也可以为键合用进丝或铝丝，放置在硅胶软胶体7的两侧，要求两边的细条状硅片距离小于MEMS芯片宽度，然后将MEMS芯片2放置在胶体上方，施加一定压力，将粘接后的电路放置到高温固化箱内固化，这样粘接后的电路既能保证柔软胶体的厚度，又能保证芯片表面的平整度。所述的细条状硅片略长于MEMS芯片，软胶施胶完成后，将细条状硅片垫于粘片电路下方，避免接触软胶，将MEMS芯片置于垫片及胶体上方，施加一定压力后进行固化，或者固化时在MEMS芯片上方施加一定压力，固化完成后抽出细长硅片这样保证软胶胶体厚度，同时保证MEMS芯片表面平整度。
结合图5，9为ASIC调理芯片，10为MEMS芯片侧壁与管壳侧壁的连接胶，MEMS与ASIC之间的键合引线11，完成MEMS和ASIC粘片后，将MEMS侧壁与管壳侧壁处点柔软胶体10，该胶体尺寸在200微米左右，要求其能够将MEMS芯片与管壳侧壁进行粘接，要求MEMS芯片三边与管壳侧壁相邻处均用该方法点胶，通过三边胶点和MEMS底部胶点抑制MEMS芯片在高冲击时的X，Y，Z方向的运动，避免MEMS芯片撞击管壳侧壁导致碎裂，同时通过胶点抑制MEMS芯片运动，则可有效避免MEMS与ASIC之间的键合引线11因MEMS芯片较大位移量导致断裂情况。
将采用本发明的粘片方法和常规粘片方法制得的同一型号电容式50g加速度计进行电路零偏误差比较，
零偏误差是否符合要求的检测方法，基于一个精确已知的标称量和该量的测量值相比较来进行的 ,测量值取自要标定的仪表 ,测定位置数取决于模型项数和测量精度，以电容式50g的加速度计为代表产品采用本专利方法进行粘片和采用现有技术方法进行粘片，在静态下通过测试不同温度状态下（-40℃—60℃）两种加速度计的零偏误差值，按2℃的递增温度进行进行测量比较，其结果见图6、7所示，其中图6为采用本专利方法粘片电路测量零偏值变化情况，图7为现有技术粘片电路测量零偏变化情况。
从图6、7可以看出，同一型号加速度计采用不同粘片方法的零偏误差有明显的不同，本发明方法粘片制得的加速度计，其零偏值随着温度变化几乎成二次方函数变化，其零偏可通过补偿方法100%校正，优化组装工艺，提高组装MEMS器件性能。而采用现有技术粘片电路其虽然也基本呈现二次方函数变化趋势，但其中部分温度条件下零偏值不在二次方曲线上，不在曲线上的零偏值，其无法完全补偿，因此从图7中可以看出，现有技术零偏补偿结果只能达到90%左右。可见本发明的MEMS 芯片的粘接方法粘片，保证了MEMS芯片表面的平整度，所得加速度计的灵敏度更高。
Claims (5)
1.一种MEMS 芯片的粘接方法，其特征在于：通过在芯片底部与粘胶之间添加确定厚度的垫片来辅助控制相应粘胶的厚度，从而实现粘胶厚度一致的粘接方式，具体实施步骤如下：
、制作垫片
首先按设计要求将晶圆研磨至需要的厚度，然后利用砂轮划片机将硅片切割成小颗粒状的微小硅片或细条状的硅片，得到不同规格的垫片，配合硬胶使用的垫片为小颗粒状的微小硅片，配合软胶使用的垫片为细条状的硅片；
、垫片和粘胶的放置
当MEMS 芯片与管壳底部采用硬胶粘接时，根据仿真应力缓解需要的粘片胶厚度，确定垫片的厚度，选择四颗步骤（1）制得的相同厚度的颗粒状的微小硅片作为垫片，然后将相应硬胶涂抹至管壳底部粘片区域内的MEMS芯片安装位置上，然后将四颗微小硅片分别放置在硬胶粘片上的四个拐角处，然后将MEMS芯片放置到对应的硬胶粘片置于微小硅片的上面；
当MEMS 芯片与管壳底部采用软胶粘接时，根据仿真应力缓解需要的粘片胶厚度，确定垫片的厚度，选择两条步骤（1）制得的相同厚度的细条状的硅片作为垫片，在管壳底部粘片区域内MEMS芯片安装的位置上通过点胶机或手动方式进行点胶，其点胶的位置至少为三处，点胶之后在胶体的两侧分别放置细条状硅片，所述细条状硅片之间的距离略小于MEMS芯片宽度，然后将MEMS芯片平放在粘片位置的点胶和细条状硅片的上面；
、施压固化
对步骤（2）中放置在相应位置上的MEMS芯片通过施压器对其进行施压，施压之后将其分别放置到高温固化箱内进行烘烤固化，高温固化箱的温度为100-200℃；通过垫片的设置，固化后的MEMS下方粘片胶厚度即为垫片的厚度，硬胶固定化即得相应的MEMS芯片粘接产品，软胶固定化后，只需要将细条状硅片从两侧抽出，即得相应的MEMS芯片粘接产品；
、与ASIC芯片之间的键合连接
将上述步骤（3）中固化后的MEMS芯片通过键合丝与管壳底部粘片区域内点胶粘合的ASIC芯片热超声键合连接，硬胶键合后即得相应的MEMS芯片和ASIC芯片之间通过键合丝可靠的电路连接，软胶键合后，在MEMS芯片与管壳相邻的三边悬空处采用软胶的点胶方法，将MEMS芯片三边与管壳三边侧壁粘接在一起，通过此三个方向的点胶与MEMS芯片底部胶点，可保证MEMS芯片与ASIC芯片之间的键合丝电路连接的可靠性。
2.根据权利要求1所述的MEMS 芯片的粘接方法，其特征在于：所述垫片的厚度由仿真应力缓解需要的粘胶厚度来确定，若仿真应力缓解需要50µm厚度的粘胶，则选择的微小硅片或细条状硅片的厚度就为50µm。
3.根据权利要求1所述的MEMS 芯片的粘接方法，其特征在于：所述的细条状硅片的材料可采用金属键合丝或厚度可控的耐高温材料替代。
4.根据权利要求1所述的MEMS 芯片的粘接方法，其特征在于：所述的细条状硅片的长度略长于待安装的MEMS芯片的长度。
5.根据权利要求1所述的MEMS 芯片的粘接方法，其特征在于：所述的步骤（2）中点胶机或手动进行点胶时，点出的胶点为圆点状。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20191203 |