CN110745772A - 一种mems应力隔离封装结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种MEMS应力隔离封装结构及制造方法，包括MEMS芯片、应力隔离结构、封装管壳及引线。所述应力隔离结构包括MEMS芯片基座、平面波纹结构、连接结构和支撑框架结构；MEMS芯片基座位于应力隔离结构中心位置；平面波纹结构上下表面均具有连续的V形槽，分布在MEMS芯片基座边缘到连接结构之间，其正面的V形槽和背面的V形槽呈嵌套式分布，构成平面波纹形状。所述连接结构与支撑框架连接；所述支撑框架与管壳之间通过粘胶粘接；所述MEMS芯片粘接在MEMS芯片基座上，MEMS芯片焊盘通过引线实现与管针的电气连接。本发明的应力隔离结构通用性好，可以适合多种MEMS芯片的应力隔离封装，其平面波纹结构，对热应力的吸收效果好，并且加工工艺简单，易于实现批量制造。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统（MEMS）的器件封装领域，具体涉及MEMS应力隔离封装技术。
背景技术
封装是MEMS器件制造的关键环节之一，MEMS典型产品的封装成本大约占总成本的20%-40%，不仅如此，由于MEMS芯片与封装管壳之间的热膨胀系数不同，芯片封装后引入的热应力对MEMS器件的性能有着极其重要的影响，因此如何有效的设计封装应力隔离结构，对高性能MEMS器件的研制至关重要。例如，在MEMS压阻式压力传感器内的封装应力，就会影响其输出。在封装中混合使用不同材料时，由于材料的热膨胀和收缩系数不同，传感器的压力值中就会附加这些变化引起的应力变化。在光学MEMS器件中，封装应力有可能使光学器件的光路对准发生偏移。
封装产生的应力隔离是封装技术的一个难点，为了减小封装应力对MEMS器件的影响，已有的方法有：使用应力隔离槽和勾形引脚，其应力隔离槽用于隔离封装管壳形变对MEMS芯片的影响，其勾形引脚同时起到支撑和传递电信号的作用，并通过封装管壳与电路板隔离开，使得两者不会因接触而产生应力。还有使用材料与MEMS器件基底一致的方式完全消除粘结面上热膨胀系数失陪带来的热应力，从而形成封装应力隔离微结构。专利文献CN 107055461 B的专利使用带有对称弹性梁的圆柱与芯片进行涂胶粘接，圆柱的粘结面比芯片敏感结构面积小，减小粘接面积、降低封装应力。但是，MEMS芯片的基底粘结面积过小，粘结的可靠性与芯片的稳定性会降低，用于隔离或减少封装应力的弹性梁，结构过于复杂，会增加封装的成本。专利文献CN 208200366 U的实用新型专利提出了一种吊装式可释放热应力的MEMS器件封装结构， 其MEMS芯片顶部粘接在开孔朝向侧面的U形板架的开口空间内，其芯片衬底背面有环形沟槽应力释放设计，其管壳级封装采用基于U形板吊装MEMS芯片的应力释放设计，用于对敏感结构的应力隔离。申请号为201710688342.0的专利提出了一种减小灌封应力的加速度传感器结构及其制备方法，采用上下交错的环形槽构成弹性应力隔离结构，可以隔离灌封应力的传递路径，避免灌封应力对压阻式加速度传感器敏感结构产生影响。该设计的弹性应力隔离结构与传感器芯片形成一个全硅结构的整体，避免后期二次装配工艺带来的误差。这种方法不适用多个MEMS芯片集成封装在同一区域的情形。
为了解决上述问题，增加MEMS封装的通用性，需要设计既能隔离封装应力、又能满足多种或多个MEMS芯片封装的结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种MEMS应力隔离封装结构及其制造方法，该应力隔离结构通用性好，可以适合多种MEMS芯片的应力隔离封装。该方法设计的平面波纹结构，对热应力的吸收效果好，并且加工工艺简单，易于实现批量制造。
本发明采用的技术方案是：
一种MEMS应力隔离封装结构，包括MEMS芯片、应力隔离结构、封装管壳及引线。所述应力隔离结构包括MEMS芯片基座、平面波纹结构、连接结构和支撑框架结构；
所述MEMS芯片基座位于应力隔离结构中心位置；
所述平面波纹结构上下表面均具有连续的V形槽，分布在MEMS芯片基座边缘到连接结构之间，其正面的V形槽和背面的V形槽呈嵌套式分布，构成平面波纹形状；
所述连接结构与支撑框架连接；
所述支撑框架与管壳之间通过粘胶粘接；
所述MEMS芯片粘接在MEMS芯片基座上，MEMS芯片焊盘通过引线实现与管针的电气连接。
进一步的，MEMS芯片基座的面积可根据MEMS芯片尺寸不同改变大小，一般地其面积大于或等于MEMS芯片面积，V形槽的个数和大小也可以根据需要增加或减少。
本发明还提供一种MEMS封装应力隔离装置的制造方法:
1）取第一片<100>晶向的轻掺杂N型或者P型硅片，双面氧化形成200nm~1000nm的氧化层；
2）对硅片第一面进行光刻，腐蚀掉第一面裸露的二氧化硅，并去除光刻胶，得到第一面待腐蚀的波纹图形；
3）在硅片的第二面进行对准光刻，腐蚀掉第二面裸露的二氧化硅，并去除光刻胶，得到第二面待腐蚀的波纹图形；
4）采用各向异性湿法腐蚀方法，在硅片的第一面待腐蚀的波纹图形和第二面待腐蚀的波纹图形位置，腐蚀出嵌套的V型槽结构，形成MEMS芯片基座、连接结构，以及连接它们之间的平面波纹结构；
5）去除第一表面和第二表面所有的二氧化硅层；
6）取第二片<100>晶向的N型或P型硅片，双面氧化形成200nm~1000nm的氧化层；
7）在硅片的第一面进行光刻，并去除第一面裸露的二氧化硅；
8）采用各向异性湿法腐蚀方法，腐蚀硅片上与第一片硅片的MEMS芯片基座和平面波纹结构位置对应的部分，留下周边，形成支撑框架结构；
9）去除第二硅片第一表面和第二表面所有的二氧化硅；
10）将第一片和第二片硅片进行硅-硅键合，使得支撑框架结构与连接结构连接，形成最终的封装应力隔离结构。
发明的优点如下：
本发明由于设计了一种平面波纹结构，具有非常好的封装应力吸收效果；整个结构对称设计，通用性好，可适用于各种MEMS芯片的封装；本发明的工艺流程简单、成本低廉，有利于实现大批量生产制造。
附图说明
图1为本发明MEMS封装应力隔离结构的剖面示意图；
图2为本发明MEMS封装应力隔离结构的俯视图；
图3为本发明MEMS封装应力隔离结构的制作平面波纹结构的剖面示意图；
图4为本发明MEMS封装应力隔离结构的制作支撑框架结构的俯视示意图；
图5为本发明MEMS封装应力隔离结构的工艺流程图；
图中：1MEMS芯片、2引线、3aMEMS芯片基座、3b平面波纹结构、3c连接结构、3d支撑框架结构、3应力隔离结构、4封装管壳、5管针、6粘胶。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步描述。
参见图1，MEMS应力隔离封装结构包括MEMS芯片1、引线2、应力隔离结构3、封装管壳4及管针5。
其中，应力隔离结构3由MEMS芯片基座3a、平面波纹结构3b、连接结构3c、支撑框架结构3d组成。
MEMS封装基座3a位于中心位置，设计时，根据MEMS芯片1的尺寸确定MEMS封装基座3a的大小，一般情况MEMS封装基座3a的面积大于或等于MEMS芯片1底部需粘胶区域的面积。
在MEMS封装基座3a表面和背面的四周，设计平面纹波结构3b，平面纹波结构3b的正面和背面均有连续V形槽。其正面的连续V形槽和背面的连续V形槽呈嵌套式分布，所有V形槽分布在MEMS芯片基座3a边缘到连接结构3c之间。
连接结构与支撑框架结构3d连接，支撑框架结构3d与封装管壳4通过粘胶6固定。
MEMS芯片1与MEMS芯片基座3a通过粘胶6固定。
具体是MEMS芯片通过粘胶粘接在中间的MEMS芯片基座上，MEMS芯片焊盘通过引线实现与管针的电气连接，具体是MEMS芯片1的焊盘连接引线2，引线2连接管针5，管针5垂直插入封装管壳4。一般情况下，管针5的数量与MEMS芯片焊盘的数量相同。
参见图2至图5，本发明MEMS封装隔离装置的制造方法如下：
1)第一片<100>晶向的轻掺杂N型或者P型硅片，双面抛光，双面氧化形成200nm~1000nm的氧化层。
2）对硅片第一面进行光刻，腐蚀掉第一面裸露的二氧化硅，并去除光刻胶，得到第一面待腐蚀的波纹图形；
3）在硅片的第二面进行对准光刻，腐蚀掉第二面裸露的二氧化硅，并去除光刻胶，得到第二面待腐蚀的波纹图形；
4）采用各向异性湿法腐蚀方法，在硅片的第一面待腐蚀的波纹图形和第二面待腐蚀的波纹图形位置，在第一片硅片的第一面和第二面腐蚀出嵌套的V型槽结构，形成MEMS芯片基座3a、平面波纹结构3b和连接结构3c。其中湿法腐蚀可采用10%~25%质量分数的TMAH（四甲基氢氧化铵）溶液，腐蚀过程中溶液温度在85℃到95℃之间。
5)去除表面所有的二氧化硅层。
6)第二片<100>晶向的N型或P型硅片，双面氧化形成200nm~1000nm的氧化层；
7)在第二片硅片的第一面进行光刻，并去除裸露的二氧化硅。
8)同样采用各向异性湿法腐蚀方法，腐蚀硅片上与第一片硅片的MEMS芯片基座和平面波纹结构位置对应的部分，留下周边，形成支撑框架结构3d。
9)去除第二片硅片表面的所有二氧化硅。
10)将第一片和第二片硅片进行硅-硅键合，形成最终的封装应力隔离结构3。
将最终的封装应力隔离结构3用粘胶固定在封装管壳4上，将MEMS芯片1用粘胶6固定在MEMS芯片基座3a上，将芯片焊盘与管针用引线完成电气连接，完成本发明的MEMS封装。
Claims (4)
1.一种MEMS应力隔离封装结构，包括MEMS芯片、应力隔离结构、封装管壳及引线；其特征在于，所述应力隔离结构包括MEMS芯片基座、平面波纹结构、连接结构和支撑框架结构；
所述MEMS芯片基座位于应力隔离结构的中心位置；
所述平面波纹结构分布在MEMS芯片基座边缘到连接结构之间，其上下表面均具有连续的V形槽，正面的V形槽和背面的V形槽呈嵌套式分布，构成平面波纹形状；
所述连接结构与支撑框架连接；
所述支撑框架与管壳之间通过粘胶粘接；
所述MEMS芯片粘接在MEMS芯片基座上，MEMS芯片焊盘通过引线实现与管针的电气连接。
2.根据权利要求1所述的MEMS应力隔离封装结构，其特征在于，所述MEMS芯片基座的面积根据MEMS芯片尺寸不同改变大小，一般地其面积大于或等于MEMS芯片面积。
3.根据权利要求1所述的MEMS应力隔离封装结构，其特征在于，所述V形槽的个数和大小也可以根据需要增加或减少。
4.一种MEMS封装应力隔离装置的制造方法，其包括以下步骤：
1）取第一片<100>晶向的轻掺杂N型或者P型硅片，双面氧化形成200nm~1000nm的氧化层；
2）对硅片第一面进行光刻，腐蚀掉第一面裸露的二氧化硅，并去除光刻胶，得到第一面待腐蚀的波纹图形；
3）在硅片的第二面进行对准光刻，腐蚀掉第二面裸露的二氧化硅，并去除光刻胶，得到第二面待腐蚀的波纹图形；
4）采用各向异性湿法腐蚀方法，在硅片的第一面待腐蚀的波纹图形和第二面待腐蚀的波纹图形位置，腐蚀出嵌套的V型槽结构，形成MEMS芯片基座、连接结构，以及连接它们之间的平面波纹结构；
5）去除第一表面和第二表面所有的二氧化硅层；
6）取第二片<100>晶向的N型或P型硅片，双面氧化形成200nm~1000nm的氧化层；
7）在硅片的第一面进行光刻，并去除第一面裸露的二氧化硅；
8）采用各向异性湿法腐蚀方法，腐蚀硅片上与第一片硅片的MEMS芯片基座和平面波纹结构位置对应的部分，留下周边，形成支撑框架结构；
9）去除第二硅片第一表面和第二表面所有的二氧化硅；
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