CN110838832B - 一种微型三维叠装的mems谐振器件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型三维叠装的MEMS谐振器件的制造方法，微型三维叠装的MEMS谐振器件包括外壳、盖帽及芯片支架，谐振芯片通过固定部安装在芯片支架上且使谐振梁悬空，芯片支架安装在外壳内壁上且与外壳电气连接，外壳内底面设有集成芯片安装槽，集成芯片安装槽内安装有与外壳电气连接的集成芯片，微型三维叠装的MEMS谐振器件的制造方法包括：制作谐振芯片；制造芯片支架；将谐振芯片贴装在芯片支架上；将集成芯片安装在集成芯片安转槽内，并将集成芯片与外壳电气连接；将芯片支架安装在外壳内，并将芯片支架与外壳电气连接；将盖帽盖在外壳敞口处进行气密封。与现有技术相比，本发明在满足MEMS谐振器件稳定性要求的前提下实现MEMS谐振器件的小型化。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS谐振器件制造技术领域，具体涉及一种微型三维叠装的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谐振器件的性能及体积主要取决于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及体积大小受封装方式影响很大。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，通过凸出的固支点高度，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，再组装上谐振芯片，通过垫片的高度，使谐振芯片悬空，形成一个谐振空间。这种形式的芯片组装封装方式，当温度发生变化时，由于谐振芯片材料及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。MEMS谐振器件工作时还需要有匹配的专用集成电路芯片，现有的MEMS谐振器通常是将MEMS谐振芯片和专用集成电路芯片单独封装后，在堆叠或并排安装在外壳底座中，如图9和图10所示。堆叠安装时，MEMS谐振芯片和专用集成电路芯片接触重叠在一起，MEMS谐振芯片容易受到专用集成电路芯片发热影响，影响MEMS谐振芯片频率稳定性；并排安装时，需要的外外壳积较大，不利于小型化，同时MEMS谐振芯片与外壳接触，外壳形变容易导致的芯片结构形变，影响其为稳定性。
减小组装封装对MEMS谐振芯片性能影响现有几种方法，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；其二是采用与芯片材料相同的材料制作垫片；其三是增加外壳的强度，避免其变形；其四是小型化设计谐振芯片和专用集成电路，减小其体积，同时进行热优化设计，减小专用集成电路发热对谐振芯片的影响。但这些方法存在缺点：一是无法选择与谐振芯片材料热膨胀系数完全一样的材料制作外壳；二是垫片材料与芯片材料相同，可避免热膨胀系数失配的问题，但不能避免由于外壳变形导致的芯片结构形变；三是由于受到体积、材料及工艺等的限制，外壳的结构强度不能无限制增加；四是进一步小型化谐振芯片和专用集成电路，这往往需要产品整体架构及性能上的系统优化，难度大，不易实现，专用集成电路工作时发热现象不能彻底消除。上述方法不能从根本上解决由于封装对MEMS谐振器件稳定性的影响，并且没法有效解决小型化问题。
因此，如何在满足MEMS谐振器件稳定性要求的前提下实现MEMS谐振器件的小型化，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：如何在满足MEMS谐振器件稳定性要求的前提下实现MEMS谐振器件的小型化。
为解决现有技术中的问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种微型三维叠装的MEMS谐振器件的制造方法，所述微型三维叠装的MEMS谐振器件包括设有敞口的外壳、密封外壳敞口的盖帽及可导电的芯片支架，所述芯片支架与所述谐振芯片热膨胀系数相同，所述谐振芯片包括谐振梁及固定部，谐振芯片通过固定部安装在所述芯片支架上且使谐振梁悬空，芯片支架安装在外壳内壁上且与外壳电气连接，芯片支架下方的外壳内底面设有集成芯片安装槽，集成芯片安装槽内安装有与外壳电气连接的集成芯片，所述微型三维叠装的MEMS谐振器件的制造方法包括：
采用MEMS三维微细体加工工艺制作所述谐振芯片；
通过光刻及腐蚀工艺制造所述芯片支架；
将谐振芯片贴装在芯片支架上；
将所述集成芯片安装在集成芯片安转槽内，并将集成芯片与外壳电气连接；
将芯片支架安装在外壳内，并将芯片支架与外壳电气连接；
将盖帽盖在外壳敞口处进行气密封。
优选地，所述芯片支架包括支架本体，支架本体的端面上设有谐振梁凹槽，所述谐振芯片的固定部与谐振梁凹槽边缘固定连接，所述谐振芯片的谐振梁能够在谐振梁凹槽处自由谐振，支架本体外侧面横向延伸形成支撑脚，支撑脚固定安装在外壳内壁上，支撑脚与外壳通过引线电气连接；所述通过光刻及腐蚀工艺制造所述芯片支架包括：
通过光刻及腐蚀制作出支撑脚及未加工谐振梁凹槽的支架本体；
在支架本体的端面制作谐振梁凹槽。
优选地，支架本体外侧面横向延伸出4条支撑脚，所述4条支撑脚呈X型设置。
优选地，所述谐振芯片的固定部为环装，环装固定部的内壁横向延伸形成谐振梁，环装的固定部的端面与所述支架本体的凹槽四周的环装端面相匹配，环装固定部的端面贴装在所述支架本体的凹槽四周的环装端面上。
优选地，外壳上端面上设置有向下延伸的第一凹槽，第一凹槽下底面上设置有向下延伸的第二凹槽，第二凹槽下底面上设置有向下延伸的集成芯片安装槽，集成芯片与第二凹槽的底面通过点焊的引线电气连接，谐振芯片的支撑脚安装在第一凹槽的底面上其与第一凹槽的底面通过点焊的引线电气连接。
优选地，所述支撑脚上端面与所述支架本体的上端面齐平且支撑脚的厚度小于支架本体的厚度。
与现有技术相比本发明技术效果包括：
本发明采用了X型芯片支架，使得MEMS谐振芯片的谐振梁和固定部，可以一体设计加工，固定部不需要加工成凸形结构，有利于芯片尺寸的微型化，同时降低了工艺复杂性；利用X型支架，在凹槽处安装MEMS谐振芯片，凹槽形成的空腔，使得谐振芯片的谐振梁可以在空腔中自由谐振工作，利用X型支架在对角线方向上伸出的四条支撑脚，安装在外壳台阶的四个角落，形成了一个底部空腔结构，用于安装专用集成电路芯片，从而形成了一个紧凑安装的三维叠层结构：底部为专用集成电路芯片、中间为X型支架、上部为MEMS谐振芯片，三维叠层结构有利于缩小MEMS谐振器件的体积，并保证了性能；X型支架对角线方向伸出的四条支撑脚，可以缓冲外壳变形对MEMS谐振芯片的影响，提高稳定性。X型支架可采用与MEMS谐振芯片相同的材料，可使得谐振芯片与支撑架热膨胀系数匹配，避免热应力的影响。X型支架的四条支撑脚安装在台阶的四个角落，粘接接触点面积小，避免了支架与外壳底座的大面积接触，导致在温度变化时由于不同材料热膨胀系数的不同产生应力，引起结构变形大的不利影响。同时，X型支架粘接占用面积小，不占用台阶的更多面积，方便后续的电气连接。本发明所提出的一种微型三维叠装的MEMS谐振器件的制造方法制造出的微型三维叠装的MEMS谐振器件，在缩小体积的同时，能够保证良好的稳定性能。
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微型三维叠装的MEMS谐振器件的制造方法中微型三维叠装的MEMS谐振器件的谐振芯片的一种具体实施方式的剖视图；
图2为本发明公开的一种微型三维叠装的MEMS谐振器件的制造方法中微型三维叠装的MEMS谐振器件的芯片支架的一种具体实施方式的俯视图；
图3为本发明公开的一种微型三维叠装的MEMS谐振器件的制造方法中微型三维叠装的MEMS谐振器件的芯片支架的一种具体实施方式的剖视图；
图4为本发明公开的一种微型三维叠装的MEMS谐振器件的制造方法中微型三维叠装的MEMS谐振器件中谐振芯片与芯片支架粘接后的剖视图；
图5为本发明公开的一种微型三维叠装的MEMS谐振器件的制造方法中微型三维叠装的MEMS谐振器件中集成芯片与外壳安装后的剖视图；
图6为本发明公开的一种微型三维叠装的MEMS谐振器件的制造方法中未盖上盖帽的谐振器件剖视图；
图7为本发明公开的一种微型三维叠装的MEMS谐振器件的制造方法中微型三维叠装的MEMS谐振器件的一种具体实施方式去掉盖帽之后的俯视图；
图8为本发明公开的一种微型三维叠装的MEMS谐振器件的制造方法中一种微型三维叠装的MEMS谐振器件的一种具体实施方式的剖视图；
图9和图10为现有技术中的MEMS谐振器件的剖视图。
附图中标号的对应关系为：其中：1-谐振芯片；10-谐振梁；11-固定部；2-芯片支架；20-支撑脚；21-支架本体；22-谐振梁凹槽；3-谐振芯片与支撑架组件；4-底部结构；41-集成芯片；42-外壳；43-台阶；5-三维叠装结构；6-MEMS谐振器件；61-引线；62-盖帽。
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。
本发明公开了一种微型三维叠装的MEMS谐振器件的制造方法，如图7及图8所示，所述微型三维叠装的MEMS谐振器件包括设有敞口的外壳42、密封外壳42敞口的盖帽62及可导电的芯片支架2，所述芯片支架2与所述谐振芯片1热膨胀系数相同（芯片支架2与谐振芯片1可采用相同的材料制造），所述谐振芯片1包括谐振梁10及固定部11，谐振芯片1通过固定部11安装在所述芯片支架2上且使谐振梁10悬空，芯片支架2安装在外壳42内壁上且与外壳42电气连接，芯片支架2下方的外壳42内底面设有集成芯片41安装槽，集成芯片41安装槽内安装有与外壳42电气连接的集成芯片41，所述微型三维叠装的MEMS谐振器件的制造方法包括：
采用MEMS三维微细体加工工艺制作所述谐振芯片1；
如图1所示，具体可采用镀膜、双面光刻、腐蚀等MEMS三维微细体加工工艺制作所述谐振芯片1。
如图2及图3所示，通过光刻及腐蚀工艺制造所述芯片支架2；
如图4所示，将谐振芯片1贴装在芯片支架2上；
如图5所示，将所述集成芯片41安装在集成芯片41安转槽内，并将集成芯片41与外壳42电气连接；
如图6所示，将芯片支架2安装在外壳42内，并将芯片支架2与外壳42电气连接；
将盖帽62盖在外壳42敞口处进行气密封。
在本发明中，M谐振芯片1的厚度一般为80～400微米，谐振芯片1和支架芯片的材料包括石英晶体、硅晶体等，外壳42和盖帽62的材料包括金属、陶瓷等。本发明采用芯片支架2连接谐振芯片1与外壳42，避免了谐振芯片1受外壳42形变及热应力的影响；采用三维叠装结构安装谐振芯片1、芯片支架2及集成芯片41，有效地缩小了MEMS谐振器件的体积，本发明公开的微型三维叠装的MEMS谐振器件能够在满足MEMS谐振器件稳定性要求的前提下实现MEMS谐振器件的小型化。
如图2及图3所示，具体实施时，所述芯片支架2包括支架本体21，支架本体21的端面上设有谐振梁凹槽22，所述谐振芯片1的固定部11与谐振梁凹槽22边缘固定连接，所述谐振芯片1的谐振梁10能够在谐振梁凹槽22处自由谐振，支架本体21外侧面横向延伸形成支撑脚20，支撑脚20固定安装在外壳42内壁上，支撑脚20与外壳42通过引线61电气连接；所述通过光刻及腐蚀工艺制造所述芯片支架2包括：
通过光刻及腐蚀制作出支撑脚20及未加工谐振梁凹槽22的支架本体21；
在支架本体21的端面制作谐振梁凹槽22（也可采用光刻及腐蚀）。
在本发明中，芯片支架2的厚度一般为100～500微米，支撑脚20的长度一般为1000～3000微米，支撑脚20之间的夹角一般为20°～160°；支架本体21的长、宽尺寸与谐振芯片1的长、宽尺寸一致或稍宽；谐振梁凹槽22的深度一般为50～300微米，长、宽尺寸与谐振芯片1上的固定部11的长、宽尺寸一致或稍宽。
本发明中，芯片支架2通过横向的支撑脚20安装在外壳42内壁上，粘接接触点面积小，避免了芯片支架2与外壳42的大面积接触，避免了在温度变化时由于不同材料热膨胀系数的不同产生应力引起结构变形大的不利影响，支撑脚20粘接占用面积小，方便后续的电气连接。
支架整体呈片状，可以有效地缩小谐振器件竖向的高度。此外，采用在支架芯片上开设谐振梁凹槽22的设计，使得谐振芯片1在正常使用状态下振动时不会与支架芯片发生碰撞，满足了谐振芯片1等功能需求，此外，还满足了支架芯片的结构强度需求，避免芯片因外壳42形变而随之产生形变。
具体实施时，支架本体21外侧面横向延伸出4条支撑脚20，所述4条支撑脚20呈X型设置。
在具体的生产加工过程中，支撑脚20可采用4条，且呈X型设置。这样，即便于加工又保证了结构的稳定。为了进一步优化本发明的方案，在本发明中，芯片、外壳42、支架（支架本体21）及各种凹槽均呈正四边形，同心设置且棱角方向相同，芯片支架2的支撑脚20从正四边形结构的棱角方向伸出，这样，可以方便整个谐振器件的加工设计和装配，并且最大限度的节省空间，有利于谐振器件的小型化。
如图4所示，具体实施时，所述谐振芯片1的固定部11为环装，环装固定部11的内壁横向延伸形成谐振梁10，环装的固定部11的端面与所述支架本体21的凹槽四周的环装端面相匹配，环装固定部11的端面贴装在所述支架本体21的凹槽四周的环装端面上。
这样设计，合理的使用了有限的空间，最大的利用了支架本体21的结构特点，使得谐振芯片1与芯片支架2的粘接面积较大，保证了粘接的稳定。
具体实施时，外壳42上端面上设置有向下延伸的第一凹槽，第一凹槽下底面上设置有向下延伸的第二凹槽，第二凹槽下底面上设置有向下延伸的集成芯片41安装槽，集成芯片41与第二凹槽的底面通过点焊的引线61电气连接，谐振芯片1的支撑脚20安装在第一凹槽的底面上其与第一凹槽的底面通过点焊的引线61电气连接。
将谐振芯片1贴装在芯片支架2上以后，通过两端伸出的四条支撑脚20粘贴在外壳42的台阶（第一凹槽的底面）上，四条支撑脚20安装在台阶的对角线的四个角落，以便后续进行电气连接，从而形成了一个紧凑安装的三维叠层结构：底部为集成芯片41、中间为X型芯片支架22、上面为MEMS谐振芯片1。
本发明中，外壳42内部空腔呈多级台阶的结构，各种零部件的粘接及引线61的点焊都在水平的端面上进行，减小了施工难度，并且，多级台阶的结构为不同的零部件提供了不同高度的安装位置，实现了空间的合理利用。
具体实施时，所述支撑脚20上端面与所述支架本体21的上端面齐平且支撑脚20的厚度小于支架本体21的厚度。
本发明中，支架本体21的厚度更大，弥补了由于谐振梁凹槽22带来的芯片支架2的结构强度的损失，提高了芯片支架2抵抗形变的能力。
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 (5)
1.一种微型三维叠装的MEMS谐振器件的制造方法，其特征在于，所述微型三维叠装的MEMS谐振器件包括设有敞口的外壳、密封外壳敞口的盖帽及可导电的芯片支架，所述芯片支架与谐振芯片热膨胀系数相同，所述谐振芯片包括谐振梁及固定部，谐振芯片通过固定部安装在所述芯片支架上且使谐振梁悬空，芯片支架安装在外壳内壁上且与外壳电气连接，芯片支架下方的外壳内底面设有集成芯片安装槽，集成芯片安装槽内安装有与外壳电气连接的集成芯片，所述微型三维叠装的MEMS谐振器件的制造方法包括：
采用MEMS三维微细体加工工艺制作所述谐振芯片；
通过光刻及腐蚀工艺制造所述芯片支架；
将谐振芯片贴装在芯片支架上；
将所述集成芯片安装在集成芯片安装 槽内，并将集成芯片与外壳电气连接；
将芯片支架安装在外壳内，并将芯片支架与外壳电气连接；
将盖帽盖在外壳敞口处进行气密封；
其中，所述芯片支架包括支架本体，支架本体的端面上设有谐振梁凹槽，所述谐振芯片的固定部与谐振梁凹槽边缘固定连接，所述谐振芯片的谐振梁能够在谐振梁凹槽处自由谐振，支架本体外侧面横向延伸形成支撑脚，支撑脚固定安装在外壳内壁上，支撑脚与外壳通过引线电气连接；所述通过光刻及腐蚀工艺制造所述芯片支架包括：
通过光刻及腐蚀制作出支撑脚及未加工谐振梁凹槽的支架本体；
在支架本体的端面制作谐振梁凹槽。
2.如权利要求1所述的微型三维叠装的MEMS谐振器件的制造方法，其特征在于，支架本体外侧面横向延伸出4条支撑脚，所述4条支撑脚呈X型设置。
3.如权利要求1所述的微型三维叠装的MEMS谐振器件的制造方法，其特征在于，所述谐振芯片的固定部为环装，环装固定部的内壁横向延伸形成谐振梁，环装的固定部的端面与所述支架本体的凹槽四周的环装端面相匹配，环装固定部的端面贴装在所述支架本体的凹槽四周的环装端面上。
4.如权利要求1至3任一项所述的微型三维叠装的MEMS谐振器件的制造方法，其特征在于，外壳上端面上设置有向下延伸的第一凹槽，第一凹槽下底面上设置有向下延伸的第二凹槽，第二凹槽下底面上设置有向下延伸的集成芯片安装槽，集成芯片与第二凹槽的底面通过点焊的引线电气连接，谐振芯片的支撑脚安装在第一凹槽的底面上其与第一凹槽的底面通过点焊的引线电气连接。
5.如权利要求4所述的微型三维叠装的MEMS谐振器件的制造方法，其特征在于，所述支撑脚上端面与所述支架本体的上端面齐平且支撑脚的厚度小于支架本体的厚度。
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