CN111115551B - 通过过渡层结构降低封装应力的mems惯性器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过过渡层结构降低封装应力的MEMS惯性器件，所述的MEMS惯性器件包含：封装管壳、位于封装管壳内的芯片、以及设于所述封装管壳的底板与所述的芯片之间的过渡层；所述的过渡层包含若干片层，所述的片层包含：贴片胶层和应力缓冲层；所述的应力缓冲层的材质与所述的封装管壳或所述的芯片的材质相同。本发明通过对过渡层进行结构设计，在过渡层中设计应力缓冲区，应力缓冲层的材质与封装管壳或芯片的材质相同，有利于降低封装应力。

Description

通过过渡层结构降低封装应力的MEMS惯性器件
技术领域
本发明涉及芯片封装技术领域，具体涉及一种通过过渡层结构降低封装应力的MEMS惯性器件。
背景技术
MEMS(Micro-Electro-Mechanic System)惯性器件一般采用掩膜、光刻、腐蚀、刻蚀、淀积、键合等微加工工艺制造微结构，可实现物理量敏感、力/力矩输出等多种功能，但由于微结构的尺寸常常在微米量级，其输出性能受加工制造工艺和环境条件的影响较大，对应力应变的变化极为敏感。
MEMS器件需进行封装，将一个或多个电子元器件芯片相互电连接，然后封装在一个保护结构中，其目的是为电子芯片提供电连接、机械保护、化学腐蚀保护等。MEMS器件中的陀螺仪、加速度计、震荡器或体声波滤波器等都对应力非常敏感，需要用陶瓷管壳、金属管壳或预成型塑料管壳等对MEMS芯片进行气密性封装。
如图1所示，为MEMS器件常见封装结构，封装管壳底板30上涂抹贴片胶层20，装入MEMS芯片10，将MEMS芯片10底面层通过贴片胶层20固定在封装管壳底板30上，这样，MEMS芯片10只有底面层通过贴片胶层20与封装管壳底板30接触，MEMS芯片10的正面层不与任何固体接触，所以，封装应力只能从MEMS芯片10的底面层引入。MEMS惯性器件一般采用硅基材料制备而成，在封装过程中，由于封装管壳、贴片胶层和MEMS硅芯片的热膨胀系数不匹配，在封装过程中会产生热应力，热应力会改变MEMS惯性器件的谐振频率等参数，降低其性能。
降低封装应力主要途径有：1、改变MEMS惯性器件芯片本身的结构形式，如加厚芯片粘接面的厚度等，在《通过背面图形化降低MEMS芯片封装应力的方法》这一专利文献中便是采用改变MEMS芯片粘接面的结构形式来降低封装应力的，但这种方式会使芯片制造工艺复杂化，在晶圆划片时成品率会受影响，且结构形式的变化会改变应力的传递路径，需要综合考虑；2、通过选择合适的贴片胶层以及局部点胶的形式降低封装应力，这种方式依赖于贴片材料本身的热物理参数，难以进一步降低封装应力；3、通过选择合适的封装管壳来降低封装应力，这种方式也与封装管壳本体的材料参数息息相关。
封装应力的产生机制大致可以分为两类：1、由于MEMS陀螺仪内部不均匀的温度梯度分布，使得器件各部分热胀冷缩的程度不同从而相互约束，在MEMS陀螺仪内部形成热应力；2、由于器件是由不同材料组合而成，在受到同样的温度载荷时，由于机械约束及封装体各部件的热膨胀系数不匹配，热胀冷缩程度不同而相互制约，最终在封装体内产生热应变和热应力。第一类热应力的控制有赖于MEMS芯片本体的结构。本发明基于第二类封装应力的产生机理来降低封装应力。
发明内容
本发明的目的是对过渡层进行结构设计，以降低MEMS惯性器件的封装应力。
为了达到上述目的，本发明提供了一种通过过渡层结构降低封装应力的MEMS惯性器件，所述的MEMS惯性器件包含：封装管壳、位于封装管壳内的芯片、以及设于所述封装管壳的底板与所述的芯片之间的过渡层；所述的过渡层包含若干片层，所述的片层包含：贴片胶层和应力缓冲层；所述的应力缓冲层的材质与所述的封装管壳或所述的芯片的材质相同。
较佳地，所述的贴片胶层设于所述的应力缓冲层的上表面和下表面。
较佳地，所述的应力缓冲层包括硅片。
较佳地，所述的硅片与所述的芯片通过键合的方式连接。
较佳地，所述的硅片的四个角与所述的芯片通过键合的方式连接。
较佳地，所述的应力缓冲层还包括陶瓷片。
较佳地，所述的应力缓冲层的形状与芯片底部截面的形状一致。
较佳地，所述的贴片胶层包含：第一贴片胶层、第二贴片胶层、第三贴片胶层；所述的过渡层包括：自所述封装管壳的底板至所述芯片方向依次设置的第一贴片胶层、硅片、第二贴片胶层、陶瓷片、第三贴片胶层。
较佳地，所述的贴片胶层由贴胶加热固化得到。
较佳地，所述的贴胶为改性硅胶或银浆。
有益效果：
本发明通过对过渡层进行结构设计，在过渡层中设计应力缓冲区，应力缓冲层的材质与封装管壳或芯片的材质相同，有利于降低封装应力。
附图说明
图1为现有的MEMS器件的封装结构的示意图。
图2为实施例1的MEMS惯性器件的剖面示意图。
图3为硅片的一种设计方式的示意图。
图4为实施例2的MEMS惯性器件的剖面示意图。
图5为实施例3的MEMS惯性器件的剖面示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发明的通过过渡层结构降低封装应力的MEMS惯性器件包含：封装管壳、位于封装管壳内的芯片、以及设于所述封装管壳的底板与所述的芯片之间的过渡层；所述的过渡层包含若干片层，所述的片层包含：贴片胶层和应力缓冲层；所述的应力缓冲层的材质与所述的封装管壳或所述的芯片的材质相同。
过渡层既是应力产生的源头，又是封装管壳的基底热胀冷缩引起的应力应变传递至被封装对象的传递层。本发明通过对过渡层进行结构设计，以改变封装应力传递路径，从而降低MEMS惯性器件的封装应力。封装应力是由于封装管壳、贴片胶层和MEMS硅芯片的热膨胀系数不匹配而产生。常规技术中，过渡层结构一般的形式为一层封装贴片胶层，除了起到固定连接芯片的作用外，还要求具备良好的粘接力、抗回流、低吸水性、电气连接、物理保护、外场屏蔽、应力缓和、散热防潮、尺寸过渡、规格化和标准化等多种功能，不同的芯片类型对该层的要求有所不同。
应力缓冲层的材质与所述的封装管壳或所述的芯片的材质相同，使得过渡层的热膨胀系数与封装管壳或芯片的热膨胀系数更匹配，从而有利于降低封装应力。过渡层包含若干片层，过渡层结构设计涉及到：层间各应力缓存结构自身的结构设计、层间不同叠合方式结构设计、以及过渡层与MEMS芯片及衬底的结合方式。过渡层降低封装应力的主要原理是通过选择与封装管壳的基底及芯片热膨胀系数相近的封装材料、改变过渡层结构形式从而引起应力分布格局变化，以避开芯片应力敏感区、改变过渡层材料和结构引起应力传递路径变化，使过渡层弹性模量及阻尼特性等发生变化。当MEMS产品在遭受温度冲击变化时，封装应力变化对其输出性能影响在预期范围内或者成规律变化。
实施例1
如图2所示，为实施例1的MEMS惯性器件的剖面示意图。过渡层2上下为贴片胶层201，中间设有作为应力缓冲结构的薄硅片202，贴片胶层201为低热膨胀系数低杨氏弹性模量的封装材料，薄硅片202选用与芯片1相同的材料制作。封装管壳选择陶瓷管壳3。利用点胶设备在陶瓷管壳3上喷涂贴胶，用于形成贴片胶层201。放置如图3所示的薄硅片202，再喷涂一层贴胶，最后粘接MEMS芯片，固化后即完成了产品的封装过程。在薄硅片202的周围区域上下贴片胶层201互相粘接。图3所示的硅片结构与芯片的敏感区相对应，通过设计这种形状的硅片，改变应力传递路径，以使封装应力避开敏感区。
实施例2
如图4所示，过渡层2为薄硅片212与贴片胶层211组成的结构，薄硅片212通过键合的方式加在芯片上，然后将它们一体利用贴片胶层211粘接到陶瓷管壳3上。薄硅片212为方形结构，在芯片1的四个角处与芯片1通过键合的方式实现连接。封装管壳选择陶瓷管壳3。其具体工艺过程为利用晶圆光刻制造出薄硅片过渡层结构，在MEMS芯片划片工艺前，将薄硅片晶圆与MEMS芯片晶圆键合，然后划片，最后通过胶接方式将键合结构粘接在陶瓷管壳衬底上。
实施例3
如图5所示，过渡层2则由第一贴片胶层221、硅片222、第二贴片胶层223、陶瓷片224、第三贴片胶层225组成，硅片222的结构如图3所示，硅片222的周围区域第一贴片胶层221和第二贴片胶层223互相粘接。该过渡层2结构需要多步工艺完成，该过渡层2也可以根据具体产品的不同改变层间叠合顺序。封装管壳选择陶瓷管壳3。首先在陶瓷管壳3衬底上利用点胶设备喷涂一层厚度小于0.2mm的低热膨胀系数低杨氏弹性模量第一贴片胶层221，然后将预先设计好的薄硅片222结构利用贴片设备粘接固化上。再在其上涂覆一层第二贴片胶层223并将预先设计好的与芯片底部截面形状一致的陶瓷片224结构粘接固化于其上，最后在这些结构上层喷涂第三贴片胶层225，粘接MEMS芯片1，一体固化。
综上所述，本发明通过对过渡层进行结构设计，在过渡层中设计应力缓冲区，应力缓冲层的材质与封装管壳或芯片的材质相同，有利于降低封装应力。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种通过过渡层结构降低封装应力的MEMS惯性器件，其特征在于，所述的MEMS惯性器件包含：封装管壳、位于封装管壳内的芯片、以及设于所述封装管壳的底板与所述的芯片之间的过渡层；所述的过渡层包含若干片层，所述的片层包含：贴片胶层和应力缓冲层；所述的应力缓冲层的材质与所述的封装管壳或所述的芯片的材质相同；所述的应力缓冲层包括硅片和陶瓷片，且所述的应力缓冲层的形状与芯片底部截面的形状一致；所述的贴片胶层包含：第一贴片胶层、第二贴片胶层、第三贴片胶层；所述的过渡层包括：自所述封装管壳的底板至所述芯片方向依次设置的第一贴片胶层、硅片、第二贴片胶层、陶瓷片、第三贴片胶层。
2.根据权利要求1所述的通过过渡层结构降低封装应力的MEMS惯性器件，其特征在于，所述的贴片胶层设于所述的应力缓冲层的上表面和下表面。
3.根据权利要求1所述的通过过渡层结构降低封装应力的MEMS惯性器件，其特征在于，所述的贴片胶层由贴胶加热固化得到。
4.根据权利要求3所述的通过过渡层结构降低封装应力的MEMS惯性器件，其特征在于，所述的贴胶为改性硅胶或银浆。
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