CN111137850A - 实现低应力敏感结构贴片工艺的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种实现低应力敏感结构贴片工艺的方法，能够解决目前采用环氧树脂等胶类的MEMS器件敏感结构贴片方式所存在的技术问题。该方法包括以下步骤：在MEMS器件管壳上镀上一层金层；在所述金层上制作若干个且按设定布局排列的金球；在所述敏感结构的贴装面镀上一层金层；将敏感结构置于所述MEMS器件管壳上，其中，所述金球与敏感结构的贴装面的金层对准，得到复合结构；在真空和高温环境下，对所述敏感结构施加一定压力，通过金金热压焊工艺实现贴装面与金球的连接以完成敏感结构贴片工艺。

Description

实现低应力敏感结构贴片工艺的方法
技术领域
本发明涉及MEMS器件封装技术领域，尤其涉及一种实现低应力敏感结构贴片工艺的方法。
背景技术
敏感结构贴片技术是MEMS器件封装的关键工艺技术之一，贴片应力和贴片用胶放气直接影响MEMS器件的长期稳定性和环境适应性。当前，一般采用环氧树脂作为贴片胶，这种贴片胶易于选用，且操作方便，是广泛被采用的贴片方式。
采用环氧树脂等胶类的MEMS器件敏感结构贴片方式存在的主要问题如下：
(1)贴片应力问题：对于谐振型MEMS器件，贴片应力会影响其品质因数等谐振特性，进而影响MEMS器件各项精度指标和环境适应性。所以贴片应力控制问题是谐振型MEMS器件敏感结构贴片工艺的关键问题之一。环氧树脂等胶类的热膨胀系数一般要比敏感结构和管壳大，甚至大得多，尤其是为满足MEMS器件谐振等需要选用较硬的胶，更会产生相对较大的贴片应力。
(2)贴片胶放气问题：一般情况下，MEMS器件选用环氧树脂材料的贴片胶，这种贴片胶或多或少会释放水汽等杂质气体。这些杂质气体会破坏MEMS器件的封装气氛，降低器件的长期可靠性和稳定性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供了一种实现低应力敏感结构贴片工艺的方法，能够解决目前采用环氧树脂等胶类的MEMS器件敏感结构贴片方式所存在的技术问题。
本发明的技术解决方案如下：本发明提供一种实现低应力敏感结构贴片工艺的方法，该方法包括以下步骤：
在MEMS器件管壳上镀上一层金层；
在所述金层上制作若干个且按设定布局排列的金球；
在所述敏感结构的贴装面镀上一层金层；
将敏感结构置于所述MEMS器件管壳上，其中，所述金球与敏感结构的贴装面的金层对准，得到复合结构；
在真空和高温环境下，对所述敏感结构施加一定压力，通过金金热压焊工艺实现贴装面与金球的连接以完成敏感结构贴片工艺。
进一步地，通过磁控溅射工艺分别在所述MEMS器件管壳上以及在所述敏感结构的贴装面镀上一层金层。
进一步地，通过金丝焊球补球工艺在所述金层上制作一定数量且按设定布局排列的金球。
进一步地，所述金球的布局排列通过下述方式获取：
根据敏感结构的应力分布特点，在所述贴装面选取出需要镀金层的位置；
通过仿真方法获取按照上述贴片工艺得到的敏感结构的谐振特性；
判断谐振特性是否满足要求，若满足则根据上述金层的位置确定金球的布局排列，若不满足，则重复上述步骤直至谐振特性满足需求，进而按照金层的位置确定金球的布局排列。
进一步地，所述方法还包括：在得到复合结构之前，对金球制作完成的MEMS器件管壳和镀有金层的贴装面进行等离子活化。
进一步地，所述方法中，在进行金金热压焊工艺时，真空度不小于10-3Pa，且加热温度高于350℃。
进一步地，所述金球采用99.99％的纯金材料制成。
应用上述技术方案，提供一种实现低应力敏感结构贴片工艺的方法，区别于现有采用环氧树脂等胶类的MEMS器件敏感结构贴片方式，通过在MEMS器件管壳上设置一定布局排列的金球并采用金金热压焊工艺实现敏感结构的贴片工艺，不仅大大降低了制品的贴片应力，保证敏感结构的谐振性能，而且还基于金球自身特性(自身产生应力较小、几乎没有水汽等杂质气体的释放)进一步保证了制品长期可靠性和稳定性。即采用本发明提供的贴片工艺方法得到的制品，其贴片应力小，集成度高，具有小型化特点(不涉及应力隔离装置)，且能够保证长期可靠性和稳定性，具有工程应用前景。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明一种实施例提供的四点金球热压焊贴片示意图；
(a)俯视透视图；(b)侧视图；
图2示出了根据本发明另一实施例提供的八点金球热压焊贴片示意图；
(a)俯视透视图；(b)侧视图；
上述附图包括以下附图标记：
11、TO管壳a；12、金球a；13、敏感结构a；21、TO管壳b；22、金球b；23、敏感结构b。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如图1-2所示，根据本发明实施例提供一种低应力敏感结构贴片工艺方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、在MEMS器件管壳上镀上一层金层；
步骤2、在所述金层上制作若干个且按设定布局排列的金球；
步骤3、在所述敏感结构的贴装面镀上一层金层；
步骤4、将敏感结构置于所述MEMS器件管壳上，其中，所述金球与敏感结构的贴装面的金层对准，得到复合结构；
步骤5、在真空和高温环境下，对所述敏感结构施加一定压力，通过金金热压焊工艺实现贴装面与金球的连接以完成敏感结构贴片工艺。
本发明实施例中，为了保证管壳和敏感结构没有灰尘和污染，可在镀金之前多所述管壳和敏感结构进行等离子清洗。
本发明实施例中，所述步骤5中，可根据金球数量确定施加压力的大小，此外，可通过配重的压力进行施加，施加压力的位置需保证：1、保护敏感结构不被损坏，2、实现配重施加在敏感结构上的特定压力分布，以保证压力施加的垂直度和均匀性。
本发明实施例中，所述步骤5中，加热的温度不能大于金球的熔点，以保证管壳和敏感结构之间通过金球实现贴片工艺。
优选的，所述的金球采用99.99％的纯金材料制成，以保证金金热压焊的质量，同时高纯度的金球基本没有杂质气体的释放，实现了无杂质气体释放的贴片。
应用上述配置方式，区别于现有采用环氧树脂等胶类的MEMS器件敏感结构贴片方式，通过在MEMS器件管壳上设置一定布局排列的金球并采用金金热压焊工艺实现敏感结构的贴片工艺，不仅大大降低了制品的贴片应力，保证敏感结构的谐振性能，而且还基于金球自身特性(自身产生应力较小、几乎没有水汽等杂质气体的释放)进一步保证了制品长期可靠性和稳定性。即采用本发明提供的贴片工艺方法得到的制品，其贴片应力小，集成度高，具有小型化特点(不涉及应力隔离装置)，且能够保证长期可靠性和稳定性，具有工程应用前景。
进一步地，作为本发明一种实施例，通过磁控溅射工艺分别在所述MEMS器件管壳上以及在所述敏感结构的贴装面镀上一层金层。
进一步地，作为本发明一种实施例，通过金丝焊球补球工艺在所述金层上制作一定数量且按设定布局排列的金球。
本发明实施例中，采用金丝焊球补球工艺时，可设定一焊参数：包括球径大小、焊接功率、焊接时间以及焊接压力等，接着操作金丝球焊机按照设定图形和数量进行金球制作。
进一步地，在本发明中，为了更好地减小贴片应力的产生，所述金球的布局排列通过下述方式获取：
根据敏感结构的应力分布特点，在所述贴装面选取出需要镀金层的位置；
通过仿真方法获取按照上述贴片工艺得到的敏感结构的谐振特性；
判断谐振特性是否满足要求，若满足则根据上述金层的位置确定金球的布局排列，若不满足，则重复上述步骤直至谐振特性满足需求，进而按照金层的位置确定金球的布局排列。
作为本发明一种具体实施例，如图1(a)所示，为保证某敏感结构a13的谐振特性，所述贴片工艺需要四个金球a12，其中，四个金球a12呈四边形排列，设置在TO管壳a11上，其贴片工艺完成后如图1(b)所示。
作为本发明一种具体实施例，如图2(a)所示，为保证某敏感结构b23的谐振特性，所述贴片工艺需要八个金球b22，其中，四个金球b22呈圆形排列，设置在TO管壳b21上，其贴片工艺完成后如图2(b)所示。
本发明实施例中，也即先确定贴装面所镀金层的位置，在该金层位置确定好之后即可确定金球的布局排列方式，通过上述方式能够更好地减小贴片应力的产生，保证敏感结构的谐振特性。
此外，本领域技术人员应当理解，具体的仿真方法为为本领域公知手段，在此不再详细赘述。
进一步地，在本发明中，为了进一步保证热压焊的强度和可靠性，所述方法还包括：在得到复合结构之间，对金球制作完成的MEMS器件管壳和镀有金层的贴装面进行等离子活化。
进一步地，在本发明中，为了进一步保证热压焊的可靠性，所述方法中，在进行金金热压焊工艺时，真空度不小于10-3Pa，且加热温度高于350℃。
为了对本发明提供的低应力敏感结构贴片工艺方法有更进一步了解，下面以一具体实施例进行详细说明：
本具体实施例提供一种实现低应力敏感结构贴片工艺的方法，包括以下步骤：
(1)管壳等离子清洗：金球制作前，对管壳的镀金面进行等离子清洗以提高金球的附着力和可靠性，等离子清洗的参数可以设置如下：功率为300W，清洗时间为5min，清洗工艺气体为氩气；
(2)管壳镀金层：在外能成上述等离子清洗之后，在管壳上采用磁控溅射工艺镀上一层金层；
(3)金球制作：使用金丝球焊机的补球功能在上述金层上进行金球制作，首先根据要求选用满足要求的金丝直径，如25微米；其次，设定一焊参数，包括球径大小、焊接功率、焊接时间以及焊接压力等；第三，操作金丝球焊机按照设定图形和数量进行金球制作；
(3)管壳和敏感结构贴装面镀金等离子清洗：等离子清洗的参数可以设置如下：功率为300W，清洗时间为5min，清洗工艺气体为氩气；
(4)装入真空腔室：打开真空腔室，把清洗完成的管壳和敏感结构依次放入真空腔室，管壳在下，敏感结构在上，同时通过工装保证管壳上的金球与敏感结构的贴装面镀金位置精确对准，如图1和图2所示；
(5)施加压力：根据金球数量确定施加压力大小，如8个金球，施加压力为200g，施加压力的方法是通过配重的压力施加，并且在敏感结构和配重之间可以设计一个专用工装，该工装一则可以保护敏感结构不被损坏，二则可以实现配重施加在敏感结构上的特定压力分布，以保证压力施加的垂直度和均匀性；
(6)抽真空：因为金金热压焊需要高温才能实现，所以为了保护管壳和芯片不被氧化和污染，需要在真空环境下实现金金热压焊，真空系统需采用分子泵和机械泵的组合，以实现高真空的要求，真空度需达到优于10-3Pa；
(7)加热：加热是实现金金热压焊的一个重要条件，加热温度需高于350度，并保证温度控制精度和温度均匀度等；
(8)取出器件：关闭抽真空阀门，停止抽真空，打开充气阀门，向真空腔室冲入一个大气压的氮气，打开真空腔室，取下热压焊工装，取出完成热压焊贴片的器件。
对上述贴片工艺所得制品进行测试：
电气连接测试：根据管脚定义，使用万用表对敏感结构电极和管壳的管脚进行一对一导通测试，给完成机械、电气连接的MEMS器件通电测试，检查器件能不能起振。
推力测试：将完成敏感结构贴片的MEMS器件放置在推力测试仪的固定装置上，采用50kg的测试模块进行推力测试。
应力测试：连接测试系统，测试全温范围内的MEMS器件品质因数(Q值)，即T-Q试验，根据T-Q曲线侧面评判应力大小。
水汽含量测试：对完成敏感结构贴片的MEMS器件进行除气充气封装，并对完成封装的MEMS器件封装体进行水汽含量测试，测试方法依据GJB548B的相应测试规范。
经上述测试，本发明实施例所得制品均符合要求，且性能优于现有采用环氧树脂等胶类的MEMS器件敏感结构贴片方式所得制品。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种实现低应力敏感结构贴片工艺的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在MEMS器件管壳上镀上一层金层；
在所述金层上制作若干个且按设定布局排列的金球；
在所述敏感结构的贴装面镀上一层金层；
将敏感结构置于所述MEMS器件管壳上，其中，所述金球与敏感结构的贴装面的金层对准，得到复合结构；
在真空和高温环境下，对所述敏感结构施加一定压力，通过金金热压焊工艺实现贴装面与金球的连接以完成敏感结构贴片工艺。
2.根据权利要求1所述的一种实现低应力敏感结构贴片工艺的方法，其特征在于，通过磁控溅射工艺分别在所述MEMS器件管壳上以及在所述敏感结构的贴装面镀上一层金层。
3.根据权利要求1所述的一种实现低应力敏感结构贴片工艺的方法，其特征在于，通过金丝焊球补球工艺在所述金层上制作一定数量且按设定布局排列的金球。
4.根据权利要求1所述的一种实现低应力敏感结构贴片工艺的方法，其特征在于，所述金球的布局排列通过下述方式获取：
根据敏感结构的应力分布特点，在所述贴装面选取出需要镀金层的位置；
通过仿真方法获取按照上述贴片工艺得到的敏感结构的谐振特性；
判断谐振特性是否满足要求，若满足则根据上述金层的位置确定金球的布局排列，若不满足，则重复上述步骤直至谐振特性满足需求，进而按照金层的位置确定金球的布局排列。
5.根据权利要求1所述的一种实现低应力敏感结构贴片工艺的方法，其特征在于，所述方法还包括：在得到复合结构之前，对金球制作完成的MEMS器件管壳和镀有金层的贴装面进行等离子活化。
6.根据权利要求1所述的一种实现低应力敏感结构贴片工艺的方法，其特征在于，所述方法中，在进行金金热压焊工艺时，真空度不小于10-3Pa，且加热温度高于350℃。
7.根据权利要求1-6所述的一种实现低应力敏感结构贴片工艺的方法，其特征在于，所述金球采用99.99％的纯金材料制成。
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