CN111320130A - 微机电传感器封装结构及其制造方法 - Google Patents

微机电传感器封装结构及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种微机电传感器封装结构及其制造方法，该封装结构，包括：基板；支撑件，位于所述基板上，所述支撑件与所述基板之间形成空腔；芯片，所述芯片位于所述空腔中，所述芯片经由金属线与所述基板电连接；五金件，位于所述支撑件上，所述五金件具有凹槽，所述凹槽朝向所述支撑件；其中，所述芯片包括MEMS芯片，所述支撑件设置有进音孔，所述进音孔位于所述五金件凹槽在所述支撑件上的投影内，以减少外界对所述芯片的影响。由于有五金件的存在，对支撑件内的结构提供了更好的保护，提高了产品的稳定性和可靠性，还可以减少所需进行产品测试的次数，节约测试成本。

Description

微机电传感器封装结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及微机电传感器技术领域，更具体地，涉及一种微机电传感器的封装结构及其制造方法。
背景技术
MEMS组件的封装具有不同功能。封装保护组件免受机械的和化学的环境影响。此外，封装或壳体的类型确定了在使用地点如何安装和接通所述组件。在MEMS传感器组件的情形中，位于外侧的壳体承担着一部分传感器功能，起到传递和缓冲声音、压力、加速度等物理信息的作用，因为MEMS传感器芯片最终接收到的非电物理量也会由壳体的构型决定性地确定。由此，壳体对MEMS传感器的传递特性及性能具有重要影响。
在现有技术中，多采用传统的前进音封装设计，其进音孔位于壳体上方，其与芯片间的距离较近，使得壳体内的芯片极易受到外界环境和外界声音的影响。从该封装结构制作完成到最终安装于产品上应用，其间需要经过多次的产品测试以保证最终产品的合格，部分初次测试合格的封装结构在转移或后续组合过程中发生损坏的情况时有发生。
因此，为了提高产品的良率和稳定性，减少后续过程中产品损坏等情况的发生，亟需设计一种稳定可靠的封装结构以保护壳体内的芯片，提升产品的良率，减少不良品的产生，从而降低生产成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种微机电传感器的封装结构及其制造方法，以解决现有技术中存在的产品易损坏、良率低、需多次测试，且生产测试成本高的问题。在保证产品性能的同时，提高该封装结构的可靠性和良品率、减少所需的测试频次、节省其测试成本，并最终降低其生产成本。
一方面，本发明提供一种微机电传感器封装结构，其特征在于，包括：
基板；
支撑件，位于所述基板上，所述支撑件与所述基板之间形成空腔；
芯片，所述芯片位于所述空腔中，所述芯片经由金属线与所述基板电连接；
五金件，位于所述支撑件上；
其中，所述芯片包括MEMS芯片，所述支撑件上设置有进音孔，所述五金件用于封闭所述进音孔。
优选地，所述支撑件呈片状，所述基板包括凹陷，所述支撑件覆盖在所述凹陷上，所述支撑件与所述凹陷形成所述空腔。
优选地，所述支撑件包括顶面和侧壁，所述侧壁的底面与所述基板相连，所述进音孔设置在所述支撑件的顶面。
优选地，所述五金件呈片状，所述五金件的尺寸大于所述进音孔的尺寸。
优选地，所述五金件具有凹槽，所述凹槽朝向所述支撑件，所述进音孔位于所述五金件凹槽在所述支撑件上的投影内。
优选地，所述五金件位于所述支撑件的顶面，所述五金件的底面不大于所述支撑件的顶面。
优选地，所述五金件与所述支撑件之间通过连接材料相连。
优选地，所述连接材料包括锡膏、导电胶、绝缘胶中的至少一种，所述连接材料涂设于所述支撑件的顶面、所述五金件底面的至少一者上，通过连接材料设置所述五金件与所述支撑件的机械连接。
优选地，所述支撑件与所述五金件的制备工艺包括刻蚀工艺。
优选地，所述支撑件底面、顶面以及所述五金件底面的尺寸相同。
优选地，所述支撑件与所述五金件的至少部分表面设置有镀层，所述镀层包括金、银、锌、镍中的至少一种材料，使得具有镀层的位置可通过焊接、粘接等方式进行连接。
优选地，所述五金件还设置有导气孔，所述导气孔将所述凹槽与外界相连通，所述导气孔与所述凹槽对进入的外界声音进行衰减。
根据本发明的另一方面，还提供一种微机电传感器封装结构的制造方法，其特征在于，包括：
制备如上所述的支撑件、五金件及基板；
在所述基板上贴装芯片并设置金属线；
将所述支撑件与所述基板相连接，形成半成品；
将所述五金件设置在所述半成品的所述支撑件上；
其中，所述支撑件与所述基板之间形成空腔，贴装的芯片位于所述空腔中，所述五金件设置在所述支撑件上以隔绝外界对支撑件内芯片的影响。
优选地，所述五金件还设置有导气孔，以导出焊接过程中受热膨胀的空气。
本发明实施例提供的微机电传感器封装结构及其制造方法，通过在支撑件上设置五金件，使五金件对支撑件的进音孔进行封堵，以隔绝外界对支撑件内的影响，保护支撑件内的芯片，提高了产品的稳定性和可靠性，使产品具有更高的良率。由于有五金件的存在，对支撑件内的结构提供了更好的保护，可以减少所需进行产品测试的次数，节约测试成本。
五金件内的凹槽通过进音孔与空腔相连，进一步增大了腔体的容积，有助于进一步改善产品性能。五金件如为封闭式，其还可以提升产品的防水性能。
进一步地，可将支撑件与五金件设计为相同的尺寸，支撑件与五金件均可采用金属材料通过蚀刻工艺制成，此方法可减少所需工艺的种类，还可使五金件与支撑件连接后更加的齐整，产品外观更加美观。
优选地，如支撑件与五金件之间的连接材料选用锡膏，该五金件还可通过设置连通外界与凹槽的导气孔，以导出在回流焊过程中受热膨胀的空气，防止产品炸裂。通过合理设置导气孔和凹槽，可形成适当的进音路径，使外界声音得到一定程度的衰减后再通过进音孔进入支撑件内。
本发明所提供的制造方法可以有效提高该微机电传感器的产品良率、减少所需的工艺种类及测试频次，从而降低其生产成本。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出了本发明第一实施例封装结构的示意图。
图2示出了本发明第一实施例封装结构的俯视图。
图3示出了本发明第二实施例封装结构的示意图。
图4示出了本发明第三实施例封装结构的示意图。
图5示出了本发明第四实施例封装结构的示意图。
图6示出了本发明第五实施例封装结构的示意图。
图7示出了本发明第二实施例封装结构贴装芯片的示意图。
图8示出了本发明第二实施例封装结构设置支撑件的示意图。
图9示出了本发明第二实施例封装结构设置五金件的示意图。
图10示出了本发明封装结构的制造方法的示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。
应当理解，在描述结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“直接在……上面”或“在……上面并与之邻接”的表述方式。
在下文中描述了本发明部分实施例的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图1示出了本发明第一实施例封装结构的示意图，图中该微机电传感器封装结构1000包括：基板100、支撑件200、芯片和五金件600，其中，支撑件200位于基板100上，支撑件200与基板100之间形成空腔220，芯片贴装于基板100上，且位于空腔220中，支撑件200上设置有五金件600，以遮挡支撑件200上的进音孔210，以减少外界对芯片的影响。
芯片例如包括如图所示的MEMS芯片300和ASIC芯片400，两者之间通过金属线500电连接，并通过金属线500将其与基板100电连接。支撑件200上设置有进音孔210，进音孔210例如位于支撑件200的顶面，五金件600具有凹槽610，五金件600位于支撑件200的顶面上，凹槽610朝向支撑件200的顶面，使得进音孔210位于凹槽610在支撑件200顶面上的投影内，隔离外界与进音孔210，以减少外界对芯片的影响。
进一步地，支撑件200与基板100之间的空腔220的高度大于金属线500的高度，五金件600与支撑件200之间通过连接材料700相连，连接材料700可以选用导电胶或绝缘胶，将其预先涂设于支撑件200顶面的相应位置或涂设于五金件600的底面上，再将五金件600与支撑件200相连。当然地，如五金件600设置有导气孔，连接材料700还可选用锡膏，支撑件200与基板100之间、芯片与基板之间可同样选用锡膏作为连接剂，通过回流焊后使锡膏固化，完成各部件间的机械连接。
图2示出了本发明第一实施例封装结构的俯视图，为了使其结构更加清晰，对部分区域(五金件600)进行了透视，支撑件200例如为底面开口的长方体外壳，采用冲压的方式制成，图中可见支撑件200的顶面边缘具有倒角(圆角)，如用于连接支撑件200与五金件600的连接材料700涂设的较为靠近其顶面边缘，边缘的弧度会使连接材料700流到支撑件200的侧面，故选取支撑件200顶面较为中心的区域作为连接材料700的涂设范围，连接材料700例如为绝缘胶，其涂设于图示的两个矩形框及两个矩形框之间，其形状与五金件600的底面相匹配。五金件600例如为底面具有凹槽610的长方体，五金件600的尺寸小于支撑件200的尺寸，凹槽610朝向支撑件200的顶面，支撑件200顶面的收音孔210位于凹槽610的下方，五金件600与支撑件200相连后，可以对支撑件200上的进音孔210进行一定程度上的封堵，隔绝外界对MEMS芯片的影响。
该微机电传感器封装结构，可在未贴装五金件的常规前进音封装结构进行常规麦克风评估测试和筛选后，再对其中合格的部分贴装五金件，对进音孔进行封口，以隔绝外界对MEMS芯片的影响，节约产品的测试成本。
图3示出了本发明第二实施例封装结构的示意图，在第二实施例中，支撑件200例如与五金件600一样选用金属材料制成，两者均采用蚀刻工艺加工而成，使其顶面边缘具有鲜明的棱角而非倒角(圆角)，可以防止连接材料700流至其侧面，进一步地，五金件600可与支撑件200采用相同的尺寸，五金件600与支撑件200连接后外部更为平整和美观，由于支撑件200与五金件600可采用相同的材料和工艺，且两者尺寸相同，支撑件200和五金件600的制造也更加的便捷。
当然地，对采用金属材料制成的支撑件200和五金件600的部分区域可设置镀层，以保证具有镀层的位置可以通过焊接、粘接等常规的连接方式进行连接。镀层可以选用金、银、锌、镍等材料，采用化学镀、振动电镀、挂镀等方式进行设置，支撑件200的镀层例如设置在支撑件200的底面和顶面，保证其与基板以及与五金件之间可通过焊接或粘接的方式相连。
图4示出了本发明第三实施例封装结构的示意图，图中五金件600还设置有导气孔620，导气孔620将外界与五金件600内的凹槽610相连通，凹槽610中受热膨胀的空气可通过导气孔620排出，防止产品炸裂。导气孔620例如设置在五金件600的侧面，其可以根据具体需要设置一个或多个导气孔620，通过合理设置导气孔620的位置，使得导气孔620和凹槽610可以对进入的外界声音进行适当程度的衰减，以进一步保护客体内的芯片。
图5示出了本发明第四实施例封装结构的示意图，与上述实施例中相同的部分不再赘述，如图5所示，五金件600也可呈片状，其尺寸略大于进音孔210，五金件600覆盖在进音孔210上以封闭进音孔210，隔绝外界对空腔220内的MEMS芯片300的影响。
图6示出了本发明第五实施例封装结构的示意图，同样地，与上述实施例中相同的部分不再赘述，如图6所示，基板100例如具有一定的厚度，基板100上设置有凹陷，支撑件200例如为片状，支撑件200覆盖在基板100的凹陷上，使基板100的凹陷形成空腔220，片状的支撑件200上同样设置有进音孔210，五金件600例如与图5中类似，同样呈片状，且尺寸略大于进音孔210，五金件600覆盖在进音孔210上。当然地，五金件600也可设置为与第一实施例、第二实施例或第三实施例中的五金件相同的样式，其同样可以对支撑件200上的进音孔210进行一定程度上的封堵，隔绝外界对MEMS芯片300的影响。
参见图7至9，其以第二实施例的封装结构为例，示出了该封装结构在制造过程中各阶段的示意图，图7示出了将芯片贴装于基板100的示意图，将MEMS芯片300和ASIC芯片400分别贴装于基板100的对应位置，并通过金属线500将MEMS芯片300和ASIC芯片400电连接，并将ASIC芯片400与基板100电连接。
图8示出了设置支撑件200的示意图，将支撑件200设置在基板100上，使支撑件200与基板100之间形成空腔220，MEMS芯片300、ASIC芯片400及金属线500均位于空腔220中，支撑件200的顶面还设置有进音孔210。支撑件200与基板100间可通过绝缘胶、导电胶或锡膏相连，选用锡膏时需再经过回流焊使锡膏固化以完成连接，当然地，芯片与基板间的连接如同样选用锡膏，则可通过一次回流焊完成芯片与基板100以及支撑件200与基板100之间的连接。
图9示出了在支撑件200上设置五金件600的示意图，图中的支撑件200与五金件600同样采用金属材料通过蚀刻工艺制成，故支撑件200的顶面可以具有鲜明的棱角，便于在顶面边缘区域设置连接材料700，支撑件200的底面与顶面尺寸相同，五金件600的尺寸例如与支撑件200的尺寸相同，使得五金件600可以规整的堆叠设置在支撑件200的顶面上；进一步地，支撑件200与五金件600的尺寸规格可完全相同，可采用同种工艺制备，仅需在生产的五金件600的顶面设置一进音孔210，即可使其作为支撑件200使用，进一步简化了各部件生产的复杂程度，降低了生产成本。
图10示出了本发明封装结构的制造方法的示意图，制造方法包括以下步骤：
S10制备支撑件、五金件和基板；其中，基板采用常规方式制成，在此不再赘述，支撑件及五金件例如采用金属作为原材料，通过金属刻蚀的方式分别将原材料加工成支撑件和五金件所需的形状，在对支撑件和五金件的部分区域设置镀层，以保证具有镀层的位置可以通过焊接、粘接等常规的连接方式进行连接。镀层可以选用金、银、锌、镍等材料，采用化学镀、振动电镀、挂镀等方式进行设置，支撑件的镀层例如位于其底面以及顶面的外围区域，五金件的镀层例如位于其底面。
S20在基板上贴装芯片；芯片例如包括MEMS芯片和ASIC芯片，分别将MEMS芯片和ASIC芯片贴装在基板的相应位置，并设置金属线使MEMS芯片和ASIC芯片电连接并与基板之间电连接。
S30将支撑件设置在基板上，形成半成品；将支撑件设置在贴装有芯片的基板上，支撑件与基板之间形成空腔，芯片位于空腔之中，空腔的高度大于芯片的厚度以及金属线的最大高度，支撑件的顶面上还设置有进音孔，芯片与基板以及支撑件与基板之间例如均采用锡膏相连，支撑件设置完成后通过一次回流焊使锡膏固化，以完成芯片的贴装及支撑件的设置制成半成品。可对该半成品进行常规的麦克风评估测试及筛选，筛除其中的不合格品，防止对不合格品进行继续加工造成浪费。
S40将五金件设置在半成品的支撑件上；在支撑件顶面的周边区域涂设连接材料，使五金件的凹槽朝向支撑件的顶面，将五金件设置在支撑件顶面上，连接材料例如选用绝缘胶或导电胶等粘合剂，使五金件与支撑件连接后，支撑件上的进音孔与外界相隔绝，防止外界对支撑件内芯片的影响，节约产品的测试成本。
当然地，五金件上还可设置有导气孔，导气孔连通外界与五金件中的凹槽，当五金件上设置有导气孔时，五金件与支撑件间的连接材料可选用锡膏，通过回流焊固化锡膏完成支撑件与五金件之间的连接。导气孔可导出焊接过程中受热膨胀的空气，有效防止在回流焊的过程中产品炸裂，进一步地，通过合理设置导气孔和凹槽，使其可以对外界声音进行适当的衰减，可以进一步保护支撑件内的芯片(MEMS芯片)，提升产品的稳定性和可靠性。
本发明实施例提供的微机电传感器封装结构及其制造方法，通过在支撑件上设置五金件，使五金件对支撑件的进音孔进行封堵，以隔绝外界对支撑件内的影响，保护支撑件内的芯片，提高了产品的稳定性和可靠性，使产品具有更高的良率。由于有五金件的存在，对支撑件内的结构提供了更好的保护，可以减少所需进行产品测试的次数，节约测试成本。
五金件内的凹槽通过进音孔与空腔相连，进一步增大了腔体的容积，有助于进一步改善产品性能。五金件如为封闭式，其还可以提升产品的防水性能。
进一步地，可将支撑件与五金件设计为相同的尺寸，支撑件与五金件均可采用金属材料通过蚀刻工艺制成，此方法可减少所需工艺的种类，还可使五金件与支撑件连接后更加的齐整，产品外观更加美观。
优选地，如支撑件与五金件之间的连接材料选用锡膏，该五金件还可通过设置连通外界与凹槽的导气孔，以导出在回流焊过程中受热膨胀的空气，防止产品炸裂。通过合理设置导气孔和凹槽，可形成适当的进音路径，使外界声音得到一定程度的衰减后再通过进音孔进入支撑件内。
本发明所提供的制造方法可以有效提高该微机电传感器的产品良率、减少所需的工艺种类及测试频次，从而降低其生产成本。
在以上的描述中，对于各器件的构图、蚀刻等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等效限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (14)

1.一种微机电传感器封装结构，其特征在于，包括：
基板；
支撑件，位于所述基板上，所述支撑件与所述基板之间形成空腔；
芯片，所述芯片位于所述空腔中，所述芯片经由金属线与所述基板电连接；
五金件，位于所述支撑件上；
其中，所述芯片包括MEMS芯片，所述支撑件上设置有进音孔，所述五金件用于封闭所述进音孔。
2.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述支撑件呈片状，所述基板包括凹陷，所述支撑件覆盖在所述凹陷上，所述支撑件与所述凹陷形成所述空腔。
3.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述支撑件包括顶面和侧壁，所述侧壁的底面与所述基板相连，所述进音孔设置在所述支撑件的顶面。
4.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述五金件呈片状，所述五金件的尺寸大于所述进音孔的尺寸。
5.根据权利要求2或3所述的封装结构，其特征在于，所述五金件具有凹槽，所述凹槽朝向所述支撑件，所述进音孔位于所述五金件凹槽在所述支撑件上的投影内。
6.根据权利要求5所述的封装结构，其特征在于，所述五金件位于所述支撑件的顶面，所述五金件的底面不大于所述支撑件的顶面。
7.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述五金件与所述支撑件之间通过连接材料相连。
8.根据权利要求7所述的封装结构，其特征在于，所述连接材料包括锡膏、导电胶、绝缘胶中的至少一种，所述连接材料涂设于所述支撑件的顶面、所述五金件底面的至少一者上，通过连接材料设置所述五金件与所述支撑件的机械连接。
9.根据权利要求5所述的封装结构，其特征在于，所述支撑件与所述五金件的制备工艺包括刻蚀工艺。
10.根据权利要求9所述的封装结构，其特征在于，所述支撑件底面、顶面以及所述五金件底面的尺寸相同。
11.根据权利要求9所述的封装结构，其特征在于，所述支撑件与所述五金件的至少部分表面设置有镀层，所述镀层包括金、银、锌、镍中的至少一种材料，使得具有镀层的位置可通过焊接、粘接等方式进行连接。
12.根据权利要求5所述的封装结构，其特征在于，所述五金件还设置有导气孔，所述导气孔将所述凹槽与外界相连通，所述导气孔与所述凹槽对进入的外界声音进行衰减。
13.一种微机电传感器封装结构的制造方法，其特征在于，包括：
制备如权利要求1-12任一项所述的支撑件、五金件及基板；
在所述基板上贴装芯片并设置金属线；
将所述支撑件与所述基板相连接，形成半成品；
将所述五金件设置在所述半成品的所述支撑件上；
其中，所述支撑件与所述基板之间形成空腔，贴装的芯片位于所述空腔中，所述五金件设置在所述支撑件上。
14.根据权利要求13所述制造方法，其特征在于，所述五金件还设置有导气孔，以导出焊接过程中受热膨胀的空气。
CN202010142484.9A 2020-03-04 2020-03-04 微机电传感器封装结构及其制造方法 Active CN111320130B (zh)

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