CN111422820B - 传感器的封装结构及封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传感器的封装结构及封装方法，其中，传感器的封装结构包括基板以及与所述基板构成封装腔的外壳，MEMS芯片通过支撑结构悬空设置在所述封装腔内，所述支撑结构包括第一支撑结构和第二支撑结构；其中，所述第一支撑结构沿第一方向与所述基板固定连接，所述第二支撑结构沿第二方向设置，所述第一支撑结构在所述第二方向上与所述MEMS芯片之间存在间隙，所述第二支撑结构的一端连接所述第一支撑结构，另一端连接所述MEMS芯片。本发明的MEMS芯片只接触第二支撑结构，避免了MEMS芯片和基板之间的相互作用力，第二支撑结构会吸收应力，提高了MEMS芯片的灵敏度和耐压能力。

Description

传感器的封装结构及封装方法

技术领域

本发明涉及半导体封装领域，具体涉及传感器的封装结构及封装方法。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微型机电系统)传感器通过MEMS芯片的振膜的微小形变产生灵敏度变化，灵敏度的稳定性受应力影响较大。目前，一般通过使用胶水将MEMS芯片的衬底粘接在基板上，由于MEMS芯片衬底的热膨胀系数和基板的热膨胀系数不同，在高温烘烤时，两者会发生不同的形变，烘烤过后，两者的形变有复原的趋势；但由于MEMS芯片衬底和基板中间的粘接层的凝固，芯片衬底和基板的形变无法完全复原，于是该形变趋势被转换成了应力，此应力会传导至MEMS芯片的振膜上。再比如：MEMS芯片衬底和基板受到挤压力，MEMS芯片衬底和基板之间会存在相互作用力，当挤压力被释放时，由于MEMS芯片衬底和基板存在不同程度的塑性变形，芯片衬底的弹性形变无法完全复原，于是该形变趋势被转换成了应力，此应力会传导到MEMS芯片的振膜上。如果MEMS芯片的振膜产生较大应力，对传感器的性能有较大影响，如降低传感器的灵敏度、压应力还能减小传感器芯片的耐压能力。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种传感器的封装结构及封装方法，旨在改善目前传感器的封装结构中，MEMS芯片受应力影响较大的问题。

为实现上述目的，本发明提出一种传感器的封装结构，包括基板以及与所述基板构成封装腔的外壳，MEMS芯片通过支撑结构悬空设置在所述封装腔内，所述支撑结构包括第一支撑结构和第二支撑结构；其中，所述第一支撑结构沿第一方向与所述基板固定连接，所述第二支撑结构沿第二方向设置，所述第一支撑结构在所述第二方向上与所述MEMS芯片之间存在间隙，所述第二支撑结构的一端连接所述第一支撑结构，另一端连接所述MEMS芯片。

优选地，所述第一支撑结构为支撑柱，所述支撑柱的数量为至少一个。

优选地，所述第二支撑结构为胶膜，胶膜的数量为至少一个。

优选地，所述传感器为MEMS麦克风或者压力传感器。

优选地，所述基板上设有用于接收声音信号的声孔，所述声孔设置在与所述MEMS芯片相对的所述基板位置。

优选地，所述第二支撑结构与所述MEMS芯片远离所述声孔的一端连接。

优选地，所述第一支撑结构通过胶水粘接在所述基板上。

此外，本发明还提供了一种封装方法，用于封装上述所述的传感器的封装结构，所述封装方法包括以下步骤：

将第一支撑结构安装在基板上；

将MEMS芯片固定在底座上；

采用第二支撑结构将所述MEMS芯片与第一支撑结构连接；

拆除所述底座。

优选地，所述底座内设有吸气槽；所述将MEMS芯片固定在底座上的步骤包括：

将所述吸气槽的一端对准所述MEMS芯片的底部，将所述吸气槽的另一端连接真空发生装置，打开真空发生装置，以使所述MEMS芯片固定在所述底座上。

优选地，所述第二支撑结构为胶膜，所述采用第二支撑结构将所述MEMS芯片与第一支撑结构连接的步骤包括：

将胶膜的两端分别放置在所述第一支撑结构和MEMS芯片上；

加热熔融所述胶膜的两端；

将熔融的胶膜固化，以连接所述第一支撑结构和MEMS芯片。

在本发明的技术方案中，支撑结构包括沿第一方向设置的第一支撑结构和沿第二方向设置的第二支撑结构，第一支撑结构固定在基板上，第二支撑结构的两端分别与第一支撑结构和MEMS芯片连接，第一支撑结构在第二方向上与MEMS芯片之间存在一定的间隙，MEMS通过上述支撑结构悬空设置在封装腔内，MEMS芯片只接触第二支撑结构，避免了与基板之间直接接触，MEMS芯片和基板之间不存在相互作用力，第二支撑结构可吸收相应的应力，提高了MEMS芯片的灵敏度和耐压能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例的传感器的封装结构的示意图；

图2～图5为本发明实施例的封装方法各个步骤中的传感器的封装结构示意图；

图6为本发明一实施例的封装方法的流程图。

附图标号说明：

1	基板	11	声孔
				2	MEMS芯片	21	衬底结构
211	第一衬底	212	第二衬底
				213	第二凹槽	22	振膜
31	第一支撑结构	311	第一凹槽
				32	第二支撑结构	4	ASIC芯片
5	外壳	6	底座
				61	吸气槽	7	加热压合头

具体实施方式

下面将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的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种传感器的封装结构，如图1所示，包括基板1以及与基板1构成封装腔的外壳5，MEMS芯片2通过支撑结构悬空设置在封装腔内，支撑结构包括第一支撑结构31和第二支撑结构32；其中，第一支撑结构31沿第一方向与基板1固定连接，第二支撑结构32沿第二方向设置，第一支撑结构31在第二方向上与MEMS芯片2之间存在间隙，第二支撑结构32的一端连接第一支撑结构31，另一端连接MEMS芯片2。

其中，本实施例的第一方向是指沿封装的竖直方向，第二方向为基板的延伸方向。需要说明的是，第一方向不局限于为与基板垂直的方向，第二方向也不局限于为与基板平行的方向。只要第二方向与第一方向成一定夹角设置，能够实现支撑结构将MEMS芯片悬空于封装腔内即可。

目前传统的方法一般采用低模量的胶水将衬底结构粘接在基板上，但由于胶水被薄涂在基板上，固化后会屈服于基板的应力，相当于衬底结构和基板直接接触，MEMS芯片的灵敏度受压力等外力影响较大。本实施例的MEMS芯片2包括衬底结构21和设置在衬底结构21上的振膜22，支撑结构包括第一支撑结构31和第二支撑结构32，衬底结构21与第二支撑结构32连接，由于第一支撑结构在第二方向上与MEMS芯片之间存在一定的间隙，支撑结构能够使得MEMS芯片悬空在封装腔中，MEMS芯片只接触第二支撑结构，避免了与基板之间直接接触，MEMS芯片和基板之间不存在相互作用力，第二支撑结构可吸收相应的应力，提高了MEMS芯片的灵敏度和耐压能力。

此外，现有的芯片衬底下端与基板粘接时，通过液态的胶水连接，当胶水固化后，形成粘接层，在实际粘接过程中，由于胶水是液态的，粘接过程中胶水无法堆积较高的高度，否则胶水会向外侧满溢，胶水固化后，粘接层非常薄，当基板和MEMS芯片之间存在相互作用力时，粘接层无法有效的变形，MEMS芯片的形变无法复原，最终MEMS芯片会出现残余应力，降低MEMS麦克风的使用性能。而本实施例的衬底结构21只接触第二支撑结构32，且第二支撑结构32有一定的厚度，能够有效承受作用力，吸收MEMS芯片2的残余应力，便于振膜22释放残余应力。

本实施例的MEMS麦克风的封装结构还包括位于封装腔内的ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit，专用集成电路)芯片，MEMS芯片2与ASIC芯片4通过金属线电连接。外壳5可选择金属材质，以较少电磁干扰，提高MEMS麦克风的抗干扰性能。

进一步地，第一支撑结构31为支撑柱，支撑柱的数量为至少一个。支撑柱可垂直设置在基板1上，也可以倾斜设置在基板1上，支撑柱的数量优选为两个，两个支撑柱分别位于MEMS芯片2的两侧。需要说明的是，第一支撑结构31不局限于为柱状，也可以为球状、环状等结构。

更进一步地，第二支撑结构32为胶膜，胶膜的数量为至少一个。胶膜的数量可与第一支撑结构31的数量对应，优选为两个，通过设置两个支撑结构，且两个支撑结构分设于MEMS的两侧，可增加MEMS芯片2的稳固性。其中，胶膜32可采用硅胶膜32，硅胶为低模量材料，能够吸收残余应力。当然，其它低模量且能满足麦克风封装工艺要求的材料，也应属于本申请的保护范围。

具体地，传感器为MEMS麦克风或者压力传感器。MEMS麦克风是将声音信号转换为电信号的能量转换器，是基于MEMS技术制造的麦克风，可以采用表贴工艺进行制造，并具有很好的噪声消除性能与良好的射频及电磁干扰抑制能力，MEMS麦克风正是以其上述诸多的优点在便携式电子设备中得到了广泛的应用。压力传感器是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。由于本实施例的MEMS芯片2悬空设置在封装腔内，不与基板1直接接触，MEMS麦克风的灵敏度高，压力传感器的耐压能力强。

更具体地，基板1上设有用于接收声音信号的声孔11，声孔11设置在与MEMS芯片2相对的基板1位置。MEMS芯片2为将声音信号转化为电信号的换能部件，将声孔11设置在基板1上能够给MEMS芯片2的悬空提供空间，将声孔11设置在基板1与MEMS芯片2相对的位置，更有利于声音信号直接传递至MEMS芯片2，提高声音信号传输的可靠性。

本实施例的振膜22和胶膜32分别与衬底结构21的端部连接，胶膜32不覆盖振膜22，不影响振膜22感应声音信号，通过将振膜22和胶膜32分别固定至衬底结构21的端部，能够加强MEMS芯片2的稳定性。当然，在其它实施例中，胶膜32也可以与衬底结构21的中间段或其它位置连接，但是结构的稳定性会低于上述连接结构。且振膜22和胶膜32分别与衬底结构21远离声孔11的一端连接，能够节约封装腔在竖直方向上的高度，减小封装尺寸。

衬底结构21包括第一衬底211和第二衬底212，振膜22的两端分别与第一衬底211和第二衬底212连接。第一衬底211和第二衬底212对称设置在振膜22的两端，可进一步加强MEMS芯片2的稳定性，阻止振膜22上下振动时横向摆动，防止振膜22因振幅过大而发生扭曲，提高MEMS芯片2的使用寿命，提高了MEMS芯片2的使用寿命。

衬底结构21的两端分别连接一个支撑结构，能够提高MEMS芯片2的稳定性。第一支撑结构31包括第一支撑柱和第二支撑柱，第二支撑柱32包括第一胶膜和第二胶膜，第一胶膜的两端可分别与第一衬底211和第一支撑柱连接，第二胶膜的两端可分别与第二衬底212和第二支撑柱连接，振膜22和胶膜32分别与衬底结构21远离声孔11的一端连接，MEMS芯片2与声孔11相对设置，第一支撑柱和第二支撑柱分别位于声孔11的两侧，既有利于声音信号的传输，又可以加强MEMS芯片2的稳固性。

优选地，第一支撑结构31通过胶水粘接在基板1上。可采用硅胶胶水粘接支撑柱31和基板1，能满足麦克风封装工艺，且硅胶胶水固化后为低模量材料，能够吸收残余应力。

此外，本发明还提供了一种封装方法，用于封装上述传感器的封装结构，如图6所示，封装方法包括以下步骤：

S10、将第一支撑结构31安装在基板1上(如图2所示)；

可通过低模量的胶水(如硅胶胶水)将第一支撑结构31粘接在基板1上，能够进一步减小残余应力。

S20、将MEMS芯片2固定在底座6上(如图3所示)；

暂时将MEMS芯片2固定在底座6上，以便于将第二支撑结构32分别连接至MEMS芯片2和第一支撑结构31。

S30、采用第二支撑结构32将MEMS芯片2与第一支撑结构31连接(如图4所示)；

第一支撑结构31可以为支撑柱，第二支撑结构32可采用硅胶胶膜，胶膜的两端分别与衬底结构21和支撑柱固定，MEMS芯片2与基板1上的声孔11面对设置，衬底结构21的上端与振膜22连接，下端固定在底座6上。衬底结构21和支撑柱的上端可位于同一平面上，以便于连接MEMS芯片2与支撑柱。

S40、拆除底座6。

可将衬底结构21的下端与底座6分离，完成MEMS芯片2的安装。然后在基板1上安装ASIC芯片4，通过金属线连接MEMS芯片2和ASIC芯片4，再将外壳5盖设在基板1上，以使MEMS芯片2、ASIC芯片4和支撑结构位于容纳腔内。本实施例的封装方法简单，制备得到的MEMS麦克风的封装结构灵敏度和耐压能力高。

在一实施例中，底座6内设有吸气槽61；将MEMS芯片2固定在底座6上的步骤包括：

将吸气槽61的一端对准MEMS芯片2的底部，将吸气槽61的另一端连接真空发生装置，打开真空发生装置，以使衬底固定在底座6上。

需要固定MEMS芯片2的衬底结构21时，打开真空发生装置抽真空即可；当需要将底座6和衬底结构21分离使，关闭真空发生装置，操作方便。在其它实施例中，也可采用可分离膜先将衬底结构21与底座6粘接在一起，待MEMS芯片2与支撑结构固定连接后，再将衬底结构21与底座6上的可分离膜分开，以拆除底座6。

更细化地，采用第二支撑结构32将MEMS芯片2的衬底与第一支撑结构31连接的步骤包括：

将胶膜的两端分别放置在第一支撑结构31和MEMS芯片2上；

加热熔融胶膜的两端；

将熔融的胶膜固化，以连接第一支撑结构31和MEMS芯片2。

第一支撑结构31上设有第一凹槽311，衬底结构21上设有第二凹槽213，放置胶膜时，将胶膜的两端分别放置在第一凹槽311和第二凹槽213中，通过第一凹槽311和第二凹槽213中的胶膜部分加热熔融，然后通过固化，使得胶膜分别与衬底结构21和支撑柱31固定，操作简单。在其它实施例中，还可以在第一支撑结构31和衬底结构21之间设置一个模具，然后在模具内注入胶水，待胶水固化后，将模具取走，即完成MEMS芯片2和第一支撑结构31的连接。

进一步地，如图4所示，加热熔融胶膜的两端的步骤包括：

采用加热压合设备的加热压合头7分别对准胶膜的两端；

将胶膜的两端分别加热压合在衬底结构21和第一支撑结构31上。

通过加热压合头7对第一凹槽311和第二凹槽213中的胶膜部分施压并加热，持续到胶膜固化，然后移开加热压合设备，得到如图5所示的结构，本实施例操作简单且提高了封装效率。当然，本申请并不局限于采用加热压合头7对胶膜加热的方式，其它任何可使胶膜熔融的加热方式均在本发明的保护范围内。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书所作的等效变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种传感器的封装结构，其特征在于，包括基板以及与所述基板构成封装腔的外壳，MEMS芯片通过支撑结构悬空设置在所述封装腔内，所述支撑结构包括第一支撑结构和第二支撑结构；其中，所述第一支撑结构沿第一方向与所述基板固定连接，所述第二支撑结构沿第二方向设置，所述第一支撑结构在所述第二方向上与所述MEMS芯片之间存在间隙，所述第二支撑结构的一端连接所述第一支撑结构，另一端连接所述MEMS芯片。

2.如权利要求1所述的传感器的封装结构，其特征在于，所述第一支撑结构为支撑柱。

3.如权利要求1所述的传感器的封装结构，其特征在于，所述第二支撑结构为胶膜。

4.如权利要求1所述的传感器的封装结构，其特征在于，所述传感器为MEMS麦克风或者压力传感器。

5.如权利要求1所述的传感器的封装结构，其特征在于，所述基板上设有用于接收声音信号的声孔，所述声孔设置在与所述MEMS芯片相对的所述基板位置。

6.如权利要求5所述的MEMS麦克风的封装结构，其特征在于，所述第二支撑结构与所述MEMS芯片远离所述声孔的一端连接。

7.如权利要求1~6中任一项所述的MEMS麦克风的封装结构，其特征在于，所述第一支撑结构通过胶水粘接在所述基板上。

8.一种封装方法，其特征在于，用于封装如权利要求1~7中任一项所述的传感器的封装结构，所述封装方法包括以下步骤：

将第一支撑结构安装在基板上；

将MEMS芯片固定在底座上；

采用第二支撑结构将所述MEMS芯片与第一支撑结构连接；

拆除所述底座。

9.如权利要求8所述的封装方法，其特征在于，所述底座内设有吸气槽；所述将MEMS芯片固定在底座上的步骤包括：

将所述吸气槽的一端对准所述MEMS芯片的底部，将所述吸气槽的另一端连接真空发生装置，打开真空发生装置，以使所述MEMS芯片固定在所述底座上。

10.如权利要求8或9所述的封装方法，其特征在于，所述第二支撑结构为胶膜，所述采用第二支撑结构将所述MEMS芯片与第一支撑结构连接的步骤包括：

将胶膜的两端分别放置在所述第一支撑结构和MEMS芯片上；

加热熔融所述胶膜的两端；

将熔融的胶膜固化，以连接所述第一支撑结构和MEMS芯片。