CN112938888B - 具有应力调节的mems传感器芯片封装结构与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有应力调节的MEMS传感器封装结构与方法，封装结构在MEMS传感器芯片衬底底部粘接有过渡片，过渡片底部镀有金层，金层图像关于MEMS传感器芯片结构中心对称；过渡片与管壳底部之间设有金锡焊层；芯片盖板上粘接有应力调节片，用于补偿MEMS工艺产生的残余应力，将MEMS传感器结构上的应力调节至合理值，使得MEMS传感器输出的温度系数在零附近，采用金锡焊工艺将过渡片粘接在管壳内，减小了封装应力对MEMS传感器敏感结构的影响。

Description

具有应力调节的MEMS传感器芯片封装结构与方法
技术领域
本发明属于微机电系统MEMS芯片封装技术领域，特别涉及一种具有应力调节的MEMS传感器芯片封装结构与方法。
背景技术
MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)传感器是利用MEMS工艺制备的微结构，结合专用集成电路(ASIC)组成智能化微传感器，如微陀螺、微加速度计、微压力传感器等。MEMS传感器的一个核心指标是温度漂移，造成其温度漂移的主要因素是MEMS结构上的残余应力，如残余应力引起硅振梁加速度计谐振频率漂移，从而产生标度因数和零偏的温度漂移。残余应力主要来源于MEMS工艺中的薄膜生长、键合工艺和封装过程中的贴片工艺。
封装过程产生的残余应力是由于MEMS传感器芯片和封装管壳等材料热膨胀系数不一致引起的，且应力会随着温度变化而变化，从而影响MEMS传感器输出。针对该问题，提出了各种MEMS传感器低应力封装方法，主要包括：1)低硬度粘接胶，由于该类型胶的杨氏模量较低，能够有效降低封装应力，但由于胶的材料特性与温度相关，高低温时，应力变化出现与温度非线性关系，导致MEMS传感器高低温输出与温度呈现高阶项，增加了补偿难度；2)采用过渡结构，隔离由于封装管壳产生的应力，过渡结构的刚度与隔离效果成反比，对于某些MEMS传感器而已，如微陀螺和微加速度计，过渡结构刚度过小，则微陀螺或微加速度计的结构衬底刚度过小，无法提供测量基准，产生测量误差；3)胶图形化，采用胶粘接方式，粘接面积越小应力越小，但粘接强度相应较小，因此需要在粘接强度与应力之间进行协调设计。目前已有的MEMS低应力封装方法在一定程度上降低了封装应力，但对于MEMS工艺过程中出现较大残余应力时，MEMS传感器的温度性能仍然较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应力可调的MEMS传感器芯片封装结构与方法，具有应力调节、粘接强度大、易于实现批量制造。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种具有应力调节的MEMS传感器封装结构，包括MEMS传感器芯片、管壳、引线和管壳盖板；所述MEMS传感器芯片通过引线连接到管壳上；所述管壳盖板固定在管壳上；
所述MEMS传感器芯片包括芯片盖板、结构层和衬底，结构层密封在由芯片盖板和衬底形成的密闭空腔中；所述衬底底部粘接有过渡片，所述过渡片底部镀有金层，金层图像关于MEMS传感器芯片结构中心对称，并规避MEMS传感器芯片的关键锚点；所述过渡片采用金锡焊工艺焊接在管壳上，在管壳与过渡层之间形成图形化的金锡焊接层，与管壳底部之间设有金锡焊层；
所述芯片盖板上粘接有应力调节片，所述应力调节片用于补偿MEMS工艺产生的残余应力。
一种具有应力调节的MEMS传感器封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备MEMS传感器芯片；
根据MEMS传感器芯片锚点分布设计过渡片上的图形化金层；图形化金层关于MEMS传感器芯片结构中心对称，并规避MEMS传感器芯片的关键锚点；
通过仿真结果和应力最小设计要求，设计应力调节片的几何尺寸和粘接位置；根据设计尺寸制备调节片；
在晶片上镀一层图形化金层，并采用划片工艺制备过渡片；根据过渡片上的图形化金层，准备金锡焊料；
将管壳、金锡焊料和过渡片叠放好，放入金锡焊炉中进行加温焊接，然后冷却至室温；
将MEMS传感器芯片粘接在过渡片上并固化；
根据仿真设计的粘接位置将应力调节片粘接在MEMS传感器芯片并固化；
通过引线将MEMS传感器芯片与管壳连接；
将盖板固定在管壳上。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)在MEMS传感器芯片上增加应力调节片，用于调节封装应力，补偿MEMS工艺产生的残余应力，将MEMS传感器结构上的应力调节至合理值，使得MEMS传感器输出的温度系数在零附近；
(2)过渡片和应力调节片的材料分别与MEMS传感器芯片的衬底和芯片盖板相同，封装结构中最大应力在管壳与过渡片的交界面，MEMS传感器芯片与管壳之间增加了过渡片，大大减小了管壳粘接处应力对MEMS传感器结构的影响，同时粘接胶材料特性对MEMS传感器性能影响很小，则降低了对粘接胶的要求，可选择性强；
(3)采用金锡焊工艺将过渡片粘接在管壳内，有效降低封装应力，减小了封装应力对MEMS传感器敏感结构的影响；金锡焊接面的图形可控、粘接强度高且一致性好，则提高了MEMS传感器封装的一致性；
(4)过渡片和应力调节片均采用MEMS工艺加工，可实现批量生产，成本低。
附图说明
图1是本发明的应力调节MEMS传感器封装结构剖面示意图。
图2是本发明的MEMS传感器芯片剖面片示意图。
图3是过渡层上不同图形化图案示意图。
图4是本发明的应力调节片示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1，本发明一种具有应力调节的MEMS传感器封装结构，包括MEMS传感器芯片1、管壳2、金锡焊接层3、过渡片4、第一粘接胶层5、第二粘接胶层6、应力调节片7、引线8和管壳盖板9。
结合图2，本发明一种具有应力调节的MEMS传感器封装结构，所述的MEMS传感器芯片1包括芯片盖板101、结构层102和衬底103，结构层102密封在由芯片盖板101和衬底103形成的密闭空腔中。芯片盖板101和衬底103的材料可以为硅或玻璃。
结合图1和图2，所述的管壳2类型可为陶瓷管壳或金属管壳，外形为矩形或圆片，管壳2底部镀金层。
所述的过渡片4的材料与MEMS传感器芯片1的衬底103同材料，过渡片4的一面采用MEMS工艺镀金层，用于减小过渡片4与管壳2的接触面积；金层图形和尺寸根据MEMS传感器芯片1进行设计，采用金锡焊工艺将过渡片4镀有金层的一面与管壳2焊接，在过渡片4与管壳2底部之间形成金锡焊接层3，金锡焊接层3规避了MEMS惯性传感器芯片的支撑活动结构、驱动或检测电极等关键锚点，大大减小了封装应力对MEMS传感器敏感结构的影响；同时相同粘接面积情况下，金锡焊的粘接强度越是粘接胶粘接的3～4倍。
所述的第一粘接胶层5将MEMS传感器芯片1的衬底103粘接在过渡片4上，第二粘接胶层6将应力调节片7粘接在MEMS传感器芯片1的芯片盖板101上。
所述的应力调节片7的材料与MEMS传感器芯片1的芯片盖板101相同，为硅或玻璃。
采用引线键合工艺将引线8从MEMS传感器芯片1连接到管壳2上，采用平行封焊工艺将管壳盖板9焊接到管壳2上。
结合图4，本发明一种具有应力调节的MEMS传感器封装结构，所述的应力调节片7的长L、宽W、厚度h以及粘接位置(x、y)根据MEMS传感器芯片进行设计，实现MEMS传感器应力补偿。
所述的应力调节片7的长L、宽W、厚度h以及粘接位置(x、y)采用有限元仿真获得，仿真模型为MEMS传感器的整体封装结构，包括管壳2、金锡焊接层3、过渡片4、第一粘接胶层5、MEMS传感器芯片1、第二粘接胶层6和应力调节片7，进行热固耦合仿真，调节应力调节片7的几何尺寸L、宽W、厚度h和粘接位置x、y，使得MEMS传感器支撑锚点、驱动电极或检测电极等位置的位移最小。
一种具有应力调节的MEMS传感器封装方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：采用MEMS工艺制备MEMS传感器芯片1，MEMS传感器芯片1包括衬底103、结构层102和芯片盖板101，衬底103和芯片盖板101材料可以为硅或玻璃；
步骤2：根据MEMS传感器芯片1锚点分布设计过渡片4上的图形化金层4a；
结合图3，过渡层4一面采用MEMS工艺镀一层图形化金层4a，图形如图3所示，图形选择规则为：1)规避MEMS传感器芯片1中关键锚点，如支撑活动结构的锚点、固定电极或检测电极等；2)为保证足够焊接强度，总焊接面积不小于芯片面积的1/5。当MEMS惯性传感器的锚点分布在四周时，可采用如图3中(a)、(b)所示的图形，图形边缘离MEMS惯性传感器关键锚点的距离应不小于圆形半径1/4或正方形边长的1/8。MEMS惯性传感器的锚点集中在芯片中间时，可采用如图3中(c)和(d)所示的图形。图3中(c)采用了四段弧形，四段圆弧关于结构中心对称，弧形内环距离MEMS惯性传感器的关键锚点的距离应不小于300um。图3中(d)由分立的圆形构成圆环，圆环内径距离MEMS惯性传感器的关键锚点的距离应不小于300um。
步骤3：管壳2选用底部镀金层的陶瓷管壳或金属管壳，建立包括管壳2、金锡焊接层3、过渡片4、第一粘接胶层5、MEMS传感器芯片1、第二粘接胶层6和应力调节片7的有限元仿真模型，进行热固耦合仿真，调整应力调节片7的几何尺寸(长L、宽w和厚度h)和粘接位置(x、y)，使得MEMS传感器支撑锚点、驱动电极或检测电极等位置的位移最小；
步骤4：利用MEMS工艺在硅圆片或玻璃圆片上镀一层图形化金层4a，并采用划片工艺将硅圆片或玻璃圆片划成过渡片4；
步骤5：根据过渡片4上的图形化金层4a，准备金锡焊料；
步骤6：将硅圆片或玻璃圆片，采用腐蚀、抛光和划片等工艺，按照设计要求，制成应力调节片7；
步骤7：将管壳2、金锡焊料和过渡片4叠放好，放入金锡焊炉中，按照金锡共晶焊温度曲线进行加温焊接，然后冷却至室温，在管壳2与过渡片4之间形成金锡焊接层3；
步骤8：取出装好过渡片的管壳2，在过渡片4上涂第一层粘接胶5，并将MEMS传感器芯片1放在过渡片4上，按照粘接胶固化温度，进行固化；
步骤9：在MEMS传感器芯片1的芯片盖板101上再涂第二层粘接胶6，将应力调节片7放在MEMS传感器芯片1上，按照粘接胶固化温度，进行固化；
步骤10：采用引线键合工艺键合引线8，实现MEMS传感器芯片1与管壳2间的点互连；
步骤11：采用平行缝焊工艺将管壳盖板9焊接在管壳2上。

Claims (8)

1.一种具有应力调节的MEMS传感器封装结构，包括MEMS传感器芯片、管壳、引线和管壳盖板；所述MEMS传感器芯片通过引线连接到管壳上；所述管壳盖板固定在管壳上；其特征在于，
所述MEMS传感器芯片包括芯片盖板、结构层和衬底，结构层密封在由芯片盖板和衬底形成的密闭空腔中；所述衬底底部粘接有过渡片，所述过渡片的材料与MEMS传感器芯片的衬底同材料，所述过渡片底部镀有金层，用于减小过渡片与管壳的接触面积，金层图像关于MEMS传感器芯片结构中心对称，并规避MEMS传感器芯片的关键锚点；所述过渡片采用金锡焊工艺焊接在管壳上，在管壳与过渡层之间形成图形化的金锡焊接层；
所述芯片盖板上粘接有应力调节片，所述应力调节片的材料与MEMS传感器芯片的芯片盖板材料相同，用于补偿MEMS工艺产生的残余应力；所述的应力调节片的长、宽、厚度以及粘接位置采用有限元仿真获得，仿真模型为MEMS传感器的整体封装结构。
2.根据权利要求1所述的具有应力调节的MEMS传感器封装结构，其特征在于，芯片盖板和衬底的材料为硅或玻璃。
3.根据权利要求1所述的具有应力调节的MEMS传感器封装结构，其特征在于，所述的管壳为陶瓷管壳或金属管壳。
4.根据权利要求1所述的具有应力调节的MEMS传感器封装结构，其特征在于，所述管壳盖板采用平行封焊工艺焊接到管壳上。
5.一种具有应力调节的MEMS传感器封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备MEMS传感器芯片；
根据MEMS传感器芯片锚点分布设计过渡片上的图形化金层；图形化金层关于MEMS传感器芯片结构中心对称，并规避MEMS传感器芯片的关键锚点；
通过仿真结果和应力最小设计要求，设计应力调节片的几何尺寸和粘接位置；根据设计尺寸制备调节片；
在晶片上镀一层图形化金层，并采用划片工艺制备过渡片；根据过渡片上的图形化金层，准备金锡焊料；
将管壳、金锡焊料和过渡片叠放好，放入金锡焊炉中进行加温焊接，然后冷却至室温；
将MEMS传感器芯片粘接在过渡片上并固化；
根据仿真设计的粘接位置将应力调节片粘接在MEMS传感器芯片并固化；
通过引线将MEMS传感器芯片与管壳连接；
将盖板固定在管壳上。
6.根据权利要求5所述的具有应力调节的MEMS传感器封装方法，其特征在于，所述引线采用引线键合工艺键合。
7.根据权利要求5所述的具有应力调节的MEMS传感器封装方法，其特征在于，所述管壳和过渡片按照金锡共晶焊温度曲线进行加温焊接。
8.根据权利要求5所述的具有应力调节的MEMS传感器封装方法，其特征在于，所述管壳盖板采用平行封焊工艺焊接到管壳上。
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