CN112938889B - 基于图形化金锡焊的mems惯性传感器低应力封装结构及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于图形化金锡焊的MEMS惯性传感器低应力封装结构及方法，所述的MEMS惯性器件包含：MEMS传感器芯片、粘接胶、过渡层、金锡焊以及封装管壳。MEMS传感器芯片通过粘接胶粘接在过渡层上，过渡层通过金锡焊焊接在封装管壳上。本发明通过在MEMS传感器芯片和封装管壳中间增加过渡层，将陶瓷管壳形变产生的应力集中在过渡层底部；并且通过金锡焊图形化，规避MEMS传感器芯片重要锚点，减少过渡层与封装管壳的接触面积，最终减小封装应力对MEMS惯性器件敏感结构的影响，达到提高MEMS惯性器件精度的目的。

Description

基于图形化金锡焊的MEMS惯性传感器低应力封装结构及方法
技术领域
本发明涉及微机电技术领域，特别是一种基于图形化金锡焊的MEMS惯性传感器低应力封装结构及方法。
背景技术
MEMS封装是MEMS传感器由芯片到成型之前所必经的一个工艺过程，它对于芯片具有支持和保护作用，使之不受外部环境的干扰和破坏。此外，对于不同的MEMS传感器，其封装还需要提供对应的工作环境和活动空间。
MEMS传感器中的残余应力主要来源于MEMS芯片制备过程和封装过程。芯片在制备过程中经过氧化、刻蚀等工艺后，微结构内会出现残余应力，称为工艺应力。工艺应力由工艺过程所决定，由于硅晶体结构稳定，对器件的长期稳定性影响较小。另一方面，器件封装过程所产生的残余应力称为封装应力。封装应力一般是由于芯片、粘接材料和管壳等封装材料的热失配所产生，属于热应力，具有很强的温度特性。在使用过程中，由于环境温度的变化，封装产生的热应力产生变化，从而引起MEMS传感器输出的温度漂移。在长期贮存过程中，由于温度等环境因素改变，以及粘接材料的材料特效随时间的老化，使得封装应力在长期贮存时出现较为显著的变化，从而产生MEMS器件的性能稳定性和可靠性问题。对于MEMS惯性传感器而言，温度漂移和长期可靠性都是核心指标。因此，低应力封装是解决MEMS惯性传感器温度漂移和长期可靠性的关键技术。
封装产生的热应力是由于多种材料热膨胀系数不匹配造成的，降低封装应力的思路一是选用合理的封装材料以减小材料间的热失配程度，二是应力隔离。MEMS惯性传感器贴片工艺常采用粘接胶，如环氧树脂、银玻璃等，选用低硬度粘接胶能有效减小封装应力，但由于粘接胶材料特性具有很强的温度特性，高低温时，杨氏模量变化出现非线性变化，使得MEMS惯性传感器输出与温度呈高阶关系，难以补偿；此外，粘接胶会产生放气等，不适用于器件级真空封装的MEMS惯性传感器。MEM惯性传感器芯片粘接面积的大小也会影响封装应力，因此有提出粘接胶图形化的低应力封装方案(CN103193198A)，粘接面积越小应力越小，与此同时，芯片的粘接强度越小，这会影响到器件的可靠性。应力隔离的思路是在MEMS惯性传感器芯片与管壳之间增加过渡结构(CN109761187A)，过渡结构的刚度越小，隔离效果越好，但是过渡结构刚度较小时，一是不能为MEMS惯性传感器提高稳定的基准，造成测量误差，二是降低抗振动和冲击性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于图形化金锡焊的MEMS惯性传感器低应力封装结构及方法，以提高MEMS惯性传感器精度。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于图形化金锡焊的MEMS惯性传感器低应力封装方法，在MEMS惯性传感器芯片与封装管壳之间设有过渡层，所述过渡层底部设有图形化金层，用于减小过渡层与封装管壳的接触面积，并规避MEMS惯性传感器的关键锚点；所述过渡层采用金锡焊工艺焊接在封装管壳上，在封装管壳与过渡层之间形成图形化的金锡焊接层。
一种基于图形化金锡焊的MEMS惯性传感器低应力封装结构，包括MEMS惯性传感器芯片、粘接胶、封装管壳、引线和盖板；所述MEMS惯性传感器芯片与封装管壳之间设有过渡层，所述过渡层底部设有图形化金层，用于减小过渡层与封装管壳的接触面积，并规避MEMS惯性传感器的关键锚点；所述过渡层采用金锡焊工艺焊接在封装管壳上，在封装管壳与过渡层之间形成图形化的金锡焊接层。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)过渡层上淀积了图形化金层，减小过渡层与封装管壳有效接触面积，有效降低封装应力；同时图形化的金锡焊规避了MEMS惯性传感器的支撑活动结构、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。
(2)过渡层材料与MEMS惯性传感器芯片衬底材料相同，整个封装结构中最大应力在管壳与过渡层的交界面，由于过渡层的缓冲作用，传递至MEMS传感器芯片上的应力大大减小，同时减小了MEMS惯性传感器芯片对粘接胶的要求；同时过渡层为平板结构，其结构刚度大。
(3)金锡焊相对于粘接胶温度特性好、图形可控、一致性好，且固化过程中不会产生气体，易于批量生产。
附图说明
图1是实施例一封装完成的MEMS惯性传感器示意图。
图2(a-e)是过渡层上不同图形化图案示意图。
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。
本发明基于图形化金锡焊的MEMS惯性传感器低应力封装结构，包括MEMS惯性传感器芯片1、粘接胶2、过渡层3、金锡焊接层4、封装管壳5、引线6和盖板7。
结合图1，封装管壳5材料为陶瓷或金属，外形为矩形或圆形，封装管壳5内腔底部镀一层金层。
过渡层3材料与MEMS惯性传感器芯片衬底材料相同，为硅或玻璃。过渡层3底部采用MEMS工艺镀一层图形化金层3a。
过渡层3采用金锡焊工艺焊接在封装管壳5上，在封装管壳5与过渡层3之间形成图形化的金锡焊接层4。这样大大降低了热应力，同时减小了外界机械应力对MEMS惯性传感器的影响。
过渡层3顶部涂一层粘接胶，将MEMS惯性传感器芯片1粘接在过渡层3上。MEMS惯性传感器芯片可以为玻璃-硅或硅-硅等两层结构，也可以为玻璃-硅-玻璃或硅-硅-硅的三层结构。
采用引线键合工艺设置引线6将MEMS惯性传感器芯片1与封装管壳5连接。
采用平行封焊将盖板7焊接在封装管壳5上，形成最终封装完成的MEMS惯性传感器。
结合图2，过渡层3一面采用MEMS工艺镀一层图形化金层3a，图形如图2所示，图形选择规则为：1)规避MEMS惯性传感器芯片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2(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2(c)和(d)所示的图形。图2(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2(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。MEMS惯性传感器的锚点分散布置时，可采用图2(e)所示的图形，同理，金层图形的边缘距离MEMS惯性传感器的关键锚点的距离应不小于300um。
过渡层3上淀积图形化金层，减小过渡层3与封装管壳5的有效接触面积，有效降低封装应力；同时图形化的金锡焊规避了MEMS惯性传感器的关键锚点，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，金锡焊的粘接强度约是粘接胶粘接的3～4倍。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于图形化金锡焊的MEMS惯性传感器低应力封装方法，其特征在于，在MEMS惯性传感器芯片与封装管壳之间设有过渡层，所述过渡层材料与MEMS惯性传感器芯片衬底材料相同；所述过渡层底部设有图形化金层，用于减小过渡层与封装管壳的接触面积，并规避MEMS惯性传感器的关键锚点，所述图形化金层的设置规则包括：图形化金层关于MEMS惯性传感器芯片中心呈对称布置，金层总面积不小于MEMS惯性传感器芯片面积的1/5，当MEMS惯性传感器的锚点分布在四周时，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，采用四段弧形，四段圆弧关于结构中心对称，弧形内环距离MEMS惯性传感器关键锚点的距离应不小于300um；采用分立的圆形构成圆环时，则圆环内径距离MEMS惯性传感器的关键锚点的距离应不小于300um；MEMS惯性传感器的锚点分散布置时，金层图形的边缘距离MEMS惯性传感器关键锚点的距离应不小于300um；所述过渡层采用金锡焊工艺焊接在封装管壳上，在封装管壳与过渡层之间形成图形化的金锡焊接层。
2.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述过渡层底部采用MEMS工艺镀一层图形化金层。
3.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述MEMS惯性传感器芯片粘接在过渡层上。
4.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述MEMS惯性传感器芯片与封装管壳采用引线键合工艺连接。
5.一种基于图形化金锡焊的MEMS惯性传感器低应力封装结构，该封装结构用于实施如权利要求1所述的封装方法，所述封装结构包括MEMS惯性传感器芯片、粘接胶、封装管壳、引线和盖板；其特征在于，所述MEMS惯性传感器芯片与封装管壳之间设有过渡层，所述过渡层底部设有图形化金层，用于减小过渡层与封装管壳的接触面积，并规避MEMS惯性传感器的关键锚点；所述过渡层采用金锡焊工艺焊接在封装管壳上，在封装管壳与过渡层之间形成图形化的金锡焊接层。
6.根据权利要求5所述的封装结构，其特征在于，所述MEMS惯性传感器芯片粘接在过渡层上。
7.根据权利要求5所述的封装结构，其特征在于，所述封装管壳内腔底部镀一层金层。
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