CN113819899B - 异质集成表贴陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种异质集成表贴陀螺，包括底板、MEMS陀螺芯片和盖板，所述底板的正面设置有凸台，所述凸台上设置有芯片电极，所述底板的背面设置有多个与所述芯片电极电连接的第一电极；所述MEMS陀螺芯片的有源区焊接在所述凸台上、并通过凸点电极与所述芯片电极电连接；所述盖板封装在所述底板的正面，且所述盖板与所述底板之间留有真空空腔，所述MEMS陀螺芯片位于所述真空空腔内。MEMS陀螺芯片通过倒扣的方式焊接在凸台上，并且，底板和盖板将MEMS陀螺芯片封装，实现了石英MEMS陀螺的表贴封装，可以在不损失石英MEMS陀螺性能的情况下实现体积的微型化，更易于实现集成化。

Description

异质集成表贴陀螺

技术领域

本发明涉及陀螺仪技术领域，尤其涉及一种异质集成表贴陀螺。

背景技术

MEMS陀螺仪由于其尺寸微小，易于集成而广泛应用于消费电子、航空航天、汽车工业等行业的惯性导航系统之中。其中，石英MEMS陀螺由于其良好的稳定性和高性能更是深受广大用户青睐。然而传统的石英MEMS陀螺由于键合封装的特殊性而导致体积难以进一步的缩小，限制其进一步发展。

发明内容

本发明提供一种异质集成表贴陀螺，用以解决现有技术中石英MEMS陀螺由于键合封装的特殊性而导致体积难以进一步缩小的缺陷，MEMS陀螺芯片通过倒扣的方式焊接在凸台上，并且，底板和盖板将MEMS陀螺芯片封装，实现了石英MEMS陀螺的表贴封装，可以在不损失石英MEMS陀螺性能的情况下实现体积的微型化，更易于实现集成化。

本发明提供一种异质集成表贴陀螺，包括：

底板，所述底板的正面设置有凸台，所述凸台上设置有芯片电极，所述底板的背面设置有多个与所述芯片电极电连接的第一电极；

MEMS陀螺芯片，所述MEMS陀螺芯片的有源区焊接在所述凸台上、并通过凸点电极与所述芯片电极电连接；

盖板，所述盖板封装在所述底板的正面，且所述盖板与所述底板之间留有真空空腔，所述MEMS陀螺芯片位于所述真空空腔内。

根据本发明提供的一种异质集成表贴陀螺，所述真空空腔内设置有至少两个环绕在所述凸台外的地电极，所述底板的背面设置有与所述地电极电连接的第二电极。

根据本发明提供的一种异质集成表贴陀螺，所述底板还设置有：

多个第一连接电极，所述第一连接电极用于连接所述第一电极和所述芯片电极；

多个第一通孔，用于供所述第一连接电极通过，且多个所述第一通孔与多个所述第一连接电极一一对应。

根据本发明提供的一种异质集成表贴陀螺，所述底板上还设置有：

至少两个第二连接电极，用于连接所述地电极和所述第二电极；

至少两个第二通孔，用于供所述第二连接电极通过。

根据本发明提供的一种异质集成表贴陀螺，所述底板的正面设置有环形凹槽，所述环形凹槽环绕所述凸台设置。

根据本发明提供的一种异质集成表贴陀螺，所述盖板的底面设置有凹坑，所述凹坑与所述环形凹槽对应连接形成所述真空空腔。

根据本发明提供的一种异质集成表贴陀螺，所述底板的正面设置有绝缘介质层，所述绝缘介质层位于所述环形凹槽或所述凸台的外围。

根据本发明提供的一种异质集成表贴陀螺，所述绝缘介质层的上方设置有第一键合层，所述盖板的底面设置有用于与所述第一键合层键合的第二键合层。

根据本发明提供的一种异质集成表贴陀螺，所述底板为高阻硅底板，所述盖板为低阻硅盖板。

根据本发明提供的一种异质集成表贴陀螺，所述第一键合层和所述第二键合层的材质均为金属；

或，所述第一键合层和所述第二键合层其中一者的材质为金属、另一者的材质为硅材质；

或，所述第一键合层和所述第二键合层均为无机非金属材质。

本发明提供的异质集成表贴陀螺，包括底板、MEMS陀螺芯片和盖板。底板的正面设置有凸台，凸台上设置有芯片电极，并且底板的背面设置有多个第一电极，多个第一电极均与芯片电极电连接。MEMS陀螺芯片的有源区焊接在凸台上，使MEMS陀螺芯片的工作区朝下，并且MEMS陀螺芯片通过凸点电极与芯片电极电连接，无需额外设置引线，有利于减小该异质集成表贴陀螺的体积。盖板封装在底板的正面，并且盖板和底板之间留有真空空腔，MEMS陀螺芯片位于真空空腔内。这样，通过底板和盖板将MEMS陀螺芯片密封封装。

将MEME陀螺芯片直接以倒扣方式安装在凸台上，并通过芯片电极与第一电极电连接，使互联的长度大大缩短，有利于减小信号延迟，有效地提高了电性能，并且凸台的面积几乎与芯片大小一致，可以有效减小本异质集成表贴陀螺的体积。并且，底板和盖板将MEMS陀螺芯片封装，实现了石英MEMS陀螺的表贴封装，可以在不损失石英MEMS陀螺性能的情况下实现体积的微型化，更易于实现集成化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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是本发明提供的异质集成表贴陀螺的剖视图；

图2是本发明提供的底板的俯视图；

图3是本发明提供的底板的仰视图；

图4是本发明提供的盖板的仰视图。

附图标记：

1：底板；2：盖板；3：凸台；4：MEMS陀螺芯片；

5：真空空腔；6：地电极；7：第一电极；8：第二电极；

9：第一连接电极；10：第一通孔；11：第二连接电极；

12：第二通孔；13：绝缘介质层；14：第一键合层；

15：第二键合层；16：芯片电极；17：环形凹槽；18：凹坑。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。

下面结合图1至图4描述本发明的异质集成表贴陀螺。

如图1所示，本发明提供的一种异质集成表贴陀螺，包括底板1、MEMS陀螺芯片4和盖板2。

其中，底板1的正面设置有凸台3，凸台3上设置有芯片电极16，并且底板1的背面设置有多个第一电极7，多个第一电极7均与芯片电极16电连接。

MEMS陀螺芯片4的有源区焊接在凸台3上，即使MEMS陀螺芯片4的工作区朝下设置，并且MEMS陀螺芯片4通过凸点电极与芯片电极16电连接，这样，使MEMS陀螺芯片4的工作区面对底板1并与芯片电极16电连接，无需额外设置引线，有利于减小该异质集成表贴陀螺的体积。这里，凸点电极可以为设置在MEMS陀螺芯片4的工作区上的呈阵列排列的焊料凸点。

并且，MEMS陀螺芯片4的有源区（即MEMS陀螺芯片4的工作区）通过芯片电极16实现了MEMS陀螺芯片4与第一电极7的电连接。这样，便于实现MEMS陀螺芯片4与外部电路电连接，以使该异质集成表贴陀螺能够正常工作。

MEME陀螺芯片直接以倒扣方式安装在凸台3上，并通过芯片电极16与第一电极7电连接，使互联的长度大大缩短，有利于减小信号延迟，有效地提高了电性能，并且凸台3的面积几乎与芯片大小一致，可以有效减小本异质集成表贴陀螺的体积。

这里，芯片电极16可以为MEMS陀螺芯片4的焊盘，并且芯片电极16上设置有多个分别用于与多个第一电极7电连接的引出端。

盖板2封装在底板1的正面，并且盖板2和底板1之间留有真空空腔5，MEMS陀螺芯片4位于真空空腔5内。这样，通过底板1和盖板2将MEMS陀螺芯片4密封封装。

需要说明的是，传统的石英MEMS陀螺的芯片在封装时，芯片的工作区朝上设置在基板上，需要用引线将芯片的I/O端与基板上各个引脚连接，从而使封装后的石英MEMS陀螺体积增大。而将MEMS陀螺芯片4的工作面朝下与凸台连接，并通过MEMS陀螺芯片上的凸点电极与芯片电极焊接，实现MEMS陀螺芯片与芯片电极的电连接，无需额外利用引线与底板上的芯片电极电连接。

如此设置，MEMS陀螺芯片4通过倒扣的方式焊接在凸台3上，并且，底板1和盖板2将MEMS陀螺芯片4封装，实现了石英MEMS陀螺的表贴封装，可以在不损失石英MEMS陀螺性能的情况下实现体积的微型化，更易于实现集成化。

在本发明的可选实施例中，底板1还设置有多个第一连接电极9，多个第一连接电极9用于连接第一电极7和芯片电极16。这里，第一连接电极9代替了引线，以将第一电极7和芯片电极16电连接。并且，第一连接电极9与底板的正面相贴合，以减小第一连接电极9所占用的空间。

底板1上还设置有多个第一通孔10，第一通孔10用于供第一连接电极9通过，并且多个第一通孔10与多个第一连接电极9一一对应，从而便于引出多个第一连接电极9。并且第一连接电极9位于第一通孔10内的部分与第一通孔10的孔壁相贴合，有利于减小第一通孔10的体积，从而有利于减小底板1的体积。

在本发明的可选实施例中，真空空腔5内设置有至少两个地电极6，地电极6环绕在凸台3外，即地电极6环绕在MEMS陀螺芯片4外，并且底板1的背面设置有第二电极8，第二电极8与地电极6电连接。这样，第二电极8与环绕在MEMS陀螺芯片4外的地电极6电连接，相当于形成一个金属罩，围在MEMS陀螺芯片4外，从而起到静电屏蔽的作用，以保护位于真空空腔5内的MEMS陀螺芯片4不受外部电场的影响。

具体地，真空空腔5内可以设置有两个地电极6，两个地电极6位于凸台3相对的两侧，以使MEMS陀螺芯片4能够位于两个地电极6之间。

当然，真空空腔5内也可以设置多个地电极6，多个地电极6可以均匀分布在凸台3的外侧，并且多个地电极6均与第二电极8电连接。这样，有利于提高静电屏蔽的效果。

在本实施例中，底板1上还设置有至少两个第二连接电极11和至少两个第二通孔12，其中，第二连接电极11用于连接地电极6和第二电极8，第二通孔12用于供第二连接电极11通过，并且多个第二通孔12与多个第二连接电极11一一对应。如此设置，实现了第二电极8和地电极6的连接，从而便于实现静电屏蔽。

在本发明的可选实施例中，如图2所示，底板1的正面设置有环形凹槽17，环形凹槽17环绕凸台3设置。

这里，凸台3的顶面可以与底板1的正面相平齐，具体地，可以通过在底板1的正面设置的环形凹槽17，使环形凹槽17中间的凸部形成凸台3。这样，有利于减小底板1的体积，从而减小该异质集成表贴陀螺的体积。

在本实施例中，地电极6可以设置在环形凹槽17内，以便于地电极6环绕在凸台3外周。

并且第一连接电极9位于真空空腔5内的部分贴合在环形凹槽17内，以避免该异质集成表贴陀螺振动时，第一连接电极9断裂或与芯片电极16断开连接。

在可选的实施例中，如图4所示，盖板2的底面设置有凹坑18，凹坑18与环形凹槽17相对设置，并且凹坑18和环形凹槽17相对接形成真空空腔5，从而使凸台3位于真空空腔5内。

在本发明的可选实施例中，底板1的正面设置有绝缘介质层13，绝缘介质层13可以位于环形凹槽17的外围，如图1所示，绝缘介质层13也可以设置在凸台3的外围，绝缘介质层13用于将第一连接电极9和第二连接电极11与盖板2隔离开，以避免第一连接电极9和第二连接电极11与盖板2形成电连接，从而使盖板2与MEMS陀螺芯片4电连接，造成MEMS陀螺芯片4损坏，无法工作。

这里，绝缘介质层13与底板1的正面固定连接，以便于盖板2与底板1实现固定连接。

在本发明的可选实施例中，在绝缘介质层13的上方设置有第一键合层14，在盖板2的底面上设置有第二键合层15，第二键合层15与第一键合层14相对设置，并且第二键合层15和第一键合层14能够相键合，从而实现盖板2与底板1的封装。

这里，第一键合层14和第二键合层15的形状和尺寸相一致，并且第一键合层14和第二键合层15的形状和尺寸可以与绝缘介质层13相适配。这样，既能够保证第一键合层14和第二键合层15具有较大的键合面积，绝缘介质层13又能够防止第一键合层14和第二键合层15与第一连接电极9或第二连接电极11接触而形成电连接。

在本实施例的一种方式中，第一键合层14和第二键合层15的材质均可以为金属，通过第一键合层14和第二键合层15的键合，使底板1和盖板2实现金属共晶键合，从而实现石英MEMS陀螺的封装。

在本实施例的另一种方式中，第一键合层14和第二键合层15其中一者的材质可以为金属，另一者的材质可以为硅材质，通过第一键合层14和第二键合层15的键合，使底板1和盖板2实现金硅键合。

在本实施例的其他方式中，第一键合层14和第二键合层15均可以为无机非金属，具体地，第一键合层14和第二键合层15均可以为硅材质，也可以为玻璃材质，或者其中一者为硅材质，另一者为玻璃材质。或者，第一键合层14和第二键合层15均可以为粘胶层，以通过粘接的方式实现底板1和盖板2的固定封装。

在本发明的可选实施例中，底板1可以为高阻硅底板，盖板2可以为低阻硅盖板。这样，底板1和盖板2均采用了硅材质，实现了全硅封装，使其与半导体工艺更加兼容，有利于实现自动化生产。

本实施例中，芯片电极、第一电极、第二电极、地电极、第一连接电极和第二连接电极均可以为金属薄膜电极。

本发明提供的一种异质集成表贴陀螺可以采用如下方式制作。

首先是制作底板1：采用N型掺杂的高阻硅作为底板1的原料，采用湿法刻蚀对高阻硅底板进行减薄处理，形成带有“回”字形环形凹槽17的晶圆；在环形凹槽17附近利用干法刻蚀制作一定数目的第一通孔10和第二通孔12；利用溅射方法在具有环形凹槽17、第一通孔10和第二通孔12的晶圆表面制备金属电极膜层、以形成第一连接电极9和第二连接电极11，并结合光刻、刻蚀等工艺转移电极图形在环形凹槽17内完成地电极6的制备、在环形凹槽17内的凸台3上完成芯片电极16的制备和在高阻硅底板的背面完成第一电极7和第二电极8的制备，实现环形凹槽17内的地电极6与高阻硅底板背面的第二电极8的电连接，构成静电屏蔽；实现芯片电极16与第一电极7的电连接；然后，采用化学气相沉积（CVD）的方法在第一连接电极9和第二连接电极11之上制备一层材质为SiO2的绝缘介质层13；采用溅射方法在绝缘介质层13之上制备第一键合层14；其次是制作盖板2：采用N型掺杂的低阻硅作为盖板2的原料，采用湿法刻蚀对低阻硅盖板进行减薄处理，形成与高阻硅底板的环形凹槽17大小、位置等相适配的凹坑18；采用溅射方法在凹坑18周围制备第二键合层15；最后，将石英MEMS陀螺芯片4通过倒扣的方式贴合在高阻硅底板环形凹槽17中间的凸台3上，然后采用金锡共晶的方式将低阻硅盖板与载有MEMS陀螺芯片4的高阻硅底板进行真空键合封装。

在另一种方式中，高阻硅底板和低阻硅盖板均可以采用P型掺杂的硅材料作为原料；对晶圆进行减薄处理的手段可以是干法刻蚀；第一通孔10和第二通孔12的制备方法可以是激光打孔；芯片电极16、第一电极7、第二电极8、第一连接电极9和第二连接电极11的制备手段可以是电子束蒸镀；绝缘介质层13可以采用Si3N4材料；高阻硅底板和低阻硅盖板可以采用金金键合、金硅键合等。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种异质集成表贴陀螺，其特征在于，包括：

底板，所述底板的正面设置有凸台，所述凸台上设置有芯片电极，所述底板的背面设置有多个与所述芯片电极电连接的第一电极；所述底板设置有多个第一连接电极和多个第一通孔，所述第一连接电极用于连接所述第一电极和所述芯片电极；第一通孔用于供所述第一连接电极通过，且多个所述第一通孔与多个所述第一连接电极一一对应；

MEMS陀螺芯片，所述MEMS陀螺芯片的有源区焊接在所述凸台上、并通过凸点电极与所述芯片电极电连接；

盖板，所述盖板封装在所述底板的正面，且所述盖板与所述底板之间留有真空空腔，所述MEMS陀螺芯片位于所述真空空腔内。

2.根据权利要求1所述的异质集成表贴陀螺，其特征在于，所述真空空腔内设置有至少两个环绕在所述凸台外的地电极，所述底板的背面设置有与所述地电极电连接的第二电极。

3.根据权利要求2所述的异质集成表贴陀螺，其特征在于，所述底板上还设置有：

至少两个第二连接电极，用于连接所述地电极和所述第二电极；

至少两个第二通孔，用于供所述第二连接电极通过。

4.根据权利要求1所述的异质集成表贴陀螺，其特征在于，所述底板的正面设置有环形凹槽，所述环形凹槽环绕所述凸台设置。

5.根据权利要求4所述的异质集成表贴陀螺，其特征在于，所述盖板的底面设置有凹坑，所述凹坑与所述环形凹槽对应连接形成所述真空空腔。

6.根据权利要求5所述的异质集成表贴陀螺，其特征在于，所述底板的正面设置有绝缘介质层，所述绝缘介质层位于所述环形凹槽或所述凸台的外围。

7.根据权利要求6所述的异质集成表贴陀螺，其特征在于，所述绝缘介质层的上方设置有第一键合层，所述盖板的底面设置有用于与所述第一键合层键合的第二键合层。

8.根据权利要求1所述的异质集成表贴陀螺，其特征在于，所述底板为高阻硅底板，所述盖板为低阻硅盖板。

9.根据权利要求7所述的异质集成表贴陀螺，其特征在于，所述第一键合层和所述第二键合层的材质均为金属；

或，所述第一键合层和所述第二键合层其中一者的材质为金属、另一者的材质为硅材质；

或，所述第一键合层和所述第二键合层均为无机非金属材质。

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