CN114105080A - 一种改进的mems封装结构 - Google Patents
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Abstract
一种改进的MEMS封装结构，包括CMOS或者MEMS芯片，钝化层，密封真空腔，硅晶元盖，谐振器，接触界面，热机械隔离玻璃平台晶片，承载晶片，氧化层，刻蚀后的器件，刻蚀孔；CMOS或者MEMS芯片表面带有钝化层，硅晶元盖和CMOS或者MEMS芯片之间设置有密封真空腔3和谐振器；CMOS或者MEMS芯片和硅晶元盖间为接触界面，热机械隔离玻璃平台晶片内设置有密封真空腔；承载晶片和刻蚀后的器件连接，刻蚀后的器件内设置有氧化层和刻蚀孔。本发明的优点：减少机械振动和冲击，具有良好的温度特性可应用于多种类型的MEMS谐振腔，表面贴装LGA封装比陶瓷封装成本低，多种金属可用于将两片晶圆粘合在一起。
Description
技术领域
本发明涉及封装技术领域，特别涉及一种改进的MEMS封装结构。
背景技术
对于MEMS芯片封装的现有技术一般采用晶片对晶片键合或CVD密封制造。图1为美国技术专利，陶瓷或者塑料封装，带氧化物多晶硅腔密封的微机械集成压力传感器。CMOS或者MEMS芯片，钝化层，密封真空腔，硅晶元盖，谐振器。
发明内容
本发明的目的是，在MEMS元件和芯片的下方形成一个空腔，空腔可以是真空或充满空气/气体，MEMS和ASIC可以通过薄膜加热器加热，这是隔热功能的一部分。片内温度传感器和加热元件即使在环境温度变化时也能将MEMS元件的温度控制到较高温度。支撑MEMS平台也可以蚀刻，以减少机械振动和冲击；，具有良好的温度特性可应用于多种类型的MEMS谐振腔，包括定时振荡器、滤波器、陀螺仪、谐振压力传感器和谐振化学传感器也可应用于红外传感器。
晶圆堆叠可在晶圆对晶圆键合之后或之前减薄。在没有陶瓷封装的情况下，可以制作出芯片级的MEMS封装。表面贴装LGA封装比陶瓷封装成本低。真空下的晶片间键合是首选，但可以使用具有HF蚀刻氧化物空腔且CVD薄膜密封的SOI晶圆来形成隔离平台；在密封的真空腔中加入吸气剂金属层，可以吸收气体，降低腔体压力。
本发明提供了一种改进的MEMS封装结构，其特征在于：所述的改进的MEMS封装结构，包括CMOS或者MEMS芯片1，钝化层2，密封真空腔3，硅晶元盖4，谐振器5，接触界面6，热机械隔离玻璃平台晶片7，承载晶片8，氧化层9，刻蚀后的器件10，刻蚀孔11；
其中：CMOS或者MEMS芯片1表面带有钝化层2，硅晶元盖4和CMOS或者MEMS芯片1之间设置有密封真空腔3和谐振器5；CMOS或者MEMS芯片1和硅晶元盖4之间为接触界面6，热机械隔离玻璃平台晶片7内设置有密封真空腔3；
承载晶片8和刻蚀后的器件10连接，刻蚀后的器件10内设置有氧化层9和刻蚀孔11；
所述的改进的MEMS封装结构，还包括加热晶片12，CMOS集成电路芯片13，导线键合芯片的连接件14，刻蚀MEMS芯片15，刻蚀隔离芯片16，蚀刻的槽17；加热晶片12能设置在CMOS或者MEMS芯片1内，CMOS集成电路芯片13与导线键合芯片的连接件14连接，刻蚀MEMS芯片15设置在热机械隔离玻璃平台晶片7内，刻蚀隔离芯片16设置在蚀刻的槽17内，刻蚀MEMS芯片15用于改进机械和热隔离。
热机械隔离器芯片/晶片上的MEMS真空密封谐振器。将晶片或芯片粘合在一起。如图2和图3，6为接触界面。通过晶元键合形成MEMS隔离芯片的平台，为保持恒温热机械隔离可选薄膜加热器。
图3中晶圆对晶圆键合方法有：粘合剂空气粘合，回流玻璃，阳极硅玻璃焊料回流，共晶金属回流，金属对金属金-金，铜-铜，铝-铝，硅直接焊或熔焊，瞬变液相金属。其中7为热机械隔离玻璃平台晶片
三片晶元都可以通过减薄工艺减少其厚度。
SOI腔热机械隔离器芯片/晶片上的MEMS真空密封谐振器，将晶片或芯片键合在一起。
其主要由两部分组成，上方部分为MEMS隔离芯片或晶圆键合型平台，下方部分为承载晶元与刻蚀后的器件。
8为承载晶片，9氧化层。10刻蚀后的器件，11刻蚀孔。
HF气体进入通过深反应离子刻蚀孔中腐蚀氧化层形成腔室。
这些孔可以通过化学气相沉积来封闭形成真空腔。如图5
具有加热和机械隔离晶片上的MEMS真空密封谐振器-真空中3或4层晶片间键合。
薄膜加热器利用控制回路调制流过薄膜加热线的电流，并在芯片上内置温度传感器，使MEMS谐振器保持在相对恒定的温度，如40摄氏度该加热器降低了外界温度变化、环境温度和热冲击对谐振腔频率变化的影响。
如图6，12为加热晶片。所有4个晶片都可以做减薄工艺以减少其厚度。金属加热器可以在硅MEMS晶圆的背面形成图案，将晶圆总数减少到3个。
在热加热器上和机械隔离晶片的MEMS真空密封谐振器-在切割和封装组装后使用ASIC在真空中键合3或4层晶片。
如图7，CMOS集成电路芯片13，ASIC芯片可以连接到MEMS芯片的底部或顶部。薄膜加热器利用控制回路调制流过薄膜加热线的电流，并在芯片上内置温度传感器，使MEMS谐振器保持在相对恒定的温度，如40摄氏度该加热器降低了外界温度变化、环境温度和热冲击对谐振腔频率变化的影响。
叠层上的ASIC-热机械隔离晶片上的MEMS真空密封谐振器。如图8，14为导线键合芯片的连接，15刻蚀MEMS芯片用于改进机械和热隔离
热机械隔离器芯片/晶片上的MEMS真空密封谐振器。将晶片或芯片粘合在一起。如图9，16刻蚀隔离芯片，提高其机械隔振性能，17蚀刻的槽，形成弹簧减轻外部冲击。
通过为MEMS谐振器提供机械冲击隔离，由于外部振动、跌落和冲击事件，会出现较少的杂散频率模式。这是提高汽车、机器人、工业和车辆性能的关键。热隔离减少了热冲击，因为快速的温度变化会降低谐振器信号峰值和频率稳定性。通过加入加热器并将谐振器和ASIC保持在较高但较窄的温度范围内，几乎消除了低温环境温度的影响，从而提高了频率的温度稳定性。与现有技术的陶瓷封装相比，在MEMS晶片级集成这些特性将减小器件封装尺寸和成本。这些改进是5G和6G应用的关键，这些应用需要MEMS谐振器用于滤波器、陀螺位置传感和振荡器频率基准。
本发明的优点：
本发明将晶片或晶片级的热和机械隔离集成到真空密封的MEMS器件中，在MEMS元件和芯片的下方形成一个空腔。空腔可以是真空或充满空气/气体。
MEMS和ASIC可以通过薄膜加热器加热，这是隔热功能的一部分。片内温度传感器和加热元件即使在环境温度变化时也能将MEMS元件的温度控制到较高温度。
支撑MEMS平台也可以蚀刻，以减少机械振动和冲击；
具有良好的温度特性可应用于多种类型的MEMS谐振腔，，包括定时振荡器、滤波器、陀螺仪、谐振压力传感器和谐振化学传感器也可应用于红外传感器。
晶圆堆叠可在晶圆对晶圆键合之后或之前减薄。
在没有陶瓷封装的情况下，可以制作出芯片级的MEMS封装。表面贴装LGA封装比陶瓷封装成本低
真空下的晶片间键合是首选，但可以使用具有HF蚀刻氧化物空腔且CVD薄膜密封的SOI晶圆来形成隔离平台
在密封的真空腔中加入吸气剂金属层，可以吸收气体，降低腔体压力
多种金属可用于将两片晶圆粘合在一起，如Au-Si、Al-Ge、Cu-Cu、Cu-Sn、Au-Sn、Al-Al、Si-Si以及其他焊料和共晶合金。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为陶瓷或者塑料封装示意图；
图2为晶片或芯片粘合在一起I；
图3为晶片或芯片粘合在一起II；
图4为晶片或芯片键合在一起；
图5为真空腔示意图；
图6为薄膜加热器示意图；
图7为在真空中键合3或4层晶片；
图8为叠层上的ASIC-热机械隔离晶片上的MEMS真空密封谐振器；
图9为晶片或芯片粘合在一起。
具体实施方式
实施例
本发明提供了一种改进的MEMS封装结构，其特征在于：所述的改进的MEMS封装结构，包括CMOS或者MEMS芯片1，钝化层2，密封真空腔3，硅晶元盖4，谐振器5，接触界面6，热机械隔离玻璃平台晶片7，承载晶片8，氧化层9，刻蚀后的器件10，刻蚀孔11；
其中：CMOS或者MEMS芯片1表面带有钝化层2，硅晶元盖4和CMOS或者MEMS芯片1之间设置有密封真空腔3和谐振器5；CMOS或者MEMS芯片1和硅晶元盖4之间为接触界面6，热机械隔离玻璃平台晶片7内设置有密封真空腔3；
承载晶片8和刻蚀后的器件10连接，刻蚀后的器件10内设置有氧化层9和刻蚀孔11；
所述的改进的MEMS封装结构，还包括加热晶片12，CMOS集成电路芯片13，导线键合芯片的连接件14，刻蚀MEMS芯片15，刻蚀隔离芯片16，蚀刻的槽17；加热晶片12能设置在CMOS或者MEMS芯片1内，CMOS集成电路芯片13与导线键合芯片的连接件14连接，刻蚀MEMS芯片15设置在热机械隔离玻璃平台晶片7内，刻蚀隔离芯片16设置在蚀刻的槽17内，刻蚀MEMS芯片15用于改进机械和热隔离。
热机械隔离器芯片/晶片上的MEMS真空密封谐振器。将晶片或芯片粘合在一起。如图2和图3，6为接触界面。通过晶元键合形成MEMS隔离芯片的平台，为保持恒温热机械隔离可选薄膜加热器。
图3中晶圆对晶圆键合方法有：粘合剂空气粘合，回流玻璃，阳极硅玻璃焊料回流，共晶金属回流，金属对金属金-金，铜-铜，铝-铝，硅直接焊或熔焊，瞬变液相金属。其中7为热机械隔离玻璃平台晶片
三片晶元都可以通过减薄工艺减少其厚度。
SOI腔热机械隔离器芯片/晶片上的MEMS真空密封谐振器，将晶片或芯片键合在一起。
其主要由两部分组成，上方部分为MEMS隔离芯片或晶圆键合型平台，下方部分为承载晶元与刻蚀后的器件。
8为承载晶片，9氧化层。10刻蚀后的器件，11刻蚀孔。
HF气体进入通过深反应离子刻蚀孔中腐蚀氧化层形成腔室。
这些孔可以通过化学气相沉积来封闭形成真空腔。如图5
具有加热和机械隔离晶片上的MEMS真空密封谐振器-真空中3或4层晶片间键合。
薄膜加热器利用控制回路调制流过薄膜加热线的电流，并在芯片上内置温度传感器，使MEMS谐振器保持在相对恒定的温度，如40摄氏度该加热器降低了外界温度变化、环境温度和热冲击对谐振腔频率变化的影响。
如图6，12为加热晶片。所有4个晶片都可以做减薄工艺以减少其厚度。金属加热器可以在硅MEMS晶圆的背面形成图案，将晶圆总数减少到3个。
在热加热器上和机械隔离晶片的MEMS真空密封谐振器-在切割和封装组装后使用ASIC在真空中键合3或4层晶片。
如图7，CMOS集成电路芯片13，ASIC芯片可以连接到MEMS芯片的底部或顶部。薄膜加热器利用控制回路调制流过薄膜加热线的电流，并在芯片上内置温度传感器，使MEMS谐振器保持在相对恒定的温度，如40摄氏度该加热器降低了外界温度变化、环境温度和热冲击对谐振腔频率变化的影响。
叠层上的ASIC-热机械隔离晶片上的MEMS真空密封谐振器。如图8，14为导线键合芯片的连接，15刻蚀MEMS芯片用于改进机械和热隔离
热机械隔离器芯片/晶片上的MEMS真空密封谐振器。将晶片或芯片粘合在一起。如图9，16刻蚀隔离芯片，提高其机械隔振性能，17蚀刻的槽，形成弹簧减轻外部冲击。
通过为MEMS谐振器提供机械冲击隔离，由于外部振动、跌落和冲击事件，会出现较少的杂散频率模式。这是提高汽车、机器人、工业和车辆性能的关键。热隔离减少了热冲击，因为快速的温度变化会降低谐振器信号峰值和频率稳定性。通过加入加热器并将谐振器和ASIC保持在较高但较窄的温度范围内，几乎消除了低温环境温度的影响，从而提高了频率的温度稳定性。与现有技术的陶瓷封装相比，在MEMS晶片级集成这些特性将减小器件封装尺寸和成本。这些改进是5G和6G应用的关键，这些应用需要MEMS谐振器用于滤波器、陀螺位置传感和振荡器频率基准。
本发明的优点：
本发明将晶片或晶片级的热和机械隔离集成到真空密封的MEMS器件中，在MEMS元件和芯片的下方形成一个空腔。空腔可以是真空或充满空气/气体。
MEMS和ASIC可以通过薄膜加热器加热，这是隔热功能的一部分。片内温度传感器和加热元件即使在环境温度变化时也能将MEMS元件的温度控制到较高温度。
支撑MEMS平台也可以蚀刻，以减少机械振动和冲击；
具有良好的温度特性可应用于多种类型的MEMS谐振腔，，包括定时振荡器、滤波器、陀螺仪、谐振压力传感器和谐振化学传感器也可应用于红外传感器。
晶圆堆叠可在晶圆对晶圆键合之后或之前减薄。
在没有陶瓷封装的情况下，可以制作出芯片级的MEMS封装。表面贴装LGA封装比陶瓷封装成本低
真空下的晶片间键合是首选，但可以使用具有HF蚀刻氧化物空腔且CVD薄膜密封的SOI晶圆来形成隔离平台
在密封的真空腔中加入吸气剂金属层，可以吸收气体，降低腔体压力
多种金属可用于将两片晶圆粘合在一起，如Au-Si、Al-Ge、Cu-Cu、Cu-Sn、Au-Sn、Al-Al、Si-Si以及其他焊料和共晶合金。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种改进的MEMS封装结构，其特征在于：所述的改进的MEMS封装结构，包括CMOS或者MEMS芯片(1)，钝化层(2)，密封真空腔(3)，硅晶元盖(4)，谐振器(5)，接触界面(6)，热机械隔离玻璃平台晶片(7)，承载晶片(8)，氧化层(9)，刻蚀后的器件(10)，刻蚀孔(11)；
其中：CMOS或者MEMS芯片(1)表面带有钝化层(2)，硅晶元盖(4)和CMOS或者MEMS芯片(1)之间设置有密封真空腔(3)和谐振器(5)；CMOS或者MEMS芯片(1)和硅晶元盖(4)之间为接触界面(6)，热机械隔离玻璃平台晶片(7)内设置有密封真空腔(3)；
承载晶片(8)和刻蚀后的器件(10)连接，刻蚀后的器件(10)内设置有氧化层(9)和刻蚀孔(11)。
2.根据权利要求1所述的改进的MEMS封装结构，其特征在于：所述的改进的MEMS封装结构，还包括加热晶片(12)，CMOS集成电路芯片(13)，导线键合芯片的连接件(14)，刻蚀MEMS芯片(15)，刻蚀隔离芯片(16)，蚀刻的槽(17)；加热晶片(12)能设置在CMOS或者MEMS芯片(1)内，CMOS集成电路芯片(13)与导线键合芯片的连接件(14)连接，刻蚀MEMS芯片(15)设置在热机械隔离玻璃平台晶片(7)内，刻蚀隔离芯片(16)设置在蚀刻的槽(17)内，刻蚀MEMS芯片(15)用于改进机械和热隔离。
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