CN115092877A - 基于可伐合金的mems惯性器件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可伐合金的MEMS惯性器件低应力封装结构及方法，结构包括ASIC芯片、MEMS传感器芯片、过渡件、PCB板、金针、管壳和管壳上盖；ASIC芯片粘在MEMS传感器芯片上；MEMS传感器芯片粘在过渡件上；过渡件焊接在管壳上；PCB板位于管壳内部；PCB板中心设有空腔，空腔边缘附近设有若干第一焊盘；PCB板上开有若干第一通孔，第一通孔边缘设有若干第二焊盘；管壳上开有若干第二通孔，第二通孔与第一通孔位置对应；金针穿过第二通孔通过玻璃绝缘子与管壳相连；金针穿过第一通孔与PCB板上的第二焊盘相连；管壳上盖与管壳固连；该封装结构能够有效的减小封装应力对MEMS惯性器件的影响。

Description

基于可伐合金的MEMS惯性器件低应力封装结构及方法
技术领域
本发明属于微机电技术领域，特别是一种基于可伐合金的MEMS惯性器件低应力封装结构及方法。
背景技术
微机电系统(micro-electro-mechanical systems，MEMS)是一种将电和机械集成的微器件或微系统。MEMS沿用集成电路(integrated circuit，IC)的微米/纳米微加工工艺，是集合微型结构、微型传感器、微型执行器以及信号处理、控制、通信等功能于一体的完整且复杂的系统。MEMS具有体积小、功耗低、性能好，与IC制作工艺兼容性好等优点，在消费电子、工业控制、医疗器械、信息通信、武器装备以及国防安全等领域中得到了越来越广泛的应用。MEMS封装是MEMS器件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器件，其封装还需要提供对应的工作环境和活动空间。
MEMS器件封装过程会引入额外的应力，严重影响MEMS器件的稳定性和可靠性。封装应力是由于MEMS器件材料与封装材料之间热膨胀系数不匹配而产生，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器件输出的温度漂移。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惯性器件而言，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惯性器件温度漂移和长期可靠性的关键技术。
公布号为CN109835866A的专利公开了一种现有MEMS封装方式，尤其公开了一种MEMS封装结构，包括基板和外壳，基板和外壳形成腔体，芯片被置于腔体之内，并且被安装固定在基板之上，所述MEMS封装结构包括一个转接中间件，该转接中间件也被置于由基板和外壳形成的腔体内，且被安装固定在所述芯片的上表面。从上述方案中，可以看出现有MEMS封装结构，并未解决器件材料和封装材料之间热膨胀系数不匹配问题，封装应力没有得到很好的解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于可伐合金的MEMS惯性器件低应力封装结构及方法，以减小封装应力对MEMS器件的影响以及提高MEMS器件的长期稳定性。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于可伐合金的MEMS惯性器件低应力封装结构，包括ASIC芯片、MEMS传感器芯片、过渡件、PCB板、金针、管壳和封装在管壳上的管壳上盖；
所述管壳、管壳上盖和金针的材料均为可伐合金；
所述ASIC芯片粘接在MEMS传感器芯片上表面；所述MEMS传感器芯片粘接在过渡件上；所述过渡件通过金锡焊工艺焊接在管壳上；所述PCB板位于管壳内部；所述PCB板中心含有一个空腔，过渡件和MEMS传感器芯片位于空腔内，靠近空腔边缘设置有若干第一焊盘；所述PCB板上开有若干第一通孔，在第一通孔边缘设置有若干第二焊盘；第一焊盘和第二焊盘通过PCB板内部走线实现电连接；所述管壳上开有若干第二通孔，第二通孔的位置与第一通孔的位置一一对应；所述金针穿过第二通孔并通过玻璃绝缘子封装方式与管壳相连接；所述金针穿过第一通孔并通过焊接的方式与PCB板上的第二焊盘相连接；所述管壳上盖与管壳固定连接；所述ASIC芯片通过引线与MEMS传感器芯片电连接，所述ASIC芯片通过引线与PCB板上的第一焊盘电连接。
一种基于可伐合金的MEMS惯性器件低应力封装方法，包括如下步骤：
S1：将金针穿过第二通孔通过玻璃绝缘子封装方式与管壳密封相接；
S2：通过金锡焊工艺将过渡件焊接在管壳内，过渡件与管壳之间形成金锡焊层；
S3：在过渡件上涂上第二粘接胶，通过粘胶接工艺将MEMS传感器芯片粘接在过渡件上；
S4：在MEMS传感器芯片上涂上第一粘接胶，通过粘胶接工艺将ASIC芯片粘接在MEMS传感器芯片上；
S5：通过PCB的空腔穿过过渡件以及PCB板上的第一通孔穿过金针，将PCB板放置于管壳上；
S6：通过焊接的方式将金针与PCB板上的第二焊盘相连接；
S7：采用引线键合工艺通过引线实现ASIC芯片和MEMS传感器芯片的电连接，采用引线键合工艺通过引线实现ASIC芯片与PCB板上的第一焊盘的电连接；
S8：采用平行封焊工艺将管壳上盖焊接在管壳上。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)管壳采用可伐合金材料，可伐合金热膨胀系数与硅材料匹配，产生的封装应力小，减小了封装应力对MEMS惯性器件的影响，长期稳定性好。
(2)安装定位基准及热稳定性优于现有技术：MEMS的定位基准主要由可伐合金外壳决定；PCB板置于管壳内部与MEMS无直接机械固连，即使发生形变也不影响MEMS的定位。
(3)封装完成后，保证内部气密性的同时使得信号输出直接通过玻璃绝缘子和金针引出，提高了可靠性以及便利性。
(4)封装后可直接安装使用，无需外围元器件和组装过程，降低了使用难度。
附图说明
图1为本发明的基于可伐合金的MEMS惯性器件低应力封装结构剖面示意图；
图2(a-b)为本发明的PCB板示意图；
图3为本发明的可伐合金管壳示意图；
图中附图标记表示为：
1、ASIC芯片；2、第一粘接胶；3、MEMS传感器芯片；4、第二粘接胶；5、过渡件；6、金锡焊层；7、PCB板；701、空腔；702、第一通孔；703、第一焊盘；704、第二焊盘；705、分立元器件；8、管壳；801、第二通孔；802、第三通孔；9、管壳上盖；10、金针；11、焊点；12、引线；13、管壳空腔。
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，本发明的一种基于可伐合金的MEMS惯性器件低应力封装结构，包括ASIC芯片1、第一粘接胶2、MEMS传感器芯片3、第二粘接胶4、过渡件5、金锡焊层6、PCB板7、管壳8、管壳上盖9、金针10、焊点11和引线12。
结合图1和图2a，本发明的一种基于可伐合金的MEMS惯性器件低应力封装结构，所述PCB板7置于管壳8内部；所述PCB板7中心含有一个空腔701，用于放置MEMS传感器芯片3、第二粘接胶4和过渡件5；在空腔701边缘附近设置有若干第一焊盘703；所述PCB板7上开有若干第一通孔702，用于PCB板电气连接及固定；在第一通孔702边缘设置有若干第二焊盘704；第一焊盘703和第二焊盘704通过PCB板7内部走线实现电连接，第一焊盘703和第二焊盘704的位置与PCB走线可以根据需要进行调整。第一通孔702只是用于PCB板电气连接及固定，它的位置可自由排布，如图2b所示。
所述PCB板7通过空腔701穿过过渡件5置于管壳8上。
所述PCB板7上可以焊接放置分立元器件705，如电阻、电容等，封装实现了惯性器件外部无元器件。
结合图1和图3，本发明的一种基于可伐合金的MEMS惯性器件低应力封装结构，所述管壳8上开有若干第二通孔801，第二通孔801的位置与第一通孔702的位置一一对应(如图2a所示)，主要用于PCB板电气连接及固定；所述管壳8边缘附近开有多个第三通孔802，提供MEMS惯性器件的机械安装基准。
所述金针10穿过第二通孔801通过玻璃绝缘子封装方式与管壳8相连接；所述金针10穿过第一通孔702通过焊接的方式与PCB板7上的第二焊盘704相连接；所述管壳上盖9采用平行封焊工艺与管壳8相连接。
所述管壳空腔13内为气密封装，填充氮气，一个大气压。
所述管壳8、管壳上盖9和金针10的材料为可伐合金，可伐合金热膨胀系数与硅材料匹配，产生的封装应力小，长期稳定性好。
所述第一粘接胶2将ASIC芯片1和MEMS传感器芯片3粘接在一起；所述第二粘接胶4将MEMS传感器芯片3和过渡件5粘接在一起；采用金锡焊工艺将过渡件5焊接在管壳8上，过渡件5和管壳8之间形成金锡焊层6。
采用引线键合工艺通过引线12实现ASIC芯片1和MEMS传感器芯片3的电连接；采用引线键合工艺通过引线12实现ASIC芯片1与PCB板7上的第一焊盘703的电连接。
上述为MEMS惯性器件的封装结构，与上述封装结构相对应的，本发明还提供了一种基于可伐合金的MEMS惯性器件低应力封装方法，包括如下步骤：
S1：将金针10穿过第二通孔801通过玻璃绝缘子封装方式与管壳8密封相接；
S2：通过金锡焊工艺将过渡件5焊接在管壳8，过渡件5与管壳8之间形成金锡焊层6；
S3：在过渡件5上涂上第二粘接胶4，通过粘胶接工艺将MEMS传感器芯片3粘接在过渡件5上；
S4：在MEMS传感器芯片3上涂上第一粘接胶2，通过粘胶接工艺将ASIC芯片1粘接在MEMS传感器芯片3上；
S5：通过空腔701以及第一通孔702将PCB板7穿过过渡件5和金针10放置于管壳8上；
S6：通过焊接的方式将金针10与PCB板7上的第二焊盘704相连接；
S7：采用引线键合工艺通过引线12实现ASIC芯片1和MEMS传感器芯片3的电连接，采用引线键合工艺通过引线12实现ASIC芯片1与PCB板7上的第一焊盘703的电连接；
S8：采用平行封焊工艺将管壳上盖9焊接在管壳8上。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于可伐合金的MEMS惯性器件低应力封装结构，其特征在于，包括ASIC芯片、MEMS传感器芯片、过渡件、PCB板、金针、管壳和封装在管壳上的管壳上盖；
所述管壳、管壳上盖和金针的材料均为可伐合金；
所述ASIC芯片粘接在MEMS传感器芯片上表面；所述MEMS传感器芯片粘接在过渡件上；所述过渡件通过金锡焊工艺焊接在管壳上；所述PCB板位于管壳内部；所述PCB板中心含有一个空腔，过渡件和MEMS传感器芯片位于空腔内，靠近空腔边缘设置有若干第一焊盘；所述PCB板上开有若干第一通孔，在第一通孔边缘设置有若干第二焊盘；第一焊盘和第二焊盘通过PCB板内部走线实现电连接；所述管壳上开有若干第二通孔，第二通孔的位置与第一通孔的位置一一对应；所述金针穿过第二通孔并通过玻璃绝缘子封装方式与管壳相连接；所述金针穿过第一通孔并通过焊接的方式与PCB板上的第二焊盘相连接；所述管壳上盖与管壳固定连接；所述ASIC芯片通过引线与MEMS传感器芯片电连接，所述ASIC芯片通过引线与PCB板上的第一焊盘电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于可伐合金的MEMS惯性器件低应力封装结构，其特征在于，所述第一焊盘和第二焊盘通过PCB板内部走线实现电连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于可伐合金的MEMS惯性器件低应力封装结构，其特征在于，所述管壳内为气密封装。
4.根据权利要求1所述的一种基于可伐合金的MEMS惯性器件低应力封装结构，其特征在于，管壳内填充氮气。
5.根据权利要求4所述的一种基于可伐合金的MEMS惯性器件低应力封装结构，其特征在于，气压为一个大气压。
6.根据权利要求1所述的一种基于可伐合金的MEMS惯性器件低应力封装结构，其特征在于，所述管壳和管壳上盖通过平行封焊工艺连接在一起。
7.根据权利要求1所述的一种基于可伐合金的MEMS惯性器件低应力封装结构，其特征在于，所述PCB板上通过焊接放置分立元器件。
8.根据权利要求1所述的一种基于可伐合金的MEMS惯性器件低应力封装结构，其特征在于，所述管壳边缘附近开有多个第三通孔，用于为MEMS惯性器件的提供机械安装基准。
9.一种基于可伐合金的MEMS惯性器件低应力封装方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将金针穿过第二通孔通过玻璃绝缘子封装方式与管壳密封相接；
S2：通过金锡焊工艺将过渡件焊接在管壳内，过渡件与管壳之间形成金锡焊层；
S3：在过渡件上涂上第二粘接胶，通过粘胶接工艺将MEMS传感器芯片粘接在过渡件上；
S4：在MEMS传感器芯片上涂上第一粘接胶，通过粘胶接工艺将ASIC芯片粘接在MEMS传感器芯片上；
S5：通过PCB的空腔穿过过渡件以及PCB板上的第一通孔穿过金针，将PCB板放置于管壳上；
S6：通过焊接的方式将金针与PCB板上的第二焊盘相连接；
S7：采用引线键合工艺通过引线实现ASIC芯片和MEMS传感器芯片的电连接，采用引线键合工艺通过引线实现ASIC芯片与PCB板上的第一焊盘的电连接；
S8：采用平行封焊工艺将管壳上盖焊接在管壳上。
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