CN116332118A - 一种应用于mems力敏感传感器的封装级应力隔离结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于MEMS力敏感传感器的封装级应力隔离结构，基于MEMS工艺一体加工成形，包括隔离结构外围框架及位于外围框架内的隔离结构内部框架。外围框架和内部框架之间通过等厚正六边形蜂窝状的阵列支撑悬臂梁连接，外围框架和内部框架上具有不同数量的凸台分别与陶瓷底座和芯片基底相连。本发明能有效减小芯片贴片与封装过程中产生的应力对MEMS力敏感传感器的影响，同时能大幅提升整体隔离结构的稳定性和刚度，抵抗环境振动与冲击，维持传感器芯片的鲁棒性。该结构具有尺寸小、成本低、易于批量生产、与IC制作工艺兼容性好等优点，可广泛应用于MEMS力敏感传感器集成封装，可广泛应用于MEMS力敏感传感器集成封装。
Description
技术领域
本发明属于力敏感器件技术领域，特别是MEMS系统中微惯性传感器技术领域，尤其涉及一种应用于MEMS力敏感器件的封装级应力隔离结构。
背景技术
微电子机械系统(micro-electro-mechanicalsystem，MEMS)，是由机械、电子、光学及其他一些功能元件，集成在单片或多个芯片上，构成对声、光、热、磁、运动等自然信息进行感知、识别、控制和处理的微型智能系统。经过四十多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。
它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。其中，MEMS压力传感器、MEMS加速度计、MEMS陀螺仪等都是典型的力敏感传感器，它们多用作压力、位移(加速度)及姿态(角速度)的高精度测量，具有尺寸小、成本低、功耗小、可靠度高、易于批量生产、与IC制作工艺兼容性好等优点。这些器件都是由MEMS工艺制成，材料包括多晶硅、石英、SiC、SOI(Silicon onInsulator)、SOS(蓝宝石上硅)等。
在MEMS工艺及封装过程中，MEMS芯片衬底材料、粘接材料和封装基板之间的材料性能不匹配，特别是MEMS器件衬底硅与封装基板之间材料CTE失配从而产生较大的封装应力，以及沉积、键合、贴片等工艺步骤高低温的转换会造成不可忽视的残余应力，从而传递到力敏感传感器的敏感结构上，引起结构变形和应力集中。由于力敏感器件的敏感原理就是将外界输入的待检测量转化为力，继而通过检测其受力作用下电信号的变化解算，应力引起的结构变形和应力集中一方面会干扰传感器对力的检测，无法区分输出电信号的变化主要受应力影响还是外界输入影响，另一方面会造成器件使用过程的疲劳或断裂。因此，应力的存在不仅会影响力敏感器件的测量精度和稳定性，而且会在一定程度上影响其使用寿命。封装级应力隔离能够有效隔离贴片工艺与封装过程中产生的应力，封装级应力隔离结构对MEMS力敏感传感器非常重要。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷和不足，提供一种应用于MEMS力敏感传感器的封装级应力隔离结构。本发明能够有效隔离贴片应力或焊接应力影响，并且具有可兼容集成电路加工工艺、降低MEMS器件贴片应力、体积小、加工成本点、可批量加工等特点，可广泛应用于MEMS陀螺仪和加速度计等惯性力敏感传感器芯片集成封装。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种应用于MEMS力敏感传感器的封装级应力隔离结构，整体结构基于MEMS工艺刻蚀成形，包括隔离结构外围框架简称外框架，以及位于外框架内的隔离结构内部框架简称内框架，所述外框架和内框架之间通过正六边形蜂窝状的阵列支撑梁连接，外框架、内框架以及阵列支撑梁呈二维轴对称分布且两者的对称轴重合。
进一步地，所述外框架、内框架和阵列支撑梁位于同一平面内。
进一步地，所述外框架和内框架为具有二维轴对称特点的几何结构。
进一步地，所述外框架为矩形框架结构，其内设有方孔，在该方孔内设置方形的内框架，内框架的四边与外框架的四边对应，且内框架四边与对应的外框架四边之间的间距由每一侧阵列支撑梁的数量决定。
进一步地，所述外框架和内框架上有n个用于与MEMS力敏感传感器芯片或封装基座相连的贴片凸台，n≥1。
进一步地，所述贴片凸台的数量n为1，该贴片凸台位于内框架的中心。
进一步地，所述贴片凸台的数量n为4，且贴片凸台为四分之一圆形结构，4个贴片凸台分别布置在外框架背面的四角位置。
进一步地，所述MEMS力敏感传感器芯片、封装级应力隔离结构以及封装基座三者自上而下贴装成为一个整体；所述MEMS力敏感传感器芯片通过封装级应力隔离结构与封装基座相连。
进一步地，所述阵列支撑梁呈二维阵列形式分布，且相邻支撑梁之间形成等大的正六边形或正六边形的一部分，总体呈蜂窝状，对称分布在外框架和内框架之间。
进一步地，所述封装级应力隔离结构均为微米级尺度，采用MEMS工艺深刻蚀一体成形，所采用的材料与MEMS力敏感传感器芯片的衬底材料保持一致，以保证相同的热膨胀系数，保持统一的热特性。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1)本发明能够有效隔离贴片应力或焊接应力影响。具体地，本发明设计的应力隔离结构，通过蜂窝状阵列分布的梁作为内外连接的支撑。其中每一个梁都能通过自身变形有效释放管壳传递到MEMS传感器芯片的应力；另一方面，蜂窝状阵列分布能够大幅提升整体隔离结构的稳定性和刚度，抵抗环境振动与冲击，维持传感器芯片的鲁棒性。同时，微米级尺度的应力隔离结构能与MEMS芯片一起封装在管壳内，且因其材料与MEMS芯片的衬底相同，能够有效避免材料热失配引入的封装应力。
2)整体结构具有尺寸小、成本低、易于批量生产、与IC制作工艺兼容性好等优点，可广泛应用于MEMS压力传感器、陀螺仪和加速度计等惯性力敏感传感器芯片集成封装。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明一个实施例中MEMS力敏感器件封装应力隔离结构的正面侧的立体结构示意图。
图2为本发明一个实施例中MEMS传感器芯片封装应力隔离结构的背面侧的立体结构示意图。
图3为本发明一个实施例中MEMS传感器的结构示意图。
图4为本发明一个实施例中MEMS传感器芯片与应力隔离结构组装整体残留热应力仿真示意图。
具体实施方式
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1和图2所示，本发明一个实施例提供了一种MEMS传感器芯片封装应力隔离结构7(后简称隔离结构)，包括外框架1、阵列支撑梁2、内框架3和贴片凸台4。
所述外框架1为矩形框架结构，其内为方孔。在外框架1的方孔内设置有方形的内框架3。外框架1、阵列支撑梁2、内框架3在同一平面上。内框架3其四边与外框架1的四边对应，但内框架3其四边与对应的外框架1的四边之间的间距是由每一侧蜂窝状悬臂梁数量而定的。
所述外框架1和内框架3之间通过阵列支撑梁2连接，所述外框架1和内框架3上分别设有用于与MEMS传感器芯片或封装基座相连的多个贴片凸台4。贴片凸台4与MEMS传感器芯片5或封装基座6相连的连接工艺可以根据需要采用粘结或者键合。
参照图1(隔离结构正面)，所述内框架3上布置的贴片凸台4数量为一个，且一个贴片凸台4位于内框架3的中心。这样可减少内框架3与MEMS传感器芯片5或封装基座6相连的粘贴面积，进一步减小贴片用胶8影响，并保障芯片贴片平整度。
参照图2(隔离结构背面)，所述外框架1上布置的贴片凸台数量为四个，且四个四分之一圆形贴片凸台4布置在外框架1背面的四角位置。这样可减少外框架1与MEMS传感器芯片5或封装基座6相连的粘贴面积，进一步减小贴片用胶8影响，并保障芯片贴片平整度。
参照图1和图2，所述阵列支撑梁2有多根。阵列支撑梁2关于内框架3对称分布。所述阵列支撑梁2的横截面为矩形，且相邻梁之间可以构成正六变形或正六边形的一部分。
可以理解，本发明中外框架1、内框架3的形状不限于图1和图2所示实施例中的矩形，也可以采用其他形状，优选地要求在外框架1及内框架3均为对称结构且两者的对称轴重合。
可以理解，本发明中的贴片凸台4形状不限、数量不限，可以根据实际需要设定，优选要求位于同一侧面的所有贴片凸台4关于内框架3的中心轴或外框架1的中心轴对称分布。
本发明所述外框架1、阵列支撑梁2以及内框架3为采用与MEMS传感器芯片5所采用加工材料的热膨胀系数相同或相近的加工材料制成，这可有效避免由于材料热膨胀系数CTE差异引起的热应力。在图1和图2所示实施例中，采用的制作材料为单晶硅片。
参照图3，本发明一实施例中提供一种MEMS传感器，包括封装基座6、MEMS传感器芯片5、贴片胶8以及上述任一种MEMS传感器芯片封装应力隔离结构7，所述MEMS传感器芯片5通过隔离结构7与封装基座6相连。
需要说明的是，MEMS传感器芯片5并不依赖于特定的MEMS传感器类型，作为一种具体的实施方式示例，图3所示实施例中的MEMS传感器芯片5为惯性力敏感传感器芯片。
图3所示实施例中以现有芯片尺寸为基准，陶瓷管壳基座6整体设计为16mm*16mm，厚度设计为2mm，图4为图3所示实施例进行频率及热应力仿真结果，根据图4仿真结果可以发现，当内框架3的厚度为800um时，最小频率为824.8Hz。根据仿真结果该结构可以有效隔离10％的残留热应力。
综上所述，本发明所提供封装级应力隔离结构，可以满足的低应力MEMS微机电加速度计设计要求。
此外，本发明也为同领域内的其他技术方案提供参考依据，可以以此为基础进行拓展延伸，运用于其他与微机电加速度计有关的技术方案中，具有很高的使用及推广价值。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (10)
1.一种应用于MEMS力敏感传感器的封装级应力隔离结构，其特征在于，整体结构基于MEMS工艺刻蚀成形，包括隔离结构外围框架简称外框架，以及位于外框架内的隔离结构内部框架简称内框架，所述外框架和内框架之间通过正六边形蜂窝状的阵列支撑梁连接，外框架、内框架以及阵列支撑梁呈二维轴对称分布且两者的对称轴重合。
2.根据权利要求1所述的应用于MEMS力敏感传感器的封装级应力隔离结构，其特征在于，所述封装级应力隔离结构为微米级尺度，外框架、内框架和阵列支撑梁位于同一平面内。
3.根据权利要求1所述的应用于MEMS力敏感传感器的封装级应力隔离结构，其特征在于，所述外框架和内框架为具有二维轴对称特点的几何结构。
4.根据权利要求3所述的应用于MEMS力敏感传感器的封装级应力隔离结构，其特征在于，所述外框架为矩形框架结构，其内设有方孔，在该方孔内设置方形的内框架，内框架的四边与外框架的四边对应，且内框架四边与对应的外框架四边之间的间距由每一侧阵列支撑梁的数量决定。
5.根据权利要求1所述的应用于MEMS力敏感传感器的封装级应力隔离结构，其特征在于，所述外框架和内框架上有n个用于与MEMS力敏感传感器芯片或封装基座相连的贴片凸台，n≥1。
6.根据权利要求5所述的应用于MEMS力敏感传感器的封装级应力隔离结构，其特征在于，所述贴片凸台的数量n为1，该贴片凸台位于内框架的中心。
7.根据权利要求5所述的应用于MEMS力敏感传感器的封装级应力隔离结构，其特征在于，所述贴片凸台的数量n为4，且贴片凸台为四分之一圆形结构，4个贴片凸台分别布置在外框架背面的四角位置。
8.根据权利要求5所述的应用于MEMS力敏感传感器的封装级应力隔离结构，其特征在于，所述MEMS力敏感传感器芯片、封装级应力隔离结构以及封装基座三者自上而下贴装成为一个整体；所述MEMS力敏感传感器芯片通过封装级应力隔离结构与封装基座相连。
9.根据权利要求1中所述的应用于MEMS力敏感传感器的封装级应力隔离结构，其特征在于，所述阵列支撑梁呈二维阵列形式分布，且相邻支撑梁之间形成等大的正六边形或正六边形的一部分，总体呈蜂窝状，对称分布在外框架和内框架之间。
10.根据权利要求1所述的应用于MEMS力敏感传感器的封装级应力隔离结构，其特征在于，所述封装级应力隔离结构采用与MEMS力敏感传感器芯片衬底层相同的材料制成。
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