CN205527727U - 具有多功能盖板的芯片级封装的mems芯片 - Google Patents

Abstract

具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片，包括盖板、MEMS结构层和底板，盖板包括盖板衬底、盖板绝缘层、第一金属层图形、金属间绝缘层和第二金属层图形，金属间绝缘层有通孔，第二金属层填充到通孔中，盖板通过密封环与MEMS结构层和底板绝缘层键合，第一压焊块位于MEMS信号导出部上表面。本MEMS芯片通过第一压焊块与第二压焊块之间键合的金属线将MEMS结构的电信号引导到盖板上，再在盖板上完成交叉布线；同时，可以利用盖板上的第一金属层图形和第二金属层图形制作恒温加热器和检漏用热对流加速度计。本MEMS芯片制造流程短、成本低、成品率高。

Description

具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片

技术领域

本实用新型涉及MEMS芯片的制造领域，特别涉及一种具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片，本实用新型还涉及这种具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是微机电系统的缩写，MEMS芯片制造技术利用微细加工技术，特别是半导体圆片制造技术，制造出各种微型机械结构，结合专用控制集成电路(ASIC)，组成智能化的微传感器、微执行器、微光学器件等MEMS元器件。MEMS元器件具有体积小、成本低、可靠性高、抗恶劣环境能力强、功耗低、智能化程度高、易校准、易集成的优点，被广泛应用于消费类电子产品(如手机、平板电脑、玩具、数码相机、游戏机、空中鼠标、遥控器、GPS等)、国防工业(如智能炸弹、导弹、航空航天、航海、潜水、无人飞机等)以及工业类产品(如汽车、通讯、机器人、智能交通、工业自动化、环境监测、平台稳定控制、现代化农业、安全监控等)中。MEMS元器件是物联网技术的基石，是工业现代化的核心元器件。

MEMS芯片，特别是高性能的MEMS芯片的制造工艺很难与普通的CMOS集成电路制造工艺兼容，而且比普通CMOS集成电路制造工艺成本高，利用尽量多的普通CMOS集成电路的制造工艺步骤来制造MEMS芯片，可以降低成本，提高成品率。早期的高性能MEMS芯片是不用圆片级封装技术的，也就是说MEMS结构是暴露在外的，需要通过金属或陶瓷封装将其密封保护，但这种方法封装成本高，成品率底。所以现在的高性能MEMS芯片，特别是MEMS加速度计和陀螺仪，一般都通过MEMS圆片与盖板圆片键合，再切割成芯片的方法制造芯片级封装的MEMS芯片，一般的MEMS芯片级封装的盖板只起到一个密封的作用。芯片级封装的MEMS器件信号通常通过芯片底板或芯片的MEMS层引出，再连接到ASIC芯片(专用集成电路，Application specific Integrated Circuit)上，也就是说MEMS芯片的信号线的交叉布线是通过底板或MEMS层实现的。MEMS器件的性能随温度变化而变化，例如高性能MEMS陀螺仪，在-40℃到+85℃的工作温度范围内的零偏值比标定温度(通常25℃)下的零偏值大几倍到几十倍，这主要是温度变化引起的各种材料体积变化不均匀而产生应力，从而导致MEMS陀螺仪的零偏值漂移；最好解决方法之一是恒定MEMS陀螺仪芯片的温度，由于芯片级制冷不容易实现，而加热很容易，所以一般通过加热控制芯片温度在最高工作温度附近，以提高MEMS陀螺仪芯片在全工作温度范围内的性能。美国专利(专利号为：US2015/0115377)描述了一种MEMS芯片加热的方法及其制造工艺，其盖板只起到密封和加热的作用。另外，高性能MEMS器件价格昂贵，可靠性要求十分严格，定期检测封装管壳的气密性是十分有效的可靠性监控方法，美国专利(专利号为：US8011226)描述了利用热对流加速度计原理检测密封腔体内气压变化的方法，使用到一个独立的MEMS加速度计器件。

综上所述，现有的MEMS芯片级封装技术中没有一种盖板可同时提供气密性封装、信号线交叉布线、芯片加热、实时检漏多种功能。因此需要提供一种多功能的MEMS圆片级封装盖板以简化高性能MEMS芯片的设计和加工工艺，适应多品种小批量的特点，提高成品率，同时改进产品长期使用的稳定性，保证产品应用过程中的可靠性。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有多功能盖板的MEMS芯片，该MEMS芯片通过外部金属线将MEMS结构的电信号引到盖板上面的金属层中，再在盖板上完成交叉布线；同时，利用盖板上的第一金属层图形和第二金属层图形制作恒温加热器和检漏用热对流加速度计；此方法制造流程短，成本低，设计灵活，制造出的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片成品率高。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片，包括盖板、MEMS结构层和至少有一个下凹腔的底板，底板上有底板绝缘层，所述的MEMS结构层包括MEMS结构、空隙和MEMS信号导出部，所述的盖板包括盖板衬底，盖板衬底上表面覆盖有盖板绝缘层，盖板绝缘层上有第一金属层图形，金属间绝缘层覆盖在盖板绝缘层和第一金属层图形上，金属间绝缘层中开有通孔，第二金属层图形分布在金属间绝缘层上并填充在通孔中，从而将第一金属层图形与第二金属层图形电连接，部分第二金属层图形还作为第二压焊块；盖板衬底下表面具有密封环，盖板通过密封环与MEMS结构层和底板绝缘层键合，底板、底板绝缘层、密封环和盖板衬底共同围成密封腔，MEMS结构位于所述的密封腔中，MEMS信号导出部固定在底板绝缘层上，第一压焊块位于MEMS信号导出部上表面，第一压焊块上方无盖板和密封环覆盖。

本实用新型的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的MEMS结构与底板和盖板都没有直接的电连接，后续封装时，可在在第一压焊块与第二压焊块之间连接金属线，将本实用新型的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片与ASIC芯片并排粘贴在管壳中，管壳盖板通过密封材料固定在管壳上，围成一个气密性空腔，MEMS结构的电信号通过信号导出部传输到第一压焊块上，再通过键合在第一压焊块和第二压焊块间的金属线传输到位于盖板上的第二压焊块上，然后根据逻辑需要通过第一金属层图形和第二金属层图形交叉布线，将MEMS结构的电信号传输到位于盖板另一边的第二压焊块上，再通过键合在第二压焊块和AISC压焊块间的金属线将信号传输到ASIC芯片中，经ASIC处理后经过键合在ASIC压焊块和管壳压焊块间的金属线传输到管壳上。在该种封装形式下，本实用新型的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的盖板不仅参与围成密封腔，为MEMS结构提供可以自由活动的空间，同时还提供信号线的交叉连线。

所述的第一金属层图形的材料是重掺杂多晶硅、硅化物、铂、钨、钼、钛或两种以上的组合；第二金属层图形的材料是铝、金、铂或铜，即第一金属层图形的材料和第二金属层图形的材料不同，利用它们不同的Seebeck系数，本实用新型的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的盖板还可以作为恒温加热器，给MEMS芯片恒温加热：第一金属层图形作为恒温加热电阻，恒温加热电阻均匀分布在盖板上，后续封装时，恒温加热电阻的一端连接到第七ASIC压焊块上，另一端连接到第四ASIC压焊块上，由ASIC芯片控制流过恒温加热电阻的功率，为达到恒温加热的目的，必须有一个热敏电阻来反馈温度信号，热敏电阻也用第一金属层图形制作，热敏电阻的电信号连接到第一ASIC压焊块上，恒温加热电阻的加热温度由热敏电阻感应，热敏电阻将感应到的信号输送到ASIC芯片中，ASIC芯片经计算后控制恒温加热电阻的功率，达到温度恒定的目的。

在盖板上挖有检漏空腔，热对流加速度计的热电偶正极位于检漏空腔中央，与盖板衬底无接触，加热电阻位于检漏空腔中央，与盖板衬底无接触，所述的热电偶从下到上依次由盖板绝缘层、第一金属层图形、金属间绝缘层和第二金属层图形组成，热电偶的厚度为2～10μm，所述的加热电阻从下到上依次由盖板绝缘层、第一金属层图形和金属间绝缘层组成，由于第一金属层图形和第二金属层图形选用的材料不同，利用它们不同的Seebeck系数组成至少二个热电偶，此二个热电偶的一端相对放置于热对流加速度计的加热电阻的两侧，且位于检漏空腔中，作为热对流加速度计的热端，另一端位于盖板衬底上作为冷端，在二次封装后检漏空腔与封装管壳及管壳盖板围成一个密封腔，连同第一金属层图形组成的热对流加速度计的加热电阻组成一个热对流加速度计，利用热对流加速度计在不同气压中的灵敏度不同的原理，实现对二次封装实时检漏的功能。

总之，本实用新型的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的盖板除了与底板围成一个密封空腔为MEMS结构提供一个可活动的空间外，同时还提供信号线的交叉连线、芯片恒温加热、实时检漏多种功能而且长期使用的稳定性好，应用过程中的可靠性强。

本实用新型的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片不需要MEMS结构层与底板间存在电连接，不需要通过TSV(硅通孔，Through Silicon Via)电连接MEMS结构与盖板，也不需要在MEMS结构层上或底板上进行交叉布线，而是通过后续封装时形成的第一压焊块与第二压焊块间的金属线将MEMS结构的电信号引导到盖板上，再在盖板上完成交叉布线；还可以利用盖板上的第一金属层图形制作恒温加热器；同时利用盖板上的第一金属层图形和第二金属层图形制作检漏用热对流加速度计，制造流程短、成本低、设计灵活。本实用新型的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的盖板除了围成密封腔为MEMS结构提供可活动的空间外，还提供了MEMS信号的交叉连线、MEMS芯片的恒温加热电阻和检漏用的热对流加速度计，MEMS芯片成品率高。

附图说明

图1是实施例一的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的示意图。

图2是实施例一的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片后续封装打线后的示意图。

图3是实施例一封装后的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的示意图。

图4是实施例一封装后的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的成品示意图。

图5是实施例一、实施例二的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的俯视图。

图6是实施例三的检漏用MEMS圆片的示意图。

图7是实施例三的检漏用MEMS芯片的俯视图。

图8是图7的A-A剖视图。

图9是图7的B-B剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例一

本实施例的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片4，如图1所示，包括盖板30、MEMS结构层22和至少有一个下凹腔13的底板11，盖板30的面积小于底板11的面积，底板11的材料为<100>晶向的重掺杂单晶硅，下凹腔13的深度在5～30μm，底板11上有底板绝缘层12，底板绝缘层12的材料是二氧化硅，厚度为0.5～3μm，底板绝缘层12用于键合MEMS结构层22、提供机械支撑以及电隔离；MEMS结构层22的材料为<100>晶向的重掺杂单晶硅，MEMS结构层22包括MEMS结构22a、空隙22b和MEMS信号导出部22c，MEMS结构层22的厚度为2～100μm；盖板30包括盖板衬底31，盖板衬底31的材料是<100>晶向的重掺杂单晶硅，盖板衬底31上表面覆盖有盖板绝缘层32，盖板绝缘层32的材料是二氧化硅，厚度为0.5～3μm，盖板绝缘层32用于电隔离第一金属层图形33和盖板衬底31，盖板绝缘层32上有第一金属层图形33，第一金属层图形33的材料是铂、重掺杂多晶硅、硅化物、钨、钼、钛等，也可以是它们的组合；金属间绝缘层34覆盖在盖板绝缘层32和第一金属层图形33上，金属间绝缘层34的材料是PECVD生长的SiO₂、氮化硅，也可以是它们的组合，厚度为0.5～3μm，金属间绝缘层34中开有通孔34a，第二金属层图形35分布在金属间绝缘层34上并填充在通孔34a中，从而将第一金属层图形33与第二金属层图形35电连接，第二金属层图形35的材料是铝、金、铂、铜等，其Seebeck系数与第一金属层图形33不同；第二金属层图形35的一部分还作为第二压焊块35a，用于将MEMS信号传输到盖板30上；盖板衬底31下表面具有密封环37，盖板30通过密封环37与MEMS结构层22和底板绝缘层12键合，密封环37的材料是低温玻璃浆料，键合后MEMS结构层22与盖板衬底31的间距为5～10μm，底板11、底板绝缘层12、密封环37和盖板衬底31共同围成密封腔41，MEMS结构22a位于所述的密封腔41中，可在密封腔41中自由活动，MEMS信号导出部22c固定在底板绝缘层12上，第一压焊块23位于MEMS信号导出部22c上表面，第一压焊块23的材料可以是铝、金、铂、铜等，第一压焊块23上方无盖板30和密封环37覆盖。

后续封装：

在具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片4的第一压焊块23与第二压焊块35a间通过普通封装工艺键合金属线5，见图2，这样，MEMS结构22a的信号就通过MEMS信号导出部22c、第一压焊块23、金属线5和第二压焊块35a传输到盖板30上。

具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片4需要由ASIC芯片6来调试其参数、处理其信号，两者通过二次封装制作成最终产品，如图3所示，具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片4与ASIC芯片6被粘贴在封装载体的管壳7中，具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片4通过键合金属线75的方法与ASIC芯片6电连接，同样，ASIC芯片6的信号通过金属线75连接到管壳压焊块71上，由于管壳压焊块71与管壳焊脚72有相应的电连接，这样，MEMS信号就经ASIC芯片6处理后传输到管壳焊脚72上，具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片5、ASIC芯片6和金属线75均位于管壳空腔73中，金属线75弧线最高处不高于管壳密封面74高度。

在键合好金属线75后，管壳7需要密封，以保护内部的芯片、压焊块和金属线，如图4所示，在管壳密封面74上盖上管壳盖板76，他们之间通过密封材料77粘合在一起，密封材料77可以是低温玻璃焊料，也可以是金属焊料，这样芯片、压焊块和金属线均被密封在管壳7、密封材料77与管壳盖板76围成的密封腔中，完成二次封装，形成最终成品；在本实施例中，密封腔41内气压低于环境气压，接近真空，以提高高性能MEMS产品的可靠性。

图5进一步说明了本实施例的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片5的原理，从俯视图看，盖板30面积小于底板绝缘层12和底板11的面积，露出MEMS信号导出部22c和第一压焊块23，金属线75连接位于盖板30上的第二压焊块35a和位于MEMS信号导出部22c上的相应的第一压焊块23，第二压焊块35a通过通孔34a(图5中被第二金属层图形35遮盖)连接第一金属层图形33，再连接到位于ASIC芯片6一侧的第一ASIC压焊块601上，实现交叉布线；ASIC芯片6与具有多功能盖板的MEMS芯片4通过相近一侧的第二ASIC压焊块602与第二压焊块35a，以及两者之间的金属线75电连接，由第一压焊块23a导出的MEMS信号连接到第十ASIC压焊块610上，由第一压焊块23b导出的MEMS信号连接到第一ASIC压焊块601上。

本实施例的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片4利用低温玻璃浆料作为密封环37材料，既可以填充各个MEMS信号导出部22c之间的空隙22b达到密封作用，不需要将密封面制作得平整，又可以提供MEMS结构22a与盖板衬底31之间的空间以容纳MEMS结构22a自由运动，而无需在盖板30上制作上凹腔，减少了掩模数量，提高成品率，降低成本；在盖板衬底31上制作第一金属层图形33和第二金属层图形35，进行交叉布线，利用普通封装技术的金属线键合工艺，将MEMS信号连接到盖板30上，然后从盖板30连接到ASIC芯片上，不需在底板11或盖板30的内侧制作复杂的金属布线以将MEMS信号引出，不需金属-硅键合，大大简化了制造流程，降低了工艺复杂度，提高了成品率。

本实施例的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片4也可以直接与管壳压焊块71通过键合金属线实现电连接。

实施例二

本实施例的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片4的盖板30作为恒温加热器，给MEMS芯片恒温加热：第一金属层图形33作为恒温加热电阻33a，恒温加热电阻33a均匀分布在盖板30上，后续封装时，恒温加热电阻33a的一端连接到第七ASIC压焊块607上，另一端连接到第四ASIC压焊块604上，如图5所示，由ASIC芯片6控制流过恒温加热电阻33a的功率，为达到恒温加热的目的，必须有一个热敏电阻来反馈温度信号，热敏电阻也用第一金属层图形33制作，热敏电阻的电信号连接到第一ASIC压焊块601上，恒温加热电阻33a的加热温度由热敏电阻感应，热敏电阻将感应到的信号输送到ASIC芯片6中，ASIC芯片6经计算后控制恒温加热电阻33a的功率，达到温度恒定的目的。

实施例三

检漏用的MEMS芯片8，在实施例一的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片4的盖板30的热对流加速度计区81挖有检漏空腔82，如图6、图7所示，所述的热对流加速度计区81位于盖板30的中央位置，目的是为了方便在MEMS圆片切割成检漏用的MEMS芯片8时对热对流加速度计的保护，第一热电偶正极83a和第二热电偶正极83c被对称地置于热对流加速度计加热电阻84的两侧，并且他们都悬置于检漏空腔82上方，ASIC芯片6通过第五ASIC压焊块605、第六ASIC压焊块606控制加热电阻84上的功率，第一热电偶负极83b和第二热电偶负极83d被对称地置于非检漏区，也就是说被置于盖板衬底31上，由于Si的热传导系数为150W/M·K，比空气的热传导系数(2.6×10^-2W/M·K)大得多，所以第一热电偶的负极83c和第二热电偶的负极83d的温度基本相等，加热电阻84对热对流加速度计区81局部的气体进行加热，引起气体对流，从而加热第一热电偶正极83a和第二热电偶正极83c，第一热电偶正极83a的信号连接到第八ASIC压焊块608上，第一热电偶负极83b的信号连接到第九ASIC压焊块609上，两者之间的温度差△Tab经第二热电偶转化为电信号Sab，第二热电偶正极83c的信号连接到第三ASIC压焊块603上，第二热电偶负极83d的信号连接到第二ASIC压焊块602上，两者之间的温度差△Tcd经第二热电偶转化为电信号Scd，当在图7中沿B-B方向施加一定量的加速度时，Sab-Scd就会有一个对应的差值△S，在一定环境温度，一定加热电阻84功率下，并且气压P₀一定时，△S为一定值△S₀，当环境温度、加热电阻84功率相同，但气压变为P₁，相应地，两个热电偶间的电信号差值变为△S₁，它们之间有以下关系：

△S₀/△S₁＝(P₀/P₁)²

通过定期检测△S，并与出厂校准时测得的△S₀比较，就可以在使用过程中实时监控二次封装管壳空腔内的气压，判断二次封装是否漏气，以保证成品的可靠性。

检漏用热对流加速度计的结构可从图7的A-A的剖示图8进一步说明，热对流加速度计的热电偶位于检漏空腔82中央，与盖板衬底31无直接接触，以减少热量损失，它从下到上依次由盖板绝缘层32、第一金属层图形33、金属间绝缘层34、第二金属层图形35组成，总厚度在2～10μm，用于感应热电偶周围的气体温度；盖板绝缘层32的作用是为热电偶提供机械支撑，金属间绝缘层34的作用是电隔离第一金属层图形33和第二金属层图形35；热电偶不限于一组，可以由多组串联而成。

检漏用热对流加速度计的结构也可从图7的沿B-B的剖示图9进一步说明，热对流加速度计的加热电阻84于检漏空腔82中央，与盖板衬底31无直接接触，以减少热量损失，它从下到上依次由盖板绝缘层32、第一金属层图形33、金属间绝缘层34组成，用于加热周围的气体，引起气体热对流；盖板绝缘层32和金属间绝缘层34的作用是为加热电阻84提供机械支撑，以及保护用作加热电阻84的第一金属层图形33不接触周围气体以免被氧化；加热电阻84不限于一组，可以由二组或多组并联而成，以达成沿B-B方向的加热功率对称的目的；热电偶的正极83a和83c的位置就是图9中通孔34a的位置，对称放置于加热电阻84两侧，与加热电阻84通过盖板绝缘层32和金属间绝缘层34机械连接以保证机械强度，盖板绝缘层32是不良热导体，其热导率比金属和硅的热导率小二个数量级以上，所以第一热电偶正极83a和第二热电偶正极83c的温度要比加热电阻84的温度低得多。

热电偶与加热电阻84也可无机械连接，这样可以提高热对流加速度计的灵敏度。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型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，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (2)

1.具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片，包括盖板、MEMS结构层和至少有一个下凹腔的底板，底板上有底板绝缘层，其特征在于：所述的MEMS结构层包括MEMS结构、空隙和MEMS信号导出部，所述的盖板包括盖板衬底，盖板衬底上表面覆盖有盖板绝缘层，盖板绝缘层上有第一金属层图形，金属间绝缘层覆盖在盖板绝缘层和第一金属层图形上，金属间绝缘层中开有通孔，第二金属层图形分布在金属间绝缘层上并填充在通孔中，从而将第一金属层图形与第二金属层图形电连接，第二金属层图形的一部分还作为第二压焊块；盖板衬底下表面具有密封环，盖板通过密封环与MEMS结构层和底板绝缘层键合，底板、底板绝缘层、密封环和盖板衬底共同围成密封腔，MEMS结构位于所述的密封腔中，MEMS信号导出部固定在底板绝缘层上，第一压焊块位于MEMS信号导出部上表面，第一压焊块上方无盖板和密封环覆盖。

2.根据权利要求1所述的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片，其特征在于：所述的盖板上挖有检漏空腔，热对流加速度计的热电偶正极位于检漏空腔中央，与盖板衬底无接触，加热电阻位于检漏空腔中央，与盖板衬底无接触，所述的热电偶从下到上依次由盖板绝缘层、第一金属层图形、金属间绝缘层和第二金属层图形组成，热电偶的厚度为2～10μm，所述的加热电阻从下到上依次由盖板绝缘层、第一金属层图形和金属间绝缘层组成。