一种基于3D打印的MEMS封装件及封装方法与流程

本发明主要涉及mems封装技术领域，特指一种基于3d打印的mems封装件及封装方法。

背景技术：

mems封装是指安装mems器件用的外壳，通过器件上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的插槽与其他器件相连接。mems封装起着进行机械保护和电连接，保护精密的集成电路避免由于机械和环境方面的侵害，并保证在器件的内外之间和各组成部分之间的能源的传递和信号的变换的作用，其一般过程为器件准备、表面键合、引线键合和封装四大步。目前，mems键合技术是mems封装中最富有挑战性和重要性的技术。键合技术有阳极键合、硅融合键合、玻璃浆料键合、共晶键合、冷压焊键合技术等键合技术。

目前，mems封装键合技术采用的封装盖板都是实心简单结构，不能满足如密封空腔内的吸气剂放置、多通道mems器件封装等应用场景需求，且其开模成本高昂，研发周期长。传统吸气剂是直接放置在基板上的，一方面吸气剂占用了mems封装空间，导致产量低于无吸气剂的mems封装，另一方面，直接放置在基板上的吸气剂在加热激活时产生的热量通过封装基板大量传至mems器件上。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种低成本、导热性好、抗冲击性能好且真空度高的基于3d打印的mems封装件，并相应提供一种步骤简单的封装方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于3d打印的mems封装件，包括基底、mems器件、引线框架和3d打印的空心封装盖板；所述基底上设置有焊盘；所述封装盖板与所述基底对准键合形成中空的封装体，所述mems器件安装于封装体的空腔内且固定于基底上，所述mems器件的信号引脚与所述基底上的焊盘电气连接，所述焊盘与所述引线框架电气连接；所述封装盖板远离mems器件的一侧打印有容纳槽，所述容纳槽内放置有吸气剂。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述封装盖板的空心结构为蜂窝结构、内凹四边形结构、手性结构或圆形结构。

所述封装盖板与所述基底对准键合形成多个空腔，相邻空腔之间相互密封或设有通气槽。

本发明还公开了一种如上所述的基于3d打印的mems封装件的封装方法，包括步骤：

s01、通过3d打印技术打印空心封装盖板；采用减薄或划片处理圆片得到基底；

s02、将mems器件固定于基底上，并通过信号引脚与所述基底上的焊盘连接，再将焊盘与引线框架相连；

s03、所述封装盖板与所述基底对准键合形成封装体。

作为上述技术方案的进一步改进：

在在步骤s02中，将mems器件粘贴固定于基底上，具体工艺依次为：点胶、粘片、固化和烘烤；所述mems器件信号引脚与基底的焊盘之间通过引线键合或冷钎焊进行电气连接。

在步骤s03中，在真空环境下进行封装盖板与所述基底的对准键合，键合方式为冷钎焊键合、有机粘合剂键合或玻璃浆料键合；其中冷钎焊键合采用的金属焊料为锡、铅或银；有机粘合剂键合采用的有机粘合剂为环氧树脂；玻璃浆料键合方式采用玻浆料。

在步骤s03中，以丝网印刷方式印刷环氧粘接图形，将封装盖板与基底对扣，在真空环境下采用环氧树脂直接键合；或者封装盖板先与玻璃、陶瓷、硅、硅的氧化物或碳化硅或磷酸锂材料键合，再与基底进行间接键合。

在步骤s03之后，根据工艺需求进行封装体后处理，所述后处理包括注塑、电镀或切筋成型。

在步骤s01中，打印封装盖板所需的材料包括氰酸酯树脂40份、氧树脂30份、丙烯酸酯28份、光引发剂1.5份、消泡剂0.2份、阻聚剂0.2份和光吸收剂0.1份。

在步骤s01中，打印完成的封装盖板再进行后处理：当封装盖板为树脂材料时进行二次曝光；当封装盖板为陶瓷材料时后期烧结，当封装盖板为金属材料时进行退火、喷丸处理。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的基于3d打印的mems封装件及封装方法，采用微纳3d打印技术一体成型空心的封装盖板，相对于目前传统封装盖板微加工的方式，能够节省开模成本和注塑工序，从而降低封装成本，缩短产品研发周期；封装盖板采用空心结构，提升了封装盖板导热性、抗冲击性能和强度/质量比；在封装体的空腔内设有吸气剂，提高封装件空腔内的真空度，同时吸气剂放置于远离mems器件一侧的封装盖板的容纳槽内，能够省去直接放置吸气剂的封装空间，同时避免在激活吸气剂时产生的热量传至mems器件，而影响mems器件正常工作。

本发明针对新型mems传感器研发与批量化生产，创造性地将3d打印技术优势与mems封装结合，通过设计和优化出更合理、更经济、满足特定应用场景的mems封装结构，运用3d打印技术一次成型mems封装盖板，进而可间接或直接的与基板键合；节省了传统封装盖板的开模成本和注塑工序，适用于少批量、多品种、定制化的mems传感器封装，缩短传感器研发周期，也能通过设计和优化封装盖板结构提高封装的导热性、抗冲击性和强度/质量。

附图说明

图1为本发明的mems封装件在实施例中的结构示意图(蜂窝结构的封装盖板)。

图2为本发明的mems封装件在实施例中的结构示意图(内凹四边形结构的封装盖板)。

图3为本发明的mems封装件在实施例中的结构示意图(圆形结构的封装盖板)。

图4为本发明的mems封装件在实施例中的结构示意图(带容纳槽)。

图5为本发明的mems封装件在实施例中的结构示意图(双空腔)。

图6为本发明的各mems封装件的能量吸收效果对比图。

图中标号表示：1、基底；2、粘结剂；3、硅片；4、mems器件；5、焊盘；6、引线框架；7、封装盖板；8、空腔；9、通气槽；10、容纳槽。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1至图5所示，本实施例的基于3d打印的mems封装件，包括基底1、mems器件4、引线框架6和3d打印的空心封装盖板7；基底1上设置有焊盘5；封装盖板7与基底1对准键合形成中空的封装体，mems器件4安装于封装体的空腔8内且固定于基底1上，mems器件4的信号引脚与基底1上的焊盘5电气连接，焊盘5与引线框架6电气连接，引线框架6则与外界连接；封装盖板7远离mems器件4的一侧打印有容纳槽10，容纳槽10内放置有吸气剂(图中未示出)。

本发明的基于3d打印的mems封装件，采用微纳3d打印技术一体成型空心的封装盖板7，相对于目前传统封装盖板7微加工的方式，能够节省开模成本和注塑工序，从而降低封装成本，缩短产品研发周期；封装盖板7采用空心结构，提升了封装盖板7导热性、抗冲击性能和强度/质量比；在封装体的空腔8内设有吸气剂，提高封装体空腔8内的真空度，同时吸气剂放置于远离mems器件4一侧的封装盖板7的容纳槽10内，能够省去直接放置吸气剂的封装空间，同时避免在激活吸气剂时产生的热量传至mems器件4上，影响mems器件4正常工作。

本实施例中，封装盖板7的空心结构为蜂窝结构、内凹四边形结构、手性分子结构或圆形结构，通过上述结构提升导热性、抗冲击性能和强度/质量比。另外，封装盖板7的整体形状呈方形或圆拱形，或者封装盖板7为一体成型的由通气槽9相连多个空腔8的封装盖板7，封装盖板7与基底1对准键合形成多个空腔8，相邻空腔8之间通过通气槽9连通，当然，各空腔8之间也可以密封。通过对以上的结构的封装盖板7在有限元软件abaqus中以相同材料参数、边界条件的得到的能量吸收效果的对比图，由图中可知，其能量吸收能力为：圆形结构>内凹四边形＝蜂窝结构>实心结构。

本发明还相应公开了一种基于3d打印的mems封装件的封装方法，包括步骤：

s01、通过3d打印技术打印空心封装盖板7；采用减薄或划片处理圆片得到基底1；

s02、将mems器件4固定于基底1上，并通过信号引脚与基底1上的焊盘5连接，再将焊盘5与引线框架6相连；

s03、封装盖板7与基底1对准键合形成封装体，其中mems器件4被封装在封装体的腔体内，通过引线框架6与封装体外部连接。

本实施例中，在步骤s03之后，根据工艺需求进行后处理，如注塑、电镀或切筋成型。

本实施例中，步骤s01中的微纳3d打印技术可以为微立体光刻3d打印技术(stereolithographyappearance，sla)、选择性激光烧结技术(selectivelasersintering，sls)、熔融沉积成型技术(fuseddepositionmodeling，fdm)、分层实体制造技术(laminatedobjectmanufacturing，lom)、直接金属激光烧结(directmetallasersintering，dmls)或电子束熔炼技术(electronbeammelting，ebm)等；另外为了保证mems键合质量和工艺要求，材料选用耐高温、高强度的材料。其中打印完成的封装盖板7再进行后处理，如树脂材料需要二次曝光，陶瓷材料需要后期烧结，金属材料进行退火、喷丸处理等。

本实施例中，步骤s01中的圆片减薄可以是减薄机减薄或化学机械抛光(cmp)，划片可采用车轮划片、激光划片或等离子体划片等。

本实施例中，在步骤s02中，将mems器件4通过粘结剂2粘贴固定于基底1上的硅片3的预定位置，具体工艺依次为：点胶、粘片、固化和烘烤；mems器件4信号引脚与基底1的焊盘5之间通过引线键合或冷钎焊或其它电气连接方法进行电气连接。

本实施例中，在步骤s03中，在真空环境下进行封装盖板7与基底1的对准键合，键合方式为冷钎焊键合、环氧树脂键合或玻璃浆料键合。其中冷钎焊采用的金属焊料如常用的锡、铅、银等低温金属焊料；有机粘合剂键合采用的有机粘合剂如环氧树脂；玻璃浆料键合方式采用玻浆料等。金属浆料、有机粘合剂和玻璃浆料的印刷方法可以是丝网印刷、掩模印刷、流延型印刷等。

下面结合一完整实施例对本发明的上述方法做进一步说明，具体为：

(1)封装盖板7建模

封装盖板7为半径2.5mm，壁厚1mm的半球，12个外接圆为0.5mm的蜂窝结构均匀分布在封装盖板7中；

(2)模型切片

以sliceshop切片软件将模型居中放置并以20微米层厚切片；

(3)材料选择

为保证mems键合质量，材料选用耐高温树脂，其包含氰酸酯树脂份40、氧树脂30份、丙烯酸酯28份、光引发剂1.5份、消泡剂0.2份、阻聚剂0.2份、光吸收剂0.1份；

(4)3d打印平台放置

选用p140(摩方材料，深圳)pμsl3d打印设备，将打印平台清洁并水平放置；

(5)封装盖板7的3d打印参数设置并打印

根据不同树脂材料、光机参数、层厚其打印参数设置不尽相同，以光强45mw/mm2、曝光时间4s、打印层厚20μm为具体参数并开始打印；

(6)取出封装盖板7并后处理

取出封装盖板7后用酒精超声处理、超声处理后放入二次固化箱内固化半个小时到2小时即可；

(7)圆片减薄/划片

同普通塑封集成电路晶圆减薄，采用金刚石刀片划片，划片进刀速度控制在小于10mm/s；

(8)粘片

采用ic器件粘片技术将mems器件4粘接到引线框架6上，具体工艺过程为：点胶-粘片-固化-烘烤四个步骤；

(9)引线键合

放置引线框架6，采用超声波球焊接70μm金丝将mems器件4的焊盘5与引线框架6进行电气连接；

(10)键合

以丝网印刷方式印刷环氧粘接图形，将3d打印封装盖板7和基底1对扣，在真空环境下采用环氧树脂直接键合。在其它实施例，封装盖板7也可以间接与基底1进行键合，如封装盖板7先与玻璃、陶瓷、硅、硅的氧化物、碳化硅、磷酸锂等材料键合，再与基底1进行键合。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。