一种适用于MEMS加速度传感器芯片的低应力封装结构的制作方法

本发明涉及一种传感器芯片低应力封装结构，尤其涉及一种适用于微电子机械系统(micro-electro-mechanicalsystems,mems)加速度传感器芯片低应力封装结构，属于传感器芯片封装领域。

背景技术：

mems加速度传感器作为具有代表性的微传感器，具有体积小、重量轻、易集成、功耗和成本低、可批量生产等优点，被广泛地应用于消费电子、油气勘探、航空航天、国防工业等领域。而芯片的封装是加速度传感器制作过程中的关键环节之一，其不仅占据着总成本的30％-40％，还在传感器芯片与外部处理电路之间扮演着至关重要的桥梁角色。加速度传感器芯片通过管壳封装可建立与外界的电学连接，获得机械支撑，防止外部力、热、化学等有害因素的损害或干扰。

传统的封装首先是通过胶粘或焊料粘接的方式将加速度传感器芯片底面与管壳腔体底面进行简单的粘合，再对芯片与管壳进行引线键合，最后封盖实现腔体密封。由于粘接材料、管壳材料与芯片材料之间的热膨胀系数各不相同，当外部温度变化时，三者之间便呈现出不同的形变量，从而产生热应力。该应力通过芯片底板传递到加速度传感器芯片内部，导致传感器弹性梁变形和可动结构偏移，最终会影响传感器的灵敏度、零点偏移和温度系数等性能。因此，如何减小封装过程引入的热应力，对高性能mems加速度传感器的研制极其重要。

为了降低封装热应力，通常从以下几个角度采取办法：1、封装材料。结合传感器芯片的结构特点，选择低应力的粘片胶，对外界输入的应力起有效的缓冲作用。2、芯片结构。其一是适当增加mems芯片底板的厚度，降低外部应力对芯片内可动结构变形的影响。其二是引入应力隔离结构，该法虽能有效的降低封装应力，但通常需要制作额外的结构层，增加了工艺的复杂性且不利于实现微型化。3、芯片的粘接位置与粘接面积。封装时要选择外部应力对传感器结构变形影响较小的位置进行粘接，在不影响抗冲击特性的情况下尽量减小粘接面积。

技术实现要素：

为解决现有封装技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种适用于mems加速度传感器芯片的低应力封装结构，能够将传感器的封装应力降低到最小，且工艺简单，可靠性高，易于操作，成品率高。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种适用于mems加速度传感器芯片的低应力封装结构，包括管壳和mems传感器芯片，其特征在于：管壳腔体底部设有金属层区域，mems加速度传感器芯片底部同样设有金属层区域和凹槽，其中，

所述管壳腔体底部金属层区域位于腔体底部两端，其一端由相邻的两块金属区域组成；

所述mems传感器芯片底部金属层区域位于芯片底部两端，与管壳腔体底部两端的金属层区域相对应。

进一步地，所述mems传感器芯片底部一端的金属层与所述管壳腔体底部一端的金属层粘接，芯片底部另一端的金属层仅与管壳腔体底部另一端的金属层接触，但不粘接。

进一步地，为阻止粘接材料高温封装时溢向另一侧金属层区域，在mems传感器芯片底部两侧金属层之间，靠近其中一侧设有凹槽。

进一步地，所述金属层区域为ti/au(钛/金)、ni/au(镍/金)或其它金属材料。

进一步地，所述mems加速度传感器芯片的金属层区域与管壳的金属层区域通过金锡焊料或其它材料粘接在一起。

进一步地，所述mems加速度传感器芯片与管壳腔体侧壁留有一定裕度的活动间隙。

优选地，所述凹槽宽度不小于100μm，深度不小于10μm。

优选地，所述活动间隙的宽度不小于0.1mm。

本发明至少具有以下有益效果：

mems传感器芯片仅底部一端与管壳粘接为一体，另一端呈自由状态，封装应力可依靠自由端的活动进行充分释放，从而有效的降低了封装过程引入的热应力。

管壳腔体底部和mems加速度传感器芯片底部仅接触而未粘接的金属层区域，可为芯片提供机械支撑，提高封装结构的抗冲击能力和可靠性。

mems加速度传感器芯片与管壳腔体侧壁留有一定的活动间隙，保证了高温封装时，芯片材料有一定裕度的膨胀空间，从而将传感器的封装应力降低到最小。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是作为本发明实施例的mems加速度传感器芯片的结构示意图。

图2是本发明所涉及的mems加速度传感器芯片封装管壳的俯视图。

图3是本发明所涉及的mems加速度传感器芯片封装结构沿图2中aa’视角的剖面图。

图4是本发明所涉及的mems加速度传感器芯片封装结构沿图2中bb’视角的剖面图。

图5是本发明所涉及的mems加速度传感器芯片封装在管壳中的三维示意图。

图6是本发明所涉及的mems加速度传感器芯片完成低应力封装后，上盖板和中间质量块构成电容的cv曲线(电容电压关系曲线)图。

图7是本发明所涉及的mems加速度传感器芯片完成低应力封装后，下盖板和中间质量块构成电容的cv曲线(电容电压关系曲线)图。

附图中：

1—mems加速度传感器芯片2—管壳

3—金锡焊料4—管壳侧壁

5—活动间隙6、7—焊盘

8—金属引线9—金属盖板

103—凹槽101、102、201、201a、201b、202—金属层区域

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

作为本发明实施例的mems加速度传感器芯片1的结构如图1所示；mems加速度传感器1采用电容检测原理，由上盖板、弹性梁、中间质量块、下盖板组成一对差分电容；当外界输入加速度信号时，弹性梁发生形变，中间质量块位置发生变化引起差分电容值变化，通过检测电路将差分电容变化量转换为电压信号，来表征外界输入的加速度信号；当有封装热应力通过下盖板引入传感器时，会导致弹性梁等mems敏感结构发生形变，从而造成极板间隙变化以及中间质量块的扭转，最终影响加速度传感器的性能。

本发明涉及的一种适用于mems加速度传感器芯片的低应力封装结构，包括mems加速度传感器芯片1和管壳2。

mems加速度传感器芯片1底部两端设有金属层区域101，金属层区域102和凹槽103，其中凹槽103设置于金属层区域101和金属层区域102之间并靠近金属层区域101设置；mems加速度传感器芯片1的封装管壳2如图2所示，管壳2腔体底部两端同样设有金属层区域201，金属层区域202；其中，金属层区域201由相邻的金属层区域201a和金属层区域201b组成。

所述金属层区域101，金属层区域102采用ti/au(钛/金)制成，金属层区域201、金属层区域202采用ni/au(镍/金)制成。

本发明所涉及的mems加速度传感器芯片低应力封装结构剖面图可参见图3和图4；本发明所涉及的mems加速度传感器芯片封装在管壳中的三维示意图可参见图5。

所述mems加速度传感器芯片1的金属层区域101与管壳2的金属层区域201通过金锡焊料3粘接在一起，金属层区域102与金属层区域202仅接触而不粘接；由于mems传感器芯片1仅底部一端与管壳2封装为一体，另一端呈自由状态，封装应力可依靠自由端的活动进行充分释放，从而有效的降低了芯片1上的封装应力。

mems加速度传感器芯片1底部和管壳2腔体底部仅接触而未粘接的金属层区域102和金属层区域202，可为芯片1提供机械支撑，相较于现有技术中孤立的凸台结构，所述低应力封装结构具有较高的抗机械冲击能力和可靠性。

为阻止金锡焊料3高温封装时溢向mems传感器芯片1底部另一侧，造成金属层区域102与金属层区域202的粘接，mems传感器芯片1底部金属层区域101一侧设有凹槽103。

所述凹槽103宽度不小于100μm，深度不小于10μm。

mems加速度传感器芯片1与管壳侧壁4之间留有一定的活动间隙5，保证了高温封装时，mems加速度传感器芯片1材料有一定裕度的膨胀空间，从而mems加速度传感器芯片1的封装应力能够降低到最小。

为留有足够裕度的活动空间，所述活动间隙5的宽度不小于0.1mm。

mems加速度传感器芯片1上的焊盘6与管壳2腔体内的焊盘7通过金属引线8相互连接，实现电信号在管壳2内外的相互传输；最后采用金属盖板9真空密封管壳2腔体，完成mems加速度传感器芯片1的低应力封装。

本发明所涉及的mems加速度传感器芯片1完成低应力封装后，上盖板和中间质量块构成电容的cv曲线(电容电压关系曲线)可参见图6，下盖板和中间质量块构成电容的cv曲线可参见图7。对曲线进行计算分析得到中间质量块偏转角度为3.783e-4度，偏移为0.032微米，可见由封装应力造成的中间质量块偏转角度和偏移大大减小。显然，上述说明并非是本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。