一种MEMS器件的应力隔离封装结构的制作方法

本发明涉及芯片的封装，特别是适用于对容易受应力影响而发生性能改变甚至导致失效的mems器件的应力隔离封装结构。

背景技术：

电子元器件的封装，通常是一个或多个电子芯片进行电子信号互连，并封装在一个保护结构中，以提供机械保护或化学腐蚀保护，并实现电子芯片与封装体外界的电信号连接。一些电子产品，例如mems器件中的陀螺仪、加速度计、震荡器、体声波滤波器等对应力非常敏感，其工业级产品需要用陶瓷管壳、金属管壳、预成型塑料管壳等进行气密性封装。通常的方法是将mems芯片背面通过粘片胶固定在封装管壳的封装底板上，然后正面引线互连形成功能电路，最后加封装盖板密封，形成可以用于电子产品中的mems传感器或致动器元器件，mems芯片只有背面通过粘片胶与管壳接触，正面不与任何固体接触，由封装引起的应力从mems芯片背面引入。

由封装导入的机械应力主要来源于由温度变化引起的mems芯片与封装材料间的不等量体积变化，以及使用过程中pcb板的机械形变。mems芯片最常用的材料是硅，热膨胀系数在室温下为2.6ppm/k(百万分之2.6/度)很难找到与之相同的材料；常用的封装管壳材料中与硅的热膨胀系数最接近的氧化铝陶瓷(热膨胀系数～7ppm/k)也比硅大很多；由于粘片胶、封装管壳材料的热膨胀系数与mems芯片材料(主要是硅)的热膨胀系数不一样，在封装加工和以后使用的高温过程中，如粘片胶固化、封盖、smt及终端用户日常使用过程中，温度变化引起mems芯片与封装管壳、粘片胶的体积变化不一致，从而产生机械应力。除了温度变化，组装过程中引起的pcb形变，终端用户使用过程中的机械振动、机械冲击导致的pcb形变，也会通过封装管壳传导到mems芯片，导致对应力敏感的mems结构产生不正常形变，严重的话，会导致mems结构粘连，mems芯片脱落，或者破裂，表现在mems传感器的输出信号上就是零点和灵敏度的漂移，输出信号饱和或无输出信号。

所以考虑到在封装过程及使用过程中极其容易受外界应力的影响而导致器件性能与可靠性发生改变，我们需在封装结构上充分考虑到减少或消除mems芯片所受外界应力对微机械结构的冲击与影响，同时又能将mems所产生的电信号完整地通过封装体引出到外部。

mems器件的封装，降低或隔离封装应力是重要的考虑因素。现有的降低或隔离封装应力一般有以下几种方法：(1)在mems芯片与封装体之间增加隔离层或采用硬度低的软胶粘贴mems芯片的方法，其缺点在于软胶容易变形、抗机械冲击能力弱；另外，某些mems器件，如mems致动器、mems陀螺仪等，软胶也会降低器件性能。(2)减少mems芯片与封装管壳的接触面积，其缺点在于芯片与管壳连接的机械强度低，抗机械冲击能力弱；另外，两者接触面积小了，还会引起mems芯片的不均衡形变，性能反而更差。(3)mems芯片通过弹性封装衬板安装在管壳中，其缺点在于衬板成本高，封装工艺复杂，抗机械冲击能力弱，还可能导致信号延迟。

在现有技术中，专利号为cn110723713a的专利展示了一种在封装基板上用3d打印应力缓冲层的方法，在封装基板与mems装片层之间增加一定厚度的交替重叠的阵列式应力隔离层，以达到缓解基板所传递上来的应力，纵横交错的柱状条通过层层缓冲，能非常好的消除来自封装管壳基体的应变，但mems与隔离层的粘接由于条状间的凹陷导致装片胶与mems粘接面严重的不均匀，人为造成了顶层柱条自身产生应力时对mems芯片的不均衡，mems芯片沿着最上层隔离层的条状方向受到大的拉伸力，而在垂直方向上，由于条柱间间隙的存在不会产生或者产生较小的应力，这样对mems芯片来讲，所受的拉伸变形是不平衡的，对对称mems结构的器件的影响是显而易见的。另外，一般情况下我们封装腔体高度及大小是有限制的，所以隔离层厚度是有很大的局限性的，3d打印对成本与批量生产同样具有挑战性。

专利(cn201911000389.9)采用了弹簧式的柔性联接，mems承载台利用硅片刻蚀形成平面波纹状的弹簧机构，两端拉伸悬空于支撑架上，该结构类似于两端用弹簧悬挂的承载台，mems芯片安装于mems承载台上，封装体所传递过来的应力，通过平面波纹弹性机构的微变形得到完全的缓解，安装在承载台上的mems芯片基本上不会受到封装体应力的影响。该专利在缓解封装管壳应力方面是有显著效果的，但该方法的缺点也是很明显的，很难在实际中实现，原因如下：1)刻蚀形成的波纹弹簧结构本身刚度有限，后续mems装配到承载台上很难保证不损坏平面波纹机构，如果提高了平面波纹弹簧的刚度，则很难保证封装管壳所传递过来的应力不会传递到mems承载台上；2)mems承载台悬空机构由于采取柔性连接，外界的震动极其容易通过波纹弹簧结构传递到mems承载机构，mems与承载台的共振作用会与mems信号产生重叠作用，对mems信号产生很大的干扰，严重影响mems信号输出的稳定性，很难保证mems信号的线性输出；3)弹簧结构固有的谐振特性，对某些种类的传感器频响也会有迟滞作用。

美国专利(us20180230005a1)陈述了各种型式的三维震动与应力隔离的基座，其基座也是通过制作出独立的承载台，承载台与结构外围通过局部弹性悬挂联接，实现mems芯片承载台与封装体的柔性联接。和专利(cn201911000389.9)中的平面波纹联接有相似之处，除了刚度要强于平面波纹弹簧机构外，也同样存在平面波纹联接共振与谐振的缺点。

专利us10278281b1展示了一种采用刚性应力隔离板来避免mems与封装管壳直接接触的封装方法，应力隔离板制成台阶凸台状，上部凸台作为mems承载用，下部台阶与封装管壳直接连接。应力隔离机构上部凸台采用了比mems芯片小的平面来支撑mems芯片，目的是为了减小mems芯片与安装面的接触面积，以达到减少mems所受的应力的目的，应力隔离机构在台阶下部挖出凹坑，目的是减少整个隔离系统与封装管壳的接触面，减少应力隔离机构来自封装管壳的应力，同时在台阶下部正面挖出一定的隔离槽，减弱台阶两部分之间应力的传递，这种刚性应力隔离板通过逐步减少封装管壳的应变的方法来减少mems芯片所受外部传递来的应力。结构上由于台阶上部的凸台面积小于mems芯片的面积，mems芯片在凸台上的安装难以达到绝对的对称，而具有一定面积的凸台本身的支撑面也会随外部条件的变化产生应变，这样导致mems芯片所受凸台的应力是局部的，局部的应力改变mems芯片局部的特性，使mems芯片的工作难以达到设计的预期或者造成器件工作的不稳定。

专利us8698292b2采用了在玻璃平面上制备凸点的方法来减少mems芯片与基板的接触面积，凸点越小，mems芯片所受凸点应力越小；同专利us10278281b1中的原理类似，mems芯片在支撑面上的安装很难在接触凸点上达到对称安装，mems局部受不平衡应力的可能性仍然存在。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种mems器件的应力隔离封装结构，该封装结构是通过应力隔离基板隔离封装管壳传递给mems芯片的机械应力，同时又保证隔离系统不引入外来的、影响mems芯片性能的其他干扰因素。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种mems器件的应力隔离封装结构，包括封装管壳、应力隔离基板和封装盖板；

所述的封装管壳由封装底板与第一台阶层、第二台阶层、第三台阶层构成，围成一个空腔，第一台阶上制作有第一台阶和空隙区，封装管壳内还具有内焊盘，封装管壳外具有外焊盘，内焊盘与外焊盘通过封装管壳的内部电路实现电联结；

所述的应力隔离基板由悬空区、基板颈部和固定区三个部分组成，悬空区与固定区通过基板颈部相连，悬空区和固定区之间制作有基板隔离槽；

其中固定区固定在第一台阶上，悬空区悬空在空隙区上，基板隔离槽处于第一台阶外，不与第一台阶接触；

mems芯片固定在悬空区上，asic芯片固定在应力隔离基板的悬空区或固定区，asic芯片与mems芯片都通过金属线与封装管壳的内焊盘联结，asic芯片与mems芯片之间也通过金属线实现互联；封装盖板焊接在封装管壳上，与封装管壳一起围成一个保护mems芯片和asic芯片的密封腔。

本发明还提供了另一种应力隔离封装结构，包括封装管壳、应力隔离基板和封装盖板；

所述的封装管壳包括封装底板，封装底板上固定有垫板，封装管壳内还具有内焊盘，封装管壳外具有外焊盘，内焊盘与外焊盘通过封装管壳的内部电路实现电联结；

所述的应力隔离基板由悬空区、基板颈部和固定区三个部分组成，悬空区与固定区通过基板颈部相连，悬空区和固定区之间制作有基板隔离槽；

其中固定区固定在垫板上，悬空区悬空在封装底板上方，与封装底板之间形成空隙区，基板隔离槽处于垫板外，不与垫板接触；

mems芯片固定在悬空区上，asic芯片固定在应力隔离基板的悬空区或固定区，asic芯片与mems芯片都通过金属线与封装管壳的内焊盘联结，asic芯片与mems芯片之间也通过金属线实现互联；封装盖板焊接在封装管壳上，与封装管壳一起围成一个保护mems芯片和asic芯片的密封腔。

本发明的应力隔离封装结构是将一种刚性的应力隔离基板作为mems芯片的封装基板，应力隔离基板的固定区固定在封装管壳上，悬空区则悬空于封装管壳，固定区与悬空区之间制作有基板隔离槽，固定区与悬空区通过刚性的基板颈部相连；mems芯片安装在悬空区，不与封装管壳直接接触，由封装管壳传导的机械应力被基板隔离槽隔离，这样mems芯片的性能就不会受环境应力影响而劣化。

作为本发明的一个实施例，所述的基板颈部只有一个，基板颈部的宽度是应力隔离基板宽度的1/10～1/2。基板颈部的宽度根据封装要求而定，宽度越大，封装后产品的抗机械冲击能力越强，但应力隔离效果越差；反之，宽度越小，封装后产品的抗机械冲击能力越差，但应力隔离效果越好。

作为本发明的另一个实施例，基板颈部也可以是至少两个，这些基板颈部将基板隔离槽分割为边缘基板隔离槽和中间基板隔离槽，中间基板隔离槽位于相邻的两个基板颈部之间，基板颈部的宽度不超过应力隔离基板宽度的1/3，虽然与只有一个基板颈部相比，抗机械冲击能力有所提高，但应力隔离性能却有一定程度下降。

本发明的一个实施例中，应力隔离基板的悬空区上还制作有薄膜加热电阻和薄膜温度传感器，通过外接温度控制电路保持mems芯片的温度恒定，消除温度变化对mems芯片性能的影响。

附图说明

图1是实施例一的应力隔离封装结构的俯视图。

图2是图1的a-b剖视图。

图3是实施例一的封装管壳的剖视图。

图4是实施例一的应力隔离基板的俯视图。

图5是实施例二的应力隔离封装结构的剖视图。

图6是实施例三的应力隔离封装结构的剖视图。

图7是实施例四的应力隔离基板的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例一

一种mems器件的应力隔离封装结构如图1、图2所示，封装管壳10具有第一台阶13a，应力隔离基板40的固定区43通过装片胶31固定在封装管壳第一台阶13a上，应力隔离基板40的悬空区41悬空在封装管壳10的空隙区13b上方；应力隔离基板40的固定区43和悬空区41间制作有基板隔离槽47，用于隔离应力，应力隔离基板40的固定区43与悬空区41通过基板颈部45相连，基板隔离槽47处于封装管壳10的第一台阶13a之外，不与第一台阶13a接触；

mems芯片25通过装片胶31固定在应力隔离基板40的悬空区41上，asic芯片27通过装片胶31固定在应力隔离基板40的固定区43，asic芯片27与mems芯片25通过金属线35实现互联，asic芯片27与mems芯片25也可通过金属线35与封装管壳10的内焊盘19连结，内焊盘19通过封装管壳10内部的电路，将电信号引出至封装管壳10的外焊盘上；同理，如果应力隔离基板上也制作有电子元件，如加热器、电阻、电感、电容等，则应力隔离基板40的基板焊盘49也可通过金属线35与asic芯片或内焊盘19连接电信号；封装盖板37与封装管壳10通过焊料33焊接，形成密封腔39，mems芯片25与asic芯片27得到完好的保护。由于mems芯片25安装在应力隔离基板40的悬空区41，不与封装管壳10直接接触，由封装管壳10传导的机械应力被基板隔离槽47隔离，这样mems芯片25的性能就不会受环境应力影响而劣化；基板颈部45是应力隔离基板40的一部分，材料相同，是刚性结构，可以承受机械冲击力，所以mems芯片25上可以通过普通键合工艺键合金属线35，实现信号连接；同时，基板颈部45可以及时将封装管壳10传递的机械运动信号传达到mems芯片25上，不会像现有技术中弹性应力隔离结构造成信号的延缓或干扰。

本发明的封装管壳10为系统提供保护芯片和引出电信号的密封腔体，封装管壳10的材料可以是陶瓷封装管壳、金属管壳、pcb板管壳、也可以是预成型的塑料封装管壳；这里以陶瓷管壳为例加以说明，如图3所示，封装管壳10由封装底板11与第一台阶层13、第二台阶层15、第三台阶层17构成，围成一个空腔38；第一台阶层13上制作有第一台阶13a和空隙区13b，第一台阶13a用于安装应力隔离基板40，空隙区13b使应力隔离基板40和封装底板11不接触，第一台阶层13的厚度通常在0.1mm～5mm之间；内焊盘19制作在第二台阶层15上，第二台阶层15的厚度通常在0.1mm～5mm之间，(极端的例子中，取消第二台阶层，将内焊盘19直接制作在第一台阶层13上，但这种方法的管壳面积大、强度低。)第三台阶层17厚度通常也在0.1mm～5mm之间，表面可以制作金属化图案，用于与封装盖板37的合金焊料进行金属熔融封帽，也可以制作可伐合金环，用于与封装盖板37进行平行封焊，也可什么都不做，直接是陶瓷材料，通过密封胶(如环氧胶)与封装盖板37粘合密封。

为避免应力隔离基板40引入额外的机械应力，应力隔离基板40采用与mems芯片25材料特性相近的材料，特别是热膨胀系数相近的材料制作，最好是相同的材料，通常mems芯片25的材料是si，应力隔离基板40也应采用si材料制作。这里以si材料为例加以说明，如图4所示，si材料的应力隔离基板40被基板隔离槽47分为悬空区41、基板颈部45和固定区43三个部分，其上制作有加热电阻51、热敏电阻53、金属引线55和基板焊盘49，其中加热电阻51和热敏电阻53制作在悬空区41上，基板焊盘49制作在固定区43上，加热电阻51通过金属引线55连接基板焊盘49a、49c，热敏电阻53通过金属引线55连接基板焊盘49b、49d；应力隔离基板40的厚度为0.1mm～2mm，由半导体工业中的普通si圆片加工而成，可以是单晶si，也可以是多晶si材料，没有掺杂浓度的要求，甚至可以用半导体工业中的报废圆片，成本低廉。

应力隔离基板40简要的制作方法如下：在si材料圆片上制作绝缘层以及加热电阻51、热敏电阻53、金属引线55和基板焊盘49，制作方法可以是淀积、光刻、腐蚀等半导体加工工艺，也可以通过丝网印工艺；加热电阻51、热敏电阻53、金属引线55和基板焊盘49可以是不同的材料，也可以是同一种材料，例如pt；加热电阻51的功率由外部电路根据热敏电阻53所表示的温度信号来控制，基板隔离槽47还起到减少热量损失的作用，在消耗较低电量的情况下，保持悬空区41以及安装在其上的mems芯片25的温度恒定，消除温度变化对mems芯片25性能的影响；基板隔离槽47通过激光切割、喷砂或者半导体加工工艺刻形成，其中激光加工更加简单便宜，可以在形成基板隔离槽47的同时，将材料圆片切割成一小片一小片的应力隔离基板40；基板颈部45的宽度根据封装要求而定，宽度越大，封装后产品的抗机械冲击能力越强，但应力隔离效果就越差，反之，宽度越小，封装后产品的抗机械冲击能力越差，但应力隔离效果越好，一般基板颈部45的宽度是应力隔离基板40宽度的1/10～1/2。基板颈部45可以位于应力隔离基板40沿y方向的中心位置，也可以位于应力隔离基板40沿y方向的非中心位置。

在一些应用中，为降低成本或功耗，不需要加热电阻和温度控制，应力隔离基板40可以分为悬空区41、一个基板颈部45和固定区43三个部分，悬空区41和固定区43之间有基板隔离槽47，用于隔离固定区43传导到悬空区41的机械应力；基板隔离槽47通过激光切割、喷砂或者半导体加工工艺刻形成，其中激光加工不需要掩模板，更简单便捷，可以在形成基板隔离槽47的同时，将材料圆片切割成一小片一小片的应力隔离基板40；基板颈部45的宽度根据封装要求而定，宽度越大，封装后产品的抗机械冲击能力越强，但应力隔离效果越差，反之，宽度越小，封装后产品的抗机械冲击能力越差，但应力隔离效果越好，一般基板颈部45的宽度为应力隔离基板40宽度的1/10～1/2。

其组装方法包括以下步骤：

(1)应力隔离基板40装片固化：

利用装片机，首先在封装管壳10的第一台阶13a上点装片胶31，装片胶31选择硬度大的银浆或环氧胶，装片机的吸嘴对于应力隔离基板40的吸取部位选择固定区43。装片过程中，保证基板隔离槽47处于第一台阶13a外，并保证装片胶31不流过基板隔离槽47而接触悬空区41；

将装好应力隔离基板40的封装管壳10一起放入烘箱进行固化，应力隔离基板装片胶固化后的厚度为20～30μm，这样，就得到了带应力隔离基板40的悬空结构；

(2)asic装片：

在asic芯片27装片区点胶装片，asic芯片装片区域选择在应力隔离基板40的固定区43，asic装片胶的选择没有特殊的限制，可以与应力隔离基板装片胶相同；asic装片胶固化后的厚度20～30μm；

(3)mems装片固化：

在应力隔离基板悬空区41点胶，安装mems芯片25，mems装片胶可以有许多选择，本实施例以与应力隔离基板40相同的装片胶为例，mems装片胶厚度在10～150μm之间；装片工序完成后，按照装片胶的固化曲线进行固化，同时固定aisc芯片和mems芯片；

(4)引线键合：

按照封装设计进行引线键合；封装管壳内焊盘19、asic芯片27、mems芯片25、应力隔离基板40各焊盘按组装图纸连线进行引线互连；各弧线的高度、各线的wirepull力的大小作为监控对象，满足设计要求，且满足spc质量监控；

(5)封帽：

根据封装需要选择封帽方式，例如平形封焊、合金焊料熔融封帽或者环氧胶封帽；

(6)成品检验：

按照产品性能或质量控制规范检验，对产品进行性能测试或质量检测。

实施例二：

本实施例的应力隔离封装结构如图5所示，与实施例一的封装结构相比，不同之处仅在于：封装管壳10上没有制作台阶，而是将垫板80用装片胶31固定在封装底板11上，应力隔离基板40的固定区43通过装片胶31固定在垫板80上，应力隔离基板40的悬空区41悬空在封装底板11上方，悬空区41与封装底板11之间形成空隙区11b；垫板80的材料采用与mems芯片25材料特性相近的材料，特别是热膨胀系数相近的材料制作，最好是相同的材料，通常mems芯片25的材料是si，优选地，垫板80也采用si材料制作；垫板80的尺寸以不大于固定区43的尺寸为佳；固定区43和悬空区41之间制作有基板隔离槽47，用于隔离应力，固定区43与悬空区41通过基板颈部45相连，基板隔离槽47处于垫板80之外，不与垫板80有接触。

实施例三：

本实施例的应力隔离封装结构如图6所示，与实施例一的封装结构相比，不同之处仅在于：mems芯片25和asic芯片27都安装在应力隔离基板40的悬空区41上，其中mems芯片25通过装片胶31固定在悬空区41上，asic芯片27通过装片胶31固定在mems芯片25上(也可以是：asic芯片27与mems芯片25并排固定在悬空区41上或者asic芯片27通过装片胶31固定在悬空区41上，mems芯片25通过装片胶31固定在asic芯片上)。asic芯片27与mems芯片25通过金属线35实现互联，asic芯片27与mems芯片25也都通过金属线35与封装管壳10的内焊盘19连结，内焊盘19通过封装管壳10内部的电路，将电信号引出。

实施例四：

为增强抗机械冲击能力，应力隔离基板40分为悬空区41、两个基板颈部45和固定区43四个部分，如图7所示，悬空区41和固定区43之间有边缘基板隔离槽47a和中间基板隔离槽47b，其中中间基板隔离槽47b位于两个基板颈部45之间，其尺寸根据产品需求而定，一般不超过应力隔离基板40宽度的1/3；与实施例一至实施例三相比，材料与加工方法相同，抗机械冲击能力更高，但应力隔离性能有一定程度下降。

以上所述仅是本发明的最佳实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明的技术方案进行若干变形或者等同替换，也能达到本发明的技术效果，也应视为属于本发明的保护范围。