一种MEMS惯性传感器芯片模组及其制备方法与流程

一种mems惯性传感器芯片模组及其制备方法技术领域1.本发明涉及半导体器件，具体涉及一种mems惯性传感器芯片模组及其制备方法，用于mems陀螺仪、mems加速度计等惯性传感器芯片的集成装配。背景技术：2.基于mems技术的惯性传感器具有重量轻、成本低、体积小、可大批量生产等优点，在民用、航天及军事领域有着极其广阔的应用和发展前景；mems惯性传感器芯片在集成装配前，先通过陶瓷管壳封装、塑料封装、陶瓷基板cob封装等一级封装形式，然后采用表面安装技术（smt）、芯片直接安装技术（dca）、通孔安装技术（tht）等技术，连同无源元器件一同安装到pcb或者其他基板上（二级封装形式），成为部件或者整机，整体工艺相对比较复杂；或者采用低温焊锡膏表面安装，但不利于后续工艺开展。3.在一级封装、二级封装过程中，由于材料之间热膨胀系数（cte）差异较大，极易引起热应力和焊接应力，而mems惯性传感器芯片极易受封装应力及焊接应力影响，尤其是全温特性指标；在单芯片集成封装中，常将asic与mems芯片叠封，asic产热量也会影响到mems输出性能；另外陶瓷管壳、陶瓷基板、塑料管壳等开模或本身加工制作成本相对较高，不具备通用性，并且相对芯片体积明显增加几倍，甚至更大，在惯性测量单元（imu）集成应用中体积矛盾尤为明显。技术实现要素：4.本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种mems惯性传感器芯片模组及其制备方法，本发明无需一级封装工艺，大幅度降低封装及集成成本，缩小集成体积，避免了表面安装涉入的热应力，也能实现快速热传导，可保有mems惯性传感器芯片级各项性能指标，能够改善现有技术对mems惯性传感器芯片的应用限制，避免一级封装或二级封装热应力的对系统集成应用的影响。5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种mems惯性传感器芯片模组，包括壳体，所述壳体分别固定有pcb板和金属支撑柱，所述金属支撑柱上支承有mems惯性传感器芯片组件，所述mems惯性传感器芯片组件上的连接端子通过金属线与pcb板上的连接端子相互连接。6.所述mems惯性传感器芯片组件包括mems惯性传感器芯片和与mems惯性传感器芯片热膨胀系数相同相近的基板，所述mems惯性传感器芯片固定在基板上，所述基板支承固定在金属支撑柱的端面上。7.所述基板上还设有用于对mems惯性传感器芯片的输出进行前置处理的aisc电路芯片。8.所述pcb板上设有过孔，所述金属支撑柱贯穿过孔布置，使得pcb板、mems惯性传感器芯片组件两者相互平行布置。9.所述壳体包括上盖、主壳以及密封圈，所述上盖、主壳之间通过连接件相连，且所述密封圈布置于上盖、主壳的端面之间，所述金属支撑柱粘贴固定在上盖或主壳的内壁上。10.所述金属线为通过金丝球焊方式形成的金丝。11.所述上盖、主壳采用陶瓷或金属制成。12.所述基板采用硅材质或玻璃材质制成。13.所述金属支撑柱采用钨铜合金制成。14.本发明还提供一种前述mems惯性传感器芯片模组的制备方法，包括：1）将pcb板的元器件焊接好安装固定在主壳上；2）采用纳秒激光切割机切割出基板并清洗，在基板的表面采用磁控溅射方法沉积金属导电层，将mems惯性传感器芯片、aisc电路芯片采用导电银胶粘贴到基板上并烘干固化，得到mems惯性传感器芯片组件；将mems惯性传感器芯片组件粘贴到金属支撑柱上并烘干固化；将金属支撑柱穿过pcb板上的过孔采用高导热银胶粘贴至主壳的内壁上并高温固化；3）将mems惯性传感器芯片组件上的连接端子通过金丝球焊方式与pcb板上的连接端子相互连接；4）将主壳放置在充氮气环境中，将上盖、主壳之间通过连接件相连，且所述密封圈布置于上盖、主壳的端面之间得到壳体，并对装配好的壳体的边缘缝隙采用真空密封胶密封。15.和现有技术相比，本发明的mems惯性传感器芯片模组具有下述优点：1、本发明的mems惯性传感器芯片组件可采用单晶硅基板模组化单帖mems传感器芯片或者合封mems传感器芯片和asic电路，无需一级封装工艺，大幅度降低封装及集成成本，缩小集成体积，能够改善现有技术对mems惯性传感器芯片的应用限制，避免一级封装或二级封装热应力的对系统集成应用的影响。16.2、本发明壳体分别固定有pcb板和金属支撑柱，金属支撑柱上支承有mems惯性传感器芯片组件，通过金属支撑柱与外壳贴装固定，使得mems惯性传感器芯片组件形成悬空隔离方案，与pcb板之间直接采用金丝键合互联，避免了表面安装涉入的热应力，也能实现快速热传导，如此，可以保有mems惯性传感器芯片级各项性能指标。17.3、金属支撑柱可起到导热作用，从而防止mems惯性传感器芯片组件热量集聚，有利于提高mems惯性传感器芯片组件的精度。附图说明18.图1为本实施例中mems惯性传感器芯片模组的立体分解结构示意图。19.图2为本实施例中mems惯性传感器芯片组件的立体结构示意图。20.图3为本实施例中mems惯性传感器芯片模组的外部结构示意图。21.图4为本实施例中mems惯性传感器芯片组件的剖视结构示意图。22.图5为本实施例中mems惯性传感器芯片、aisc电路芯片的连接引脚示意图。23.图6为本实施例中某15g加速度计模组装配样品的全温零偏偏置稳定性10s平滑曲线。24.图7为本实施例中某15g加速度计非模组装配样品的全温零偏偏置稳定性10s平滑曲线。25.图8为本实施例中某15g加速度计模组装配样品温箱温补温度曲线图。26.图9为本实施例中某15g加速度计模组#2升降温温补前后对照图。27.图10为本实施例中某15g加速度计非模组#2升降温温补前后对照图。28.图11为本实施例中某加速度计模组装配样品温补效果数据记录表。29.图例说明：1、壳体；11、上盖；12、主壳；13、密封圈；2、pcb板；21、过孔；3、金属支撑柱；4、mems惯性传感器芯片组件；41、mems惯性传感器芯片；42、基板；43、aisc电路芯片。具体实施方式30.如图1、图2和图3所示，本实施例的mems惯性传感器芯片模组包括壳体1，壳体1分别固定有pcb板2和金属支撑柱3，金属支撑柱3上支承有mems惯性传感器芯片组件4，mems惯性传感器芯片组件4上的连接端子通过金属线与pcb板2上的连接端子相互连接。31.如图1、图2和图4所示，本实施例中，mems惯性传感器芯片组件4包括mems惯性传感器芯片41和与mems惯性传感器芯片41热膨胀系数相同相近的基板42，mems惯性传感器芯片41固定在基板42上，基板42支承固定在金属支撑柱3的端面上。32.需要说明的是，mems惯性传感器芯片组件4可以采用单晶硅基板模组化单帖mems传感器芯片或者合封mems传感器芯片和asic电路。例如，作为一种可选的实施方式，如图1所示，本实施例中基板42上还设有用于对mems惯性传感器芯片41的输出进行前置处理的aisc电路芯片43，aisc电路芯片43具体采用acc1904b芯片，引脚连接如图5所示。33.如图1和图4所示，本实施例中pcb板2上设有过孔21，金属支撑柱3贯穿过孔21布置，使得pcb板2、mems惯性传感器芯片组件4两者相互平行布置。金属支撑柱3通过带过孔21的pcb板2将mems惯性传感器芯片组件4与pcb板2隔离开， mems惯性传感器芯片组件4上各类芯片通过金属线与pcb板2实现板间互联。34.如图4所示，本实施例中金属支撑柱3与基板42上的aisc电路芯片43区域的背面相连，有利于提高对aisc电路芯片43的散热作用。35.如图1、图3和图4所示，本实施例中，壳体1包括上盖11、主壳12以及密封圈13，上盖11、主壳12之间通过连接件相连，且密封圈13布置于上盖11、主壳12的端面之间，金属支撑柱3粘贴固定在上盖11或主壳12的内壁上（本实施例中具体为采用高导热银胶粘贴固定主壳12的内壁上）。36.本实施例中，金属线为通过金丝球焊方式形成的金丝，具体规格为1mil。37.上盖11、主壳12可根据需要采用陶瓷或金属制成，例如本实施例中采用铝合金制成。38.基板42可根据需要采用与mems惯性传感器芯片41热膨胀系数相同相近的硅材质或玻璃材质制成。例如本实施例中基板42采用prex7740玻璃材质制成。39.本实施例中，金属支撑柱3采用钨铜合金制成。40.本实施例还提供一种前述mems惯性传感器芯片模组的制备方法，包括：1）将pcb板2的元器件焊接好安装固定在主壳12上；2）采用纳秒激光切割机切割出基板42并清洗（本实施例中为采用半导体晶圆标准清洗流程清洗），在基板42的表面采用磁控溅射方法沉积金属导电层（实现基板上芯片的连接端子连接外部电路以及处理），将mems惯性传感器芯片41、aisc电路芯片43采用导电银胶粘贴到基板42上并烘干固化，得到mems惯性传感器芯片组件4；将mems惯性传感器芯片组件4粘贴到金属支撑柱3上并烘干固化；将金属支撑柱3穿过pcb板2上的过孔21采用高导热银胶粘贴至主壳12的内壁上并高温固化；3）将mems惯性传感器芯片组件4上的连接端子通过金丝球焊方式与pcb板2上的连接端子相互连接；一体模组通过金丝直接打线方式与pcb板实现互联，直接避免了二级封装焊接应力的影响，同时整体互联工艺也变的更为简单；4）将主壳12放置在充氮气环境中，将上盖11、主壳12之间通过连接件相连，且密封圈13布置于上盖11、主壳12的端面之间得到壳体1，并对装配好的壳体1的边缘缝隙采用真空密封胶密封。41.该模组集成装配时，mems惯性传感器芯片41、aisc电路芯片43采用平铺方式粘贴至基板42上，金属支撑柱3采用钨铜合金材质，如此可快速将aisc电路芯片43产生热量传导出去，同时也可避免热量直接作用到mems惯性传感器芯片41。42.本实施例中采用某15g加速度计实施案例整机全温区性能测试，模组为采用了本实施例mems惯性传感器芯片模组的样品，非模组为未采用本实施例mems惯性传感器芯片模组的样品，其对比试验如图6、图7、图8、图10、图11所示。其中图6为本实施例中某15g加速度计模组装配样品的全温零偏偏置稳定性10s平滑曲线，图7为本实施例中某15g加速度计非模组装配样品的全温零偏偏置稳定性10s平滑曲线，图8为本实施例中某15g加速度计模组装配样品温箱温补温度曲线图，图9为本实施例中某15g加速度计模组#2升降温温补前后对照图，图10为本实施例中某15g加速度计非模组#2升降温温补前后对照图，图11为本实施例中某加速度计模组装配样品温补效果数据记录表。对比图6～图11可知，采用了本实施例mems惯性传感器芯片模组的样品全温区偏置稳定性10s平滑数据曲线光滑，在‑40℃至60℃温度范围区间没有温度滞回现象，全温区数据采集点没有明显异常波动点，并且多轮测试重复性较好；而未采用本实施例mems惯性传感器芯片模组的样品，直接采用陶瓷或金属管壳封装，二次封装表贴至pcb的样品，全温区偏置稳定性10s平滑数据曲线存在明显温度滞回效应和零位断开现象；结合温箱温补温度曲线，采用分段拟合曲线，采用了本实施例mems惯性传感器芯片模组的样品在温补效果及温补样品整体一致性、稳定性皆明显优于陶瓷或金属管壳封装或陶瓷或金属基板封装表贴至pcb板样品。43.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。