一种低应力六轴惯性传感器的封装结构及方法与流程

1.本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种低应力六轴惯性传感器的 封装结构及方法。背景技术：2.惯性传感元器件属于微机电系统(micro-electro-mechanical systems，mems) 是一种将机械构件和驱动部件等集成的微器件或微系统；包括陀螺仪、加速度 计、温湿度传感器、磁场传感器等。惯性传感器封装过程会引入额外的应力， 严重影响器件的稳定性和可靠性。而封装应力是由于器件芯片本身与封装材料 之间热膨胀系数(coefficient of thermal expansion，cte)不匹配而产生。有研 究表明，芯片粘接工艺是封装中最主要的应力来源，特别是由于芯片衬底材料 与封装基板之间材料cte失配从而产生较大的封装应力。封装应力会直接造成 芯片的翘曲和破损，进而影响惯性传感器的性能。3.传统的惯性传感元器件的封装过程一般包括芯片粘贴、引线键合、贴盖、 真空焊接等关键基础工艺，其典型的封装截面示意图如图1所示。在有机基板 或金属框架(substrate)上通过粘胶膜(die attach film，daf)或专用胶水(epoxyglue)固定芯片，再利用金属线将芯片与基板或框架进行焊接连通，最后贴装 金属盖和气密焊接，即完成惯性传感元器件的封装。此传统封装存在体积过大 以及气密性问题，更重要的是，相互接触的有机衬底与硅基或钽酸锂等基质的 芯片会由于cte失配而产生较大的封装应力，尤其对于惯性传感器件，如三轴 加速度计和三轴陀螺仪等而言，会因为封装应力引起结构几何形变和等效刚度 发生变化，从而改变器件的谐振频率和品质因子(quality factor，qf)，造成传 感器的输出信号产生漂移。当器件上的应力过大时，还会导致元器件在界面区 域产生裂纹、分层甚至失效，从而引发可靠性和长期稳定性的问题。技术实现要素：4.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种低应力六轴惯性传感器的封 装结构及方法，封装的六轴惯性传感器可靠性更高、体积更小、集成度更高， 且封装过程更容易控制，可实现大批量生产。5.本发明是通过以下技术方案来实现：6.一种低应力六轴惯性传感器的封装结构，包括衬底基板、缓冲隔离层、塑 封体以及芯片，所述缓冲隔离层设置在衬底基板上，所述芯片设置在缓冲隔离 层上，所述塑封体设置在衬底基板的表面，且塑封体包裹所述缓冲隔离层和所 述芯片；所述缓冲隔离层的内部包埋有重布线层；所述缓冲隔离层的背面设有 凸点。7.优选的，缓冲隔离层的正面设置有粘接层，所述芯片通过粘接层粘接在缓 冲隔离层的表面。8.优选的，粘接层的材质为低应力粘片膜或粘接胶水。9.优选的，芯片包括三轴加速度计芯片、asic芯片和三轴陀螺仪芯片，所述 三轴加速度计芯片与asic芯片之间和三轴陀螺仪芯片与asic芯片之间均通过 金线连接。10.优选的，重布线层的一端与凸点连接，重布线层的另一端与asic芯片连 接。11.优选的，缓冲隔离层与衬底基板之间设有空腔结构。12.优选的，凸点设置在空腔结构中。13.优选的，凸点的材质为锡球或铜柱；所述缓冲隔离层的材质为陶瓷或耐热 玻璃；所述塑封体为片状塑封树脂材料。14.一种低应力六轴惯性传感器的封装方法，包括，15.步骤1，通过rdl布线工艺在缓冲隔离层上布埋重布线层，在缓冲隔离层 的背面焊接凸点；16.步骤2，通过fc工艺将缓冲隔离层焊接在衬底基板上；将芯片粘接在缓冲 隔离层的正面；17.步骤3，通过压焊工艺将芯片与缓冲隔离层的重布线层之间进行焊接互联；18.步骤4，通过真空覆膜工艺用塑封体将芯片与缓冲隔离层和衬底基板包裹 形成密封区域，封装完成。19.优选的，步骤4中真空覆膜工艺的具体方法为：20.用塑封体材料粘贴覆盖在待封装的惯性传感器表面，放入真空压合机的加 热板上，在温度作用下塑封体材料熔融流动包裹住待封装的惯性传感器，在压 力作用下熔融的塑封体材料固化；在真空作用下，塑封体材料与惯性传感器和 衬底基板之间的空气全部排出，与衬底基板完成密闭粘结。21.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：22.本发明提供一种低应力六轴惯性传感器的封装结构及方法，封装的六轴惯 性传感器可靠性更高、体积更小、集成度更高，且封装过程更容易控制，可实 现大批量生产。通过增加缓冲隔离层可以减小芯片与衬底基板之间的热膨胀系 数失配问题。通过真空覆膜工艺对惯性传感器进行封装，可消除材料中间的应 力，完全达到产品要求，从而形成所需的低应力封装结构，且此工艺操作更为 便捷，参数可控性更高，且节省成本。23.进一步，真空覆膜工艺将塑封树脂与惯性传感器和衬底基板之间的空气全 部排出，与基板完成密闭粘结，同时在缓冲隔离层和衬底基板之间形成空腔结 构，有效的消除材料中间的应力，实现了低应力封装结构。24.进一步，缓冲隔离层采用与硅基材的热膨胀系数差值较小的耐热玻璃或者 陶瓷，可以减小芯片与衬底基板之间的热膨胀系数失配问题。25.进一步，本发明的凸点材质使用锡球或铜柱焊接能显著减小隔离层与衬底 基板的接触面积，起到优异的应力隔离作用；附图说明26.图1为本发明六轴惯性传感器的封装结构的剖面示意图；27.图2为本发明中六轴惯性传感器的封装结构的剖面俯视图；28.图3为实施例中缓冲隔离层与衬底基板的连接剖面主视图；29.图4为实施例中缓冲隔离层与衬底基板的连接剖面俯视图；30.图5为实施例中芯片粘接在缓冲隔离层上的剖面主视图；31.图6为实施例中芯片粘接在缓冲隔离层上的剖面俯视图；32.图7为实施例中金线连接芯片的剖面主视图；33.图8为实施例中塑封体封装传感器的剖面主视图；34.图中：衬底基板1、缓冲隔离层2、三轴加速度计芯片3、asic芯片4、三 轴陀螺仪芯片5、塑封体6、金线7、凸点8、粘接层9、重布线层10、空腔结 构11。具体实施方式35.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的 解释而不是限定。36.一种低应力六轴惯性传感器的封装结构，包括衬底基板1、缓冲隔离层2、 三轴加速度计芯片3、asic芯片4、三轴陀螺仪芯片5、塑封体6、金线7、凸 点8、粘接层9、重布线层10、空腔结构11。37.所述缓冲隔离层2设置在衬底基板1上，所述芯片设置在缓冲隔离层2上， 所述塑封体6设置在衬底基板1的表面，且塑封体6包裹所述缓冲隔离层2和 所述芯片；所述缓冲隔离层2的内部包埋有重布线层10；所述缓冲隔离层2的 背面设有凸点8。缓冲隔离层2的正面设置有粘接层9，所述芯片通过粘接层9 粘接在缓冲隔离层2上。粘接层9的材质为低应力粘片膜或粘接胶水。芯片包 括三轴加速度计芯片3、asic芯片4和三轴陀螺仪芯片5，三轴加速度计芯片 与asic芯片之间和三轴陀螺仪芯片与asic芯片之间均通过金线连接。缓冲隔 离层2与衬底基板1之间设有空腔结构11。凸点8设置在空腔结构11中。凸 点8的材质为锡球或铜柱；所述缓冲隔离层2的材质为陶瓷或耐热玻璃；所述 塑封体6为片状塑封树脂材料。重布线层10的一端与凸点8连接，重布线层 10的另一端与asic芯片4连接。38.一种低应力六轴惯性传感器的封装方法，包括以下步骤：39.步骤1，通过rdl布线工艺在缓冲隔离层2上布埋重布线层10，在缓冲隔 离层2的背面焊接凸点8，再通过fc工艺将缓冲隔离层2焊接在衬底基板1 上，如图3和图4所示；40.步骤2，用粘接层9分别将三轴加速度计芯片3、asic芯片4和三轴陀螺 仪芯片5之间粘接在缓冲隔离层2上，如图5和图6所示；41.步骤3，通过压焊工艺用金线7将三轴加速度计芯片3、asic芯片4和三 轴陀螺仪芯片5之间进行焊接互联，将asic芯片4与缓冲隔离层2的重布线 层7之间进行焊接互联，如图7所示；42.步骤4，通过真空覆膜工艺用塑封体6将芯片与缓冲隔离层2和衬底基板 1包裹形成密封区域，封装完成，如图8所示。43.真空覆膜工艺的具体方法为：用塑封体6材料粘贴覆盖在待封装的惯性传 感器的表面，放入真空压合机的加热板上，在温度作用下塑封体6材料熔融流 动包裹住待封装的惯性传感器，在压力作用下熔融的塑封体6材料固化；在真 空作用下，塑封体6材料与惯性传感器和衬底基板1之间的空气全部排出，与 衬底基板1完成密闭粘结。44.下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下， 本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。45.以下详细说明均是实施例的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。 除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本技术所属领域的一般技术人 员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式， 而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。46.第1步：对缓冲隔离层的陶瓷或耐热玻璃采用rdl布线工艺，采用锡球 solder、铜柱等工艺形成凸点，通过fc工艺将缓冲隔离层焊接在衬底基板的金 属焊接区上，以实现asic芯片与衬底和外电路的电气连接。凸点材质优选为 铜柱(cu pillar)；缓冲隔离层优选为的陶瓷；47.第2步：如图5所示使用低应力粘片膜或粘接胶水别将mems的三轴陀螺 仪芯片、三轴加速度计芯片和asic芯片粘接在缓冲隔离层上；优选为低应力 粘片膜；48.第3步：如图7所示，利用金线通过压焊工艺将mems与asic芯片之间， 以及asic芯片与rdl布线的缓冲隔离层进行焊接互联。49.第4步：使用片状树脂塑封材料通过真空覆膜工艺将芯片分别与缓冲隔离 层和衬底基板形成密封区域，保证产品的可靠性；同时缓冲隔离层可与基板之 间形成空腔结构，可大幅度减少基板与缓冲隔离层的接触面积，有效隔离封装 应力。50.第5步：进行印章标识。51.第6步：切割成单颗产品。52.其中，真空覆膜工艺具体操作工艺为用片状塑封树脂材料直接粘贴包裹住 元器件，放入真空压合机的加热板上，在温度和压力作用下，片状塑封树脂材 料熔融流动且迅速固化；当达到真空状态时，塑封树脂与元器件和基板之间的 空气全部排出，与基板完成密闭粘结，同时在缓冲隔离板和基板之间形成空腔， 完全达到产品要求并消除材料中间的应力，从而形成所需的低应力封装结构。 片状塑封材料按需定量粘贴于基板元器件上，完全避免了余量的损耗，可节省 成本；真空压合机设备构造简单，操作便捷，需调控的参数较少，产品质量可 控性大大增加。