一种MEMS芯片低应力多孔阵列封装结构及封装方法与流程

一种mems芯片低应力多孔阵列封装结构及封装方法技术领域1.本发明属于mems芯片封装技术领域，具体涉及一种mems芯片低应力多孔阵列封装结构及封装方法。背景技术：2.贴片是mems器件级封装工艺中的一个重要环节，其主要功能是为器件的敏感结构提供机械支撑，确保外界的振动和冲击不会对可动部件和功能部件造成破坏，同时它也会影响器件的导热性能。常用的贴片方法有焊接和封装胶粘接两种，与焊接相比，胶粘接具有成本低、应力低、操作温度低、工艺简单灵活等优点，因此广泛地应用于mems贴片工艺中。3.传统基于硅基板的叠片式mems芯片封装结构通常是由封装管壳、基板、粘接胶、mems结构芯片和asic芯片组成，其剖视图如图1所示，基板通过粘接胶面粘于管壳上，mems结构芯片胶粘接于硅基板上表面中心，asic芯片胶粘接于mems结构芯片上表面中心。该封装方式在实际应用过程中存在很大的弊端：粘接胶固化是在高温下进行的，其恢复至常温时由于各种封装材料的热膨胀系数差异产生热失配，导致芯片中产生残余应力。mems器件尺寸微小，测量精度要求高，对封装引起的残余应力更为敏感，经过温度变化或者长期贮存之后，器件内部残余应力会随温度和时间发生变化，性能也随之变化，从而产生器件的温度稳定性和长期稳定性问题。因此高精度和高性能mems器件需要解决mems芯片封装的温升和热应力两个难题。4.mems封装是在微电子封装的工艺和技术上发展起来的，它是mems器件由芯片到最终形成产品之前所必须经历的一个工艺过程。由于mems器件尺寸小，测量精度高，应用环境的复杂性与特殊性，mems器件的封装除了需要满足电源分配、信号分配、散热通道、机械支撑和环境保护等基本要求，降低或隔离封装应力也是重要的考虑因素。5.由封装引入的机械应力是由于芯片、贴片材料、基板、封装管壳之间的杨氏模量不同和热膨胀系数的不匹配，导致温度变化会在器件各部分之间引入热应力，热应力的引入会导致对应力敏感的mems结构产生不正常形变，从而影响mems器件的分辨率、灵敏度和稳定性等性能参数，特别严重时会导致器件失效。6.为降低或隔离mems器件封装应力，国内外相关研究人员提出了多种解决途径，目前普遍采用的用于降低或隔离mems器件封装应力的方法主要有以下几种：(1)采用点粘或面粘的方式减少mems芯片与封装管壳的接触面积，其缺点是芯片与管壳间的连接强度低，抗机械冲击能力弱；且mems芯片形变的均衡性难以保证。(2)使用硬度低的软胶作为粘接胶，其缺点在于软胶本身容易产生形变且抗机械冲击能力弱。(3)通过在封装管壳与mems芯片之间插入弹性封装衬底实现mems芯片与管壳间的应力隔离，其缺点在于衬底成本高，封装工艺复杂，抗机械冲击能力弱，易产生低频谐振，还可能导致信号延迟。技术实现要素：7.本发明的目的在于提供一种mems芯片低应力多孔阵列封装结构及封装方法，以解决mems芯片与封装管壳之间的应力隔离，及封装应力对mems结构芯片影响的技术问题。8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：9.第一方面，本发明提供了一种mems芯片低应力多孔阵列封装结构，包括封装管壳及硅基板，所述硅基板底部外周胶粘于封装管壳内底部上表面；10.所述硅基板与封装管壳之间设置有隔离腔，所述隔离腔外围的硅基板底面与封装管壳胶粘，所述隔离腔的高度大于硅基板与封装管壳之间胶粘层的高度，通过在硅基板底部设置隔离腔通过减小接触面积从而减小了硅基板与封装管壳间的封装应力；11.所述硅基板设置有多孔阵列结构，所述多孔阵列结构向下贯穿硅基板，以连通隔离腔与外部空间。12.以上技术方案，硅基板上mems芯片粘接区域与外围通过多孔阵列结构实现柔性连接。硅基板下底面刻蚀的隔离腔，不仅通过减小接触面积的方式减小了硅基板与封装管壳之间的封装应力，而且使得硅基板底部粘接面与多孔阵列结构底面有一定的高度差，可避免由于硅基板底面粘接胶施胶过多溢出导致与多孔阵列结构底面粘连的现象发生。充分利用了粘胶自身厚度和硅基板底面隔离腔的高度，使得硅基板上的多孔阵列结构和mems芯片粘片区域悬浮于管壳上。13.可选的，所述硅基板顶部胶粘连接有mems芯片，所述mems芯片顶部胶粘连接有asic芯片，该设计使得mems结构芯片处于悬空状态，不与封装管壳直接接触。14.可选的，所述多孔阵列结构在封装管壳上的竖直方向投影，位于mems芯片边界投影与所述隔离腔边缘之间，通过硅基板隔离封装管壳传递给mems结构芯片的机械应力，同时又保证隔离系统不引入外来的、影响mems结构芯片性能的其他干扰因素，从而实现了封装管壳与mems芯片之间的应力隔离。15.可选的，所述多孔阵列结构呈环形设置于mems芯片胶黏部位外周的硅基板中。16.可选的，所述多孔阵列结构为蜂窝形多孔阵列结构，由若干个扁六边形通孔排列组成；17.mems芯片胶粘区域的四周分别设置所述多孔阵列结构，各多孔阵列结构中，扁六边形通孔横截面的长度方向平行于mems芯片的侧边。18.第二方面，本发明还提供了第一方面所述mems芯片低应力多孔阵列封装结构的封装方法，包括以下步骤：19.(1)、具有多孔阵列结构的硅基板的加工；20.(2)、采用粘接胶将mems芯片粘接于硅基板上表面中央，将asic芯片粘接于mems芯片上表面中央；21.(3)、用金丝引线键合连接mems芯片的pad与asic芯片的pad，实现电信号互联；22.(4)、用金丝引线键合连接asic芯片的pad与封装管壳内腔的键合区，实现器件内部与外部信号互联；23.(5)将硅基板胶黏于封装管壳内。24.可选的，所述具有多孔阵列结构的硅基板的加工包括以下步骤：25.a)准备单晶硅晶圆；26.b)对单晶硅晶圆底部进行刻蚀得到隔离腔；27.c)对单晶硅晶圆上胶粘mems芯片部位的外周进行刻蚀，得到多孔阵列结构；28.d)按照硅基板尺寸要求对单晶硅晶圆刻蚀划片槽；29.e)沿划片槽划片形成单个硅基板。30.可选的，通过调节蜂窝形多孔阵列结构中扁六边形通孔单元的边长、夹角和孔壁厚度，调节蜂窝形多孔阵列结构的结构刚度，为mems芯片粘片区域提供足够的刚度。31.可选的，所述多孔阵列结构为蜂窝形多孔阵列结构，由若干个扁六边形通孔呈层状排列组成；mems芯片胶粘区域的四周分别设置所述多孔阵列结构，各多孔阵列结构中，扁六边形通孔横截面的长度方向平行于mems芯片的侧边；32.所述蜂窝形多孔阵列结构(61)的刚度调节方法包括：根据以下公式调整多孔阵列结构(6)扁六边形通孔的结构参数，以改变结构刚度kx，使其达到结构刚度要求k：[0033][0034]以扁六边形通孔横截面的长度方向作为y轴方向，垂直于y轴且平行于扁六边形通孔横截面的方向作为x轴方向，扁六边形通孔单元的高度方向为z轴方向；式中，kx表示扁六边形通孔单元x轴的等效刚度，fx表示扁六边形通孔单元所受x轴方向的力，为封装作用力在x轴方向的分力，δx表示单孔斜边上的x轴方向等效应变，em表示材料的杨氏模量，θ为单孔斜边与x轴方向的夹角，a、h、t分别表示扁六边形通孔单元的斜边长度、单孔宽度、孔壁厚度；且有：[0035]fx＝σxah，σx表示单孔所受x轴方向的应力，l表示直边长度；δ表示斜边的挠度，i表示扁六边形通孔截面惯性矩。[0036]通过结构刚度的调节使得产品在给mems芯片与硅基板提供足够强度的同时，又能释放封装管壳与硅基板之间的应力。[0037]可选的，所述结构刚度要求k根据以下公式确定：[0038][0039]式中，mi、ci、ki和xi分别为第i层扁六边形通孔的质量、阻尼系数、等效刚度和位移；分别为xi的二阶微分和一阶微分；mmass为硅基板的mems芯片粘片区及粘接于其上的mems芯片的质量和，ashock为冲击加速度。[0040]有益效果[0041]本发明的mems芯片低应力多孔阵列封装结构及封装方法，通过在硅基板底部刻蚀隔离腔，减少mems芯片与封装管壳的接触面积，减少热应力导致对应力敏感的mems结构产生不正常形变，同时，较小的的粘接面积既实现了机械固定，又降低了硅基板的粘接应力。结合多孔阵列结构的设计及其中通孔单元的强度设计方法，本发明能够实现在为mems芯片与硅基板提供足够强度的同时，又能释放封装管壳与硅基板之间的应力。且硅基板底部隔离腔也可避免由于硅基板底面粘接胶施胶过多溢出导致与多孔阵列结构底面粘连的现象发生。附图说明[0042]图1为传统基于硅基板的叠片式mems芯片封装结构；[0043]图2为本发明的基于蜂窝形阵列结构的剖视图；[0044]图3为本发明的基于蜂窝形阵列结构的硅基板俯视图；[0045]图4为本发明的基于硅基板为蜂窝形阵列结构的mems芯片封装俯视图；[0046]图5为本发明的蜂窝形结构示意图；[0047]图6所示为本发明的蜂窝形阵列结构简化模型示意图；[0048]图7为发明的基于多孔阵列的硅基板加工步骤图；[0049]图8为发明的基于多孔阵列结构的一种形式的硅基板示意图；[0050]图9为发明的基于多孔阵列结构的一种形式的硅基板示意图。[0051]图中：1-封装管壳，2-硅基板，3-隔离腔，4-mems芯片，5-asic芯片，6-多孔阵列结构，61-蜂窝形阵列结构，7-粘接胶，8-金丝键合引线，9-mems芯片的pad点，10-asic芯片的pad点，11-封装管壳键合区。具体实施方式[0052]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。[0053]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。[0054]在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0055]实施例一[0056]如图2、4、8、9所示，本实施例提供了一种mems芯片低应力多孔阵列封装结构，其特征在于：包括封装管壳1及硅基板2，硅基板2底部外周胶粘于封装管壳1内底部上表面；[0057]参考图2所示，本实施例中，硅基板2与封装管壳1之间设置有隔离腔3，隔离腔3外围的硅基板2底面与封装管壳1胶粘，隔离腔3的高度大于硅基板2与封装管壳1之间胶粘层的高度，硅基板2设置有多孔阵列结构6，多孔阵列结构6向下贯穿硅基板2，以连通隔离腔3与外部空间。[0058]硅基板2底部刻蚀隔离腔3，使得硅基板2底部与多孔阵列结构6底面产生了台阶，通过环形粘胶固定在封装管壳1底面上，较小的的粘接面积既实现了机械固定，又降低了硅基板2的粘接应力。台阶的形成可避免由于硅基板2底面粘接胶施胶过多溢出导致与多孔阵列结构6底面粘连的现象发生。[0059]参考图2所示，硅基板2顶部胶粘连接有mems芯片4，所述mems芯片4顶部胶粘连接有asic芯片5，使得mems芯片4处于悬空状态，不与封装管壳1直接接触。[0060]参考图2所示，多孔阵列结构6在封装管壳1上的竖直方向投影，位于mems芯片4边界投影与隔离腔3边缘之间，多孔阵列结构6呈环形设置于mems芯片4胶黏部位外周的硅基板2中。[0061]mems芯片4处于悬空状态，不与封装管壳1直接接触，通过硅基板2隔离封装管壳1传递给mems芯片4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4性能的其他干扰因素，从而实现了封装管壳1与mems芯片4之间的应力隔离。[0062]一种实施例，参考图4所示，多孔阵列结构6为蜂窝形多孔阵列结构61，由若干个扁六边形通孔排列组成，mems芯片4胶粘区域的四周分别设置多孔阵列结构6，各多孔阵列结构6中，扁六边形通孔横截面的长度方向平行于mems芯片4的侧边；[0063]一种实施例，参考图8所示，多孔阵列结构6也可通过若干个椭圆形通孔单元层状排列或交错排列组成椭圆形阵列结构，椭圆形阵列结构外侧贴合硅基板2底部与封装管壳1胶粘区域，内侧贴合硅基板2顶部与mems芯片4胶粘区域；[0064]一种实施例，参考图9所示，多孔阵列结构6也可通过若干个圆环组成圆环形阵列结构，圆环阵列结构外侧贴合硅基板2底部与封装管壳1胶粘区域，内侧贴合硅基板2顶部与mems芯片4胶粘区域；[0065]多孔阵列结构6在设计时选取合理的结构刚度，可设计成扁六边形、椭圆形、多边形等其他形状的阵列结构，阵列形式可以是蜂窝形阵列和长方形阵列等，也可以设计成多环结构，使得多孔阵列结构6能够有效释放封装管壳1与硅基板2之间的封装应力的同时又满足材料最大许用应力的要求。[0066]本实施例的mems芯片封装结构具有结构简单、加工工艺步骤少、特殊工艺要求少、易于操作等优点，能够实现mems芯片与封装管壳之间的应力隔离，可以降低封装应力对mems结构芯片的影响。[0067]实施例二[0068]本实施例介绍一种实施例1所介绍的mems芯片4低应力多孔阵列封装结构的封装方法，包括以下步骤：[0069](1)、具有多孔阵列结构6的硅基板2的加工；[0070](2)、采用粘接胶将mems芯片4粘接于硅基板2上表面中央，将asic芯片5粘接于mems芯片4上表面中央；[0071](3)、用金丝引线8键合连接mems芯片的pad9与asic芯片的pad10，实现电信号互联；[0072](4)、用金丝引线8键合连接asic芯片的pad10与封装管壳1内腔的键合区11，实现器件内部与外部信号互联；[0073](5)将硅基板2胶黏于封装管壳1内。[0074]参考图7所示，具有多孔阵列结构6的硅基板2的加工包括以下步骤：[0075]a)准备单晶硅晶圆；[0076]b)对单晶硅晶圆底部进行刻蚀得到隔离腔3；[0077]c)对单晶硅晶圆上胶粘mems芯片4部位的外周进行刻蚀，得到多孔阵列结构6；[0078]d)按照硅基板2尺寸要求对单晶硅晶圆刻蚀划片槽；[0079]e)沿划片槽划片形成单个硅基板2。[0080]硅基板2采用微刻蚀工艺首先在单晶硅晶圆底面刻蚀隔离腔3，然后在顶面加工出多孔阵列结构6，加工完成后划片形成单个硅基板2。[0081]参考图3及图5所示，通过调节蜂窝形多孔阵列结构61中扁六边形通孔单元的边长、夹角和孔壁厚度，调节蜂窝形多孔阵列结构61的结构刚度，为mems芯片4粘片区域提供足够的刚度，即蜂窝形多孔阵列结构61能够有效释放封装管壳1与硅基板2之间的封装应力的同时又满足材料最大许用应力的要求。[0082]参考图2、3、4、5所示，以多孔阵列结构6为蜂窝形多孔阵列结构61为例对多孔阵列结构强度的调整进行说明。如图4，蜂窝形多孔阵列结构由若干个扁六边形通孔呈层状排列组成；mems芯片4胶粘区域的四周分别设置多孔阵列结构6，各多孔阵列结构6中，扁六边形通孔横截面的长度方向平行于mems芯片4的侧边。[0083]参考图5，以单扁六边形通孔横截面的长度方向作为y轴方向，垂直于y轴且平行于扁六边形通孔横截面的方向作为x轴方向，扁六边形通孔单元的高度方向为z轴方向。单蜂窝形孔穴结构在其敏感方向x向上刚度较小，而在其非敏感方向y向和z向上刚度很大。因此，图5所示以该形状为基础设计的蜂窝形阵列结构的硅基板，在其xoy面内刚度较小，但在其垂直于面内的z向上刚度很大。通过面内多孔蜂窝阵列结构的拉伸或者压缩微变形可以有效释放面内来自封装管壳与硅基板之间的封装应力，通过蜂窝形孔穴侧壁的弯折变形可以释放z向上来自封装管壳与硅基板之间的封装应力，同时又能在垂直方向上给mems芯片粘片区域提供足够的刚度，实现有效的外界环境感知，不会因为类悬浮的长梁结构的硅基板而降低mems芯片外界环境感知的强度。[0084]该蜂窝形多孔阵列结构61的刚度调节方法过程推理如下。[0085]取蜂窝形阵列结构61斜边ab为对象，由于蜂窝单元受x轴向应力σx使得ab梁发生弹性形变。假设结构材料的杨氏模量为em，孔壁ab面的边长为a、宽为h、厚为t，θ为ab壁面与x轴方向夹角，则计算ab面所受弯矩m为：[0086][0087]计算ab边挠度δ为：[0088][0089]其中，i表示扁六边形通孔截面惯性矩；fx＝σxah，fx表示扁六边形通孔单元所受x轴方向的力，即封装作用力在x轴方向的分力；[0090]计算ab面产生x轴方向的等效应变εx为：[0091][0092]根据刚度定义，单个蜂窝结构x轴等效刚度可简化为：[0093][0094]由上可知，当单孔结构参数确定，其刚度即可确定，因此在实际应用时，可根据刚度要求来调整单孔的结构参数，使其刚度满足刚度要求。单孔结构参数中边长a、壁厚t及弯折角度θ可以结合传感器的精度、谐振频率、实际使用环境和抗冲击要求等进行综合设计，实现满足实际使用环境和需求的应力隔离结构设计。[0095]结合图6，通过对硅基板内多孔阵列结构的分析，弹性变形与结构刚度的关系可简化为：[0096][0097]上述各式中mi、ci、ki和xi分别为第i层扁六边形通孔的质量、阻尼系数、等效刚度和位移；分别为xi的二阶微分和一阶微分；mmass为硅基板的mems芯片粘片区及粘接于其上的mems芯片的质量和，ashock为冲击加速度。[0098]由式(5)可知，运动位移xi与蜂窝结构的等效刚度直接相关，当多孔阵列结构的环境参数可确定，即可对应的确定所需多孔阵列结构中各单孔单元的刚度要求，再根据式(4)，通过调节结构的壁厚、壁长以及结构夹角等参数，改变各层单孔单元的结构刚度使其达到对应的刚度要求，即实现mems芯片低应力多孔阵列封装结构在不同封装环境参数条件下多孔阵列结构的刚度调节。[0099]以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。