一种微机电系统封装结构的制作方法

1.本发明涉及微机电系统技术领域，特别是涉及一种微机电系统封装结构。背景技术：2.微机电系统(mems，micro-electro-mechanical system)是集成电路领域近期研发的。mems包括使用半导体技术制造的器件以形成机械和电子部件。常见的mems器件应用包括谐振器、加速器、压力传感器、致动器、反射镜、加热器和打印机喷头等。3.微机电系统封装成品后，应用到各种电子产品中。其中，一些微机电系统成品工作在恒温的环境中，而一些微机电系统成品则工作在变温的环境中，特别是工作在温度变化较大的环境中的微机电系统成品，由于温度变化，导致封装体对内部器件层的作用力过大，从而造成器件层受力变形，影响了器件层的正常工作。技术实现要素：4.本技术提供一种微机电系统封装结构，以降低器件层的受力变形。5.为解决上述技术问题，本技术所提供的技术方案是：6.一种微机电系统封装结构，其包括自上至下堆叠设置且相互之间电连通的基板、控制芯片、器件芯片，以及将所述基板、控制芯片、器件芯片封装的封装体，所述封装体与所述器件芯片之间配置有抵御该器件芯片变形的限定结构。7.其中，所述封装体包括第一封装体和第二封装体，所述第一封装体将所述基板、所述控制芯片和所述器件芯片封装；所述第二封装体凸设于所述第一封装体的顶面上，该第二封装体位于所述器件芯片的正上方并将该器件芯片封装，所述第二封装体的四周位于所述第一封装体的边缘之内。8.其中，所述第二封装体背向所述第一封装体的表面与该第一封装体的顶面之间的距离为所述第二封装体的厚度，该第二封装体的厚度为50um。9.其中，所述器件芯片包括间隔对置的第一衬底和第二衬底，以及设置在所述第一衬底和第二衬底之间的器件层，其中，所述第一衬底与所述控制芯片远离所述基板的顶面固定连接，所述器件层与所述控制芯片电连通。10.其中，所述第二衬底背向所述器件层的顶面开设有至少一个凹槽，所述封装体填满该凹槽。11.其中，所述凹槽被配置为矩形凹槽。12.其中，所述凹槽的长度和宽度均为500um，深度为30um。13.其中，所述器件层包括连接部、致动部以及电极部，所述连接部以及所述电极部与所述第一衬底和/或所述第二衬底固定连接，所述致动部与连接部相互耦合；所述电极部与致动部邻近设置并与所述控制芯片电连通，以驱动所述致动部。14.其中，所述连接部以及所述电极部与所述第一衬底和/或所述第二衬底之间通过锚点共晶键合。15.其中，所述封装体被配置为环氧类封装胶、有机硅类封装胶、聚氨酯封装胶、紫外线光固化封装胶或者其结合。16.本技术的有益效果是：上述微机电系统封装结构，于封装体与器件芯片之间配置有抵御该器件芯片变形的限定结构，从而降低了封装体对器件层的收缩力，减小了器件层的受力变形。附图说明17.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：18.图1是现有技术的微机电系统封装结构的剖视示意图；19.图2是本技术第一实施例的微机电系统封装结构的剖视示意图；20.图3是本技术第二实施例的微机电系统封装结构的剖视示意图一；21.图4是本技术第二实施例的微机电系统封装结构的剖视示意图二；22.图5是本技术第二实施例的微机电系统封装结构的剖视示意图三；23.图6是本技术第三实施例的微机电系统封装结构的剖视示意图一；24.图7是本技术第三实施例的微机电系统封装结构的剖视示意图二；25.图8是本技术第三实施例的微机电系统封装结构的剖视示意图三；26.图9是本技术一实施例中微机电系统封装结构的局部示意图；27.图10是现有技术及本技术各实施例的微机电系统封装结构中第一间隙面内变形图；28.图11是现有技术及本技术各实施例的微机电系统封装结构中第二间隙面内变形图；29.图12是现有技术及各个实施例的微机电系统封装结构中第一间隙翘曲变形图；30.图13是现有技术及各个实施例的微机电系统封装结构中第二间隙翘曲变形图。具体实施方式31.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。32.需要指出的是，下文中的术语“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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。33.本说明书上的词汇是为了说明本发明的实施例而使用的，但不是试图要限制本发明。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“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，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的技术人员而言，可以具体理解上述属于在本发明中的具体含义。34.请参阅图1，图1是现有技术一实施例的微机电系统封装结构的剖视示意图。35.现有技术的微机电系统封装结构800，其包括基板81(substrate)、控制芯片82(cmos die)、器件芯片83(mems die)、封装体84，其中，控制芯片82堆叠设置于基板81的顶部，控制芯片82藉由胶(例如导电环氧树脂)粘接在基板81的顶部，器件芯片83堆叠设置于控制芯片82背向基板81的一侧。器件芯片83由第一衬底830(waferⅰ)、器件层831(device layer)以及第二衬底832(waferⅱ)，第一衬底830和第二衬底832间隔对置，器件层831位于第一衬底830和第二衬底832之间。36.封装体84将基板81、控制芯片82和器件芯片83封装其中，基板81其至少底部曝露在外以用于将微机电系统封装结构与外部电路电连通。37.上述微机电系统封装结构中，器件层831的变形只受到第二衬底832的影响。以器件层831为分界面，下部第一衬底830与控制芯片82及基板81连为一体，共同抵御封装体84的下部收缩变形。第二衬底832被封装体84的上部包覆，封装体84上部的收缩变形主要由第二衬底832所抵御。故而，通过增厚第二衬底832的技术手段，以抵御封装体84上部的收缩变形。随着第二衬底832的厚度增加，封装体84的厚度也相应增加，此时封装体84体积收缩力的增加幅度将超过第二衬底832刚性的增加幅度，从而导致第二衬底832的变形增大，进而导致器件层831的变形增大，影响了器件层831的正常工作。38.因此，需要对微机电系统的封装结构加以改进，于封装体与器件芯片之间配置有抵御该器件芯片变形的限定结构。从而降低了封装体对器件层的收缩力，减小了器件层的受力变形，以保证器件层的正常工作。39.具体地，第一实施例请参阅图2，图2是本技术第一实施例的微机电系统封装结构的示意图。40.微机电系统封装结构100基其包括基板1、控制芯片2、器件芯片3、封装体4，其中，控制芯片2堆叠设置于基板1的顶部，控制芯片2藉由胶(例如，导电环氧树脂)粘接在基板1的顶部，器件芯片3堆叠设置于控制芯片2背向基板1的一侧。基板1、控制芯片2、器件芯片3相互之间电连通。41.器件芯片3包括第一衬底30(waferⅰ)、器件层31(device layer)以及第二衬底32(waferⅱ)，其中，第一衬底30和第二衬底32上下间隔对置，器件层31位于第一衬底30和第二衬底32之间。器件层31与控制芯片2之间电连通。42.器件层31包括连接部310、致动部311以及电极部(图中未视)。连接部310和电极部与第一衬底30和第二衬底32固定连接，连接部310和致动部311相互耦合。电极部与致动部311邻近设置并与控制芯片2电连通，以驱动所述致动部311。优选地，电极部与致动部311之间留有间隙。43.当然，连接部310和电极部也可只与第一衬底30或第二衬底32固定连接。44.器件层31可被配置为谐振体、梁、臂、静电马达等微机械结构。第一衬底30和第二衬底32可具有用于形成集成电路的多种介电材料。化学物可以从介电材料脱气进入空腔。气体可改变微机电系统封装结构周围的环境并影响微机电系统封装结构的操作。45.连接部310和电极部与第一衬底30和第二衬底32之间通过锚点共晶键合。共晶键合，也就是特定两个金属的键合方式，常用的金属配置包含但不限于al-ge(铝锗)，au-ge(金锗)，au-si(金硅)。46.第二衬底32背向器件层31的顶面开设有凹槽320，也就是说，凹槽320开口方向在第二衬底32远离器件层31的顶面。凹槽320的数量可以是一个，也可以是多个。47.封装体4采用塑封材料，其将基板1、控制芯片2和器件芯片3封装其中，并且，封装体4填满凹槽320。基板1其至少底部曝露在外以用于将微机电系统封装结构与外部电路电连通。48.以器件层31为界，当温度发生变化时，特别是温度发生剧烈变化时，微机电系统封装结构之整体相对于器件层31容易产生了向下的弯曲变形，这主要由于封装体4的下部体积更大，产生了更大的收缩力，此弯曲变形会传递至顶部的第二衬底32。因此，如果适当增大第二衬底32上部局部区域的封装体4，便可以增大封装体4上部的反向收缩力。49.于是，在第二衬底32背向器件层31的顶面开设有至少一凹槽320，封装体4填满所述凹槽320，从而增加了第二衬底32上部局部区域的封装体4。50.在本实施例中，凹槽320为一个，其位于第二衬底32顶面的中间位置处。第一衬底30的厚度100um，第二衬底32的厚度100um。凹槽320为矩形，其长度和宽度均为500um，深度为30um。51.凹槽320及封装体4形成了上述限定结构，凹槽320内填充有封装体4的塑封材料，适当增大了第二衬底32上部局部区域的封装体4的体积，当温度发生变化时，特别是温度发生剧烈变化时，便可以增大封装体4上部的反向收缩力，降低了器件芯片3的变形。52.常见的封装体4主要包括环氧类封装胶、有机硅类封装胶、聚氨酯封装胶、紫外线光固化封装胶或其组合。封装胶的颜色可以是透明无色的，也可以根据需要做出几乎任意颜色。环氧类封装胶一般都是刚性硬质的，大部分为双组份需要调和后使用，少部分单组份的需要加温才能固化。有机硅类封装胶几乎都是软质弹性的，与环氧相同，其中大部分为双组份需要调和后使用，少部分单组份的需要加温才能固化。53.可以理解的是，矩形凹槽320的长度和宽度均为500um，深度为30um。凹槽320的长度、宽度和深度也可以是其它合适的尺寸。凹槽320也可以设置成圆形、椭圆形或者不规则形状，此处不作限定。54.请参阅图3，图3是本技术第二实施例的微机电系统封装结构的剖视示意图一。55.第二实施例，其在上述第一实施例的结构基础之上，作进一步改进。改进之处在于封装体4包括第一封装体40和第二封装体41。第一封装体40将基板1、控制芯片2和器件芯片封装。第二封装体41凸设于第一封装体40的顶面上，该第二封装体41位于器件芯片3的正上方并将该器件芯片3封装，第二封装体的四周位于第一封装体40的边缘之内。56.第一封装体40和第二封装体41均呈矩形状，第二封装体41的底面与第一封装体40的顶面共面设置。第一封装体40和第二封装体41之间呈阶梯状，第二封装体41的侧面与第一封装体40的顶面垂直。第一封装体40的顶面环绕第二封装体41的部分与第二封装体41之间形成有厚度差，使得第一封装体40顶面环绕第一封装体40的部分厚度降低，从而使得第一封装体40顶部的四周适当减薄。第二封装体41填满凹槽320。57.第二封装体41填满所述凹槽320，从而增加了第二衬底32上部局部区域的封装体4。另外，当温度发生变化时，特别是温度发生剧烈变化时，第二封装体41对器件芯片3的收缩力减小，即封装体4对于器件芯片3的收缩力减小，从而减小器件芯片3的变形量，不会影响器件芯片的正常工作。58.在本实施例中，第一衬底30的厚度100um，第二衬底32的厚度100um，第二封装体41的厚度为50um(第二封装体41背向第一封装体40的表面与该第一封装体40的顶面之间的距离为第二封装体41的厚度)。该第二封装体41呈矩形，其长度和宽度均为1000um。当然，第二封装体41也可以呈圆形、椭圆形等其它形状，只要确保第二封装体41的厚度为50um即可。凹槽320为矩形，其长度和宽度均为500um，深度为30um。59.在确保第二封装体41的厚度为50um的前提下，第一封装体40顶面环绕第二封装体41的部分与第二封装体41之间形成有厚度差，使得第一封装体40顶面环绕第二封装体41的部分厚度降低，从而使得第一封装体40顶部的四周适当减薄。60.另外，还可以限定为第一封装体40的顶面隆起形成有所述第二封装体41，该第二封装体41位于器件芯片3的正上方且将器件芯片3封装其中，第二封装体41填满所述凹槽320。第一封装体40与第二封装体41之间通过坡面或弧面过度，如图4和图5所示。61.凹槽320及第二封装体41、第二封装体41及其与第一封装体40顶面环绕该第二封装体41的部分共同形成了上述限定结构，凹槽320内填充有封装体4的塑封材料，适当增大了第二衬底32上部局部区域的封装体4的体积，当温度发生变化时，特别是温度发生剧烈变化时，便可以增大封装体4上部的反向收缩力，结合第二封装体41共同降低了器件芯片3的变形。62.进一步地，微机电系统封装结构整体为以其中心轴为对称轴的轴对称。63.请参阅图6，图6是本技术第三实施例的微机电系统封装结构的剖视示意图一。64.第三实施例，其在上述第二实施例的结构基础之上，作进一步改进。改进之处在于取消了凹槽320。封装体4仍被配置为与第二实施例相同的结构。65.封装体4包括第一封装体40和第二封装体41。第一封装体40将基板1、控制芯片2和器件芯片封装。第二封装体41凸设于第一封装体40的顶面上，该第二封装体41位于器件芯片3的正上方并将该器件芯片3封装，第二封装体的四周位于第一封装体40的边缘之内。66.第一封装体40和第二封装体41均呈矩形状，第二封装体41的底面与第一封装体40的顶面共面设置。第一封装体40和第二封装体41之间呈阶梯状，第二封装体41的侧面与第一封装体40的顶面垂直。第一封装体40的顶面环绕第二封装体41的部分与第二封装体41之间形成有厚度差，使得第一封装体40顶面环绕第一封装体40的部分厚度降低，从而使得第一封装体40顶部的四周适当减薄，当温度发生变化时，特别是温度发生剧烈变化时，第二封装体41对器件芯片3的收缩力减小，从而减小器件芯片3的变形量，不会影响器件芯片的正常工作。67.在本实施例中，第一衬底30的厚度100um，第二衬底32的厚度100um，第二封装体41的厚度50um(第二封装体41背向第一封装体40的表面与该第一封装体40的顶面之间的距离为第二封装体41的厚度)。该第二封装体41呈矩形，其长度和宽度均为1000um。当然，第二封装体41也可以呈圆形、椭圆形等其它形状，只要确保第二封装体41的厚度为50um即可。68.在确保第二封装体41的厚度为50um的前提下，第一封装体40顶面环绕第二封装体41的部分与第二封装体41之间形成有厚度差，使得第一封装体40顶面环绕第二封装体41的部分厚度降低，从而使得第一封装体40顶部的四周适当减薄。69.另外，还可以限定为第一封装体40的顶面隆起形成有所述第二封装体41，该第二封装体41位于器件芯片3的正上方且将器件芯片3封装其中，第二封装体41填满所述凹槽320。第一封装体40与第二封装体41之间通过坡面或弧面过度，如图7和图8所示。70.第二封装体41及其与第一封装体40顶面环绕该第二封装体41的部分共同形成了上述限定结构，当温度发生变化时，特别是温度发生剧烈变化时，便可以增大封装体4上部的反向收缩力，结合第二封装体41共同降低了器件芯片3的变形。71.优选地，第二衬底32贯穿设有至少一个硅通孔321(tsv，through-silicon-via)，控制芯片2通过硅通孔321与电极部形成讯号导通，以控制致动部311的动作。72.进一步地，微机电系统封装结构整体为以其中心轴为对称轴的轴对称。73.请参阅图9，图9是本技术一实施例中微机电系统封装结构的局部示意图。74.致动部311被配置为环形谐振体，电极部包括了驱动电极312和感测电极313，感测电极313置于环形谐振体内并与环形谐振体之间留有第一间隙3111，驱动电极312将环形谐振体环绕包围并与环形谐振体之间留有第二间隙3112。75.驱动电极312与驱动电路连接，以诱导环形谐振体振荡或振动，其中振荡或振动具有一个或多个谐振频率。76.感测电极313与感测电路连接，以感测、采样和/或检测具有一个或多个谐振频率的信号。77.驱动电极312以及感测电极313，驱动电路以及感测电路，可以是常规的众所周知的类型，或者可以是现在已知的或以后开发的任何类型和/或形状的电极。此外，物理电极机构可以包括例如电容、压阻、压电、电感、磁阻和热。78.如此，微机电系统封装结构被配置为微机电系统振荡器，以此为仿真对象，材料参数参阅表一。79.表1为微机电系统封装结构的材料参数80.材料弹性模量泊松比热膨胀系数(1/k)si1620.272.6e-6sio2730.174e-7cu1100.341.8e-5环氧树脂24.60.1361.55e-581.微机电系统封装结构，其封装过程中，整体组件会经过130℃高温以固化作为封装体的胶体(此时可以认为胶体为0应力状态)，后恢复常温；此后又经过260℃smt焊接工艺，smt(surface mount technology)是表面安装技术的缩写或简称，它是指通过一定的工艺、设备、材料将表面安装器件(smd)贴装在pcb(或其板面)表面，并进行焊接、清洗、测试而最终完成组装。82.弹性模量为：单向应力状态下应力除以该方向的应变；一般地讲，对弹性体施加一个外界作用力，弹性体会发生形状的改变(称为“形变”)；材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系(即符合胡克定律)，其比例系数称为弹性模量。弹性模量是描述物质弹性的一个物理量，是一个统称，表示方法可以是“杨氏模量”、“剪切模量”、“体积模量”等。83.泊松比是：指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。84.热膨胀系数为：是量度固体材料热膨胀程度的物理量。是单位长度、单位体积的物体，温度升高1℃时，其长度或体积的相对变化量。可用平均线膨胀系数α或平均体积膨胀系数β表示。85.仿真计算工况：整体由130℃降为25℃，降温105℃。仿真是指在特定模型中设置一些具体参数，进而检测相关指标数值，分析其变化。是生产工艺类型的一种，主要包括复杂过程的实时可视化、复杂几何模型的实时处理。86.表2是现有技术及各个实施例微机电系统封装结构中电极变形数值表；图10是现有技术及本技术各实施例的微机电系统封装结构中第一间隙面内变形图；图11是现有技术及本技术各实施例的微机电系统封装结构中第二间隙面内变形图；图12是现有技术及各个实施例的微机电系统封装结构中第一间隙翘曲变形图；图13是现有技术及各个实施例的微机电系统封装结构中第二间隙翘曲变形图。87.表2为现有技术及各个实施例微机电系统封装结构中电极变形数值表[0088][0089]参阅表2、图10、图11、图12和图13，可知：[0090]1、相对于现有技术，第一实施例的第一间隙3111面内变形减小7％，第二间隙3112面内变形减小5％；第一间隙3111翘曲变形减小12％，第二间隙3112翘曲变形减小10％。[0091]2、相对于现有技术，第二实施例的第一间隙3111面内变形减小32％，第二间隙3112面内变形减小29％；第一间隙3111翘曲变形减小16％，第二间隙3112翘曲变形减小19％。[0092]3、相对于现有技术，第三实施例的第一间隙3111面内变形减小14％，第二间隙3112面内变形减小13％；第一间隙3111翘曲变形减小-3％，第二间隙3112翘曲变形减小2％。[0093]第一实施例、第二实施例和第三实施例相对于现有技术，第一间隙面内变形和第二间隙面内变形都显著减小；第一实施例和第二实施例相对于现有技术，第一间隙翘曲变形和第二间隙翘曲变形都显著减小。[0094]第一实施例、第二实施例和第三实施例相对于现有技术，整体变形均显著减小。[0095]综上所述，结合实际封装工艺流程，通过对微机电系统封装结构中的封装体4的形状优化，特别是器件层31以上部位的封装体4的优化，以更好的降低封装体4对器件层31带来的变形影响，显著减小器件层31的变形，具体的技术方案为如前所述。[0096]在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“另一个实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。[0097]以上仅为本技术的实施方式，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。