吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构制造技术

本发明专利技术公开了一种吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，MEMS芯片由管壳基座和管壳盖板密封在其中，包含一U形板架，U形板架的开口朝向侧面，使U形板架下方粘接在管壳基座内部的底面上，MEMS芯片顶部粘接悬挂在U形板架的开口空间内。本发明专利技术提供的吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，其芯片级封装采用了衬底背面环形沟槽应力释放设计，其管壳级封装采用了基于U形板架吊装MEMS芯片的应力释放设计，独特的两级应力释放设计实现了对敏感结构很好的应力隔离。该封装结构不显著增加MEMS器件的封装难度，易于实现。

MEMS device packaging structure with release stress

The invention discloses a hoisting type MEMS device packaging structure with releasable stress. The MEMS chip is sealed in the shell base and the shell cover plate, including a U shaped plate frame, and the opening of the U shaped plate is facing the side, so that the U shaped plate frame is attached to the bottom of the shell base, and the top of the MEMS chip is attached to the U shaped plate frame. In the mouth space. The invention provides a hoisting type MEMS device packaging structure which can release stress. The chip level package adopts the stress release design of the back ring groove on the back of the substrate. The shell class package adopts the stress release design based on the U shaped plate frame hoisting MEMS chip. The unique two stage stress release design realizes the good stress to the sensitive structure. Isolation. The packaging structure does not significantly increase the encapsulation difficulty of MEMS devices and is easy to implement.

【技术实现步骤摘要】
吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构
本专利技术属于MEMS传感器封装
，尤其涉及一种吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构。
技术介绍
MEMS（微机电系统）传感器目前已被广泛应用于消费类电子、汽车电子、物联网、国防工业以及众多工业类产品，随着技术的发展，对MEMS传感器的性能也提出了越来越高的要求。而外界应力和温度对MEMS传感器性能的影响尤为显著。外界应力和温度变化时，势必引起相应的应变，上述应变传递至敏感结构将导致传感器输出信号的变化，尤其是基于电容式、压阻式和谐振式检测原理的MEMS传感器。MEMS传感器对外界应力和温度的敏感程度主要取决于MEMS敏感结构的封装。封装热应力主要源自MEMS器件的芯片级封装和MEMS芯片的管壳级封装。芯片级封装中，盖帽与衬底通过特定材料（如微晶玻璃浆料、金锡合金）烧结、或采用金硅共晶键合完成封盖；管壳级封装中，MEMS芯片衬底经粘片胶贴装至管壳基板。无论是芯片级封装还是管壳封装，不可避免地存在不同材料热胀系数不匹配的问题，温度变化时将产生热应力。热应力与外界应力传递至敏感结构，从而产生假信号，影响MEMS器件的性能，尤其是温度特性。因此，高性能MEMS传感器还需要对上述应力在封装上进行应力抑制或应力释放设计，目前采用较多的方案有以下几种：（1）选用低应力粘片胶，比如硅酮基粘片胶（硅胶）、聚丙烯基粘片胶，缺点是粘接强度稍弱，不适合有剪切应力的应用场合；（2）采用与硅材料热胀系数相近的基板，比如氮化铝陶瓷（AlN）、可伐（Koyar）合金，事实上无法利用与硅热胀系数一样的材料来制作管壳；（3）减小MEMS芯片与封装管壳的接触面积，但过小的接触面积会影响器件的抗冲击能力。上述方法本质上属于应力抑制设计，要最大化地降低外界应力和温度对MEMS器件的影响，还需要对封装进行应力释放设计。
技术实现思路
专利技术目的：提供一种吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，通过有效释放芯片级封装产生的热应力、源自管壳封装的应力以及外界应力，解决因应力变形和温度变化导致的MEMS传感器性能恶化问题。技术方案：一种吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，MEMS芯片由管壳基座和管壳盖板密封在其中，其特征是，包含一U形板架，U形板架的开口朝向侧面，使U形板架下方粘接在管壳基座内部的底面上，MEMS芯片顶部粘接悬挂在U形板架的开口空间内。所述MEMS芯片自下而上依次为衬底、敏感结构和盖帽，衬底的底面设置有环形沟槽，环形沟槽的内、外围分别为应力隔离岛和衬底应力区，盖帽与衬底在衬底应力区接合形成一容纳敏感结构的密闭腔体，且敏感结构位于应力隔离岛上。所述环形沟槽的截面为矩形。MEMS芯片通过第一粘片胶吊装在U形板架内侧。U形板架经第二粘片胶贴装至管壳基座。所述U形板架为底板、腹板和悬臂板连接形成的U形，或为一体的U形结构。底板、悬臂板的截面为水平横条矩形状，腹板的截面为垂直竖条矩形状。所述第一粘片胶位于MEMS芯片盖帽与U形板架的悬臂板之间，所述第二粘片胶位于U形板架的底板与管壳基座之间。进一步地，MEMS芯片的衬底下方与U形板架之间存有间隙，间隙高度100μm～150μm；MEMS芯片的侧面与U形板架之间存有100μm左右的间隙。进一步地，MEMS芯片的压焊块露置在U形板架外，由金属线互连至管壳基座的焊盘。优选的，环形沟槽的深度为4/5～9/10衬底厚度；环状沟槽的宽度为200μm～300μm。优选的，MEMS芯片的盖帽、敏感结构、衬底为相同材质，通常为硅材料。优选的，U形板架的材质与MEMS芯片材质的热胀系数相同或相近（相近即热胀系数在一设定的范围内），如可伐合金。本专利技术所达到的有益效果：本专利技术提供的吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，其芯片级封装采用了衬底背面环形沟槽应力释放设计，其管壳级封装采用了基于U形板架吊装MEMS芯片的应力释放设计，独特的两级应力释放设计实现了对敏感结构很好的应力隔离。该封装结构不显著增加MEMS器件的封装难度，易于实现。附图说明图1为本专利技术所述吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构示意图。图2为本专利技术所述吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构的MEMS芯片示意图。图3为本专利技术所述吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构的U形板架示意图。图4为本专利技术所述吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构的三维剖视图；图中，1为管壳基座，2为U形板架，3为MEMS芯片，4为第二粘片胶，5为第一粘片胶，6为管壳盖板，3a为衬底，3b为盖帽，32为环形沟槽，33为应力隔离岛，31为衬底应力区，37为敏感结构，39为压焊块，35为密闭腔体，23为底板，26为腹板，29为悬臂板。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。结合图1、图2、图3和图4所示，吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，主要含有管壳基座1、U形板架2和MEMS芯片3。MEMS芯片3通过第一粘片胶5吊装在U形板架2内侧。U形板架2经第二粘片胶4贴装至管壳基座1。MEMS芯片3的压焊块39由金属线互连至管壳基座1的焊盘。最终由管壳盖板6密封管壳基座1。MEMS芯片3自下而上依次为衬底3a、敏感结构37、盖帽3b，均采用硅材质制作以降低热失配。此处对MEMS芯片3主要阐明其芯片级封装的特征，不具体关注敏感结构37，其可以是对应力较为敏感的某一结构，比如电容式MEMS加速度计、陀螺仪等。所述MEMS芯片3的特征为在完成晶圆级封盖后从衬底3a的底面采用深硅刻蚀工艺制作一特定深度的环形沟槽32，环形沟槽32的截面为矩形状。环形沟槽32的内、外围分别界定为应力隔离岛33和衬底应力区31。所述盖帽3b含有一凹腔，由KOH湿法腐蚀形成，凹腔深度应大于敏感结构厚度，盖帽3b与衬底3a在衬底应力区31经玻璃浆料接合形成密闭腔体35。密闭腔体35内的敏感结构37位于应力隔离岛33上，敏感结构37的信号引出至压焊块39，压焊块39列于MEMS芯片3的一侧。U形板架2包括连接形成U形的底板23、腹板26和悬臂板29，底板23、腹板26和悬臂板29也可以为一体成型的U形结构；且U形的开口朝向侧面，使底板23和悬臂板29分别位置下方和上方，底板23的外部可通过第二粘片胶4贴装在管壳基座1上，悬臂板29的内部可通过第一粘片胶5与MEMS芯片3粘接。底板23、悬臂板29的截面为水平横条矩形状，腹板26的截面为垂直竖条矩形状。U形板架2优选与MEMS芯片3热胀系数相近的材质，如可伐合金。此外，悬臂板29和腹板26的厚度设计取决于MEMS芯片3的质量，通常借助有限元仿真获取U形板架2的最优尺寸，最优尺寸是指在保证U形板架2结构强度和避免共振现象的前提下，悬臂板29和底板23的厚度应尽可能小，最优尺寸主要取决于MEMS传感器应用环境中的过载和振动条件第一粘片胶5位于MEMS芯片3盖帽3b与U形板架2的悬臂板29之间，用以将MEMS芯片3吊装在U形板架2内。第一粘片胶5中添加有一定数量固定直径（比如60μm）的玻璃珠子，其好处是控制第一粘片胶5的厚度以改善组装一致性、且避免了第一粘片胶5太薄导致的热应力增大。完成吊装的MEMS芯片3的衬底3a与U形板架2的底板2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，MEMS芯片由管壳基座和管壳盖板密封在其中，其特征是，包含一U形板架，U形板架的开口朝向侧面，使U形板架下方粘接在管壳基座内部的底面上，MEMS芯片顶部粘接悬挂在U形板架的开口空间内。

【技术特征摘要】
1.一种吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，MEMS芯片由管壳基座和管壳盖板密封在其中，其特征是，包含一U形板架，U形板架的开口朝向侧面，使U形板架下方粘接在管壳基座内部的底面上，MEMS芯片顶部粘接悬挂在U形板架的开口空间内。2.根据权利要求1所述的吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，其特征是，MEMS芯片自下而上依次为衬底、敏感结构和盖帽；衬底的底面设置有环形沟槽，环形沟槽的内、外围分别为应力隔离岛和衬底应力区，盖帽与衬底在衬底应力区接合形成一容纳敏感结构的密闭腔体，且敏感结构位于应力隔离岛上。3.根据权利要求2所述的吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，其特征是，所述环形沟槽的截面为矩形。4.根据权利要求1所述的吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，其特征是，所述U形板架为底板、腹板和悬臂板连接形成的U形，或为一体的U形结构。5.根据权利要求1所述的吊装式可释...

【专利技术属性】
技术研发人员：周铭，黄艳辉，乔伟，
申请(专利权)人：中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心，
类型：发明
国别省市：江苏,32