一种具有应力缓冲结构的MEMS芯片制造技术

本实用新型专利技术公开了一种具有应力缓冲结构的MEMS芯片，由第一MEMS芯片和应力缓冲结构构成，应力缓冲结构通过中心埋氧与第一MEMS芯片的底板连接，所述的应力缓冲结构由连接区、应力缓冲弹簧和外框构成，应力缓冲弹簧位于外框和连接区之间，连接区的投影面积占第一MEMS芯片投影面积的1/10～1/3，应力缓冲结构上均布有释放孔，应力缓冲结构的外框边缘位于第一MEMS芯片边缘的投影区内，应力缓冲结构的横截面面积小于第一MEMS芯片的横截面面积。本实用新型专利技术制造的具有应力缓冲结构的MEMS芯片的应力缓冲结构通过中心埋氧连接在MEMS芯片的底部，达到降低封装应力的目的，其优点在于工艺简单、芯片面积小、封装成品率高、成本低。

A Stress Buffer Structure for MEMS Chips

The utility model discloses a MEMS chip with a stress buffer structure, which is composed of a first MEMS chip and a stress buffer structure. The stress buffer structure is connected with the bottom plate of the first MEMS chip through central buried oxygen. The stress buffer structure is composed of a connecting area, a stress buffer spring and an outer frame. The stress buffer spring is located between the outer frame and the connecting area, and the projection area of the connecting area occupies the whole area. The projection area of the first MEMS chip ranges from 1/10 to 1/3. There are release holes in the stress buffer structure. The outer frame edge of the stress buffer structure is located in the projection area of the edge of the first MEMS chip. The cross section area of the stress buffer structure is smaller than that of the first MEMS chip. The stress buffer structure of the MEMS chip with the stress buffer structure manufactured by the utility model is connected to the bottom of the MEMS chip through the central buried oxygen to achieve the purpose of reducing the packaging stress. The advantages of the stress buffer structure are simple process, small chip area, high packaging yield and low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种具有应力缓冲结构的MEMS芯片
本技术涉及芯片的制造领域，具体是一种具有应力缓冲结构的MEMS芯片。
技术介绍
MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems）是微机电系统的缩写，MEMS芯片制造技术利用微细加工技术，特别是半导体圆片制造技术，制造出各种微型机械结构，结合专用集成电路（ASIC），组成智能化的微传感器、微执行器、微光学器件等MEMS元器件。一些MEMS芯片（如加速度计、陀螺仪、振荡器等）通常在圆片加工过程中将脆弱的MEMS结构密封在带有空腔在上下盖帽中加以保护，形成圆片级封装的MEMS芯片。这些圆片级封装的MEMS芯片（特别是工业级MEMS芯片）通常需要与独立的信号处理电路芯片（专用集成电路，ASIC）封装在一个陶瓷、金属或预成型的塑料管壳中，形成一个真正的微机电系统器件。MEMS芯片的材料绝大部分是Si，由于封装管壳的材料与MEMX芯片材料不一致，例如Si的热膨胀系数为2.5ppm/K，而氧化铝陶瓷的热膨胀系数为7ppm/K，贴装在陶瓷管壳底板上的MEMS芯片在外界温度变化时，由热膨胀系数不匹配导致的应力作用在MEMS芯片上，该应力引起MEMS器件性能下降，甚至失效。降低这种由封装引起的应力的方法主要有以下几种：1、采用与MEMS芯片相同材料或热膨胀系数相近材料作为封装管壳底板，相似地，在MEMS芯片与封装管壳底板间插入与MEMS芯片相同材料的衬板；2、减少MEMS芯片与封装管壳的接触面积；3、在MEMS芯片或封装插入衬板上制作应力缓冲结构；4、采用软胶粘贴MEMS芯片。这几种方法各有优缺点，其中以应力缓冲结构的效果最好。论文《IsolationofMEMSDevicesfromPackageStressesbyUseofCompliantMetalInterposers》描述了在封装管壳内制作金属框缓冲应力的方法，这种方法会使封装后的产品体积增大，金属与MEMS芯片材料Si的热膨胀系数也不同，应力缓冲效果有限，而且封装过程复杂，成本高。论文《DesignandVerificationofaStructureforIsolating》描述了在MEMS结构下形成Si应力缓冲结构，但不是圆片级封装的芯片，在后续封装时容易损伤MEMS结构，MEMS芯片的中心圆碟部分通过环氧树脂粘贴在封装管壳中，环氧树脂很容易溢流玷污MEMS结构，而且中心圆碟部分面积小，不容易保证芯片与管壳底板的平行度，这一点对MEMS传感器来说非常重要。专利US7830003描述了将MEMS芯片用导电材料粘接到应力缓冲结构上，再将应力缓冲结构用导电材料粘接到封装管壳上，这种封装方法工艺复杂，效率低；而且其实例描述中并没有说明MEMS芯片信号如何连接到封装管壳上，按常规工艺需要在应力缓冲结构上制作绝缘层，绝缘层上制作金属导线，应力缓冲结构制造工艺复杂；另外，由于应力缓冲结构的面积显著大于MEMS芯片面积，不但增加了封装管壳的成本，而且不适用于要求产品体积小的应用领域。专利US20170305740描述的是将圆片级封装的MEMS芯片密封在一个额外的空腔中，制作工艺十分复杂，体积大，而且MEMS芯片信号引出困难。专利US8614491描述的是应力缓冲结构键合在封装衬板上，再将一个或多个MEMS芯片粘贴在应力缓冲结构中，这种方法存在着对位精度差、封装工艺复杂、体积大的缺点，比较适合MEMS传感器模块的组装，不是单芯片级的应力缓冲方法。专利US7170140描述的是MEMS芯片的两端延伸出应力缓冲结构，用MEMS结构层制作应力缓冲弹簧，好处是上下盖板层可以制作过载冲击挡板，缺点是应力缓冲结构的厚度取决于MEMS结构层的厚度，不适用于MEMS结构层较薄的产品；另外，由于应力缓冲结构制作在芯片两侧，面积较大。专利US8322028描述了应力缓冲结构衬板，衬板的中间部分通过Au-Sn焊料贴装在封装管壳底板上，三个角通过Au-Sn焊料与MEMS芯片键合在一起，这种方法的应力缓冲结构不是直接制作在芯片上，需要单独制作应力缓冲衬板，还要制作Au-Sn焊料层，工艺复杂，成本高，而且芯片与衬板图形对准不易。专利US9334153描述的是在MEMS芯片上制作空心焊脚与基板焊接，达到既可以导电，又可以缓冲应力的目的，由于空心焊脚分布广，相当于MEMS芯片与基板接触面积大，应力缓冲效果有限，仅适用于消费级器件。专利CN105036060通过在MEMS芯片背面键合隔热结构层，隔热结构层不带图形，缓冲应力效果有限，而且加工过程中圆片也容易碎裂。专利CN105712283描述的是在陶瓷管壳底板与芯片间安装一片材料为7740玻璃或4J44铁钴镍合金的应力缓冲片，应力缓冲片不是制作在芯片上，而是在封装工艺中加入，对准精度差，且其材料与芯片不完全相同，应力缓冲效果受限。专利CN104535055和CN105182004描述的都是在MEMS芯片制作完成后，再在芯片底板上Si-Si键合应力缓冲Si板，目的是减少应力缓冲板与MEMS芯片的接触面积。实际上，在MEMS芯片制造完成后再进行Si-Si键合是非常困难的事，主要是MEMS芯片底板经多道加工后平整度变差，键合加压力时MEMS芯片易碎，而且还需要高温退火。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种具有应力缓冲结构的MEMS芯片，在MEMS圆片背面制作应力缓冲结构达到降低封装应力的目的，具有工艺简单、对准精度高、成本低、芯片面积小、封装成品率高等优点。为解决上述技术问题，本技术提供了一种具有应力缓冲结构的MEMS芯片，由第一MEMS芯片和应力缓冲结构构成，应力缓冲结构通过中心埋氧与第一MEMS芯片的底板连接，所述的应力缓冲结构由连接区、应力缓冲弹簧和外框构成，应力缓冲弹簧位于外框和连接区之间，连接区的投影面积占第一MEMS芯片投影面积的1/10～1/3，应力缓冲结构上均布有释放孔，应力缓冲结构的外框边缘位于第一MEMS芯片边缘的投影区内，应力缓冲结构的投影面积小于第一MEMS芯片的投影面积；所述的应力缓冲结构和第一MEMS芯片的底板的材料都是硅。本技术所述的应力缓冲结构的MEMS芯片是在第一MEMS芯片背面制作应力缓冲结构达到降低封装应力的目的，其应力缓冲结构通过中心埋氧连接在第一MEMS芯片的底部，其应力缓冲结构由连接区、应力缓冲弹簧、外框三部分构成，应力缓冲弹簧位于外框和连接区中间，可沿X、Z方向伸缩，起到主要的应力缓冲作用，当受到外框传入的外力时，应力缓冲弹簧可以在空窗区内发生弹性形变，从而缓冲应力；连接区位于应力缓冲结构中心区域，通过中心埋氧与第一MEMS芯片连接，其投影面积占第一MEMS芯片面积的1/10～1/3，以进一步减少由于应力缓冲结构形变而产生的应力向第一MEMS芯片的传导；外框的四个角部区域为粘片区，在封装时通过粘片胶与封装基板连接，粘片胶由于表面张力的作用，呈点状分布，只接触到应力缓冲结构的外框粘片区部分，不会透过释放孔接触到第一MEMS芯片；应力缓冲结构上均匀分布有释放孔，用于在加工过程中释放应力缓冲结构，这样，由于第一MEMS芯片的材料与封装基板的材料的热膨胀系数不同而引起的封装应力就会被应力缓冲结构缓本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有应力缓冲结构的MEMS芯片，其特征在于：由第一MEMS芯片和应力缓冲结构构成，应力缓冲结构通过中心埋氧与第一MEMS芯片的底板连接，所述的应力缓冲结构由连接区、应力缓冲弹簧和外框构成，应力缓冲弹簧位于外框和连接区之间，连接区的投影面积占第一MEMS芯片投影面积的1/10～1/3，应力缓冲结构上均布有释放孔，应力缓冲结构的外框边缘位于第一MEMS芯片边缘的投影区内，应力缓冲结构的投影面积小于第一MEMS芯片的投影面积；所述的应力缓冲结构和第一MEMS芯片的底板的材料都是硅；所述的第一MEMS芯片由盖板、MEMS结构层和底板组成，盖板、MEMS结构层和底板围成一个密封腔，可动的MEMS结构被密封在密封腔内，盖板与MEMS结构层间有绝缘层隔离，绝缘层上有金属层，金属层上覆盖有钝化层保护，钝化层上具有压焊窗。

【技术特征摘要】
1.一种具有应力缓冲结构的MEMS芯片，其特征在于：由第一MEMS芯片和应力缓冲结构构成，应力缓冲结构通过中心埋氧与第一MEMS芯片的底板连接，所述的应力缓冲结构由连接区、应力缓冲弹簧和外框构成，应力缓冲弹簧位于外框和连接区之间，连接区的投影面积占第一MEMS芯片投影面积的1/10～1/3，应力缓冲结构上均布有释放孔，应力缓冲结构的外框边缘位于第一MEMS芯片边缘的投影区内，应力缓冲结构的投影面积小于第一MEMS芯片的投影面积；所述的应力缓冲结构和第一MEMS芯片的底板的材料都是硅；...

【专利技术属性】
技术研发人员：华亚平，
申请(专利权)人：安徽北方芯动联科微系统技术有限公司，
类型：新型
国别省市：安徽,34