[发明专利]芯片附接应力隔离

说明书

技术领域

本发明涉及微结构设备，更具体来说涉及使应力敏感微结构设备与封装应力等隔离。

背景技术

用于使半导体芯片与封装应力等隔离的各种设备在本领域中已知。封装应力或安装应力是封装施加在半导体芯片上的应力，其中半导体芯片被安装到封装。该应力是由于具有不同的热膨胀系数的半导体芯片从安装半导体芯片的封装和/或从将芯片安装到封装的黏合剂而产生。在此等情况下，温度变化可以导致半导体芯片上的应力/应变，并且取决于芯片的功能，该应力/应变可能损害性能。根据如何将芯片安装到封装以及如何将封装自身安装在其环境中，机械安装效应也可以导致封装应力。

在封装应力的一个实例中，传统的压电电阻MEMS压力传感器封装被设计成感测由于施加的压力而导致的隔膜上的应力。因此，重要的是，压电电阻器经受的唯一的应力是由于施加的压力而不是由于封装应力而产生的。在此等传感器封装中，其中通常将MEMS芯片直接安装到金属封装，由于如上文解释的机械安装应力和热膨胀应力，可以存在显著的封装应力。此等传感器封装是廉价的，但是隔膜上的封装应力使压力测量在精度方面存在问题。

封装应力如何可以破坏微结构设备的正常运作的另一实例是在测量质量块的较小偏转以确定加速度的MEMS加速度计中。对此等设备施加的封装应力可能引起设备中的质量块与传感结构之间的不良的偏转，这可导致加速度的错误读数。受封装应力负面影响的其他示例性设备包括用于感测角运动的MEMS陀螺仪、温度传感器等。

用以最小化不利的封装应力和应变的典型方法包括使用顺从式黏合，如软黏合剂或弹性黏合剂。这种方法是相当廉价和容易制造的并且提供部分应力消除，但是具有某些缺点，包括加工（即，固化）、渗气、在温度范围内不一致的机械性质和潜在介质不兼容。其他方法包括固定安装方法，如融合、熔接、焊接、铜焊、阳极和共晶附接。这些方法可以提供有利的介质兼容、更一致的机械性质，并且可以比其他技术更稳健，但是可能花费更多、可能需要专业的加工装备和工序以及更高的温度处理，并且可以是潜在的应力诱发器。其他的方法包括MEMS结构添加物，如弹簧和安装基座几何图形。这些技术提供潜在优点，如弹簧与MEMS结构一体成型、可能不需要额外的应力消除，以及潜在更小的尺寸。然而，这些技术具有缺点，包括比其他技术更高的开发成本和需要解决的机械共振问题。通常，一起利用多种方法（例如，上文的那些方法）以解决封装应力。

例如，在一些传统的MEMS压力传感器封装中，通过使包围隔膜的上部和后部晶片变厚、在封装与MEMS芯片之间添加高纵横比的基座，以及使用大型定制的封装以容纳全部来实现封装应力缓解。这些测量已被发现在用这样配置的传感器封装进行的测量精度上提供数量级的增加。然而，应力缓解特征增加了传感器封装的成本和尺寸。

此等常规的方法和系统一般被认为是令人满意的以实现其预期的目的。然而，在本领域中仍需要允许改善封装应力缓解的微结构设备封装。在本领域中也需要容易制造和使用的此等设备。本发明提供这些问题的解决方案。

发明内容

本发明针对一种新型和有用的微结构设备封装。封装包括被配置来和适于容纳微结构设备的封装外壳。托架被容纳在封装外壳中。托架包括托架底座并且具有第一托架臂和第二托架臂，每个托架臂从托架底座延伸。通道被界定在第一托架臂与第二托架臂之间。第一托架臂界定相对于通道面向内的第一安装表面。第二托架臂界定相对于通道面向外的第二安装表面。托架的第二安装表面被安装到封装外壳。微结构设备被安装到通道中的第一安装表面。托架被配置来和适于使微结构设备与从托架的第二安装表面上的封装外壳施加的封装应力隔离。

在某些实施方案中，微结构设备包括上部晶片部件和底部晶片部件，且应力敏感部件容纳于其间。上部晶片部件被安装到托架的第一安装表面。应力敏感部件可以是加速度计、陀螺仪或其他惯性传感器，其中加速度计包括传感板，其中传感板上的第一电极与底部晶片部件上的第二电极相对，使得传感板与底部晶片部件的相对运动引起第一电极和第二电极上的电容变化。

间隙可以被界定在第二托架臂与微结构设备之间，例如，在第二托架臂与微结构设备的底部晶片部件之间。间隙也可以被界定在托架底座与微结构设备之间，例如，在托架底座与微结构设备的上部晶片部件和底部晶片部件之间。预期微结构设备到托架的唯一的刚性附接可以在托架的第一安装表面上，例如，其中上部晶片部件被安装到托架的第一安装表面。也预期第一托架臂和第二托架臂彼此的唯一的刚性连接可以通过托架底座。