[发明专利]基于多通孔硅基板的MEMS芯片封装结构及其制备方法

说明书

本发明公开了基于多通孔硅基板的MEMS芯片封装结构及其制备方法，包括：封装管壳、粘胶、多通孔硅基板、ASIC电路芯片和MEMS结构芯片；多通孔硅基板上设置阵列式分布的若干通孔构成的多孔区域；ASIC电路芯片和MEMS结构芯片分别设置于多通孔硅基板的上表面并分别位于阵列式分布的通孔两侧，ASIC电路芯片和MEMS结构芯片与多通孔硅基板通过粘胶粘合；MEMS芯片的管脚与ASIC芯片的管脚通过金丝引线键合连接；粘接了EMS芯片和ASIC芯片的多通孔硅基板下表面粘胶固定在管壳底面，粘胶区域仅位于ASIC芯片投影的下方的硅基板底面区域内，多孔区域以及MEMS芯片投影下方的硅基板底面区域内没有粘胶；ASIC芯片管脚与管壳内腔管脚通过金丝引线键合。具有可释放机械应力、隔离ASIC温升等优点。

技术领域

本发明属于芯片封装技术领域，具体涉及基于多通孔的硅基板的温度和应力双重隔离MEMS芯片封装结构及其制备方法。

背景技术

MEMS（微机电系统, Micro-Electro-Mechanical System）器件是用三维加工技术制造微米或纳米尺度的零件或部件，精度高，但十分脆弱，因此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。

由封装引入的机械应力是由封装材料和MEMS芯片的热膨胀系数不同，导致温度变化引起MEMS芯片与封装材料间的不等量体积变化而引起的应力。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，从而抑制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。

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：

专利CN 108878376A《一种同时具备低应力和抗高过载的电子器件及其封装方法》提出在封装管壳底部和侧面以及封装盖板内表面滴加保护软胶并压制形成下保护软胶、侧保护软胶和上保护软胶，再通过点胶的方式将电子芯片粘接于下保护胶上。该方法既可以提高器件的抗过载能力，又具有相对较低的封装应力，但该方法封装工艺复杂，且对于需要同时封装MEMS芯片和ASIC芯片的MEMS传感器来说，其未能解决MEMS芯片与ASIC近距离互联时的散热问题。

专利CN 110723713A《用于低应力MEMS封装的粘接结构、封装结构及其制造方法》提出了一种在封装基板上采用增材制造方式制造三维粘接结构来隔离封装应力的方法。通过在封装基板与MEMS芯片之间增加一定厚度的交替重叠的阵列式应力隔离层，达到缓解基板所传递上来的应力，但MEMS芯片与隔离层的粘接存在条状间的凹陷，这就导致粘胶与MEMS芯片粘接面存在厚度的严重不均匀。这种不均匀厚度的粘胶导致粘胶的应力分布不均匀，这造成了顶层柱条自身产生应力时MEMS芯片受力不均衡，会影响MEMS器件的性能。另外，一般情况下封装腔体高度及大小是有限制的，所以隔离层厚度是有很大的局限性的。

专利CN 110745772A《一种MEMS应力隔离封装结构及其制造方法》提出MEMS承载台采用硅片刻蚀形成的平面波纹状弹簧机构拉伸并悬空于支撑架上，MEMS芯片安装于MEMS承载台上。平面波纹弹性机构的微变形可完全的缓解封装体传递的应力，因此安装在承载台上的MEMS芯片基本不会受到封装体应力的影响。该专利在缓解封装管壳应力方面有效果，但在实际中很难实现，存在装配难度大、不能解决ASIC芯片散热问题。

专利CN 112158792A《一种适用于MEMS加速度传感器芯片的低应力封装结构》提出了一种分别在管壳腔体底部两端和MEMS芯片底部相应的两端设置金属层区，仅MEMS芯片底部一端金属区通过金属焊料与管壳腔体底部对应一端金属区粘接，而芯片底部另一端的金属区与管壳腔体底部的另一端的金属区只接触，不粘接。这样类悬臂的设计可使封装应力得到有效的释放，同时管壳腔体底部和MEMS芯片底部仅接触而未粘接的金属层区，可为芯片提供机械支撑，提高封装结构的抗冲击能力和可靠性。但在实际操作过程中，零膨胀系数的金属焊料价格昂贵，制造成本高。