一种环形分层堆叠式高可靠MEMS快反镜封装结构的制作方法

本发明涉及微机电系统快速反射镜，尤其涉及一种环形分层堆叠式高可靠mems快反镜封装结构。

背景技术：

1、mems快反镜是以硅基微纳加工工艺为基础，在单晶硅晶圆上一体化制备超薄反射镜面、弹性支撑悬臂、静电/压电驱动电极的微型光学执行器件。依靠施加电信号改变悬臂形变，可驱动微米级反射镜面实现高速二维偏转，完成激光光束的精准扫描、偏转、调制。近十年，车载激光雷达、室内3d传感、车载hud激光投影、空间激光通信、红外医疗扫描、工业机器视觉检测等行业进入规模化落地阶段，直接带动mems快反镜市场需求爆发。相较于振镜、多边形转镜等传统机械扫描器件，mems快反镜具备体积微型化、功耗低、扫描频率高、响应速度快、批量生产成本低的核心优势，成为各类小型化光学扫描设备的核心光路核心元件。

2、行业内的现有技术方案为：单金属压圈+单层一体式遮光支架半堆叠式mems快反镜封装，该方案是目前中端工业3d传感设备的主流量产方案，也是现有技术中唯一同时具备“分层堆叠、顶部环形压合、遮光支架、光学保护窗口”四大特征的封装结构，专利、量产应用最为广泛。

3、现有技术方案完整分层结构（自下而上）中：

4、印制板pcb：作为底层载体，mems快反镜芯片直接贴片焊接在pcb中心区域，pcb板四角延伸出小型薄安装耳片，耳片开设螺丝孔用于整机锁附，无独立加厚承载底座；侧边引出金手指用于信号、供电传输。

5、mems快反镜芯片：完全平铺贴合在pcb焊盘上，底面无隔离层，四周仅依靠单层支架内壁简易限位，无全周刚性约束。

6、顶部金属压圈：单一环形金属薄片，放置于光学镜片上表面；压圈四角开设通孔，通过四颗锁紧螺丝向下锁附在pcb的安装耳片上，依靠螺丝预紧力向下压紧镜片，实现全部组件夹持固定。

7、但是现有技术方案中仍存在结构缺陷：

8、1.承载受力结构缺陷：无独立安装底座，整机锁附载荷全部由pcb承担。

9、现有产品结构特征：仅在印制板边缘延伸薄耳片开设锁附孔，无专用硬质承载底座，所有设备安装扭矩、长期振动冲击载荷直接作用于薄pcb板材。衍生缺点：1）锁附受力后pcb易翘曲、弯曲变形，形变直接传递至板载mems芯片，造成微反射镜塑性形变、扫描零点漂移；2）pcb抗弯、抗扭刚度极低，模组固有共振频率偏低，易与车载、工业设备振动源共振，放大交变应力，加速mems悬臂疲劳断裂；3）pcb板材抗冲击性能弱，跌落工况下电路板易折裂、芯片焊盘脱焊断线。

10、2.芯片应力隔离结构缺陷：仅单层遮光支架，无独立芯片固定缓冲框。

11、现有产品结构特征：mems芯片直接平铺焊接在pcb表面，仅靠单一单层注塑支架简易围挡，无独立包裹式限位缓冲框。衍生缺点：1）pcb受温度变化热胀冷缩产生的热应力、装配夹持机械应力无过渡缓冲结构，直接传导至mems微悬臂，高低温循环后镜面零点大幅漂移，设备需要频繁重新光路标定；2）芯片无全周刚性约束，横向振动下芯片在pcb板面往复滑移，持续拉扯键合引线，长期交变应力造成引线疲劳断裂；3）仅单层遮光通道，无法分层阻断镜片底部、芯片侧壁两处独立漏光缝隙，封装内部杂散光多重反射，扫描光斑信噪比差、成像存在重影缺陷。

12、3.锁紧固定体系缺陷：单向开环压圈夹持，无上下双向闭环压紧结构。

13、现有产品结构特征：仅依靠顶部单一金属压圈向下施压，底部无配套基座反向支撑，依靠螺丝锁附在pcb耳片形成单向夹持。衍生缺点：1）长期高低温、振动环境下螺丝预紧力持续衰减，压圈夹持力下降，内部镜片、支架组件松动滑移，光束扫描轨迹偏移；2）单向向下的集中压力造成支架、镜片局部应力集中，长期使用易出现镜片崩边、支架开裂；3）无多层零件贴合形成的密封屏障，仅依靠少量点胶密封，胶体存在毛细缝隙，粉尘、水汽极易侵入封装内部污染mems反光面。

14、4.分层集成装配结构缺陷：分体散件分步组装，无一体化堆叠限位结构。

15、现有产品结构特征：压圈、镜片、单层支架、pcb为完全独立散件，装配时分步点胶、分次固化。衍生缺点：1）组装工序繁杂，多次点胶固化等待，生产效率低下，人工成本高；2）分步装配对位误差不可控，同批次产品光路同轴度、光学间隙、遮光效果离散度大，批量产品光学性能一致性差；3）无逐层定位限位结构，装配过程中零件易偏移，每一件模组均需单独光路校准，量产标定成本高。

16、因此，基于上述技术问题，本领域的技术人员亟需研发一种环形分层堆叠式高可靠mems快反镜封装结构。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决上述问题而提供一种环形分层堆叠式高可靠mems快反镜封装结构。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明的一种环形分层堆叠式高可靠mems快反镜封装结构，包括：

4、自下而上依次装配的：安装底座、印制板、芯片固定框、mems芯片、镜面、上压盖；

5、底部的所述安装底座与顶部的所述上压盖对扣锁合，以将所述印制板、芯片固定框、mems芯片、镜面刚性压紧形成完整闭环模组，所述芯片固定框用以支撑所述mems芯片的外围非功能边缘，中心镜面与微米级弹性悬臂完全悬空。

6、进一步的，所述安装底座为底层受力基准件，所述安装底座环形盘状刚性基座。

7、进一步的，所述印制板为异形fr-4基板并具有pcb电路层，所述印制板侧边具有金手指信号排线，所述印制板板面预留所述mems芯片键合焊盘。

8、进一步的，所述印制板水平贴合在所述安装底座支撑面上，所述安装底座通过设置多级环形定位台阶对应所述印制板外轮廓缺口，以使所述印制板平铺放置于所述安装底座的定位台阶内定位。

9、进一步的，所述芯片固定框具有对所述mems芯片进行包覆和限位的内腔，用以使光路同轴、隔离pcb电路层热形变应力，抑制零点漂移、侧壁遮挡侧向杂光、包裹所述mems芯片以缓冲键合引线，防止拉扯断线。

10、进一步的，所述芯片固定框卡合于所述印制板的pcb电路层中心通光窗口。

11、进一步的，所述mems芯片为单晶硅芯片，中心具有所述镜面和微米级弹性悬臂。

12、进一步的，所述mems芯片接收电信号驱动微米级弹性悬臂形变，以使所述镜面二维偏转。

13、进一步的，所述芯片固定框中间的内腔部位为镂空结构以仅支撑所述mems芯片的外围非功能边缘、且下方的所述安装底座和印制板均为通光的镂空结构，以使中心位置的镜面与微米级弹性悬臂完全悬空。

14、进一步的，所述上压盖为中心具有通光窗口的环形压盖用以压紧固定在所述安装底座上，所述上压盖与所述安装底座相闭合并压紧所述印制板、芯片固定框、mems芯片、镜面以限制所述镜面径向滑动。

15、在上述技术方案中，本发明提供的一种环形分层堆叠式高可靠mems快反镜封装结构，具有以下有益效果：

16、整机载荷完全隔离，杜绝pcb形变损伤芯片。现有方案依靠pcb薄板耳片锁附整机，受力后电路板翘曲，形变应力直接造成微悬臂永久变形、零点漂移；本发明独立硬质底座承接全部外部载荷，pcb完全不参与受力，从根源消除光路偏移、微结构塑性失效。

17、双向闭环锁紧，夹持力长期稳定无组件滑移。传统单向压圈长期温变、振动下螺丝预紧力衰减，镜片、支架滑移，单向集中压力易造成镜片崩边；本发明上下双向刚性夹持，多层平面均匀分摊压合应力，各层台阶全向限位，长期使用无光路漂移隐患。

18、模组整体刚度提升，规避共振疲劳失效。传统单层薄壁支架抗弯性能差，共振频率低，易与车载、工业设备振动共振，加速微结构疲劳断裂；本发明六层环形复合框架+加厚底座大幅提升整体刚度，抬高固有共振频率，避开设备常规振动区间，抗振、抗跌落寿命显著延长。

19、芯片全周刚性限位，有效保护键合引线。现有芯片仅简易围挡，横向振动下持续滑移拉扯金丝，长期交变应力导致引线断裂；本发明全包覆固定框限制芯片全部方向位移，大幅降低引线交变拉扯应力，延长器件使用寿命。