微机电传感器封装结构及制造方法与流程

本发明涉及微机电传感器技术领域，更具体地，涉及一种微机电传感器封装结构及制造方法。

背景技术：

微机电传感器组件的封装具有不同功能。封装保护组件免受机械的和化学的环境影响。此外，封装的结构类型确定了如何安装和接通所有组件。在此结构中特别重要的是壳体。在微机电传感器中，壳体承担着一部分传感器功能，起到传递和缓冲声音、压力、加速度等物理信息的作用，因为传感器敏感芯片最终接收到的非电物理量也会由壳体的构型决定性地确定。由此，壳体对微机电传感器的传递特性及性能具有重要影响。

以麦克风封装结构为例，在现有技术中，其壳体多为散装设计，且需单独进行制作和贴装，由于壳体的材料与基板不同，且其并非像基板一样采用整板设计，在进行生产制作时，需额外的生产设备进行生产，且在贴装时需要工装治具将多个壳体分别对齐，并等高固定，才可进一步地使其与基板连接，工艺流程繁琐。且部分封装结构中包括一个壳体和多层基板，需采用多次压合对位的方式进行连接，由于压合对位的次数较多，其累计误差较高，影响了工艺生产的效率和产品良率。当然地，现有技术中也有采用整版设计的壳体，但生产该整版的壳体，涉及额外的加工工艺及技术，壳体材料及性能受限，且生产良率低，生产成本高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种微机电传感器封装结构及制造方法，以解决现有技术中存在的生产成本高、工艺流程复杂、产品良率低、一致性差、生产效率低的问题。提高微机电传感器封装结构的生产效率、产品良率并简化工艺流程、降低其生产成本。

一方面，本发明提供一种微机电传感器封装结构，其特征在于，包括：

第一基板，所述第一基板具有凹形结构；

第二基板，设置在所述第一基板上；

芯片，所述芯片设置在所述凹形结构中，所述芯片经由金属线与所述第一基板电连接；

其中，所述凹形结构使所述第二基板与所述第一基板之间形成空腔，所述凹形结构的底面面积大于所述芯片的面积。

优选地，所述凹形结构的侧面、底面及所述第一基板的上表面，其中至少部分区域设置有第一金属层。

优选地，所述凹形结构的底面上设置有第一通孔。

优选地，所述第一通孔与所述凹形结构形成贯穿所述第一基板上下表面的连通通道，所述第一金属层通过所述连通通道延伸至所述第一基板的下表面，使所述第一基板的上表面与下表面电连接。

优选地，所述第一基板还设置有第二通孔，所述第二通孔用于将所述第一基板的上表面与下表面电连接。

优选地，所述芯片包括mems芯片和asic芯片，所述mems芯片、asic芯片均设置于所述凹形结构的底面，所述第一通孔位于所述mems芯片内侧，所述mems芯片、asic芯片以及所述第一基板的上表面通过所述金属线电连接。

优选地，所述第二基板与所述第一基板相邻一侧的至少部分区域设置有第二金属层。

优选地，所述第一金属层的部分区域设置有第一阻焊层，所述第二金属层的部分区域设置有第二阻焊层，至少部分所述第二阻焊层的位置与部分所述第一阻焊层的位置相对应，

其中，所述第一阻焊层与第二阻焊层以及第二金属层的厚度之和，不小于所述金属线的线弧高度。

另一方面，本发明还提供一种微机电传感器封装结构的制造方法，其特征在于，包括：

制备第一基板拼板；

分别在所述第一基板拼板的多个凹形结构中贴装芯片；

设置金属线，分别将所述芯片与所述第一基板拼板电连接；

将所述第二基板拼板与所述第一基板拼板相连，形成半成品；

对半成品进行切割分离，以获取多个独立的微机电传感器封装结构；

其中，所述第一基板拼板与所述第二基板拼板相对应，所述第一基板拼板与所述第二基板拼板均包括多个微机电传感器单元。

优选地，所述第二基板拼板还包括阻容元件，在所述第二基板与所述第一基板连接前，将所述阻容元件贴装于所述第二基板拼板上，并对至少部分所述芯片进行封胶处理。

优选地，所述第一基板与所述第二基板相邻一侧的部分区域设置有第一金属层，所述第一金属层的部分区域设置有第一阻焊层；所述第二基板与所述第一基板相邻的一侧设置有第二金属层，所述第二金属层的部分区域设置有第二阻焊层；所述第一阻焊层与第二阻焊层以及第二金属层的厚度之和，不小于所述金属线的线弧高度。

优选地，所述第一基板与所述第二基板之间通过连接材料相连接，所述连接材料包括锡膏、导电胶、绝缘胶中的至少一种。

优选地，所述连接材料为导电材料，在完成机械连接的同时设置电气连接。

本发明实施例提供的微机电传感器封装结构及制造方法，通过采用该封装结构设计，省去了壳体的单独制作以及贴装，在使用常规的工艺方法和物料的情况下，将原本需要另行单独制作和贴装的壳体融入第一基板中，有利于产品的小型化，实现批量生产的同时，还节省了生产成本，减少了生产所需设备的种类，减少了生产步骤，还有利于控制生产产品的一致性，提高了生产效率和产品良率，进一步地，第一基板拼板与第二基板拼板通过单次压合对位的方式相连接，减少了误差，简化了工艺流程，降低了生产成本。

进一步地，该封装结构设计中，各部件间并无特殊的纵向尺寸匹配的需求，且需切割分离的部分的材料相类似，可采用同一种刀具一次性切割分离。同时，在第一基板拼板和第二基板拼板的边缘还可设置定位标识，可显著提高基板拼板之间的对位精度。通过网板进行连接材料(锡膏)的涂设，可以有效的控制连接材料的厚度及均匀性，保证产品的连接质量。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1a示出了本发明微机电传感器封装结构第一实施例的示意图。

图1b示出了本发明微机电传感器封装结构第二实施例的示意图。

图2示出了本发明实施例的微机电传感器封装结构的制造方法的示意图。

图3示出了本发明实施例第一基板拼板的局部示意图。

图4示出了本发明实施例贴装芯片的局部示意图。

图5示出了本发明实施例第二基板拼板的局部示意图。

图6示出了本发明实施例第二基板拼板与第一基板拼板相连的局部示意图。

图7a示出了本发明半成品进行切分的第一实施例示意图。

图7b示出了本发明半成品进行切分的第二实施例示意图。

图7c示出了本发明半成品进行切分的第三实施例示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。

应当理解，在描述结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。

如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“直接在……上面”或“在……上面并与之邻接”的表述方式。

在下文中描述了本发明部分实施例的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

图1a示出了本发明微机电传感器封装结构第一实施例的示意图，该微机电传感器封装结构100包括：第一基板110、第二基板120和芯片130。其中，第一基板110的上表面与第二基板120的下表面相邻，第一基板110的上表面设置有凹形结构111，该凹形结构111使得第二基板120与第一基板110之间形成空腔，该空腔可用于容纳芯片130，具体地，凹形结构111的底面面积大于芯片130的面积，芯片130设置于凹形结构111中，芯片130例如包括mems芯片131和asic芯片132。

进一步地，第一基板110的凹形结构111的底面上还设置有第一通孔112，第一通孔112位于mems芯片131的内侧。第一通孔112与凹形结构111形成了贯穿第一基板110上表面与下表面的连通通道。

第一基板110的上表面的部分区域设置有第一金属层113，第一金属层113延伸至凹形结构111，并覆盖凹形结构111的侧壁、底面以及第一通孔112的侧壁。第一金属层113穿过凹形结构111与第一通孔112形成的连通通道，延伸至第一基板110的下表面，使第一基板110的上表面和下表面电连接。

具体地，覆盖凹形结构111的侧壁和底面以及覆盖第一通孔112的侧壁的第一金属层113，可通过电路板制作过程中类似于过孔(盲孔)工艺的方式制成。当该微机电传感器封装结构100作为麦克风的封装结构时，第一通孔112既作为麦克风的收音孔，又作为使第一基板上下表面电连接的连通通道的一部分。当然地，也可在第一基板110的其他位置另行制作通孔以使第一基板110的上下表面电连接。

进一步地，部分第一金属层113上还设置有第一阻焊层114，其中，第一阻焊层114例如位于第一基板110上表面的部分第一金属层113以及第一基板110下表面的部分第一金属层113上；凹形结构111底面上无阻焊层(阻焊图形)，凹形结构111底面上的第一金属层113也未设置阻焊层。

芯片130例如包括mems芯片131和asic芯片132，芯片130设置在凹形结构111底面的第一金属层113上，其中，通过通过金属线133将mems芯片131、asic芯片132以及第一基板110上表面的第一金属层112电连接，进一步地，在金属线133设置完成后，还可对asic芯片132进行封胶处理，涂设灌封胶以提高芯片的防水、防潮、防尘、防腐蚀性能。

第二基板120的下表面的部分区域设置有第二金属层121，部分第二金属层121上还设置有的第二阻焊层122，部分第二阻焊层122与第一基板110上表面的部分第一阻焊层114相对应，第二基板120在未被第二阻焊层122覆盖的部分第二金属层121上通过连接材料150与第一基板110上的第一金属层113相连接。

连接材料150包括焊锡、锡膏、导电胶、绝缘胶等，第二基板120与第一基板110例如通过在部分第二金属层121上涂设锡膏后，与第一基板110的上表面进行压合对位，并进行回流焊使焊锡膏固化，完成第二基板120与第一基板110之间的连接。类似地，虽然图1中并未示出，但芯片130也可通过连接材料150设置于第一基板110的凹形结构111中。通过连接材料150在需要连接的部件之间设置相应的机械连接，并可按需要决定是否使用导电的连接材料150，在设置机械连接的同时设置相应的电气连接。

进一步地，芯片130通过非导电的连接材料150设置于凹形结构111中，由于芯片130通过金属线133与第一基板110上表面的第一金属层113电连接，故第一阻焊层114与第二阻焊层122以及第二金属层121的厚度之和，应不小于金属线133的线弧高度，为金属线133的设置预留足够的空间。

图1b示出了本发明微机电传感器封装结构第二实施例的示意图，由于第二基板120设置于第一基板110的上方，故asic芯片132与第一基板110上表面的第一电极层113之间的金属线133存在被(第二基板120或第一基板110的d1区域)压伤的风险，导致金属线133与凹形结构111侧壁的第一金属层113相接触，造成短路。故可选用如图1b所示方案，在制作第一金属层113时，将d1区域(位于拐角的后续步骤中金属线133投影下方区域)略过，使设置于凹形结构111侧壁的第一金属层113的纵向尺寸减小，使其与第一基板110的上表面具有一定的距离，从而避免短路风险以及金属线133被压伤情况的发生。

图2示出了本发明实施例的微机电传感器封装结构的制造方法的示意图，具体步骤包括：

s10制备第一基板拼板；对第一基板110进行拼板设计，以制备包括多个第一基板110(微机电传感器单元)的第一基板拼板1100。具体地，例如采用具有一定厚度的载板作为原材料，采用类似于打孔工艺的处理方式，在其上表面形成多个凹形结构111，并在多个凹形结构111的底面形成多个第一通孔112。在第一基板拼板1100的上表面制备第一金属层113，采用类似电路板过孔工艺的方式，使第一金属层113穿过凹形结构111和第一通孔112并延伸至第一基板拼板1100的下表面，第一金属层113覆盖凹形结构111的侧壁和底面以及第一通孔112的侧壁，穿过第一基板拼板1100并覆盖至其下表面。在第一基板拼板1100的上表面和下表面的部分第一金属层113上设置第一阻焊层114，以完成第一基板拼板1100的制作。

当然地，第一基板拼板1100也可通过两块具有不同尺寸通孔的基板上下堆叠组合而成，其对位误差可以通过先组合再制作金属层的方法进行规避。

s20分别在第一基板拼板的多个凹形结构中贴装芯片；芯片130例如包括mems芯片131和asic芯片132，第一基板拼板1100中每个凹形结构111底面的面积均不小于两芯片面积之和，将mems芯片131和asic芯片132贴装于凹形结构111的底面上，其中mems芯片131位于第一通孔112上方，第一通孔112位于mems芯片131的内侧。

s30设置金属线，使芯片130与第一基板的上表面电连接；具体地，对第一基板拼板1100的各微机电传感器单元，在其mems芯片131与asic芯片132之间，以及asic芯片132与第一基板110表面的第一金属层112之间设置金属连线，通过金属线133将芯片140与第一基板110表面的第一金属层112电连接，形成相应的导电通道。进一步地，在金属线133设置完成后，还可对asic芯片132进行封胶处理，涂设灌封胶以提高芯片的防水、防潮、防尘、防腐蚀性能。

s40将第二基板拼板与第一基板拼板相连，以制成半成品；第二基板拼板1200例如为与第一基板拼板1100相对应的拼板设计，第二基板拼板1200中同样包括多个第二基板120(微机电传感器单元)。当然地，可预先在第二基板拼板1200上设置需要的电容电阻等元器件后，再将其与第一基板拼板1100进行连接。第二基板拼板1200与第一基板拼板1100之间例如通过在对应位置设置锡膏，在第二基板拼板1200与第一基板拼板1100对位压合后，通过回流焊的方式相连。

s50对半成品进行切割分离，以获取多个独立的微机电传感器封装结构。由于第一基板拼板1100和第二基板拼板1200均采用拼板设计，故在上一步中两者连接完成后需要对连接后获得的半成品进行切割分离，以获取独立的微机电传感器封装结构。由于第一基板拼板1100与第二基板拼板1200的材质基本相同，可使用对应的刀具通过一次进给即可完成半成品的切分。

其中，微机电传感器封装结构的制造并非一定按照s10-s50的步骤顺序进行，例如可先对第二基板拼板1200贴装其所需的阻容元件，再进行第一基板拼板1100的制备，同样不影响该微机电传感器封装结构的制造。

该制造方法使原本需要逐个生产的微机电传感器封装结构可以实现整板的批量生产，第一基板拼板与第二基板拼板均可采用相似的工艺制成，无需另行单独制作壳体，仅需一次压合对位即可完成连接，避免了多次压合对位产生的误差，有利于控制生产产品的一致性，提高产品良率，具有很强的生产稳定性和实用性。

图3示示出了本发明实施例第一基板拼板的局部示意图。第一基板拼板1100包括多个阵列排布的微机电传感器单元，第一基板拼板1100例如通过原材料加工而成，原材料例如采用具有一定厚度的pcb板材，进一步地，第一基板拼板1100的边缘区域与工艺边类似，可设置相应的定位标记以保证其与其余部件之间的对位精度。

图3中所示为第一基板拼板1100的局部截面图，其横向包括3个第一基板110(微机电传感器单元)，以一个第一基板110(微机电传感器单元)为例，第一基板110的上表面设置有凹形结构111，该凹形结构111可用于容纳芯片130，具体地，凹形结构111的底面面积大于芯片130的面积，芯片130设置于凹形结构111中，进一步地，第一基板110的凹形结构111的底面上还设置有第一通孔112，第一通孔112与凹形结构111形成了贯穿第一基板110上表面与下表面的连通通道。

第一基板110的上表面的部分区域设置有第一金属层113，第一金属层113延伸至凹形结构111，并覆盖凹形结构111的侧壁、底面以及第一通孔112的侧壁。第一金属层113穿过凹形结构111与第一通孔112形成的连通通道，延伸至第一基板110的下表面，使第一基板110的上表面和下表面电连接。

具体地，覆盖凹形结构111的侧壁和底面以及覆盖第一通孔112的侧壁的第一金属层113，可通过电路板制作过程中类似于过孔(盲孔)工艺的方式制成。当该微机电传感器封装结构作为麦克风的封装结构时，第一通孔112既作为麦克风的收音孔，又作为使第一基板上下表面电连接的连通通道的一部分。该结构可以使第一基板110避免使用过孔，大大提高了产品可靠性，降低了成本。

当然地，也可在第一基板110的其他位置另行制作通孔以使第一基板110的上下表面电连接。

进一步地，部分第一金属层113上还设置有第一阻焊层114，其中，第一阻焊层114例如位于第一基板110上表面的部分第一金属层113以及第一基板110下表面的部分第一金属层113上；凹形结构111底面上无阻焊层(阻焊图形)，凹形结构111底面上的第一金属层113也未设置阻焊层。

图4示出了本发明实施例贴装芯片的局部示意图。将第一基板拼板1100中凹形结构111的开口一侧朝上，在凹形结构111的底面贴装芯片130。同样地，以一个第一基板110(微机电传感器单元)为例，在凹形结构111的底面上贴装芯片130，当然地，凹形结构111的底面的面积不小于芯片130的(投影)面积，芯片130例如包括mems芯片131和asic芯片132，采用smt的方式进行贴装，并通过回流焊进行固化；当然地，也可通过涂设绝缘胶，烘烤固化等方式进行贴装连接，smt贴装方式比diebond等其他贴片方式更高效，也更有利于控制生产的一致性。在贴装mems芯片131时，使第一通孔112位于mems芯片131内侧。

在芯片130贴装完成后，设置金属线133，将mems芯片131、asic芯片132以及第一基板110表面的第一电极层113依次电连接，通过将金属线133直接设置在第一基板拼板1100的凹形结构111和上表面上，避免了设备操作空间问题，有利于产品小型化。在金属线113设置完成后，可在asic芯片132上涂设灌封胶以提高芯片的防水、防潮、防尘、防腐蚀性能。当然地，第一金属层113可包括多个相连或独立的焊盘，其通过对凹形结构111与第一通孔112采用类似于过孔(盲孔)的工艺，使分别位于第一基板110上表面和下表面的第一金属层113电连接。

由于后续步骤中会将第二基板120设置于第一基板110的上方，故asic芯片132与第一基板110上表面的第一电极层113之间的金属线133存在被(第二基板120或凹形结构111与上表面的拐角)压伤的风险，导致其与凹形结构111侧壁的第一金属层113相接触，造成短路。优选地，可将设置于凹形结构111侧壁的第一金属层112的纵向尺寸减小，使其与第一基板110的表面具有一定的距离(如图1b所示)，从而避免短路风险以及金属线133被压伤情况的发生。

图5示出了本发明实施例第二基板拼板的局部示意图，第二基板拼板1200采用与第一基板拼板1100相对应的拼板设计，第二基板拼板1200同样包括多个阵列排布的微机电传感器单元，第二基板拼板1200例如采用pcb板材制成，其一侧的部分表面设置有第二金属层121，部分第二金属层121上设置有第二阻焊层122。如图5所示，其横向例如包括3个第二基板120(微机电传感器单元)。当然地，第二基板120还可根据需要设置电容、电阻、二极管等电气元器或芯片。同样地，第二基板拼板1200的边缘区域也设置有与工艺边类似的结构，其与第一基板拼板1100的边缘区域相对应。

如第二基板与第一基板之间的连接材料150选用锡膏，可在部分第二金属层121中未覆盖有第二阻焊层122的位置涂设锡膏，进一步地，锡膏可以通过网板进行涂设，使用网板涂设锡膏，比画锡膏、画胶或其他方式更高效，也更有利于控制生产的一致性。当然地，连接材料150并非一定要涂设于第二基板拼板1200上，其也可在第一基板拼板1100的对应位置上进行涂设。

图6示出了本发明实施例第二基板拼板与第一基板拼板相连的局部示意图，之前已描述部分在此不再赘述。将第二基板拼板1200中具有第二金属层121的一侧朝下，使其与第一基板拼板1100上表面的第一金属层113相对应，连接材料150例如选用锡膏，将第二基板拼板1200与第一基板拼板1100进行对位压合，采用回流焊的方式使锡膏固化，从而使第二基板拼板1200与第一基板拼板1100相连。第一基板拼板1100与第二基板拼板1200之间采用单次压合对位并进行回流焊的连接方式以减少多次压合对位造成的累计误差，有利于提高产品良率。

进一步地，通过凹形结构111、第一金属层113、第一阻焊层114和第二阻焊层122以及第二金属层121保证芯片130所在区域的空间尺寸。具体地，第一阻焊层114、第二阻焊层122与第二金属层121的厚度之和应不小于金属线133的线弧高度。优选地，芯片130厚度不大于凹形结构111的深度。

图7a至图7c分别示出了本发明半成品进行切分的三种实施例的示意图，其中，第一基板拼板1100和第二基板拼板1200一般均选用pcb材料，故刀具220可选用钢刀或其他硬质刀具。

如图7a所示，在对半成品进行切割分离时，将第一通孔112朝下，直接与下方的薄膜210贴合，通过薄膜210防止杂物进入第一通孔112。通过刀具220将半成品中的多个微机电传感器单元进行切割分离，以获取独立的微机电传感器封装结构100。采用此种方式进行切割会对薄膜210造成一定程度的损伤，会在薄膜210上形成相应的凹痕，但该凹痕在一定程度上并不影响正常生产。

如图7b所示，在对半成品进行切割分离时，将第一通孔112朝下，可在第一通孔112的下方设置胶体230，胶体230例如为球状，将第一通孔112塞住，以防止第一通孔112中进入杂物，并在半成品的下方设置薄膜210。同样通过刀具220将半成品中的多个微机电传感器单元进行切割分离，以获取独立的微机电传感器封装结构100。采用此种方式进行切割，可以通过控制刀具220的进给深度，避免对薄膜210造成损伤。

如图7c所示，在对半成品进行切割分离时，将第二基板拼板1200中未设置有第二金属层121的一侧朝下(第一通孔112朝上)，使第二基板拼板1200的该侧表面直接与下方的薄膜210贴合，同样通过刀具220将半成品中的多个微机电传感器单元进行切割分离，以获取独立的微机电传感器封装结构100。采用此种方式进行切割会对薄膜210造成一定程度的损伤，在薄膜210上形成相应的凹痕，但该凹痕在一定程度上并不影响正常生产。

以上三种方式中，可根据实际情况进行成本核算后选取较优的一种方案。

在以上的描述中，对于各器件的构图、切割等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。

以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等效限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。