高稳定性的MEMS封装产品及其制造方法与流程

高稳定性的mems封装产品及其制造方法
技术领域
1.本发明涉及mems封装技术领域，特别涉及一种高稳定性的mems封装产品及其制造方法。


背景技术：

2.随着电子整机向数字化、高频化、多功能化和薄、轻、小、便携式的方向发展，对于相应的电子零配件要求越来越高，体积也相应变得越来越小。在这种背景下，作为上述便携电子产品的重要零件之一的麦克风产品领域也推出了很多的新型产品，其中mems硅麦克风便是其中一种。特别的，对于mems硅麦克风这种声学器件而言，需要实现更高的性能要求。
3.mems芯片设计都需要考虑封装，封装是mems器件形成产品的重要组成部分，只有经过良好封装的mems器件才能进入市场，成为实用的产品。随着mems芯片的研究日益成熟，相对落后的封装技术已成为制约mems产品进入市场的瓶颈，因此需要大力开展mems封装技术，对其进行深入的研究与开发。目前的mems封装技术大多来自集成电路封装技术，但是由于mems器件的特殊性，特殊的信号界面、外壳要求、三维结构和可靠性要求等决定了mems封装的难点所在，需要重点研究。由于mems封装已经引起人们的重视，研究低成本高性能的封装方法已经成为mems领域一个重要的课题。
4.mems硅麦克风往往在制造端生产出的成品完成封测后，传统的mems硅麦克风产品封装是使用实心基板(substrate)，在经过封装加工及烘烤后会出现轻微形变，因此，到客户端上板易出现感度离散、感度漂移等现象，本发明通过技术改进解决了此问题。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高稳定性的mems封装产品，包括基板、asic芯片和sensor芯片，所述asic芯片和sensor芯片安装在基板上，所述基板设有真空空间，所述真空空间位于asic芯片和sensor芯片的安装位置下端。
6.可选的，所述真空空间的深度不超过基板厚度的一半；所述基板的厚度不小于0.3mm。
7.可选的，所述asic芯片和sensor芯片都采用装片胶贴装在基板上；所述asic芯片采用的装片胶的触变指数大于3.0；所述sensor芯片采用的装片胶为硅胶。
8.可选的，所述asic芯片和sensor芯片采用金线连接，所述asic芯片和基板采用金线连接。
9.可选的，所述sensor芯片包括敏感器件和补偿模块，所述敏感器件和补偿模块连接，所述补偿模块用于对敏感器件采用的实时信号进行补偿，补偿方式如下：
10.首先，通过射频器件产生校验信号，通过空间辐射，使得校验信号到达数字阵列各通道的射频接收端，进行噪声放大及滤波处理后，数字阵列各通道通过校验信号与实时信号进行混频滤波，得到模拟信号；
11.其次，将模拟信号转化为数字信号，送入测频装置，测量数字信号频率得到频率测
量值，通过频率计算得到数字阵列各通道的延时值；
12.最后，以延时值为基准，通过调节器改变测频装置内通道数字下变频的nco频率值，对数字阵列各通道进行频率补偿。
13.本发明还提供了一种高稳定性的mems封装产品的制造方法，包括以下步骤：
14.s10在基板上的asic芯片和sensor芯片的安装位置下端设置真空空间；
15.s20将asic芯片安装在基板上的对应位置；
16.s30将sensor芯片安装在基板上的对应位置；
17.s40进行封装。
18.可选的，在s10步骤中，所述真空空间的深度不超过基板厚度的一半；所述基板的厚度不小于0.3mm；所述基板采用条状硅板；在s40步骤中，封装完成后，采用金刚石刀片将产品从条状硅板上切割下来成单颗。
19.可选的，在s20步骤中，所述asic芯片采用装片胶贴装在基板上，所述asic芯片采用的装片胶的触变指数大于3.0；在s30步骤中，所述sensor芯片采用装片胶贴装在基板上，所述sensor芯片采用的装片胶为硅胶。
20.可选的，在s40步骤中，封装方式如下：
21.s41画锡：包括在金边上使用画锡方式涂上一层锡膏；更优的，选用高温锡膏，避免终端多次上板造成性能变化；
22.s43贴金属盖：包括使用smt工艺将金属盖贴装在锡膏上，经过一次回流焊；
23.s45测试与烧录：包括对单颗产品进行测试，筛选出符合感度要求的产品，进行烧录。
24.可选的，在s30步骤中，所述sensor芯片设置有敏感器件和补偿模块，所述敏感器件和补偿模块连接，所述补偿模块用于对敏感器件采用的实时信号进行补偿，补偿方式如下：
25.首先，通过射频器件产生校验信号，通过空间辐射，使得校验信号到达数字阵列各通道的射频接收端，进行噪声放大及滤波处理后，数字阵列各通道通过校验信号与实时信号进行混频滤波，得到模拟信号；
26.其次，将模拟信号转化为数字信号，送入测频装置，测量数字信号频率得到频率测量值，通过频率计算得到数字阵列各通道的延时值；
27.最后，以延时值为基准，通过调节器改变测频装置内通道数字下变频的nco频率值，对数字阵列各通道进行频率补偿。
28.本发明的高稳定性的mems封装产品及其制造方法，由于在asic芯片和sensor芯片的安装位置下的基板内设计了真空空间，该封装产品虽然在经过封装加工及烘烤后还会出现形变，但真空空间的存在使得形变不会对产品性能造成影响，即产品到客户端上板时不会出现感度离散、感度漂移等现象，实现了mems封装产品的优化，提高了mems封装产品的质量。
29.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
30.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
31.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
32.图1为本发明实施例中一种高稳定性的mems封装产品示意图；
33.图2为本发明实施例中一种高稳定性的mems封装产品的制造方法流程图；
34.图3为本发明的高稳定性的mems封装产品的制造方法中的封装方式流程图；
35.图4为本发明的高稳定性的mems封装产品的制造方法中asic芯片安装后的截面示意图；
36.图5为本发明的高稳定性的mems封装产品的制造方法中sensor芯片安装后的截面示意图；
37.图6为本发明的高稳定性的mems封装产品的制造方法中asic芯片和sensor芯片、asic芯片和基板采用金线连接后的截面示意图；
38.图7为本发明的高稳定性的mems封装产品的制造方法中在asic芯片上喷上涂层(coating)胶后的截面示意图；
39.图8为本发明的高稳定性的mems封装产品的制造方法中画锡后的平面示意图。
40.图中：1-金属盖，2-基板，3-真空空间，4-声孔，5-sensor芯片，6-asic芯片，7-第一装片胶，8-敏感器件，9-第二装片胶，10-金线，11-涂层胶，12-锡膏。
具体实施方式
41.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
42.如图1所示，本发明实施例提供了一种高稳定性的mems封装产品，包括基板3、asic芯片6和sensor芯片5，所述asic芯片6和sensor芯片5安装在基板2上，所述基板2设有真空空间3，所述真空空间3位于asic芯片6和sensor芯片5的安装位置下端。
43.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过在asic芯片和sensor芯片的安装位置下的基板内设计真空空间，该封装产品虽然在经过封装加工及烘烤后还会出现形变，但真空空间的存在使得形变不会对产品性能造成影响，即产品到客户端上板时不会出现感度离散、感度漂移等现象，实现了mems封装产品的优化，提高了mems封装产品的质量。
44.在一个实施例中，所述真空空间3的深度不超过基板2厚度的一半；所述基板2的厚度不小于0.3mm；
45.如图1所示，所述基板2设有声孔4，所述声孔4位于sensor芯片5的安装位置下端，所述声孔4贯通基板2且与真空空间3相互隔离。
46.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案采用的基板的厚度不小于0.3mm，在基板设置的真空空间的深度不超过基板厚度的一半，以保障基板的强度，降低基板的变形率；另外，基板的声孔贯通基板且与真空空间相互隔离，既保障真空空间的密封性和真空度，又保证声音可以顺利通过声孔传递至sensor芯片，以便sensor芯片的敏感器件可以感应并发出实时信号。
47.在一个实施例中，如图1所示，所述asic芯片和sensor芯片都采用装片胶贴装在基板上；所述asic芯片采用第一装片胶7，第一装片胶7的触变指数大于3.0；所述sensor芯片
采用第二装片胶9，第二装片胶9为硅胶。
48.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案中的asic芯片和sensor芯片都采用装片胶贴装在基板上；其中，asic芯片采用的装片胶要求其触变指数大于3.0，因为一般来说asic芯片的尺寸较小，例如asic芯片的尺寸为0.5mm*0.5mm，因此装片胶要采用点胶作业，若装片胶的触变指数太小，则对点胶作业不利；sensor芯片采用的装片胶为硅胶，硅胶的线膨胀系数与sensor芯片基本一致，由于硅胶在烘烤后仍具备一定弹性，能吸收一定的应力变化，可以避免给产品性能带来不利影响。
49.在一个实施例中，如图6和7所示，所述asic芯片和sensor芯片采用金线10连接，所述asic芯片和基板采用金线10连接。
50.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案中的asic芯片和sensor芯片采用金线连接，asic芯片和基板采用金线连接，保障信号的传输及性能需求；金线连接具有较高的可靠性。
51.在一个实施例中，如图1所示，所述sensor芯片包括敏感器件8和补偿模块(图中未示出)，所述敏感器件8和补偿模块连接，所述补偿模块用于对敏感器件采用的实时信号进行补偿，补偿方式如下：
52.首先，通过射频器件产生校验信号，通过空间辐射，使得校验信号到达数字阵列各通道的射频接收端，进行噪声放大及滤波处理后，数字阵列各通道通过校验信号与实时信号进行混频滤波，得到模拟信号；
53.其次，将模拟信号转化为数字信号，送入测频装置，测量数字信号频率得到频率测量值，通过频率计算得到数字阵列各通道的延时值；
54.最后，以延时值为基准，通过调节器改变测频装置内通道数字下变频的nco频率值，对数字阵列各通道进行频率补偿。
55.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案中的敏感器件一般采用硅膜片，通过设置补偿模块，补偿模块设有射频器件、测频装置、调节器和多通道的数字阵列；本方案在对实时信号处理之前采用上述方式进行信号补偿，以弥补由于使用材料、加工工艺和/或系统原因对信号的干扰和不利影响，可以保证各通道待处理数据的一致性和真实性，使数字阵列指向期望方向，提高的麦克风的录制音质，避免由于信号失真导致语音识别错误或者偏差。
56.如图1-2和图4-5所示，本发明实施例提供了一种高稳定性的mems封装产品的制造方法，包括以下步骤：
57.s10在基板2上的asic芯片6和sensor芯片5的安装位置下端设置真空空间3；
58.s20如图4所示，将asic芯片6安装在基板2上的对应位置；
59.s30如图5所示，将sensor芯片5安装在基板2上的对应位置；
60.s40如图1所示，进行封装。
61.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过在基板内设计真空空间，以带有此真空空间的基板用来进行mems封装，将asic芯片和sensor芯片的安装真空空间位置上进行封装；该封装产品虽然在经过封装加工及烘烤后还会出现形变，但真空空间的存在使得形变不会对产品性能造成影响，即产品到客户端上板时不会出现感度离散、感度漂移等现象，实现了mems封装产品的优化，提高了mems封装产品的质量；其中，真空空间的成型
方式为：通过蚀刻在基板上形成预定深度的凹槽，在凹槽设置保护膜层；在凹槽开口端设置短通管并采用外延生长方式对除短通管外部位进行封堵，使得凹槽变成腔体，仅留短通管连通腔体；通过短通管对腔体进行抽真空，并在完成抽真空后封堵短通管，使得腔体形成真空空间。
62.在一个实施例中，在s10步骤中，所述真空空间的深度不超过基板厚度的一半；所述基板的厚度不小于0.3mm；所述基板采用条状硅板；在s40步骤中，封装完成后，采用金刚石刀片将产品从条状硅板上切割下来成单颗；进一步地，选用耐高温的胶膜贴附在产品有声孔一侧，再将贴过高温膜的产品贴附在蓝膜上进行切割；更进一步地，胶膜的胶粘剂(adhesive)层厚度为5-15μm内，且聚烯烃(polyolefin)高于80μm。
63.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案采用的基板的厚度不小于0.3mm，在基板设置的真空空间的深度不超过基板厚度的一半，以保障基板的强度，降低基板的变形率；另外，基板的声孔贯通基板且与真空空间相互隔离，既保障真空空间的密封性和真空度，又保证声音可以顺利通过声孔传递至sensor芯片，以便sensor芯片的敏感器件可以感应并发出实时信号；另外，基板采用条状硅板，分段设置多个真空空间，对各段进行asic芯片和sensor芯片的安装和封装，再通过金刚石刀片将产品从条状硅板上切割下来成单颗，由于传统uv膜切割此类产品极易出现胶层残留，使得产品脱粒后黏在一起，测试时极易出现报错故障，影响下一道制程，本方案选用耐高温胶膜贴附在产品有声孔一侧，再将贴过高温膜的产品贴附在蓝膜上进行切割，能完全解决残胶异常；由此可以进行标准化和模块化生产，可以提高生产效率，降低成本；切割前，用耐高温胶膜贴附在产品有声孔一侧，再将贴过高温膜的产品贴附在蓝膜上进行切割，可以提高切割精准度，避免切割导致产品不良，提升良品率。
64.在一个实施例中，在s20步骤中，所述asic芯片采用装片胶贴装在基板上，所述asic芯片采用的装片胶的触变指数大于3.0；在s30步骤中，所述sensor芯片采用装片胶贴装在基板上，所述sensor芯片采用的装片胶为硅胶；
65.asic芯片和sensor芯片贴装时，先在基板对应位置上点上装片胶，再将asic芯片与sensor芯片贴在装片胶上，装片时采用选择测高模式进行测高，然后按指定的温度曲线进行烘烤。
66.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案中的asic芯片和sensor芯片都采用装片胶贴装在基板上；其中，asic芯片采用的装片胶要求其触变指数大于3.0，因为一般来说asic芯片的尺寸较小，例如asic芯片的尺寸为0.5mm*0.5mm，因此装片胶要采用点胶作业，若装片胶的触变指数太小，则对点胶作业不利；sensor芯片采用的装片胶为硅胶，硅胶的线膨胀系数与sensor芯片基本一致，由于硅胶在烘烤后仍具备一定弹性，能吸收一定的应力变化，可以避免给产品性能带来不利影响；在装片作业时，采用选择测高模式进行测高，可以避免因测高方式选用不当导致产品失效，提高良品率；装片后进行烘烤，烘烤采用指定的温度曲线进行温度控制，能够提高工艺温度控制精度，有利于保障产品质量，实现产品性能的一致性。
67.在一个实施例中，如图6和7所示，在s40步骤中，封装前，所述asic芯片6和sensor芯片5采用金线10连接，所述asic芯片6和基板2采用金线10连接；采用bsob加工以金线键合方式连接；
68.连接后，如图7所示，在asic芯片6上端面喷上涂层胶11，涂层胶11一般采用黑胶。
69.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案中的asic芯片和sensor芯片采用金线连接，asic芯片和基板采用金线连接，保障信号的传输及性能需求；金线键合采用bsob加工方式进行连接，大幅增加引线连接点的可靠性；连接后，在asic芯片上端右喷上涂层(coating)胶，可以保护asic芯片，涂层(coating)胶一般采用黑胶。
70.在一个实施例中，如图1、3和图8所示，在s40步骤中，封装方式如下：
71.s41画锡：如图8所示，包括在金边上使用画锡方式涂上一层锡膏12；更优的，选用高温锡膏，避免终端多次上板造成性能变化；
72.s43贴金属盖：如图1所示，包括使用smt工艺将金属盖1贴装在锡膏12上，经过一次回流焊；
73.s45测试与烧录：包括对单颗产品进行测试，筛选出符合感度要求的产品，进行烧录。
74.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案封装通过画锡、贴金属盖和测试与烧录过程来实现，其中，画锡时选用高温锡膏，可以避免终端多次上板造成性能变化；贴金属盖采用smt工艺进行，smt是表面组装技术(表面贴装技术)(surface mounted technology的缩写)，smt贴片指的是在pcb基础上进行加工的系列工艺流程的简称，pcb(printed circuit board)为印刷电路板；贴金属盖后，还可以采用激光打印在金属盖上设置需求的印字，例如客户的商标标识或者其他识别标记等，以便于进行质量追溯等目的；然后测试筛选初感集中的产品，进行烧录完成封装，得到指定感度范围的产品，基板采用条状硅板，则测试与烧录在切割后对单颗产品进行。
75.在一个实施例中，在s30步骤中，所述sensor芯片设置有敏感器件8和补偿模块，所述敏感器件8和补偿模块连接，所述补偿模块用于对敏感器件采用的实时信号进行补偿，补偿方式如下：
76.首先，通过射频器件产生校验信号，通过空间辐射，使得校验信号到达数字阵列各通道的射频接收端，进行噪声放大及滤波处理后，数字阵列各通道通过校验信号与实时信号进行混频滤波，得到模拟信号；
77.其次，将模拟信号转化为数字信号，送入测频装置，测量数字信号频率得到频率测量值，通过频率计算得到数字阵列各通道的延时值；
78.最后，以延时值为基准，通过调节器改变测频装置内通道数字下变频的nco频率值，对数字阵列各通道进行频率补偿。
79.上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案中的敏感器件一般采用硅膜片，通过设置补偿模块，补偿模块设有射频器件、测频装置、调节器和多通道的数字阵列；本方案在对实时信号处理之前采用上述方式进行信号补偿，以弥补由于使用材料、加工工艺和/或系统原因对信号的干扰和不利影响，可以保证各通道待处理数据的一致性和真实性，使数字阵列指向期望方向，提高的麦克风的录制音质，避免由于信号失真导致语音识别错误或者偏差。
80.在一个实施例中，在s20步骤中，asic芯片和sensor芯片贴装时，按指定的温度曲线进行烘烤的温度控制方式如下：
81.建立指定的温度曲线的模拟函数t＝f(t)，且模拟函数在温度控制时段内有导，采
用以下公式计算传输热量：
[0082][0083]
上式中，q
tj
表示第j个计时时刻的传输热量；t表示在温度控制时段内的温度值；t表示在温度控制时段内的计时时刻，tj表示在温度控制时段内的第j个计时时刻；t
j 1
表示在温度控制时段内的第j 1个计时时刻；n表示温度控制空间内物质的数量；ci表示温度控制空间中存在的第i种物质的比热；mi表示温度控制空间中存在的第i种物质的质量；f
′
(t
j 1
)表示指定的温度曲线的表达函数在第j 1个计时时刻的导数；
[0084]
根据上述计算结果对温度控制空间内进行热量传输，若计算结果为正值，则向温度控制空间内提供传输热量进行加热；若计算结果为负值，则向温度从控制空间内将传输热量吸走进行冷却。
[0085]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案在asic芯片和sensor芯片贴装工艺中的温度根据上述方式进行控制，先依据指定的温度曲线，建立相应的模拟函数，并进行优化调整使得该模拟函数在温度控制时段内可导，再以上述公式计算传输热量，根据传输热量对温度控制空间内进行温度调节；其中，上述公式引入了指定的温度曲线的模拟函数的导数，且取下一个计时时刻(即第j 1个计时时刻)的导数值，进行当前计时时刻(即第j个计时时刻)所需要的传输热量计算，由于下一个计时时刻的导数值(即温度曲线上该计时时刻点的切线斜率)能够更好地反映温度变化趋势预测，因此可以精准控制热量传输量，实现温度的精确控制，避免工艺温度控制不准确导致产品质量问题，还可以避免浪费，实现节能。
[0086]
本发明的优点包括：
[0087]
1.利于实现，且制造成本变动很小；
[0088]
2.结构改动小，对于终端客户应用无影响；
[0089]
3.能直接解决客户上板后感度偏差的问题，对于制程工艺难度较小。
[0090]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。