低应力MEMS封装结构及其封装方法与流程

低应力mems封装结构及其封装方法
技术领域
1.本发明涉及mems封装技术领域，具体提供一种低应力mems封装结构及其封装方法。


背景技术：

2.随着mems封装技术深入发展，mems器件的应用也越来越广泛，并且对mems器件的要求也越来越高，诸如对mems器件的噪声要求、漂移等等；而且随着电子产品的发展，对利用mems器件进行的检测精度等等也提出了更高要求。
3.mems器件的检测是通过微机械运动来实现的，而对微机械运动造成影响的机械应力，一直是困扰mems器件性能提升的主要因素之一，其应力来源主要是由mems封装后相互接触的材料不同等引起的，例如：包裹mems芯片的塑封树脂，贴盖后的焊接回流等。特别是对于目前广泛应用的多芯片组装sip，mems产品的外形体积越来越小，可达2mm*2mm*1.1mm，那么在此体积条件下，封装把多种材料置于一起，产生的应力影响特别明显(尤其是在温度发生变化时)，从而造成产品的特性诸如灵敏度、零点漂移等恶化。
4.为了解决上述技术问题，目前有部分厂家采用了开孔的金属帽封装结构，见附图1所示。但由于要确保后续电子装配的回流高温，金属帽须采用上部开孔的方式进行，但这样会造成封盖后的产品在使用过程中，外界的灰尘、湿气等会通过小孔进入mems产品内，从而对产品特性造成影响，无法避免长期使用mems传感器信号逐渐恶化的弊端。
5.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

6.为了克服上述缺陷，本发明提供了一种低应力mems封装结构及其封装方法，该封装方法合理、易实施，能够有效克服因多种材料结合而产生的应力影响、以及有效避免外界湿度、压力等对产品稳定性造成影响，大大提升了mems封装结构的性能。
7.本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种低应力mems封装结构，包括平面载体、芯片、封装盖和保护膜，所述芯片固定设置于所述平面载体的一表面上，且所述芯片上的电极与所述平面载体上的引脚键合连接；所述封装盖罩设于所述芯片外、并同时与所述平面载体的一表面固定连接，且所述封装盖与所述平面载体一表面一起合围成的腔室还形成为真空状态；所述保护膜密封包裹于所述封装盖外，以确保该腔室保持真空状态。
8.作为本发明的进一步改进，所述封装盖为由金属材料制成的中空罩盖结构，所述中空罩盖结构的顶部封闭、底部开口，并在所述中空罩盖结构的侧立壁上开设有小孔；
9.当所述中空罩盖结构罩设于所述芯片外后，所述中空罩盖结构的底开口通过锡膏与所述平面载体的一表面固定连接；并且当对该腔室抽真空时，该腔室内的空气经所述小孔排出。
10.作为本发明的进一步改进，在所述中空罩盖结构的相对两侧立壁上对称开设有两
个所述小孔。
11.作为本发明的进一步改进，所述芯片通过装片胶粘接固定于所述平面载体的一表面上，并利用金丝球焊工艺将所述芯片上的电极与所述平面载体上的引脚键合连接；
12.所述保护膜采用耐高温环氧膜，其通过真空覆膜技术及高温压膜固化技术密封包裹于所述封装盖外。
13.本发明还提供了一种低应力mems封装结构的封装方法，包括以下步骤：
14.s1)、提供一平面载体，在所述平面载体的一表面上阵列固设有若干芯片，并通过金丝球焊工艺将若干所述芯片上的电极对应与所述平面载体上的引脚键合连接；
15.s2)、提供若干个封装盖，并在每一所述封装盖的侧立壁上均开设有小孔；
16.s3)、将若干所述封装盖分别对应的罩设于若干所述芯片外，同时若干所述封装盖的底开口均分别与所述平面载体的一表面固定连接；此时得到雏形品；
17.s4)、提供一保护膜，将所述保护膜覆盖在若干所述封装盖背向所述平面载体的顶侧上后；再将覆盖有所述保护膜的所述雏形品放置入真空覆膜机中进行低温压膜处理，以实现若干所述封装盖分别与所述平面载体一表面一起合围成的腔室均形成为真空状态的同时，所述保护膜还能够将由若干所述封装盖构成的封装盖阵列组整体密封包裹住；此时得到中间品；
18.s5)、将所得中间品放置入烘箱中进行高温压膜固化处理，以实现在确保若干所述腔室均保持真空状态的同时，所述保护膜能够将每一所述封装盖都完全密封包裹住；待所述高温压膜固化处理完成后，冷却得到半成品；
19.s6)、对所得半成品进行切割，得到若干呈独立单颗状态的低应力mems封装结构。
20.作为本发明的进一步改进，所述封装盖为由金属材料制成的中空罩盖结构，所述中空罩盖结构的顶部封闭、底部开口，并在所述中空罩盖结构的相对两侧立壁上对称开设有两个所述小孔。
21.作为本发明的进一步改进，在进行上述s3)时，先按照若干所述芯片的阵列布局形式在所述平面载体的一表面上涂覆锡膏，然后再将若干所述封装盖分别对应的罩设于若干所述芯片外，紧接着再加热使锡膏固化，即可实现若干所述封装盖的底开口均与所述平面载体的一表面固定连接。
22.作为本发明的进一步改进，上述s4)中，所述真空覆膜机进行低温压膜处理的工作参数为：工作温度40～60℃，施加于所述保护膜上的压力为0.5～2kg/cm2。
23.作为本发明的进一步改进，在进行上述s5)时，首先控制烘箱以(4℃～6℃)/min的升温速度升温至140～160℃，并且在该升温过程中，同时伴随有对变成为熔胶态的所述保护膜进行压力大小为0.5～2kg/cm2的压膜操作，以实现所述保护膜能够将每一所述封装盖都完全密封包裹住；待升温及压膜操作完成后，对完成上述操作的中间品进行温度为140～160℃的保温处理2～3h，以使得所述保护膜充分固化；保温处理完成后、冷却至室温，即得所述半成品。
24.作为本发明的进一步改进，待完成升温及压膜操作后，所述保护膜的厚度能够减薄至初始厚度的一半。
25.本发明的有益效果是：
①
本发明采用金属封装盖与保护膜相结合的封装结构，其一方面可有效克服因多种材料结合而产生的应力影响，另一方面可使得产品内腔与外界彻
底隔离，有效避免了外界湿度、压力等对产品稳定性造成影响，从而大大提升了mems封装结构的性能。
②
本发明通过在所述封装盖的侧立壁上开设小孔，这可便于实现产品在现有真空覆膜机上进行抽真空、覆膜，既简化了工艺操作、控制了生产成本，利于生产实施，又为后续产品电子贴装提供了回流焊的基础，使得产品不会因为回流焊的高温而对产品性能造成影响。
③
本发明还采用了高温压膜固化处理，该处理工艺既可确保mems封装结构的密封性，又使得mems封装结构的厚度尺寸能够精准地减薄至设定尺寸，很好地满足了生产要求。
附图说明
26.图1为现有金属帽封装结构的立体剖视图；
27.图2为本发明完成s3)后所得雏形品的结构示意图；
28.图3为图2所示雏形品中的单颗封装雏形结构的放大示意图；(解释说明：所谓的“单颗封装雏形结构”指的是每一所述封装盖罩设于所述芯片外、并同时与所述平面载体一表面固定连接后的状态结构)
29.图4为图3所示单颗封装雏形结构的立体剖视图；
30.图5为本发明所述封装盖的结构示意图；
31.图6为本发明s4)中将所述保护膜黏贴覆盖在所述雏形品上的结构示意图；
32.图7为图6所示保护膜黏贴覆盖在单颗封装雏形结构上的放大示意图；
33.图8为本发明所述低应力mems封装结构的结构示意图；
34.图9为本发明所述低应力mems封装结构的立体剖视图。
35.结合附图，作以下说明：
36.1—平面载体；2—芯片；3—封装盖；30—小孔；4—保护膜。
具体实施方式
37.以下藉由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技艺的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
38.须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技艺的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。
39.实施例：
40.请参阅附图8和9所示，分别为本发明所述低应力mems封装结构的结构示意图及立体剖视图。
41.本发明所述的低应力mems封装结构包括平面载体1、芯片2、封装盖3和保护膜4，所述芯片2固定设置于所述平面载体1的一表面上，且所述芯片2上的电极与所述平面载体1上的引脚键合连接；所述封装盖3罩设于所述芯片2外、并同时与所述平面载体1的一表面固定连接，且所述封装盖3与所述平面载体1一表面一起合围成的腔室还形成为真空状态；所述保护膜4密封包裹于所述封装盖3外，以确保该腔室保持真空状态。该mems封装结构既可有效克服因多种材料结合而产生的应力影响，又可使得产品内腔与外界彻底隔离，有效避免
了外界湿度、压力等对产品稳定性造成影响，从而大大提升了mems封装结构的性能。
42.在本实施例中，优选的，请参阅附图3至附图5所示，所述封装盖3为由金属材料制成的中空罩盖结构，所述中空罩盖结构的顶部封闭、底部开口，并在所述中空罩盖结构的侧立壁上开设有小孔30；
43.当所述中空罩盖结构罩设于所述芯片2外后，所述中空罩盖结构的底开口通过锡膏与所述平面载体1的一表面固定连接；并且当利用真空覆膜机对该腔室抽真空时，该腔室内的空气经所述小孔30排出。
44.进一步优选的，在所述中空罩盖结构的相对两侧立壁上对称开设有两个所述小孔30。当然，在生产时，所述小孔30的数量和尺寸根据实际生产需求来定。
45.在本实施例中，优选的，所述平面载体1采用陶瓷基板、硅基板和fr4基板中的一种，但又不局限于上述基板材质，且所述平面载体1可采取单层或多层结构，所述平面载体1可为一整板结构或者多块联板结构；所述芯片2通过装片胶粘接固定于所述平面载体1的一表面上，并利用金丝球焊工艺将所述芯片2上的电极与所述平面载体1上的引脚键合连接，更具体的为：在装芯片时，首先利用装片胶(如daf膜)将若干芯片2粘接在所述平面载体1的一表面上，然后再加热使装片胶固化，随后再通过金丝球焊工艺将若干所述芯片2上的电极对应与所述平面载体1上的引脚键合连接。
46.在本实施例中，优选的，所述保护膜4采用滤波器行业中常用的可耐200℃烘烤的耐高温环氧膜，该耐高温环氧膜的黏贴面具有一定粘性；且该耐高温环氧膜通过真空覆膜技术及高温压膜固化技术密封包裹于所述封装盖3外。
47.本发明还提供了上述低应力mems封装结构的封装方法，包括以下步骤：
48.s1)、提供一平面载体1，在所述平面载体1的一表面上阵列固设有若干芯片2，并通过金丝球焊工艺将若干所述芯片2上的电极对应与所述平面载体1上的引脚键合连接，具体可参阅附图2和4所示；
49.s2)、提供若干个封装盖3，并在每一所述封装盖3的侧立壁上均开设有小孔30(具体可参阅附图5所示)，为后续真空覆膜做准备；
50.s3)、将若干所述封装盖3分别对应的罩设于若干所述芯片2外，同时若干所述封装盖3的底开口均分别与所述平面载体1的一表面固定连接；此时得到雏形品，具体可参阅附图2和3所示；
51.s4)、提供一保护膜4，所述保护膜4采用滤波器行业中常用的可耐200℃烘烤的耐高温环氧膜，该耐高温环氧膜的黏贴面具有一定粘性，将所述保护膜4黏贴覆盖在若干所述封装盖3背向所述平面载体1的顶侧上后，具体可参阅附图6和7所示；再将覆盖有所述保护膜4的所述雏形品放置入真空覆膜机中进行低温压膜处理，以实现若干所述封装盖3分别与所述平面载体1一表面一起合围成的腔室均形成为真空状态的同时，所述保护膜4还能够将由若干所述封装盖3构成的封装盖阵列组整体密封包裹住；此时得到中间品；
52.s5)、将所得中间品放置入烘箱中进行高温压膜固化处理，以实现在确保若干所述腔室均保持真空状态的同时，所述保护膜4能够将每一所述封装盖3都完全密封包裹住，确保后续每颗mems封装结构的密封性；待所述高温压膜固化处理完成后，冷却得到半成品；
53.s6)、对所得半成品进行切割，得到若干呈独立单颗状态的低应力mems封装结构，具体可参阅附图8和9所示。
54.优选的，在上述s1)中，所述平面载体1采用陶瓷基板、硅基板和fr4基板中的一种，但又不局限于上述基板材质，且所述平面载体1可采取单层或多层结构，所述平面载体1可为一整板结构或者多块联板结构；另外，在装芯片时，首先利用装片胶(如daf膜)将若干芯片2粘接在所述平面载体1的一表面上，然后再加热使装片胶固化，随后再通过金丝球焊工艺将若干所述芯片2上的电极对应与所述平面载体1上的引脚键合连接。
55.优选的，在上述s2)中，所述封装盖3为由金属材料制成的中空罩盖结构，所述中空罩盖结构的顶部封闭、底部开口，并在所述中空罩盖结构的相对两侧立壁上对称开设有两个所述小孔30。当然，在生产时，所述小孔30的数量和尺寸根据实际生产需求来定。
56.优选的，在进行上述s3)时，先按照若干所述芯片2的阵列布局形式在所述平面载体1的一表面上涂覆锡膏，然后再将若干所述封装盖3分别对应的罩设于若干所述芯片2外，紧接着再加热使锡膏固化，即可实现若干所述封装盖3的底开口均与所述平面载体1的一表面固定连接。
57.优选的，在上述s4)中，所述真空覆膜机进行低温压膜处理的工作参数为：工作温度40～60℃，施加于所述保护膜4上的压力为0.5～2kg/cm2；可进一步优选为：工作温度50℃，压力1～1.5kg/cm2。
58.且上述s4)的工作机理为：当将覆盖有所述保护膜4的所述雏形品放置入真空覆膜机中后，真空覆膜机会先抽真空，使得若干所述腔室内的空气经所述小孔30被抽出，若干所述腔室均形成为真空状态(本发明对真空度不做特殊要求，根据生产需求来定)；并且当真空覆膜机工作室中的温度上升到40～60℃时，所述保护膜4会变软，此时再在压力大小为0.5～2kg/cm2的气压力作用下，所述保护膜4会被向下挤压，实现将若干所述封装盖3的顶侧、以及分布于外周围的多个所述封装盖3的侧立壁皆包裹住(相应的，分布于外周围的多个所述封装盖3的侧立壁上的小孔30也是会被所述保护膜4堵住的)，即实现所述保护膜4将由若干所述封装盖3构成的封装盖阵列组整体密封包裹住，中间品的内部处于真空状态。
59.优选的，在进行上述s5)时，首先控制烘箱以(4℃～6℃)/min的升温速度升温至140～160℃，并且在该升温过程中，同时伴随有对变成为熔胶态(或称为半液态)的所述保护膜4进行压力大小为0.5～2kg/cm2的压膜操作，以实现所述保护膜4能够将每一所述封装盖3都完全密封包裹住，确保后续每颗mems封装结构的密封性；待升温及压膜操作完成后，对完成上述操作的中间品进行温度为140～160℃的保温处理2～3h，以使得所述保护膜4充分固化，确保所述保护膜4与所述封装盖3、及所述封装盖3与所述平面载体1之间的结合力，消除应力；保温处理完成后、冷却至室温，即得所述半成品。
60.另外，对于上述s5)中的具体工作参数，可进一步优选为：烘箱以5℃/min的升温速度升温至150℃，并且在该升温过程中，同时伴随有对变成为熔胶态的所述保护膜4进行压力大小为1～1.5kg/cm2的压膜操作；所述保温处理参数为：保温温度为150℃、保温时间为2～3h。
61.此外，待完成升温及压膜操作后，所述保护膜4的厚度能够减薄至初始厚度的一半。比如：所述保护膜4的初始厚度为200μm，待完成升温及压膜操作后，所述保护膜4的厚度可减薄至100μm。
62.综上所述，本发明通过：
①
采用金属封装盖与保护膜相结合的封装结构，一方面可有效克服因多种材料结合而产生的应力影响，另一方面可使得产品内腔与外界彻底隔离，
有效避免了外界湿度、压力等对产品稳定性造成影响，大大提升了mems封装结构的性能。
②
在封装盖的侧立壁上开设小孔，这可便于实现产品在现有真空覆膜机上进行抽真空、覆膜，既简化了工艺操作、控制了生产成本，利于生产实施，又为后续产品电子贴装提供了回流焊的基础，使得产品不会因为回流焊的高温而对产品性能造成影响。
③
采用高温压膜固化处理，该处理工艺既可确保mems封装结构的密封性，又使得mems封装结构的厚度尺寸能够精准地减薄至设定尺寸，很好地满足了生产要求。
63.上述实施方式仅例示性说明本发明的功效，而非用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为在本发明的保护范围内。