對(duì)封裝應(yīng)力不敏感的mems芯片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種MEMS芯片，特別是涉及一種對(duì)封裝應(yīng)力不敏感的MEMS芯片。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMSCMicro-Electro-Mechanical Systems)是微機(jī)電系統(tǒng)的縮寫，MEMS 芯片制造技術(shù)利用微細(xì)加工技術(shù)，特別是半導(dǎo)體圓片制造技術(shù)，制造出各種微型機(jī)械結(jié)構(gòu)，結(jié)合專用控制集成電路(ASIC)，組成智能化的微傳感器、微執(zhí)行器、微光學(xué)器件等MEMS元器件。MEMS元器件具有體積小、成本低、可靠性高、抗惡劣環(huán)境能力強(qiáng)、功耗低、智能化程度高、易校準(zhǔn)、易集成的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品，如手機(jī)、平板電腦、玩具、數(shù)碼相機(jī)、游戲機(jī)、空中鼠標(biāo)、遙控器、GPS等；在國防工業(yè)，如智能炸彈、導(dǎo)彈、航空航天、航海、潛水、無人飛機(jī)等，以及工業(yè)類產(chǎn)品，如汽車、通訊、機(jī)器人、智能交通、工業(yè)自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)測(cè)、平臺(tái)穩(wěn)定控制、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)、安全監(jiān)控等，MEMS元器件是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基石，是工業(yè)現(xiàn)代化的核心元器件。
[0003]MEMS器件的性能很大程度取決于MEMS芯片的加工工藝和封裝工藝，特別是MEMS器件的溫度特性?，F(xiàn)有的MEMS芯片中通常MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)與底板接觸面積大，垂直方向的電極直接制作在底板上作為下電極，在后續(xù)的MEMS芯片封裝時(shí)，芯片的底板必須與封裝材料接觸，例如MEMS芯片底板通過粘片膠安裝在封裝管座上，這樣，當(dāng)周圍溫度變化時(shí)，由于粘片膠與封裝管殼的材料與MEMS芯片的材料(通常為Si)的熱膨脹系數(shù)不同，由封裝材料產(chǎn)生的應(yīng)力就會(huì)傳導(dǎo)到MEMS芯片的底板上，再由MEMS的底板傳導(dǎo)到MEMS結(jié)構(gòu)和下電極上，引起MEMS結(jié)構(gòu)的微小形變，從而產(chǎn)生假信號(hào)，影響MEMS器件的性能。減少封裝對(duì)MEMS性能的影響現(xiàn)有幾種方法，其一是盡量選用與Si材料相近的熱膨脹系數(shù)的材料做封裝管殼；其二是選用比較軟的裝片膠；其三是減少M(fèi)EMS芯片與封裝管殼的接觸面積。但這些方法的缺點(diǎn)是:一，無法利用與Si材料熱膨脹系數(shù)一樣的材料來制作管殼；二，軟的裝片膠會(huì)導(dǎo)致某些MEMS器件無法工作，因?yàn)楣軞ば枰獮榛顒?dòng)的MEMS結(jié)構(gòu)提供反作用力，而且軟膠不能承受太高溫度，與某些封裝工藝不兼容，如金屬熔封；三，MEMS芯片與封裝管殼的接觸面積過小會(huì)影響MEMS器件抵抗機(jī)械沖擊的能力。所以上述這些方法無法從根本上解決問題，要從根本上解決問題，必須將MEMS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得對(duì)封裝材料引起的應(yīng)力不敏感，其中一個(gè)最有效的方法是MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)與MEMS芯片底板只有一個(gè)接觸點(diǎn)，而且MEMS的垂直方向的感應(yīng)或驅(qū)動(dòng)電極與MEMS芯片底板也只有一個(gè)接觸點(diǎn)，這二個(gè)接觸點(diǎn)挨得足夠近。這樣，封裝材料熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力引起MEMS芯片底板的形變只有很小一部分傳導(dǎo)到MEMS結(jié)構(gòu)中，MEMS芯片的性能受封裝材料影響非常小。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種對(duì)封裝應(yīng)力不敏感的MEMS芯片，尺寸小、性能好、成本低。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的一個(gè)技術(shù)方案是:提供一種對(duì)封裝應(yīng)力不敏感的MEMS芯片，包括有至少一個(gè)下空腔的底板、下電極層、MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)層、至少有一個(gè)上空腔的蓋板，下電極層中的下電極和MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)層中的MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)被密封在從下至上依次由底板、第二氧化層、下導(dǎo)電區(qū)和下密封區(qū)、低溫玻璃、蓋板圍成的一個(gè)密封腔內(nèi)，蓋板通過低溫玻璃與下電極層的下導(dǎo)電區(qū)、下密封區(qū)結(jié)合，底板與下電極層通過硅-二氧化硅鍵合工藝結(jié)合，下電極層與MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)層相互平行，下電極層包括至少兩個(gè)下壓焊座、至少兩個(gè)下導(dǎo)電區(qū)、下密封區(qū)、下電極、下鍵合區(qū)、密封區(qū)隔離溝、下電極隔離溝、至少兩個(gè)導(dǎo)電條，下鍵合區(qū)包括導(dǎo)電鍵合柱、下電極錨區(qū)，導(dǎo)電鍵合柱中包括第二導(dǎo)電塞，下壓焊座中包括第一導(dǎo)電塞，下電極包括凸塊塞，下電極上有凸塊，通過下電極錨區(qū)固定在底板的底板鍵合柱上；MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)層包括MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)、至少兩個(gè)上壓焊座、密封擋塊、第一密封槽、第二密封槽、分隔槽、錨區(qū)，密封擋塊分別位于下密封區(qū)與下導(dǎo)電區(qū)的上方，MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)通過錨區(qū)、中間氧化層、導(dǎo)電鍵合柱固定在底板鍵合柱上，與導(dǎo)電鍵合柱通過第一導(dǎo)電塞電連接；每個(gè)上壓焊座上均設(shè)有金屬壓焊塊。
[0006]在本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中，MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)與下電極固定在同一個(gè)底板鍵合柱上，二者與底板的接觸點(diǎn)面積很小，在水平方向相距很近，由封裝引力引起的底板形變只有非常小的一部分傳導(dǎo)到MEMS結(jié)構(gòu)上。
[0007]在本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中，下導(dǎo)電區(qū)包括由密封區(qū)隔離溝分割成的第一下導(dǎo)電區(qū)、第二下導(dǎo)電區(qū)，下電極層還包括第一導(dǎo)電條、第二導(dǎo)電條，第一導(dǎo)電條與第一下導(dǎo)電區(qū)相連，第二導(dǎo)電條與第二下導(dǎo)電區(qū)相連，第一導(dǎo)電條與第二導(dǎo)電條呈彈簧狀，用以傳輸電信號(hào)，同時(shí)大大降低封裝引起的應(yīng)力傳導(dǎo)到下電極或MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)上。
[0008]在本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中，上壓焊座包括第一上壓焊座、第二上壓焊座，因此其上的金屬壓焊塊包括第一金屬壓焊塊、第二金屬壓焊塊。
[0009]在本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中，下電極的電信號(hào)傳導(dǎo)路徑是第一導(dǎo)電條、第一下導(dǎo)電區(qū)、第一下壓焊座、第一導(dǎo)電塞、第一上壓焊座、第一金屬壓焊塊;MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)的電信號(hào)傳導(dǎo)路徑是錨區(qū)、第二導(dǎo)電塞、導(dǎo)電鍵合柱、第二導(dǎo)電條、第二下導(dǎo)電區(qū)、第二下壓焊座、第一導(dǎo)電塞、第二上壓焊座、第二金屬壓焊塊。
[0010]本實(shí)用新型的有益效果是:本實(shí)用新型提供的對(duì)封裝應(yīng)力不敏感的MEMS芯片，下電極和MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)被密封在一個(gè)密封腔內(nèi)，且下電極和MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)與底板的接觸面積都非常小，在后續(xù)封裝時(shí)，MEMS芯片底板通過裝片膠安裝在封裝基座上，由于封裝材料與MEMS芯片底板Si材料之間的熱膨脹系數(shù)不同而引起的應(yīng)力只有非常小的一部分傳導(dǎo)到下電極和MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)上，這樣，MEMS芯片的信號(hào)受環(huán)境溫度的影響非常小，也即提高了MEMS芯片的性能，而且降低了對(duì)后續(xù)封裝的要求，降低了封裝成本。
【附圖說明】
[0011]圖1是本實(shí)用新型對(duì)封裝應(yīng)力不敏感的MEMS芯片一較佳實(shí)施例的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是去除蓋板與低溫玻璃的MEMS芯片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3是圖2中所述MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)層的俯視圖。
[0014]圖4是圖2中所述下電極層的俯視圖。
[0015]圖5是電信號(hào)在下電極、MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)、下電極與MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)中的傳導(dǎo)路徑圖。
[0016]附圖中各部件的標(biāo)記如下:2’、底板，4’、蓋板，10、下電極層，14、中間氧化層，14a、垂直電極間距，16b、第一導(dǎo)電塞，16c、第二導(dǎo)電塞，17b、凸塊塞，17c、凸塊，19a、密封區(qū)隔離溝，19b、下電極隔離溝，20a、下壓焊座，20a’、第一下壓焊座俯視圖，20a’’、第二下壓焊座俯視圖，20b、下導(dǎo)電區(qū)，20b’、第一下導(dǎo)電區(qū)俯視圖，20b’’、第二下導(dǎo)電區(qū)俯視圖，20c、導(dǎo)電鍵合柱，20d、下密封區(qū)，20e、下電極，20f、下電極錨區(qū)，21、下空腔，22、第二氧化層，23、底板密封區(qū)，24、底板鍵合柱，25、下鍵合區(qū)，30、MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)層，30a、上壓焊座，30a’、第一上壓焊座俯視圖，30a’ ’、第二上壓焊座俯視圖，30b、密封擋塊，30b’、密封擋塊俯視圖，30c、錨區(qū)，30e、MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)，31a、第一密封槽，31b、分隔槽，31c、第二密封槽，32、光刻膠圖形，33、金屬壓焊塊，33a’、第一金屬壓焊塊俯視圖，33b’、第二金屬壓焊塊俯視圖，35a、第一導(dǎo)電條，35b、第二導(dǎo)電條，38、第二密封區(qū)，38’、第二密封區(qū)俯視圖，40、壓焊腔，41、上空腔，50、低溫玻璃，51、密封腔，53、壓焊窗。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對(duì)本實(shí)用新型的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。
[0018]請(qǐng)參閱圖1，本實(shí)用新型實(shí)施例包括:
[0019]一種對(duì)封裝應(yīng)力不敏感的MEMS芯片，包括有兩個(gè)下空腔21的底板2’、下電極層10、MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)層30、有一個(gè)上空腔41的蓋板4’，下電極層10中的下電極20e和MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)層30中的MENS活動(dòng)結(jié)構(gòu)30e被密封在從下至上依次由底板2’、第二氧化層22(厚度一般在I?2微米)、下導(dǎo)電區(qū)20b、下密封區(qū)20d、低溫玻璃50、蓋板4’圍成的一個(gè)密封腔51內(nèi)，蓋板4’通過低溫玻璃50與下電極層10的下導(dǎo)電區(qū)20b、下密封區(qū)20d結(jié)合，底板2’與下電極層10通過硅-二氧化硅鍵合工藝結(jié)合，密封腔51內(nèi)的氣氛、壓力可以根據(jù)MEMS芯片的功能不同而不同，例如加速度計(jì)需要一定氣壓的惰性氣體，陀螺儀需要真空等。所述底板2’為MEMS結(jié)構(gòu)提供機(jī)械支撐和機(jī)械保護(hù)，由Si材料制成；所述蓋板4’為MEMS結(jié)構(gòu)提供機(jī)械保護(hù)，它可以是