对封装应力不敏感的mems芯片的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种MEMS芯片，特别是涉及一种对封装应力不敏感的MEMS芯片。
【背景技术】
[0002]MEMSCMicro-Electro-Mechanical Systems)是微机电系统的缩写，MEMS 芯片制造技术利用微细加工技术，特别是半导体圆片制造技术，制造出各种微型机械结构，结合专用控制集成电路(ASIC)，组成智能化的微传感器、微执行器、微光学器件等MEMS元器件。MEMS元器件具有体积小、成本低、可靠性高、抗恶劣环境能力强、功耗低、智能化程度高、易校准、易集成的优点，被广泛应用于消费类电子产品，如手机、平板电脑、玩具、数码相机、游戏机、空中鼠标、遥控器、GPS等；在国防工业，如智能炸弹、导弹、航空航天、航海、潜水、无人飞机等，以及工业类产品，如汽车、通讯、机器人、智能交通、工业自动化、环境监测、平台稳定控制、现代化农业、安全监控等，MEMS元器件是物联网技术的基石，是工业现代化的核心元器件。
[0003]MEMS器件的性能很大程度取决于MEMS芯片的加工工艺和封装工艺，特别是MEMS器件的温度特性。现有的MEMS芯片中通常MEMS活动结构与底板接触面积大，垂直方向的电极直接制作在底板上作为下电极，在后续的MEMS芯片封装时，芯片的底板必须与封装材料接触，例如MEMS芯片底板通过粘片胶安装在封装管座上，这样，当周围温度变化时，由于粘片胶与封装管壳的材料与MEMS芯片的材料(通常为Si)的热膨胀系数不同，由封装材料产生的应力就会传导到MEMS芯片的底板上，再由MEMS的底板传导到MEMS结构和下电极上，引起MEMS结构的微小形变，从而产生假信号，影响MEMS器件的性能。减少封装对MEMS性能的影响现有几种方法，其一是尽量选用与Si材料相近的热膨胀系数的材料做封装管壳；其二是选用比较软的装片胶；其三是减少MEMS芯片与封装管壳的接触面积。但这些方法的缺点是:一，无法利用与Si材料热膨胀系数一样的材料来制作管壳；二，软的装片胶会导致某些MEMS器件无法工作，因为管壳需要为活动的MEMS结构提供反作用力，而且软胶不能承受太高温度，与某些封装工艺不兼容，如金属熔封；三，MEMS芯片与封装管壳的接触面积过小会影响MEMS器件抵抗机械冲击的能力。所以上述这些方法无法从根本上解决问题，要从根本上解决问题，必须将MEMS结构设计得对封装材料引起的应力不敏感，其中一个最有效的方法是MEMS活动结构与MEMS芯片底板只有一个接触点，而且MEMS的垂直方向的感应或驱动电极与MEMS芯片底板也只有一个接触点，这二个接触点挨得足够近。这样，封装材料热膨胀产生的应力引起MEMS芯片底板的形变只有很小一部分传导到MEMS结构中，MEMS芯片的性能受封装材料影响非常小。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种对封装应力不敏感的MEMS芯片，尺寸小、性能好、成本低。
[0005]为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是:提供一种对封装应力不敏感的MEMS芯片，包括有至少一个下空腔的底板、下电极层、MEMS活动结构层、至少有一个上空腔的盖板，下电极层中的下电极和MEMS活动结构层中的MEMS活动结构被密封在从下至上依次由底板、第二氧化层、下导电区和下密封区、低温玻璃、盖板围成的一个密封腔内，盖板通过低温玻璃与下电极层的下导电区、下密封区结合，底板与下电极层通过硅-二氧化硅键合工艺结合，下电极层与MEMS活动结构层相互平行，下电极层包括至少两个下压焊座、至少两个下导电区、下密封区、下电极、下键合区、密封区隔离沟、下电极隔离沟、至少两个导电条，下键合区包括导电键合柱、下电极锚区，导电键合柱中包括第二导电塞，下压焊座中包括第一导电塞，下电极包括凸块塞，下电极上有凸块，通过下电极锚区固定在底板的底板键合柱上；MEMS活动结构层包括MEMS活动结构、至少两个上压焊座、密封挡块、第一密封槽、第二密封槽、分隔槽、锚区，密封挡块分别位于下密封区与下导电区的上方，MEMS活动结构通过锚区、中间氧化层、导电键合柱固定在底板键合柱上，与导电键合柱通过第一导电塞电连接；每个上压焊座上均设有金属压焊块。
[0006]在本实用新型一个较佳实施例中，MEMS活动结构与下电极固定在同一个底板键合柱上，二者与底板的接触点面积很小，在水平方向相距很近，由封装引力引起的底板形变只有非常小的一部分传导到MEMS结构上。
[0007]在本实用新型一个较佳实施例中，下导电区包括由密封区隔离沟分割成的第一下导电区、第二下导电区，下电极层还包括第一导电条、第二导电条，第一导电条与第一下导电区相连，第二导电条与第二下导电区相连，第一导电条与第二导电条呈弹簧状，用以传输电信号，同时大大降低封装引起的应力传导到下电极或MEMS活动结构上。
[0008]在本实用新型一个较佳实施例中，上压焊座包括第一上压焊座、第二上压焊座，因此其上的金属压焊块包括第一金属压焊块、第二金属压焊块。
[0009]在本实用新型一个较佳实施例中，下电极的电信号传导路径是第一导电条、第一下导电区、第一下压焊座、第一导电塞、第一上压焊座、第一金属压焊块;MEMS活动结构的电信号传导路径是锚区、第二导电塞、导电键合柱、第二导电条、第二下导电区、第二下压焊座、第一导电塞、第二上压焊座、第二金属压焊块。
[0010]本实用新型的有益效果是:本实用新型提供的对封装应力不敏感的MEMS芯片，下电极和MEMS活动结构被密封在一个密封腔内，且下电极和MEMS活动结构与底板的接触面积都非常小，在后续封装时，MEMS芯片底板通过装片胶安装在封装基座上，由于封装材料与MEMS芯片底板Si材料之间的热膨胀系数不同而引起的应力只有非常小的一部分传导到下电极和MEMS活动结构上，这样，MEMS芯片的信号受环境温度的影响非常小，也即提高了MEMS芯片的性能，而且降低了对后续封装的要求，降低了封装成本。
【附图说明】
[0011]图1是本实用新型对封装应力不敏感的MEMS芯片一较佳实施例的剖面结构示意图。
[0012]图2是去除盖板与低温玻璃的MEMS芯片的剖面结构示意图。
[0013]图3是图2中所述MEMS活动结构层的俯视图。
[0014]图4是图2中所述下电极层的俯视图。
[0015]图5是电信号在下电极、MEMS活动结构、下电极与MEMS活动结构中的传导路径图。
[0016]附图中各部件的标记如下:2’、底板，4’、盖板，10、下电极层，14、中间氧化层，14a、垂直电极间距，16b、第一导电塞，16c、第二导电塞，17b、凸块塞，17c、凸块，19a、密封区隔离沟，19b、下电极隔离沟，20a、下压焊座，20a’、第一下压焊座俯视图，20a’’、第二下压焊座俯视图，20b、下导电区，20b’、第一下导电区俯视图，20b’’、第二下导电区俯视图，20c、导电键合柱，20d、下密封区，20e、下电极，20f、下电极锚区，21、下空腔，22、第二氧化层，23、底板密封区，24、底板键合柱，25、下键合区，30、MEMS活动结构层，30a、上压焊座，30a’、第一上压焊座俯视图，30a’ ’、第二上压焊座俯视图，30b、密封挡块，30b’、密封挡块俯视图，30c、锚区，30e、MEMS活动结构，31a、第一密封槽，31b、分隔槽，31c、第二密封槽，32、光刻胶图形，33、金属压焊块，33a’、第一金属压焊块俯视图，33b’、第二金属压焊块俯视图，35a、第一导电条，35b、第二导电条，38、第二密封区，38’、第二密封区俯视图，40、压焊腔，41、上空腔，50、低温玻璃，51、密封腔，53、压焊窗。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0018]请参阅图1，本实用新型实施例包括:
[0019]一种对封装应力不敏感的MEMS芯片，包括有两个下空腔21的底板2’、下电极层10、MEMS活动结构层30、有一个上空腔41的盖板4’，下电极层10中的下电极20e和MEMS活动结构层30中的MENS活动结构30e被密封在从下至上依次由底板2’、第二氧化层22(厚度一般在I?2微米)、下导电区20b、下密封区20d、低温玻璃50、盖板4’围成的一个密封腔51内，盖板4’通过低温玻璃50与下电极层10的下导电区20b、下密封区20d结合，底板2’与下电极层10通过硅-二氧化硅键合工艺结合，密封腔51内的气氛、压力可以根据MEMS芯片的功能不同而不同，例如加速度计需要一定气压的惰性气体，陀螺仪需要真空等。所述底板2’为MEMS结构提供机械支撑和机械保护，由Si材料制成；所述盖板4’为MEMS结构提供机械保护，它可以是Si材料，也可以是非Si材料，如玻璃，用作光学MEMS器件的透明窗口。
[0020]下电极层10与MEMS活动结构层30由同一个SOI圆片制得，所述下电极层10位于MEMS活动结构层30下方，两者相互平行，通过中间氧化层14相互电绝缘，中间氧化层14的厚度根据MEMS芯片所要求的下电极层10与MEMS活动结构层30之间的垂直电极间距14a而定，通常在I?3微米。所述MEMS活动结构层30和下电极层10间有导电塞用于传导电信号、有凸块17c防止吸合。下电极层10的厚度一般在5?60微米，下电极层10包括下压焊座20a、下导电区20b、下密封区20d、下电极20e、下键合区25，同时形成密封区隔离沟19a、下电极隔离沟1%，下键合区25用于与底板2’键合，其包括导电键合柱20c、下电极锚区20f，下键合区25的位置对准底板2’的底板键合柱24，下电极锚区20f用于支撑下电极20e的整个结构，导电键合柱20c中包括第二导电塞16c，用于支撑MEMS活动结构30e以及将其信号传输到下导电区20b ;下导电区20b实际上是与导电键合柱20c的图形相连接的(图中未示出);下压焊座20a中包括第一导电塞16b，下压焊座20a、下导电区20b、下密封区20d的位置对准底板2’的底板密封区23，下电极20e的位置对准下空腔21，下电极20e包括凸块塞17b，下电极20e上有凸块17c，通过下电极锚区20f固定在底板2’的底板键合柱24上。MEMS活动结构层30的厚度一般在10?100微米，MEMS活动结构层30包括MEMS活动结构30e、上压焊座30a、密封挡块30b、第一密封槽31a、第二密封槽31c、分隔槽31b、锚区30c，密封挡块30b分别位于下密封区20d与下导电区20b的上方，MEMS活动结构30e通过锚区30c、中间氧化层14、导电键合柱20c固定在底板键合柱24上，与导电键合柱20c通过第一导电塞16b电连接；上压焊座30a上设有金属压焊块33，用于后续封装时将电信号引出。
[0021]请参阅图2，图3是图2中所述MEMS活动结构层30的俯视图；图4是图2中所述下电极层10的俯视图。在图3中包括两部分密封挡块30b、MEMS活动结构30e，在图4中包括两部分下电极20e、下电极锚区20f，每个下电极20e中包括两个凸块塞17b。在图2中，MEMS活动结构30e与下电极20e固定在同一个底板键合柱24上，二者与底板2’的接触点面积很小，在水平方向相距很近，由封装引力引起的底板2’形变只有非常小的一部分传导到MEMS结构上，因而对MEMS芯片的性能影响很小。
[0022]MEMS活动结构30e的电信号通过导电塞传输到下电极层10的下导电区20b，再通过下导电区20b传输到密封腔51外，通过导电塞传输到MEMS活动结构层30的上压焊座30a，最后传输到金属压焊块33 ;下电极20e的电信号通过下导电区20b传输到密封腔51夕卜，通过导电塞传输到MEMS活动结构层30的上压焊座30a，最后传输到金属压焊块33。下面结合图5，具体描述电信号分别在下电极20e、MEMS活动结构30e、下电极20e与MEMS活动结构30e中的传导路径。下导电区20b包括由密封区隔离沟19a分割成的第一下导电区20b’、第二下导电区20b’ ’，下电极层20还包括第一导电条35a、第二导电条35b，第一导电条35a与第一下导电区20b’相连，第二导电条35b与第二下导电区20b’ ’相连。所述第一导电条35a、第二导电条35b是下电极层10的一部分，与下电极20e同时形成，其图形细而弯曲，呈弹簧状，用以传输电信号，同时大大降低封装引起的应力传导到下电极20e或MEMS活动结构30e上。上压焊座30a包括第一上压焊座30a’、第二上压焊座30a’ ’，因此其上的金属压焊块33包括第一金属压焊块33a’、第二金属压焊块33b’。MEMS可动结构30e的电信号通过销区30c、第二导电塞16c、导电键合柱20c、第二导电条35b、第二下导电区20b’ ’、第二下压焊座20a’ ’，第一导电塞16b、第二上压焊座30a’ ’传导到第二金属压焊块33b’上；下电极20e的电信号通过第一导电条35a、第一下导电区20b’，第一下压焊座20a’，第一导电塞16b、第一上压焊座30a’传导到第一金属压焊块33a’上。
[0023]本实用新型提供的MEMS芯片尺寸小、性能好、成本低，MEMS活动结构30e和下电极20e的电信号都通过下电极层10的柔软的第一导电条35a及第二导电条35b传输到下导电区20b，再由下导电区20b引出密封腔51，而且MEMS活动结构30e和下电极20e与底板2’接触面积很小，所以由封装引起的应力只有很小一部分传导到MEMS结构上，对MEMS芯片的性能影响很小。
[0024]以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
【主权项】
1.一种对封装应力不敏感的MEMS芯片，包括有至少一个下空腔的底板、下电极层、MEMS活动结构层、至少有一个上空腔的盖板，下电极层中的下电极和MEMS活动结构层中的MEMS活动结构被密封在从下至上依次由底板、第二氧化层、下导电区和下密封区、低温玻璃、盖板围成的一个密封腔内，盖板通过低温玻璃与下电极层的下导电区、下密封区结合，其特征在于，底板与下电极层通过硅-二氧化硅键合工艺结合，下电极层与MEMS活动结构层相互平行，下电极层包括至少两个下压焊座、至少两个下导电区、下密封区、下电极、下键合区、密封区隔离沟、下电极隔离沟、至少两个导电条，下键合区包括导电键合柱、下电极锚区，导电键合柱中包括第二导电塞，下压焊座中包括第一导电塞，下电极包括凸块塞，下电极上有凸块，通过下电极锚区固定在底板的底板键合柱上；MEMS活动结构层包括MEMS活动结构、至少两个上压焊座、密封挡块、第一密封槽、第二密封槽、分隔槽、锚区，密封挡块分别位于下密封区与下导电区的上方，MEMS活动结构通过锚区、中间氧化层、导电键合柱固定在底板键合柱上，与导电键合柱通过第一导电塞电连接；每个上压焊座上均设有金属压焊块。
2.根据权利要求1所述的对封装应力不敏感的MEMS芯片，其特征在于，MEMS活动结构与下电极固定在同一个底板键合柱上。
3.根据权利要求1所述的对封装应力不敏感的MEMS芯片，其特征在于，下导电区包括由密封区隔离沟分割成的第一下导电区、第二下导电区。
4.根据权利要求1所述的对封装应力不敏感的MEMS芯片，其特征在于，下电极层还包括第一导电条、第二导电条，第一导电条与第一下导电区相连，第二导电条与第二下导电区相连。
5.根据权利要求4所述的对封装应力不敏感的MEMS芯片，其特征在于，第一导电条与第二导电条呈弹簧状。
6.根据权利要求1所述的对封装应力不敏感的MEMS芯片，其特征在于，上压焊座包括第一上压焊座、第二上压焊座。
7.根据权利要求6所述的对封装应力不敏感的MEMS芯片，其特征在于，金属压焊块包括第一金属压焊块、第二金属压焊块。
8.根据权利要求1所述的对封装应力不敏感的MEMS芯片，其特征在于，下压焊座包括第一下压焊座、第二下压焊座。
9.根据权利要求1至8任一项所述的对封装应力不敏感的MEMS芯片，其特征在于，下电极的电信号传导路径是第一导电条、第一下导电区、第一下压焊座、第一导电塞、第一上压焊座、第一金属压焊块。
10.根据权利要求1至8任一项所述的对封装应力不敏感的MEMS芯片，其特征在于，MEMS活动结构的电信号传导路径是锚区、第二导电塞、导电键合柱、第二导电条、第二下导电区、第二下压焊座、第一导电塞、第二上压焊座、第二金属压焊块。
【专利摘要】本实用新型公开了一种对封装应力不敏感的MEMS芯片，包括底板、下电极层、MEMS活动结构层和盖板，底板上至少有一个下空腔，盖板上至少有一个上空腔，上空腔、下电极层、低温玻璃和盖板形成至少一个密封腔，MEMS活动结构和下电极被包围在密封腔内，密封腔外的压焊座上制作有压焊块，下电极层与MEMS活动结构层相互平行，通过中间氧化层相互电绝缘。本实用新型提供的MEMS芯片中MEMS活动结构和下电极的电信号都通过下电极层柔软的导电条传输到下导电区，再由下导电区引出密封腔，而且MEMS活动结构和下电极与底板接触面积很小，所以由封装引起的应力只有很小一部分传导到MEMS结构上，对MEMS芯片的性能影响很小。
【IPC分类】B81B7-02
【公开号】CN204569410
【申请号】CN9722
【发明人】华亚平
【申请人】安徽北方芯动联科微系统技术有限公司
【公开日】8月19日
【申请日】3月16日
