[发明专利]吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构

说明书

本发明公开了一种吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，MEMS芯片由管壳基座和管壳盖板密封在其中，包含一U形板架，U形板架的开口朝向侧面，使U形板架下方粘接在管壳基座内部的底面上，MEMS芯片顶部粘接悬挂在U形板架的开口空间内。本发明提供的吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，其芯片级封装采用了衬底背面环形沟槽应力释放设计，其管壳级封装采用了基于U形板架吊装MEMS芯片的应力释放设计，独特的两级应力释放设计实现了对敏感结构很好的应力隔离。该封装结构不显著增加MEMS器件的封装难度，易于实现。

技术领域

本发明属于MEMS传感器封装技术领域，尤其涉及一种吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构。

背景技术

MEMS（微机电系统）传感器目前已被广泛应用于消费类电子、汽车电子、物联网、国防工业以及众多工业类产品，随着技术的发展，对MEMS传感器的性能也提出了越来越高的要求。而外界应力和温度对MEMS传感器性能的影响尤为显著。外界应力和温度变化时，势必引起相应的应变，上述应变传递至敏感结构将导致传感器输出信号的变化，尤其是基于电容式、压阻式和谐振式检测原理的MEMS传感器。

MEMS传感器对外界应力和温度的敏感程度主要取决于MEMS敏感结构的封装。封装热应力主要源自MEMS器件的芯片级封装和MEMS芯片的管壳级封装。芯片级封装中，盖帽与衬底通过特定材料（如微晶玻璃浆料、金锡合金）烧结、或采用金硅共晶键合完成封盖；管壳级封装中，MEMS芯片衬底经粘片胶贴装至管壳基板。无论是芯片级封装还是管壳封装，不可避免地存在不同材料热胀系数不匹配的问题，温度变化时将产生热应力。热应力与外界应力传递至敏感结构，从而产生假信号，影响MEMS器件的性能，尤其是温度特性。因此，高性能MEMS传感器还需要对上述应力在封装上进行应力抑制或应力释放设计，目前采用较多的方案有以下几种：（1）选用低应力粘片胶，比如硅酮基粘片胶（硅胶）、聚丙烯基粘片胶，缺点是粘接强度稍弱，不适合有剪切应力的应用场合；（2）采用与硅材料热胀系数相近的基板，比如氮化铝陶瓷（AlN）、可伐（Koyar）合金，事实上无法利用与硅热胀系数一样的材料来制作管壳；（3）减小MEMS芯片与封装管壳的接触面积，但过小的接触面积会影响器件的抗冲击能力。上述方法本质上属于应力抑制设计，要最大化地降低外界应力和温度对MEMS器件的影响，还需要对封装进行应力释放设计。

发明内容

发明目的：提供一种吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，通过有效释放芯片级封装产生的热应力、源自管壳封装的应力以及外界应力，解决因应力变形和温度变化导致的MEMS传感器性能恶化问题。

技术方案：

一种吊装式可释放应力的MEMS器件封装结构，MEMS芯片由管壳基座和管壳盖板密封在其中，其特征是，包含一U形板架，U形板架的开口朝向侧面，使U形板架下方粘接在管壳基座内部的底面上， MEMS芯片顶部粘接悬挂在U形板架的开口空间内。

所述MEMS芯片自下而上依次为衬底、敏感结构和盖帽，衬底的底面设置有环形沟槽，环形沟槽的内、外围分别为应力隔离岛和衬底应力区，盖帽与衬底在衬底应力区接合形成一容纳敏感结构的密闭腔体，且敏感结构位于应力隔离岛上。

所述环形沟槽的截面为矩形。

MEMS芯片通过第一粘片胶吊装在U形板架内侧。U形板架经第二粘片胶贴装至管壳基座。

所述U形板架为底板、腹板和悬臂板连接形成的U形，或为一体的U形结构。底板、悬臂板的截面为水平横条矩形状，腹板的截面为垂直竖条矩形状。

所述第一粘片胶位于MEMS芯片盖帽与U形板架的悬臂板之间，所述第二粘片胶位于U形板架的底板与管壳基座之间。

进一步地，MEMS芯片的衬底下方与U形板架之间存有间隙，间隙高度100μm～150μm；MEMS芯片的侧面与U形板架之间存有100μm左右的间隙。