CN105182004A - 基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计 - Google Patents
基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105182004A CN105182004A CN201510558119.5A CN201510558119A CN105182004A CN 105182004 A CN105182004 A CN 105182004A CN 201510558119 A CN201510558119 A CN 201510558119A CN 105182004 A CN105182004 A CN 105182004A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- silicon
- bonding
- mechanical accelerometer
- micro
- accelerometer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 title abstract description 13
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 30
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 30
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000007767 bonding agent Substances 0.000 claims abstract 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 4
- 229910008045 Si-Si Inorganic materials 0.000 claims 9
- 229910006411 Si—Si Inorganic materials 0.000 claims 9
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 claims 8
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 abstract description 31
- 230000035882 stress Effects 0.000 abstract description 24
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 abstract description 20
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 6
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- -1 Kovar alloy (KOVAR) Chemical compound 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000005459 micromachining Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- SBEQWOXEGHQIMW-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si].[Si] SBEQWOXEGHQIMW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N Acetaminophen Chemical compound CC(=O)NC1=CC=C(O)C=C1 RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 229910000743 fusible alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 229910000833 kovar Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000005022 packaging material Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000005297 pyrex Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 239000000741 silica gel Substances 0.000 description 1
- 229910002027 silica gel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
Landscapes
- Pressure Sensors (AREA)
- Micromachines (AREA)
Abstract
<b>本发明公开了一种基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计，包括芯片层、硅衬底隔离层和管壳，所述硅衬底隔离层和管壳之间通过粘接剂连接，其特征在于，所述芯片层包括设置在加速度计敏感结构的中心的中心支点，所述硅衬底隔离层表面刻蚀出一用于与芯片层硅硅键合的凸块，所述凸块与中心支点中部对齐。这种结构将热应力降至最小，有效地改善了微机械加速度计的全温漂移性能，对于高精度、高温</b><b>MEMS</b><b>传感器而言，效果显著，因此具有广泛的应用场合。</b>
Description
技术领域
本发明涉及一种电容式微机械单支点摆式传感器，具体涉及一种基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计。
背景技术
作为MEMS技术的一个重要应用领域，硅微机械加速度计以其低成本、小体积、低功耗、抗冲击、可靠性高等优点，已广泛应用于惯性测量的各个领域。而电容式硅微机械加速度计又以其制作工艺简单、重复性好、温度系数低等优良特性而受到广泛关注，成为目前研制最多、应用最广的惯性器件之一。
硅微机械电容式加速度计的制作方法有表面微机械加工法和体硅微机械加工法两大类。前者与集成电路工艺兼容，可实现较高的集成度和较低的成本，但也因较薄的器件层厚度而存在稳定性差、噪声大等缺点。采用体硅加工工艺的微加速度计以力学性能优异的单晶硅作为敏感单元，质量块较厚，具有灵敏度高、噪声小、性能稳定等优点，因而高性能硅微加速度计通常采用体硅工艺制作。
体硅工艺主要分为硅-玻璃键合工艺和硅-硅键合工艺两种。显而易见，对于高性能的传感器，比如性能指标要求达到战术级和导航级的加速度计，硅-硅键合工艺由于更佳的材料之间热膨胀系数的匹配，从而更适合用于高性能传感器的制作。到目前为止，大多数硅-硅键合采用的是共熔键合，共熔材料可以是微晶玻璃浆料或可熔性合金材料，有时还需一层二氧化硅绝缘层作为隔离层。然而这些键合共熔材料和隔离材料多少会带来一些不匹配热应力问题，从而影响器件性能。
众所周知，MEMS传感器芯片的封装应力对传感器的性能有着显著影响，封装应力源于封装材料与硅芯片的热膨胀系数的不匹配。MEMS传感器硅芯片通常是采用各种不同的粘接材料粘贴于衬底或管壳之上，然后经过一定的温度烧结使之固化，该过程中因材料的热不匹配而引入热应力是不可避免的，而这种热应力在传感器敏感区域产生的任何形变都会影响电容式传感器的精度和全温漂移性能。对于高性能MEMS传感器而言，降低这种由于封装应力而影响传感器性能指标的要求是严格的，这使得封装应力的隔离设计显得尤为重要。必须采取措施来减小敏感元件区的热应力。
目前减小热应力的方法大致有以下几类：
（1）选用低热失配的衬底材料，即选取与硅的热膨胀系数接近的材料，如柯伐合金（KOVAR）、氮化铝陶瓷等，但采用这种方法的成本较高。
（2）选用低应力的柔性粘接材料如软性硅胶等；使用柔性粘接剂有粘接强度弱的缺点，而且柔性粘接剂不适合有剪切应力的应用场合。
（3）增加芯片的厚度，使得芯片的敏感层远离衬底粘接面。通常该种方法会在敏感层和粘接面间加一层支撑层，采用高深宽比的支撑层可有效的降低封装应力对传感器的影响，缺点在于，当支撑层不是硅材料时，如使用Pyrex，由于阳极键合温度较高，会不可避免的引入残余热应力。
（4）基于梁结构释放应力。如图1所示将芯片置于由几根梁形成的悬置平台。除了应力释放，还能改善抗振动性能，但这种隔离结构增大了传感器的尺寸，增加了工艺的复杂性。
（5）把芯片的敏感层设计成悬臂梁结构或者在粘片时仅把芯片的一端固定起来，如图2所示。不足之处在于热应力从悬臂梁的固定端到悬空端从大到小成梯度分布，不太适合于单支点摆式结构的应力隔离。
发明内容
针对上述技术问题，本发明目的是：提供一种能有效减少热应力、性能较好的基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计。
本发明的技术方案是：一种基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计，包括芯片层、硅衬底隔离层和管壳，所述硅衬底隔离层和管壳之间通过粘接剂连接，其特征在于，所述芯片层包括设置在加速度计敏感结构的中心的中心支点，所述硅衬底隔离层表面刻蚀出一用于与芯片层硅硅键合的凸块，所述凸块与中心支点中部对齐。
优选的，所述凸块周围刻蚀有深槽。
优选的，所述凸块为方形或者圆形。
优选的，所述凸块的键合面积占芯片面积的5%-10%，典型值为10%。
优选的，所述深槽的刻蚀深度为50-100um。
优选的，所述凸块高于其它非键合区为1-5um。
优选的，所述硅衬底隔离层表面的非键合区还均匀刻蚀有高度低于凸块的凸点。
优选的，所述凸点的高度比键合区凸块低1-3um。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、该种结构的微机械摆式加速度计硅硅键合的键合区域放置于芯片的中间，即与摆式加速度计的中心转动轴对齐，通过减小芯片的键合面积和深沟槽刻蚀来对因材料热膨胀系数不匹配而产生的热应力进行释放与隔离，从而使传递至结构敏感区域的热应力达到一个很小的量级，此种结构可避免过多的考虑材料的选取（如与硅热膨胀系数相近的封装衬底和低应力的粘结剂）。
2、对中心单支点摆式加速度计而言，该种中心凸块对齐连接隔离结构具有较好的应力分布对称性。可以有效地减小热应力对传感器差分输出特性的影响。
3、该种结构不仅大大地减小了热应力，其纵向隔离的方式有效地减小了器件的尺寸，成本低，工艺也不复杂；且全温漂移性能提高5-10倍左右，对于高温高精度MEMS传感器而言，效果更加突出，因此具备广泛的应用场合。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1是现有基于梁结构隔离封装应力的MEMS传感器芯片的结构示意图；
图2是现有基于横向悬梁结构（芯片一端固定）进行应力释放的MEMS传感器芯片的结构示意图；
图3是本发明基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计的剖视图；
图4是本发明基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计的基座层的俯视图；
图5是本发明在键合面积占芯片面积10%的情况下，隔离结构所具有的一阶模态特性图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例：
如图3所述，一种基于硅硅键合的减小封装应力的微机械摆式加速度计，该结构由芯片层10、硅衬底隔离层21和LTCC管壳22，硅衬底隔离层21和LTCC管壳22之间通过粘接剂23连接，在硅衬底隔离层21表面刻蚀出一用于与芯片层10硅硅键合的长条形凸块211也即键合区域，硅衬底隔离层21表面的其他区域为非键合区域。凸块211还可以为其他形状，例如椭圆形等等。
在凸块211周围刻蚀出深槽212，该凸块211的大小由热应力隔离效果，该结构的模态频率和抗冲击能力等因素决定，该凸块211对齐于加速度计敏感结构的中心支点11，在非键合区域刻蚀出微小的凸点213阵列，如图4所示，凸点213阵列可以防止芯片层10和硅衬底隔离层21粘连、在一些场合对该结构进行限位保护。
由于管壳与硅衬底隔离层的热膨胀系数不一样，会在连接界面上产生热应力，这个热应力会使得芯片层产生形变，造成传感器的温度特性变坏，在芯片下面增加了该种隔离层以后，这个热应力对芯片的影响减到最小程度。所以这种隔离结构能够有效地提高传感器的温度特性。
下面以微机械摆式加速度计为例对该应力隔离结构进行分析。
1、键合位置的选取
基于该微机械摆式加速度计的中心单支点结构特征，将用于键合的条状凸块置于与中心支点对齐的位置，对摆式加速度计而言，以此获得最佳的结构对称性；同时芯片层的两边均为自由端以较好的释放应力。
2、键合面积对应力隔离的影响
经实验证明，当凸块周围的深槽深度一致时，随着键合面积的减小，传感器敏感单元处的热应力明显减小。凸块的键合面积占芯片面积的5%-10%，典型值为10%。
3、深槽刻蚀深度对应力隔离的影响
深槽刻蚀得越深，热应力的隔离效果越好。当深度大于某一值时，隔离效果的差别将不再明显，考虑到抗冲击、抗振动等因素，高度以取在50-100um之间为宜。
4、非键合区域之间的间隙
为使芯片适应高过载环境，非键合区的上芯片层与下基座层之间的间隙设计得比较小，一般为1-5um，这样在高过载环境下，上芯片与下基座紧贴在一起，以此避免在凸块结构上产生具有破环性的应力，因此该间隙越小越好。
在非键合区域之间的间隙较小的情况下，为防止上芯片层与下基座层发生粘连，在非键合区域再刻蚀出一些微小凸点，这些凸点比键合区凸块低1-3um，这样在高过载环境或引线键合等场合下，即使上芯片与下基座紧贴在一起，二者也不会发生粘连。
以凸块键合面积占10%的芯片面积、深槽深度80um为例，该隔离结构的一阶模态特性如图5所示，一阶模态频率56KHz，满足器件对封装的结构设计和抗振动要求。
因此，这种小面积硅硅键合的方法可将热应力降至最小，从而将加速度计的全温漂移特性提高5-10倍左右。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (8)
1.一种基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计，包括芯片层、硅衬底隔离层和管壳，所述硅衬底隔离层和管壳之间通过粘接剂连接，其特征在于，所述芯片层包括设置在加速度计敏感结构的中心的中心支点，所述硅衬底隔离层表面刻蚀出一用于与芯片层硅硅键合的凸块，所述凸块与中心支点中部对齐。
2.根据权利要求1所述的基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计，其特征在于，所述凸块周围刻蚀有深槽。
3.根据权利要求1所述的基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计，其特征在于，所述凸块为方形或者圆形。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计，其特征在于，所述凸块的键合面积占芯片面积的5%-10%,典型值为10%。
5.根据权利要求2所述的基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计，其特征在于，所述深槽的刻蚀深度为50-100um。
6.根据权利要求1所述的基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计，其特征在于，所述凸块高于其它非键合区为1-5um。
7.根据权利要求1所述的基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计，其特征在于，所述硅衬底隔离层表面的非键合区还均匀刻蚀有高度低于凸块的凸点。
8.根据权利要求1所述的基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计，其特征在于，所述凸点的高度比键合区凸块低1-3um。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510558119.5A CN105182004A (zh) | 2015-09-06 | 2015-09-06 | 基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510558119.5A CN105182004A (zh) | 2015-09-06 | 2015-09-06 | 基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105182004A true CN105182004A (zh) | 2015-12-23 |
Family
ID=54904221
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510558119.5A Pending CN105182004A (zh) | 2015-09-06 | 2015-09-06 | 基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105182004A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107673304A (zh) * | 2017-08-12 | 2018-02-09 | 北方电子研究院安徽有限公司 | 一种减小灌封应力的加速度传感器结构及其制备方法 |
| CN108751119A (zh) * | 2018-08-23 | 2018-11-06 | 安徽北方芯动联科微系统技术有限公司 | 一种具有应力缓冲结构的mems芯片及其制造方法 |
| CN109470229A (zh) * | 2018-10-25 | 2019-03-15 | 北京航天控制仪器研究所 | 一种硅微惯性传感器抗冲击面外止挡结构 |
| CN113387319A (zh) * | 2021-06-11 | 2021-09-14 | 中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心 | 基于多通孔硅基板的mems芯片封装结构及其制备方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102482072A (zh) * | 2009-08-26 | 2012-05-30 | 飞思卡尔半导体公司 | 具有应力隔离的mems器件及其制造方法 |
| CN102597699A (zh) * | 2009-08-04 | 2012-07-18 | 飞兆半导体公司 | 微机械惯性传感器器件 |
| US20130341735A1 (en) * | 2012-06-26 | 2013-12-26 | Honeywell International Inc. | Anodically bonded strain isolator |
| CN104132768A (zh) * | 2014-07-01 | 2014-11-05 | 苏州大学 | 一种基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器 |
| CN104535055A (zh) * | 2014-12-25 | 2015-04-22 | 苏州文智芯微系统技术有限公司 | 一种基于硅硅键合的减少封装应力的微机械陀螺仪 |
-
2015
- 2015-09-06 CN CN201510558119.5A patent/CN105182004A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102597699A (zh) * | 2009-08-04 | 2012-07-18 | 飞兆半导体公司 | 微机械惯性传感器器件 |
| CN102482072A (zh) * | 2009-08-26 | 2012-05-30 | 飞思卡尔半导体公司 | 具有应力隔离的mems器件及其制造方法 |
| US20130341735A1 (en) * | 2012-06-26 | 2013-12-26 | Honeywell International Inc. | Anodically bonded strain isolator |
| CN104132768A (zh) * | 2014-07-01 | 2014-11-05 | 苏州大学 | 一种基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器 |
| CN104535055A (zh) * | 2014-12-25 | 2015-04-22 | 苏州文智芯微系统技术有限公司 | 一种基于硅硅键合的减少封装应力的微机械陀螺仪 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 周铭 等: "硅微电容式加速度计热致封装效应的层合分析", 《传感技术学报》 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107673304A (zh) * | 2017-08-12 | 2018-02-09 | 北方电子研究院安徽有限公司 | 一种减小灌封应力的加速度传感器结构及其制备方法 |
| CN108751119A (zh) * | 2018-08-23 | 2018-11-06 | 安徽北方芯动联科微系统技术有限公司 | 一种具有应力缓冲结构的mems芯片及其制造方法 |
| CN108751119B (zh) * | 2018-08-23 | 2024-01-26 | 安徽芯动联科微系统股份有限公司 | 一种具有应力缓冲结构的mems芯片及其制造方法 |
| CN109470229A (zh) * | 2018-10-25 | 2019-03-15 | 北京航天控制仪器研究所 | 一种硅微惯性传感器抗冲击面外止挡结构 |
| CN113387319A (zh) * | 2021-06-11 | 2021-09-14 | 中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心 | 基于多通孔硅基板的mems芯片封装结构及其制备方法 |
| CN113387319B (zh) * | 2021-06-11 | 2023-07-14 | 中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心 | 基于多通孔硅基板的mems芯片封装结构及其制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3364165B1 (en) | Piezoresistive sensor with spring flexures for stress isolation | |
| CN101858929B (zh) | 对称组合弹性梁结构电容式微加速度传感器及制作方法 | |
| CN105021846B (zh) | 一种六轴一体式微加速度传感器及其制作方法 | |
| CN108507709A (zh) | 一种谐振式压力传感器的制备方法 | |
| CN209024198U (zh) | 一种应用于mems力敏感器件的二级应力隔离结构 | |
| CN103674355B (zh) | 一种消除封装应力的悬浮式力敏传感器芯片及其制作方法 | |
| CN107416760A (zh) | 倒置装配可应力释放的mems芯片封装结构制作方法 | |
| CN105137121A (zh) | 一种低应力加速度计的制备方法 | |
| US9352955B2 (en) | MEMS pressure sensor with improved insensitivity to thermo-mechanical stress | |
| CN105182005B (zh) | 一种加速度计 | |
| CN102374909A (zh) | 基于微机械的电磁激励谐振式压力传感器 | |
| CN207265035U (zh) | 一种中心支撑准悬浮式mems芯片封装结构 | |
| CN105182004A (zh) | 基于硅硅键合的减小封装应力的微机械加速度计 | |
| CN107512698A (zh) | 一种中心支撑准悬浮式mems芯片封装结构的制作方法 | |
| CN106908626A (zh) | 一种电容式微加速度计敏感结构 | |
| Kinnell et al. | Advances in silicon resonant pressure transducers | |
| CN107512700A (zh) | 一种中心支撑式mems芯片封装结构的制作方法 | |
| CN108358160B (zh) | 吊装式可释放应力的mems器件封装结构 | |
| CN105716750A (zh) | 一种mems压阻式压力传感器及其制备方法 | |
| CN205709848U (zh) | Mems传感器结构 | |
| Chuai et al. | Method for sensitivity improvement of MEMS pressure sensor: Structural design and optimization of concave resonant pressure sensor | |
| CN107445137A (zh) | 一种倒置装配的mems芯片封装结构制作方法 | |
| CN107055461A (zh) | 一种soi基微惯性传感器封装应力隔离方法 | |
| EP2617677B1 (en) | Structure for isolating a microstructure die from packaging stress | |
| CN202093043U (zh) | Saw-mems加速度传感器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20151223 |