專(zhuān)利名稱(chēng)：微機(jī)電系統(tǒng)三維垂直組合封裝的結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)電系統(tǒng)三維垂直組合封裝的結(jié)構(gòu)及其制作方法，更
確切地說(shuō)本發(fā)明是一種采用支架組合方式實(shí)現(xiàn)的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件三維 垂直組合封裝的結(jié)構(gòu)及制作方法，屬于MEMS器件封裝領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
MEMS(microelectromechanical system)是指采用微細(xì)加工技術(shù)制作的， 集微型傳感器、微型構(gòu)件、微型執(zhí)行器、信號(hào)處理、控制電路等于一體的系 統(tǒng)。MEMS器件在許多領(lǐng)域都有十分廣闊的應(yīng)用前景。各種運(yùn)載工具和飛航系 統(tǒng)在飛行過(guò)程中，需要對(duì)飛行的姿態(tài)、運(yùn)行的軌跡和振動(dòng)狀態(tài)等加以監(jiān)測(cè)。 其中，對(duì)各個(gè)緯度的加速度進(jìn)行測(cè)量和控制是必需的。目前，對(duì)于一體化的 三軸加速度傳感器的研究的歷史并不長(zhǎng)，主要以壓電式、電容式為主，設(shè)計(jì) 制造都比較復(fù)雜，技術(shù)上并不成熟。低維加速度的設(shè)計(jì)和制造都相對(duì)容易， 經(jīng)過(guò)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共同努力，低維加速度的研究和應(yīng)用已經(jīng)比較成熟， 國(guó)內(nèi)對(duì)加速度傳感器的研究主要集中在單軸加速度上。對(duì)低維加速度傳感器 進(jìn)行三維垂直組合封裝，可制作用于測(cè)量三個(gè)緯度的加速度的傳感器系統(tǒng)。
對(duì)低維加速度傳感器進(jìn)行三維垂直組合封裝是通過(guò)組合方式，將低維加 速度芯片置于相互垂直的面上，不同的低維加速度測(cè)量不同緯度上的加速度。 其關(guān)鍵有兩個(gè)方面機(jī)械結(jié)構(gòu)的制作和電互連的完成。機(jī)械結(jié)構(gòu)的制作主要 有兩個(gè)方面的要求強(qiáng)度要求和角度要求。因?yàn)榧铀俣仁怯糜陲w行、震動(dòng)， 甚至冷熱變化劇烈的環(huán)境，所以機(jī)械結(jié)構(gòu)需要有較高的強(qiáng)度和耐冷熱沖擊的 能力。只有將單軸加速度傳感器置于相互垂直的面上，才能完成三個(gè)緯度的 加速度的測(cè)量，機(jī)械結(jié)構(gòu)正是傳感器芯片支撐體，因此需要機(jī)械結(jié)構(gòu)本身具 有較高的垂直度。傳感器系統(tǒng)一般包括敏感芯片和調(diào)制解調(diào)電路，組裝好的 機(jī)械結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行電互連(包括單個(gè)芯片與基板的電互連和芯片與芯片之間的電互連)。
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件三維垂直組合封裝的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)須保證三軸方
向的嚴(yán)格垂直，這將會(huì)涉及芯片與基板的互連材料和互連方式，以及互連的 可靠性。在整個(gè)系統(tǒng)對(duì)體積和質(zhì)量有限制的情況下，將盡量考慮采用輕質(zhì)材 料和較為緊湊的組合方式。同時(shí)，由于垂直度的測(cè)量可能會(huì)與組裝同時(shí)進(jìn)行， 操作時(shí)間不允許太長(zhǎng)，因此須保證組裝過(guò)程要具有易操作性。目前采用較多 的組合方式有開(kāi)槽組合方式和支架組合方式。傳統(tǒng)開(kāi)槽組合方式對(duì)槽的加工 精度要求較高，雖然開(kāi)槽組合方式在預(yù)組裝時(shí)更方便，但在組裝時(shí)監(jiān)測(cè)相對(duì)
困難，組裝精度差，成品率和可靠性低；相對(duì)而言，支架組合方式實(shí)現(xiàn)相對(duì)
較容易，組裝精度和可靠性高。

發(fā)明內(nèi)容
為降低封裝成本，同時(shí)簡(jiǎn)化工藝，本發(fā)明提供一種MEMS三維垂直組合封 裝的結(jié)構(gòu)及其制作方法，同時(shí)為三維加速度的測(cè)量提供另一種選擇。本發(fā)明 提出了一種支架組合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)用激光校準(zhǔn)加三棱鏡輔助定位的方法和紫 外光固化來(lái)制作直角支架，用引線(xiàn)鍵合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電互連，集芯片封裝與 組裝與一條，避免了三軸加速度設(shè)計(jì)和制作的困難，降低了封裝成本，為三 維加速度的測(cè)量提供另一種途徑。
本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是首先制作用于構(gòu)成支架和對(duì)芯片其支撐互 連作用的基板；然后在基板上貼裝芯片，如有必要，還需要貼裝用于光學(xué)校 準(zhǔn)的反射鏡面，并通過(guò)引線(xiàn)鍵合實(shí)現(xiàn)芯片到基板的電連接；隨后使用激光校 準(zhǔn)加三棱鏡輔助定位的方法將用于測(cè)量X-Y方向的加速度的模塊所在的平 面與用于測(cè)量Z方向的加速度的模塊所在的平面垂直；在兩個(gè)模塊的接觸面 用紫外光固化膠固定；最后引線(xiàn)鍵合實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模塊之間的電互連，并采用植 秋方式，以使三維垂直組合封裝結(jié)構(gòu)與外界互連。
具體制作方法為
A.在基板上貼裝芯片，如有必要，還需要貼裝用于光學(xué)校準(zhǔn)的反射鏡面 (a)首先在基板上用膠貼裝MEMS加速度傳感器芯片并固化(固化條件 150C，120s)。如果芯片表面沒(méi)有用于反射的鏡面，或者作為反射面的芯片表面達(dá)不到鏡面要求時(shí)，可在基板表面冗余處(無(wú)布線(xiàn)、焊盤(pán)和器件的基板表 面)貼裝輔助反射鏡面；
B. 使用激光校準(zhǔn)加三棱鏡輔助定位的方法進(jìn)行定位
(a) 將水平模塊和豎直模塊分別加載到水平調(diào)節(jié)架和豎直調(diào)節(jié)架上；
(b) 調(diào)節(jié)水平調(diào)節(jié)架，使水平模塊與準(zhǔn)直儀光路垂直；
(c) 用45°三棱鏡輔助定位，使豎直模塊與準(zhǔn)直儀光路平行；
(d) 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)架，使豎直模塊的底面與水平模塊的頂面接觸。
C. 紫外光固化膠固定
(a) 在豎直模塊與水平模塊的接觸面涂覆紫外光固化膠；
(b) 曝光固化。
D. 模塊間互連的完成
(a) 對(duì)豎直模塊與水平模塊進(jìn)行引線(xiàn)鍵合，實(shí)現(xiàn)芯片到基板和兩個(gè)模塊 間的互連；
(b) 加金屬帽保護(hù)。
(c) 在水平模塊的底面進(jìn)行植秋，然后回流。
由上述方法所制作的微機(jī)電系統(tǒng)三維垂直組合封裝的結(jié)構(gòu)特征是.-(1 )整個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)三維垂直組合封裝的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)20X 14X 2. 6mm3 用于測(cè)試X-Y方向加速度的水平模塊和16X14X2. 6mm3用于測(cè)試Z方向加速 度的豎直模塊；
(2) 芯片到基板表面的鍵合的功率條件為第一鍵合點(diǎn)307w，第二 鍵合點(diǎn)278W;
(3) 在水平模塊的背面形成了nXm的焊點(diǎn)陣列。焊點(diǎn)陣列根據(jù)互連引 出端子數(shù)和對(duì)整個(gè)三維垂直組合封裝的結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐而決定是采用周邊分 布，還是采用面陣列分布；
(4) 豎直模塊的底面與水平模塊的上表面接觸，水平模塊與豎直模塊之 間的電互連通過(guò)分布于兩模塊的接觸面附近的焊盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)；
(5) 豎直模塊與水平模塊由紫外光固化膠連接(耐125C高溫)，曝光時(shí) 間5分鐘；
(6) 焊球材料為Pb/Sn，回流峰值溫度為215C。(7)豎直模塊與水平模塊之間的角度與90。相差在10'以?xún)?nèi)。 上述結(jié)構(gòu)描述中的n和m均為大于等于2的正整數(shù)，其中n和m表示焊
點(diǎn)陣列的行數(shù)和列數(shù)。
本發(fā)明的實(shí)際效果是用單軸加速度傳感器組合成三軸加速度傳感器，集
芯片封裝與組裝為一體，避免了三軸加速度設(shè)計(jì)和制作的困難，降低了封裝
成本，為三維加速度的測(cè)量提供另一種途徑。整個(gè)工藝過(guò)程與傳統(tǒng)ic封裝工
藝兼容，工藝簡(jiǎn)單。


圖1為貼裝加速度傳感器裸芯片后的俯視圖。 圖2為水平模塊的背面圖。
圖3為貼裝加速度傳感器裸芯片后的豎直模塊的正面圖。
圖4為水平模塊準(zhǔn)直的示意圖。
圖5為豎直模塊準(zhǔn)直的示意圖。
圖6為水平模塊和豎直模塊支架組合后的側(cè)視圖。
圖7為引線(xiàn)鍵合后的組合模塊圖。
圖8為加金屬帽保護(hù)后的組合模塊圖。
圖9為植秋回流形成凸點(diǎn)后的組合模塊圖。
具體實(shí)施例方式
為了能使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果得到充分體現(xiàn)，下面結(jié)合附圖和實(shí)施 例對(duì)本發(fā)明實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)歩作進(jìn)一步說(shuō)明。
在圖1中，在基板101上，貼裝MEMS加速度傳感器103，為進(jìn)行電信號(hào) 的傳輸，MEMS器件在基板101上有6個(gè)金屬焊盤(pán)102和三個(gè)用于豎直模塊信 號(hào)傳輸?shù)暮副P(pán)104。
在圖2中，在基板的背面201上，有nXm個(gè)焊盤(pán)202。 (n和m是可變的， 視加速度芯片對(duì)外的接口數(shù)而定，如果需要連出的信號(hào)多，則nXm大，反之 亦然)
在圖3中，在基板301上，貼裝MEMS傳感器303，為進(jìn)行電信號(hào)的傳輸，
7MEMS器件在基板301上有6個(gè)金屬焊盤(pán)302和三個(gè)用于信號(hào)再分布的焊盤(pán) 304。
在圖4中，光源發(fā)出的光束，通過(guò)MEMS器件103反射到分光鏡，再反射 到目鏡，與目鏡中的十字分劃板重合。
在圖5中，光源發(fā)出的光束，通過(guò)45°棱鏡、MEMS器件303和分光鏡反 射回到目鏡，與目鏡中的十字分劃板重合。
在圖6中，把豎直模塊301移動(dòng)到與水平模塊101接觸，涂膠，固化。
在圖7中，把MEMS器件103和303上的焊盤(pán)引線(xiàn)鍵合到基板焊盤(pán)102 和302上，同時(shí)，為了把豎直MEMS器件303上的信號(hào)傳輸?shù)较乱患?jí)電路，將 焊盤(pán)304和焊盤(pán)104進(jìn)行引線(xiàn)鍵合。
在圖8中，用金屬帽將兩個(gè)MEMS芯片103和303及其引線(xiàn)加金屬帽801、 802保護(hù)起來(lái)，同時(shí)用金屬帽803保護(hù)104和304之間的引線(xiàn)。三個(gè)金屬帽 用黑膠在100°C/30min固化。
在圖9中，在202焊盤(pán)上涂覆助焊劑，然后植秋回流形成凸點(diǎn)901。
權(quán)利要求
1、微機(jī)電系統(tǒng)三維垂直組合封裝的結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于首先制作用于構(gòu)成支架和對(duì)芯片起支撐互連作用的基板；然后在基板上貼裝芯片，并通過(guò)引線(xiàn)鍵合實(shí)現(xiàn)芯片到基板的電連接；隨后使用激光校準(zhǔn)加三棱鏡輔助定位的方法將用于測(cè)量X-Y方向的加速度的模塊所在的平面與用于測(cè)量Z方向的加速度的模塊所在的平面垂直；在兩個(gè)模塊的接觸面用紫外光固化膠固定；最后引線(xiàn)鍵合實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模塊之間的電互連，最后采用植球方式，以使三維垂直組合封裝結(jié)構(gòu)與外界互連。
2、 按權(quán)利要求1所述的微機(jī)電系統(tǒng)三維垂直組合封裝的結(jié)構(gòu)的制作方 法，其特征在于具體工藝步驟為A. 在基板上貼裝芯片首先在基板上用膠貼裝MEMS加速度傳感器芯片并固化；B. 使用激光校準(zhǔn)加三棱鏡輔助定位的方法進(jìn)行定位(a) 將水平模塊和豎直模塊分別加載到水平調(diào)節(jié)架和豎直調(diào)節(jié)架上；(b) 調(diào)節(jié)水平調(diào)節(jié)架，使水平模塊與準(zhǔn)直儀光路垂直；(c) 用45°三棱鏡輔助定位，使豎直模塊與準(zhǔn)直儀光路平行；(d) 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)架，使豎直模塊的底面與水平模塊的頂面接觸；C. 紫外光固化膠固定(a) 在豎直模塊與水平模塊的接觸面涂覆紫外光固化膠；(b) 曝光固化；D. 模塊間互連的完成(a) 對(duì)豎直模塊與水平模塊迸行引線(xiàn)鍵合，實(shí)現(xiàn)芯片到基板和兩個(gè)模塊 間的互連；(b) 加金屬帽保護(hù)。(c) 在水平模塊的底面進(jìn)行植秋，然后回流。
3、 按權(quán)利要求1或2所述的微機(jī)電系統(tǒng)三維垂直組合封裝的結(jié)構(gòu)的制作 方法，其特征在于在基板上貼裝芯片時(shí)在基板表面冗余處貼裝光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的反 射鏡面；所述的冗余處是指無(wú)布線(xiàn)、焊盤(pán)和器件的基板表面。
4、 按權(quán)利要求2所述的微機(jī)電系統(tǒng)三維垂直組合封裝的結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于步驟A固化的溫度為150°C、時(shí)間為120秒。
5、 按權(quán)利要求2所述的微機(jī)電系統(tǒng)三維垂直組合封裝的結(jié)構(gòu)的制作方 法，其特征在于在步驟C中選用的紫外光固化膠耐125'C的高溫，且曝光時(shí) 間為5min。
6、 按權(quán)利要求2所述的微機(jī)電系統(tǒng)芯片尺寸氣密封裝垂直互連結(jié)構(gòu)的制 作方法，其特征在于在步驟D中植秋使用的焊球?yàn)镻b/sn焊接，回流形成凸 點(diǎn)。
7、 按權(quán)利要求2或5所述的微機(jī)電系統(tǒng)三維垂直組合封裝的結(jié)構(gòu)的制作 方法，其特征在于所述形成凸點(diǎn)的回流峰值溫度為215°C。
8、 由權(quán)利要求1-6中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所制作的微機(jī)電系統(tǒng)三維垂直組 合封裝的結(jié)構(gòu)，其特征在于(1) 所述的微機(jī)電系統(tǒng)三維垂直組合封裝的結(jié)構(gòu)采用支架組合方式，包 括一個(gè)用于測(cè)試X-Y方向加速度的水平模塊和一個(gè)用于測(cè)試Z方向加速度的 豎直模塊；(2) 在水平模塊的背面形成了nXm的焊點(diǎn)陣列，焊點(diǎn)陣列根據(jù)互連引 出端子數(shù)和對(duì)整個(gè)三維垂直組合封裝的結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐而決定采用周邊分布或 采用面陣列分布；所述的n和m為大于等于2的正整數(shù)，其中，n和m表示 焊點(diǎn)陣列的行數(shù)和列數(shù)；(3) 豎直模塊底面與水平模塊上表面接觸，水平模塊與豎直模塊之間的 電互連是通過(guò)分布于兩模塊的接觸面附近的焊盤(pán)實(shí)現(xiàn)的；(4) 豎直模塊與水平模塊由紫外光固化膠連接；(5) 豎直模塊與水平模塊之間的角度與90。誤差在10'以?xún)?nèi)。
9、 按權(quán)利要求8所述的微機(jī)電系統(tǒng)三維垂直組合封裝的結(jié)構(gòu)，其特征在 于水平模塊和豎直模塊上的貼裝MEMS加速度傳感器的芯片和引線(xiàn)用金屬帽 保護(hù)，豎直模塊和水平模塊附近的信號(hào)再分布之間的引線(xiàn)也用金屬帽保護(hù)。
10、 按權(quán)利要求9所述的微機(jī)電系統(tǒng)三維垂直組合封裝的結(jié)構(gòu)，其特征 在于所述的金屬帽是用黑膠，固化溫度為10(TC，時(shí)間為30min。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微機(jī)電系統(tǒng)三維垂直組合封裝的結(jié)構(gòu)及其制造方法，其特征在于提出一種新穎的三軸加速度計(jì)組合封裝的結(jié)構(gòu)和制作方法。其中，模塊組合封裝的結(jié)構(gòu)采用支架組合方式激光校準(zhǔn)加三棱鏡的定位方法，紫外光固化膠固定的方法，使用引線(xiàn)鍵合實(shí)現(xiàn)電互連的技術(shù)。整個(gè)工藝過(guò)程與傳統(tǒng)IC封裝工藝兼容，工藝簡(jiǎn)單。該結(jié)構(gòu)在降低封裝成本，簡(jiǎn)化工藝的同時(shí)，為三維加速度的測(cè)量提供了另一種選擇。
文檔編號(hào)B81B7/00GK101525116SQ200810207329
公開(kāi)日2009年9月9日 申請(qǐng)日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
發(fā)明者徐高衛(wèi), 樂(lè) 羅, 阮祖剛 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所