一种低应力mems传感器芯片的基板结构及制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种低应力MEMS传感器芯片的基板结构及制造方法，所述芯片通过粘结材料连接于基板上，所述基板包括阻焊层、BT树脂层、铜导电层和焊垫，所述BT树脂层上下两层均设置有铜导电层，所述BT树脂层与铜导电层通过层压连接，所述铜导电层外层均设置有阻焊层，所述下层阻焊层的底部设置有焊垫；本发明通过降低基板的强度，降低芯片应力；第一种方法是减薄基板的厚度，去除芯片放置处的BT树脂层，阻焊层或铜导电层；第二种方法是通过在基板中心埋入柔性低应力高分子层代替BT树脂层，使基板变软；第三种方法是在芯片位置处的基板表面涂布柔性低应力高分子层。由于芯片下的基板结构和材料强度降低，芯片上的应力减少，提高了MEMS传感器的质量和热稳定性能。
【专利说明】一种低应力MEMS传感器芯片的基板结构及制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是MEMS传感器器件的结构和制作方法【技术领域】，特别是涉及一种低应力MEMS传感器芯片封装的基板结构，材料和制造工艺。
【背景技术】
[0002]微机电系统MEMS (Micro Electromechanic System)是在娃芯片上制作微小机械系统的传感器。很多MEMS传感器芯片上有微米量级的微小机械结构，例如电容式的加速度传感器，通过芯片上的微小悬臂梁变形感应外界的加速度变化。电阻式的压力传感器在硅空腔上有一个压阻片，空腔内外压力不同时，压阻片变形导致压阻片电阻率和它上面的惠斯通电桥输出电压的变化，通过输出电压信号的处理，得到压力的信息。MEMS芯片的微小结构变化除了随感应的环境因素变化外，也对芯片的应力变化非常敏感。MEMS芯片使用过程中的一种主要应力是热应力，是由于芯片与周围封装材料的膨胀系数不同，在制造工艺和使用过程中的温度变化使芯片和封装材料的膨胀和收缩程度不同，芯片收到挤压或拉伸的应力。
[0003]芯片的热应力来自于芯片和其它封装材料的热膨胀系数不同，特别是与基板和粘结材料的膨胀系数差别较大，是导致芯片应力增加的主要因素。芯片的膨胀系数是
2.8ppm/°C。模塑料一般是8 ppm/°C。基板中的BT树脂层，铜导电层和阻焊层的在平面方向的膨胀系数分别是15.2 ppm/°C, 17.7 ppm/°C和50ppm/°C。粘结材料的膨胀系数也高达80 ppm/°C。可见芯片与粘结材料和基板各层的膨胀系数相差较大。基板上的BT树脂层和阻焊层已经完全热固化成型，材料硬度较大。硬基板与强度更大的硅芯片之间的较大的膨胀系数不同将导致在器件封装，表面贴装到印刷电路板焊接，和使用过程中温度变化条件下在芯片上产生较大的应力，影响芯片的输出性能。
[0004]为了减少基板对芯片上的应力的影响，可以有两个方向可以考虑。一个方向是减少基板的膨胀系数，另一个方向是减少基板的厚度和硬度。传统的技术主要是采用前一种方法，使用低膨胀系数的陶瓷基板，例如低温共烧陶瓷LTCC的膨胀系数是5.8ppm/°C，与芯片的膨胀系数2.8ppm/°C比较接近，但是陶瓷基板的缺点是成本比较高，不能被广泛使用于大规模的消费电子产品。本发明主要采用后面一种方向，通过减少芯片下面基板厚度和硬度的方法，减少基板施加到芯片上的应力。
【发明内容】
[0005]本发明主要解决的技术问题是提供一种低应力MEMS传感器芯片的基板结构及制造方法，能够解决现有基板上芯片应力较大的技术问题，提供了几种低应力的基板结构和制作方法。
[0006]为解决上述技术问题，本发明米用的一个技术方案是:提供一种低应力MEMS传感器芯片的基板结构及制造方法，所述芯片通过粘结材料连接于基板上，其特征在于，所述基板包括阻焊层、BT树脂层、铜导电层和焊垫，所述BT树脂层上下两层均设置有铜导电层，所述BT树脂层与两边的铜导电层通过层压设置连接，所述BT树脂层与两边的铜导电层通过层压设置连接，所述铜导电层外层均设置有阻焊层，所述下层阻焊层的底部设置有焊垫。
[0007]其中，第一种方法是基板减薄，通过减薄所述基板的厚度来减少基板的强度，降低封装后的芯片应力；具体地:
一、通过高温层压将BT树脂层和上下铜导电层压制成一体；
二、上下铜导电层通过光刻掩膜的方法进行腐蚀，其中，放置于芯片位置处的上层铜导电层全部保留或者做成梳状结构，下层铜导电层相对于芯片位置的面积或稍大于芯片位置的面积进行腐蚀；
三、旋转涂布液体的阻焊层和层压阻焊膜，再通过光刻掩膜的方法腐蚀阻焊层，并在基板底部边缘制造焊塾；
四、去除芯片放置处的BT树脂层；
五、芯片通过粘结材料放置到基板上。
[0008]进一步地，去除基板的一层或多层结构，减薄到至少剩下一层铜导电层；基板减薄可在设有芯片的一层进行，也可在没设有芯片的一层进行。
[0009]其中，第二种方法是软基板，通过在基板的中心埋入柔性低应力高分子层来减少基板的强度，降低封装后的芯片应力；具体地，
一、通过机械压制或激光的方法，芯片下部区域的BT树脂层进行中央切割；二、将柔性低应力高分子层填充到BT树脂层去除的区域内，并加热固化；
三、将具有柔性低应力高分子层的BT树脂层与铜导电层加热压制成一体；
四、旋转涂布液体的阻焊层和层压阻焊膜，再通过光刻掩膜的方法腐蚀阻焊层，并在基板底部边缘制造焊塾；
五、芯片通过粘结材料放置到基板上。
[0010]进一步地，所述BT树脂层去除面积不小于芯片面积。
[0011]进一步地，所述柔性低应力高分子层为硅胶或低应力的树脂，其中可以填充Si02颗粒的树脂或较低杨氏模量的柔性树脂。
[0012]其中，第三种方法是表面柔性低应力高分子层的基板，通过在放置芯片的基板表面设置柔性低应力高分子层来减少基板的强度，降低封装后的芯片应力；具体地:
一、在放置芯片位置处印刷柔性低应力高分子层，并固化；
二、在柔性低应力高分子层上滴放粘结材料，再将芯片放在粘结材料上，并固化粘结材料；所述基板和芯片之间有柔性低应力高分子层和粘结材料形成两层缓冲层。
[0013]进一步地，所述柔性低应力高分子层可以是硅胶等较软的材料，也可以是低膨胀系数的环氧树脂。
[0014]进一步地，所述第三种方法中表面柔性低应力高分子层的基板可以与第一种方法中的基板减薄或第二种方法中的软基板结合使用。
[0015]本发明的有益效果是:本发明保证了温度变化时基板传输到芯片上的应力减少，提高了 MEMS传感器的质量和热稳定性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明第一种方法基板减薄的封装结构； 图2是第一种方法减薄基板减薄的工艺流程图；
图3是第二种方法软基板封装结构；
图4是第二种方法软基板的工艺流程图；
图5是第三种方法表面具有柔性材料层基板的封装结构；
图6是第三种方法表面具有柔性材料层的基板的封装工艺流程图；
图7是第三种方法与第一种方法结合的芯片封装结构；
图8是第三种方法与第二种方法结合的芯片封装结构
附图中各部件的标记如下:1、芯片2、粘结材料3、阻焊层4、铜导电层5、BT树脂层
6、焊垫7、柔性低应力高分子层。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0018]基板处理方法是在一个大的基板上进行，然后将大的基板由机械方法切割成封装单个芯片1的小基板。为了简单说明，下面的具体实施方法以小的单个芯片基板为工艺示意图。
[0019]请参阅图1至图8，本发明实施例:所述芯片1通过粘结材料2连接于基板上，所述基板包括阻焊层3、BT树脂层5、铜导电层4和焊垫6，所述BT树脂层5上下两层均设置有铜导电层4，所述BT树脂层5与两边的铜导电层4通过层压设置连接，所述铜导电层4外层均设置有阻焊层3，所述下层阻焊层3的底部设置有焊垫6。
[0020]其中，第一种方法是基板减薄，通过减薄所述基板的厚度来减少基板的强度，降低封装后的芯片应力；具体地:
一、通过高温层压将BT树脂层5和上下铜导电层4压制成一体；
二、上下铜导电层4通过光刻掩膜的方法进行腐蚀，其中，放置于芯片1位置处的上层铜导电层4全部保留或者做成梳状结构，下层铜导电层4相对于芯片1位置的面积或稍大于芯片1位置的面积进行腐蚀；
三、旋转涂布液体的阻焊层3和层压阻焊膜，再通过光刻掩膜的方法腐蚀阻焊层3，并在基板底部边缘制造焊塾6 ；
四、去除芯片1放置处的BT树脂层5；
五、芯片1通过粘结材料2放置到基板上。
[0021]进一步地，去除基板的一层或多层结构，减薄到至少剩下一层铜导电层4 ;基板减薄可在设有芯片1的一层进行，也可在没设有芯片1的一层进行。
[0022]其中，第二种方法是软基板，通过在基板的中心埋入柔性低应力高分子层7来减少基板的强度，降低封装后的芯片应力；具体地，
一、通过机械压制或激光的方法，芯片1下部区域的BT树脂层5进行中央切割；
二、将柔性低应力高分子层7填充到BT树脂层5去除的区域内，并加热固化；
三、将具有柔性低应力高分子层7的BT树脂层5与铜导电层4加热压制成一体；
四、旋转涂布液体的阻焊层3和层压阻焊膜，再通过光刻掩膜的方法腐蚀阻焊层3，并在基板底部边缘制造焊塾6 ； 五、芯片1通过粘结材料2放置到基板上。
[0023]进一步地，所述BT树脂层5去除面积不小于芯片1面积。
[0024]进一步地，所述柔性低应力高分子层7为硅胶或低应力的树脂，其中可以填充Si02颗粒的树脂或较低杨氏模量的柔性树脂。
[0025]其中，第三种方法是表面柔性低应力高分子层7的基板，通过在放置芯片1的基板表面设置柔性低应力高分子层7来减少基板的强度，降低封装后的芯片1应力；具体地:
一、在放置芯片1位置处印刷柔性低应力高分子层7，并固化；
二、在柔性低应力高分子层7上滴放粘结材料，再将芯片1放在粘结材料2上，并固化粘结材料；所述基板和芯片1之间有柔性低应力高分子层7和粘结材料2形成两层缓冲层。
[0026]进一步地，所述柔性低应力高分子层7可以是硅胶等较软的材料，也可以是低膨胀系数的环氧树脂。
[0027]进一步地，所述第三种方法中表面柔性低应力高分子层7的基板可以与第一种方法中的基板减薄或第二种方法中的软基板结合使用。
[0028]本发明主要研究基板MEMS芯片的热应力问题。在本发明一个较佳实施例中，如图2所示，具体步骤依次如下:
2a为BT树脂层5和铜导电层4的层压。基板制造工艺的第一步，BT树脂层5和上下两层的铜导电层4，通过高温层压的方法制造而成；
2b为铜导电层4腐蚀。上下两层的铜导电层4通过光刻掩膜的方法腐蚀，得到设计所需要的布线和铜导电层4结构。上层铜导电层4在放置芯片1位置全部保留或者做成梳状结构，以便有足够的面积放置芯片1，下层铜导电层4在放置芯片1位置或稍大一点的面积全部腐蚀掉；
2c为阻焊层3和焊垫6制造。通过旋转涂布液体的阻焊层3和层压阻焊膜，然后通过光刻掩膜的方法腐蚀阻焊层3，放置芯片1的上层及芯片1下层位置的阻焊层3全部被腐蚀，然后在基板的底部边缘制造焊垫6 ；
2d为去除芯片1放置处的BT树脂层5。通过激光或化学腐蚀的方法去除芯片1放置处的BT树脂5，使芯片1放置只剩下上层的铜导电层4 ；
2e为贴放芯片1到基板上。芯片1可以贴放在基板上层，芯片1倒贴在基板下，芯片1通过焊球的方法贴放到基板上。
[0029]图2所示例子中，基板放置芯片1的位置减薄到只有上面一层铜导电层4。实际设施过程中根据上面的思路基板可以有多种减薄方法，例如还可以减薄至一层铜导电层4加一层BT树脂层5或阻焊层3。只要基板减薄，就有利于降低基板的硬度，减少温度变化时传递到芯片1上的应力。
[0030]如图4所示的实施例，使用柔性低应力高分子层7或中间镂空代替芯片1下面的BT树脂层5。具体的实施工艺过程如图5，具体步骤依次如下:
4a为芯片下部区域的BT树脂层5进行中央切割。将大的基板通过机械打孔的方法去除芯片1位置处的BT树脂，去除的树脂面积可以与芯片1面积相当或者稍微大一点。机械打孔具有工艺简单，成本低等优点；
4b为BT树脂层5中央填入柔性低应力高分子层7。通过印刷等方法，将液态的柔性低应力高分子层7填充到BT树脂层5中去除的区域内，并进行加热固化； 4c为层压并腐蚀铜导电层4制造铜布线；
4d为阻焊层3和焊垫6制造。与第一种基板减薄不同的是，基板底部可以有阻焊层3，阻焊层3中央也可以制造焊垫6，增加焊垫6的数目，适合于需要较多焊垫6和焊点的高密度器件；
4e-贴放芯片1到基板上。与前面2e的工艺相同。
[0031]第三种方法的思路与第二种方法类似，只是将填充到基板内部的柔性低应力高分子层7移到基板的表面，即基板的表面涂布有柔性低应力高分子层7。由于芯片1和粘结材料2放在柔性低应力高分子层7上，芯片1和基板间由于膨胀系数不同引起的应力会减少。具体的实施工艺流程(图6)如下:
6a为基板制造。图6a以基板上表面芯片1位置的阻焊层3被去除为例，在具体实施时，所述阻焊层3也可以被保留；
6b为芯片1位置涂布柔性低应力高分子层7。涂布方法是模板印刷等方法，钢模板在需要印刷柔性低应力高分子层7的位置处留有开孔。模板印刷涂布材料一般在75-100微米。另外的方法是通过在基板的芯片1处喷涂液体的柔性低应力高分子层7，喷涂材料可以在20-50微米。最后将柔性低应力高分子层7进行加热固化；
6c-贴放芯片1到基板上。
[0032]本发明三种方法既相互独立，又可以结合起来使用。如图7和图8所示是两方法结合使用的例子。图7是第三种基板表面柔性低应力高分子层7和第一种基板减薄结合的例子。图8是第三种基板表面柔性低应力高分子层7和第二种软基板结合的例子。通过多种方法的结合，有利于进一步降低基板的硬度，减少温度变化时基板施加给芯片1的应力。
[0033]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明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】，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【权利要求】
1.一种低应力MEMS传感器芯片的基板结构，所述芯片通过粘结材料连接于基板上，其特征在于，所述基板包括阻焊层、BT树脂层、铜导电层和焊垫，所述BT树脂层上下两层均设置有铜导电层，所述BT树脂层与两边的铜导电层通过层压设置连接，所述铜导电层外层均设置有阻焊层，所述下层阻焊层的底部设置有焊垫。
2.—种低应力MEMS传感器芯片的制造方法，其特征在于，其第一种方法是基板减薄，通过减薄所述基板的厚度来减少基板的强度，降低封装后的芯片应力；具体地: 一、通过高温层压将BT树脂层和上下铜导电层压制成一体； 二、上下铜导电层通过光刻掩膜的方法进行腐蚀，其中，放置于芯片位置处的上层铜导电层全部保留或者做成梳状结构，下层铜导电层相对于芯片位置的面积或稍大于芯片位置的面积进行腐蚀； 三、旋转涂布液体的阻焊层和层压阻焊膜，再通过光刻掩膜的方法腐蚀阻焊层，并在基板底部边缘制造焊塾； 四、去除芯片放置处的BT树脂层； 五、芯片通过粘结材料放置到基板上。
3.根据权利要求2所述的低应力MEMS传感器芯片的制造方法，其特征在于:去除基板的一层或多层结构，减薄到至少剩下一层铜导电层；基板减薄可在设有芯片的一层进行，也可在没设有芯片的一层进行。
4.一种低应力MEMS传感器芯片的制造方法，其特征在于，其第二种方法是软基板，通过在基板的中心埋入柔性低应力高分子层来减少基板的强度，降低封装后的芯片应力；具体地， 一、通过机械压制或激光的方法，芯片下部区域的BT树脂层进行中央切割；二、将柔性低应力高分子层填充到BT树脂层去除的区域内，并加热固化； 三、将具有柔性低应力高分子层的BT树脂层与铜导电层加热压制成一体； 四、旋转涂布液体的阻焊层和层压阻焊膜，再通过光刻掩膜的方法腐蚀阻焊层，并在基板底部边缘制造焊塾； 五、芯片通过粘结材料放置到基板上。
5.根据权利要求4所述的低应力MEMS传感器芯片的制造方法，其特征在于:所述BT树脂层去除面积不小于芯片面积。
6.根据权利要求4所述的低应力MEMS传感器芯片的制造方法，其特征在于:所述柔性低应力高分子层为硅胶或低应力的树脂，其中可以填充S12颗粒的树脂或较低杨氏模量的柔性树脂。
7.—种低应力MEMS传感器芯片的制造方法，其特征在于，其第三种方法是表面柔性低应力高分子层的基板，通过在放置芯片的基板表面设置柔性低应力高分子层来减少基板的强度，降低封装后的芯片应力；具体地: 一、在放置芯片位置处印刷柔性低应力高分子层，并固化； 二、在柔性低应力高分子层上滴放粘结材料，再将芯片放在粘结材料上，并固化粘结材料；所述基板和芯片之间有柔性低应力高分子层和粘结材料形成两层缓冲层。
8.根据权利要求6所述的低应力MEMS传感器芯片的制造方法，其特征在于:所述柔性低应力高分子层可以是硅胶等较软的材料，也可以是低膨胀系数的环氧树脂。
9.根据权利要求2、4、6所述的低应力MEMS传感器芯片的制造方法，其特征在于:所述第三种方法中表面柔性低应力高分子层的基板可以与第一种方法中的基板减薄或第二种方法中的软基板结合使用。
【文档编号】B81B7/00GK104418286SQ201310396689
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年9月4日 优先权日:2013年9月4日
【发明者】王军, 卢基存 申请人:苏州霞光电子科技有限公司