一种圆片级封装的mems芯片的开盖装置及开盖方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及MEMS芯片的检测领域，特别涉及到一种圆片级封装的MEMS芯片的开盖装置及开盖方法。
【背景技术】
[0002]MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是微机电系统的缩写，MEMS元器件由MEMS芯片和专用控制集成电路(ASIC)芯片组成，MEMS元器件具有体积小、成本低、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)、国防工业(如智能炸弹、导弹、航空航天、无人飞机等)以及工业类产品(如汽车、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)中，可以说，MEMS元器件是物联网技术的基石。
[0003]随着便携式电子产品(如手机、平板电脑、可穿戴装置等)市场的迅猛增长，消费类电子产品已成为MEMS元器件的最大市场，以高端智能手机为例，它用到了几大类MEMS元器件，一类是MEMS运动传感器:陀螺仪、加速度计、电子指南针；一类是MEMS环境传感器:湿度计、环境温度计、压力计、气体传感器；一类是通讯MEMS器件:麦克风、调谐天线、滤波器等。为达到便携式电子产品对MEMS元器件体积小、性能高、功耗低、价格便宜的要求，大部分MEMS元器件含有可活动的部件，需要在圆片制造过程中先进行圆片级封装，保护可动、易碎的微机械结构，然后将圆片切割成芯片，再通过普通塑料封装方法或根据不同用途进行封装。
[0004]由于MEMS器件的活动结构非常细微和脆弱，在受到毛细管力、范德华力、静电力等作用下会相互吸合，以及在外力冲击、振动、温度变化时产生结构断裂、不可恢复性位移等现象，从而导致MEMS器件失效；另外，在MEMS器件的生产过程中，由于设计不良或工艺控制不良也会导致器件失效。为改良产品成品率和可靠性，就必须对那些失效的MEMS器件进行分析，寻找失效原因。
[0005]图1所示的是一个典型的圆片级封装的MEMS器件的示意图，MEMS器件10由盖板11、MEMS结构层12、底板14组成，MEMS结构层12通过绝缘层13与底板14结合在一起，通过焊料层16与盖板11结合在一起，底板14与盖板11上制作有凹腔，合起来形成一个密封腔15，MEMS活动结构12a可在密封腔15中自由活动。
[0006]MEMS芯片的主要材料通常是硅(Si)，硅材料能够透过波长在100nm?1000nm的红外光，在不除去盖板11或底板14的情况下，红外显微镜是观察活动MEMS结构12a的一个选择，但红外显微镜的分辨率不够，而且圆片级封装的MEMS芯片的盖板11上往往有金属层，红外光透不过金属层，无法看到金属层下面的MEMS结构12a。所以对于圆片级封装的MEMS芯片，除去盖板11或底板14，用可见光显微镜或扫描电镜(SEM)观察是一个必然的选择。现有的是通过加热、化学腐蚀或机械力等手段除去盖板11或底板14，存在待分析样品易损坏，操作过程易引入二次失效等问题，例如在用加热方法除去金属焊料16粘合的盖板11时，容易导致熔化的焊料滴落在MEMS结构12a上，更进一步，如果密封腔15内是真空，则熔化的焊料会向内流动到MEMS结构12a上，而且由于密封腔15内外的气压差，盖板11需要用较大的力除去，这会引起盖板11横向移动，损坏MEMS结构12a。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种圆片级封装的MEMS芯片的开盖装置，该装置可以在真空中加热熔化金属焊料，通过弹簧的弹力将盖板与MEMS结构层分离，从而精准地除去圆片级封装的MEMS芯片的盖板，露出完整的MEMS结构，为后续失效分析做准备。
[0008]为解决上述技术问题，本发明提供了一种圆片级封装的MEMS芯片的开盖装置，由开盖夹具、电炉和真空系统组成，开盖夹具置于电炉上，开盖夹具和电炉都置于真空室中。
[0009]所述真空系统由真空泵、真空管道和密封容器组成，真空泵通过真空管道连接密封容器，可以抽出密封容器内的空气，真空管道上安装有抽气阀，在抽真空时开启，在关停真空泵前关闭，以维持真空室内的气压，密封容器上安装有放气管，放气管上安装有放气阀，在MEMS芯片的盖板与MEMS结构层分离后，打开放气阀，空气通过放气管进入密封容器中，使密封容器内外气压相同，从而打开密封容器，取出开盖夹具，密封容器上还安装有观察窗，用于监控开盖过程以及电炉的温度。
[0010]所述电炉为封闭电炉，电炉加热部的表面为水平的金属或陶瓷，可加热到500摄氏度以上。
[0011]所述开盖夹具由顶层、上层、下层、导向杆和牵引装置组成，顶层、上层和下层上下布置，牵引装置位于顶层和上层之间，用于调节上层相对下层的距离，从而将被上层夹住盖板与MEMS结构层分离。导向杆下端固定在下层上，上端从顶层穿出，上层可沿导向杆在垂直方向自由滑动。
[0012]顶层的主体是顶板，顶板上有至少两个顶导向孔，导向杆上端从顶导向孔中穿过，顶板通过顶螺丝固定在导向杆上，与导向杆垂直，顶螺丝除了起到固定顶板的作用外，还可以微调导向杆的垂直度和平行度，以保证上层可以自由滑动；顶板中间有顶窗口，用于观察MEMS芯片的状况；
[0013]下层的主体是下板，导向杆下端固定在下板上，下板中间开有下窗口，下窗口位置与顶窗口位置相对应，以容纳MEMS芯片和上板凸起，在下窗口的左右两侧分别安装有下固定夹板和下活动夹板，下固定夹板固定在下板上，下固定夹板上有下固定夹头，用于接触MEMS芯片，下固定夹头的厚度与MEMS芯片的底板厚度相当；下活动夹板位于下活动槽中，下活动夹板上有下活动夹头，下活动夹头的厚度与MEMS芯片的底板厚度相当，下螺丝一端伸入下活动槽中，并与下活动夹板连接，用于调节下活动夹板的位置，在实施开盖作业时，MEMS芯片置于下窗口中，通过调节下螺丝，带动下活动夹板运动，将MEMS芯片固定在下固定夹头和下活动夹头之间，MEMS芯片的底板与下固定夹头和下活动夹头接触。
[0014]上层的主体是上板，上板上有至少两个上导向孔，上导向孔位置与顶导向孔位置相对应，导向杆从上导向孔中穿过，以保证上板只能沿导向杆上下运动，在上板的中间开有上窗口，以容纳MEMS芯片和观察下层的状况，上窗口的前后两侧安装有上固定夹板和上活动夹板，上固定夹板固定在上板上，上固定夹板上有上固定夹头，上活动夹板位于上活动槽中，上活动夹板上有上活动夹头，上螺丝一端伸入上活动槽中，并与上固定夹板连接，上螺丝用于调节上活动夹板的位置，上板由上板凸起和平层部分组成，上固定夹板、上活动夹板、上窗口、上活动槽和上螺丝位于上板凸起处，平层部分安装在下板上方，上板凸起位于下窗口中，这样，安装在上板凸起上的上固定夹板和上活动夹板就不受下固定夹板、下活动夹板的厚度影响而能够夹住MEMS芯片。
[0015]在实施开盖作业时，MEMS芯片置于上窗口中，同时也位于下窗口中，调节上螺丝，带动上活动夹板运动，上活动夹板的运动方向与下活动夹板的运动方向相垂直，将MEMS芯片固定在上固定夹头和上活动夹头之间，MEMS芯片的盖板与上固定夹头和上活动夹头接触，而MEMS芯片的底板和MEMS结构层不与上固定夹头和上活动夹头接触，在开盖时，MEMS芯片的盖板随上层在牵引装置的牵