一种基于芯片级键合的夹具的制作方法
【专利摘要】本实用新型是一种基于芯片级键合的夹具。包括：上玻璃管、上销钉、上加载弹簧、上可调螺杆、上基座、下玻璃管、下销钉、下加载弹簧、下可调螺杆、下基座、专用卡套。上销钉套入上加载弹簧，通过上可调螺杆将上加载弹簧压缩，装入上玻璃管，调节上可调螺杆，使得上玻璃管端面与上基座凹槽底面平齐。下销钉套入下加载弹簧，通过下可调螺杆将弹簧压缩，装入下玻璃管，调节下可调螺杆，使得下玻璃管端面与下基座凸台凹槽底面平齐。专用卡套将上下基座固定在一起，防止在后续键合过程中产生位移。本实用新型的有益效果是：实现了三层芯片同时键合，有效减小了芯片键合过程中产生的热应力和机械应力，提高了芯片的性能。
【专利说明】一种基于芯片级键合的夹具
【技术领域】
[0001]本实用新型属于MEMS器件的封装【技术领域】，具体涉及一种MEMS压力传感器敏感结构的封装夹具设计。
技术背景
[0002]硅谐振式压力传感器是依靠硅敏感膜将外界输入压力转换为膜的应变，再利用固联在硅膜上的谐振子将膜的应力转换谐振子的频率。与硅压阻压力传感器相比，硅谐振是敏感膜应力而不是膜的应变，具有更高的灵敏度，而且硅谐振传感器输出的是谐振子频率变化，传感器自身受温度影响更小，该类型MEMS压力传感器代表了一种高精度仪表的发展方向。
[0003]为了保证敏感结构谐振子具有较高的Q值(大于25000)，谐振子需要在真空(0.1Pa?IPa)环境下工作，以保证敏感结构性能，敏感结构的真空封装工艺直接决定了传感器的性能，同时压力传感器需要敏感介质气体，在保证谐振子真空密封的前提下，外界介质气体还要能够作用于硅压力敏感膜上，因而玻硅玻三层键合是获取谐振子高Q值的关键技术，而键合夹具一直是三层芯片级键合的瓶颈技术，设计实用可靠的夹具往往是实现芯片级键合的关键所在。
[0004]当前芯片级键合夹具主要存在如下技术不足:
[0005]1)三层芯片键合困难，现有制备都是基于两层芯片的键合，三层芯片级键合大都采用先将两层芯片键合，而后组合片与第三层芯片实现三层键合，芯片需要经过两次键合，累积产生的热应力和机械应力会影响芯片性能。
[0006]2)三层芯片加载和载荷控制比较困难，现有芯片级键合设备大都使用贴片机，如LCCC管壳封装，采用固定质量块加载，加载过程中质量块与芯片瞬间接触产生的冲击力对芯片破坏性较大，无法实现“软着陆”，而且载荷控制比较困难，无法根据工艺条件及时改变载荷大小。
[0007]3)三层芯片级对位困难，目前圆片级键合对位技术相对成熟，由于芯片尺寸较小，实现芯片级对位相对困难，仅仅依靠机械夹具定位，定位精度仅为100 μ m，无法满足高精度芯片级键合的对位精度需求。
实用新型内容
[0008]实用新型目的
[0009]通过设计实用可靠的三层芯片级键合夹具，实现三层芯片同时键合，消除键合中加载过程中产生的冲击力，并实现对载荷的控制，同时实现芯片键合过程中的精密对位。
[0010]技术方案
[0011]本实用新型是一种基于芯片级键合的夹具，其中，包括:上玻璃管、上销钉、上加载弹簧、上可调螺杆、上基座、下玻璃管、下销钉、下加载弹簧、下可调螺杆、下基座；
[0012]上基座和下基座主体为圆筒状结构，上下拼接；在上基座的下端面具有凹槽，在下基座的上端面具有对应的凸台；在下基座的上端面的凸台上，具有放置待键合芯片的凹槽；
[0013]在上基座的中空部分，从上往下依次设置上可调螺杆、上加载弹簧、上销钉、上玻璃管、上销钉套入上加载弹簧，通过上可调螺杆将上加载弹簧压缩，装入上玻璃管，调节上可调螺杆，使得上玻璃管端面与上基座凹槽底面平齐；
[0014]在下基座的中空部分，从下往上依次设置下可调螺杆、下加载弹簧、下销钉、下玻璃管；下销钉套入下加载弹簧，通过下可调螺杆将弹簧压缩，装入下玻璃管，调节下可调螺杆，使得下玻璃管端面与下基座凸台凹槽底面平齐。
[0015]如上所述的一种基于芯片级键合的夹具，其中，下基座凸台凹槽深度为2.5mm。
[0016]如上所述的一种基于芯片级键合的夹具，其中，还包括用于固定上基座、下基座的专用卡套。
[0017]有益效果
[0018]本方法能够实现玻硅玻三层芯片级键合。
[0019]1)实现了三层芯片同时键合，有效减小了芯片键合过程中产生的热应力和机械应力，提高了芯片的性能；而现有制备都是基于两层芯片的键合，三层芯片级键合大都采用先将两层芯片键合，而后组合片与第三层芯片实现三层键合，芯片需要经过两次键合，累积产生的热应力和机械应力会影响芯片性能。
[0020]2)采用耐高温不锈钢销钉和耐高温弹簧，实现了键合过程中载荷的缓慢加载，消除了键合加载过程中产生的冲击力；使用可调螺杆，实现了对键合中载荷大小的控制，使得工艺人员能够根据工艺条件及时改变载荷大小。
[0021]3)通过上下玻管定中性设计和上下基座定位销钉设计，实现了玻硅玻三层芯片级精密对位。玻硅玻三层芯片级键合的测试漏率(低于lE-10Pa.nT3/s)满足后续工艺的真空封装要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本实用新型芯片级键合夹具的上基座组件；
[0023]图2是本实用新型芯片级键合夹具的下基座组件；
[0024]图3是将芯片放入本实用新型芯片级键合夹具的下基座中的示意图；
[0025]图4本实用新型芯片级键合夹具上下基座预对位示意图；
[0026]图5本实用新型芯片级键合夹具加载示意图；
[0027]图6本实用新型芯片级键合夹具紧固示意图；
[0028]图中:1.上玻璃管；2.上销钉；3.上加载弹簧；4.上可调螺杆；5.上基座；6.下玻璃管；7.下销钉；8.下加载弹簧；9.下可调螺杆；10.下基座；11.芯片；12.专用卡套。
【具体实施方式】
[0029]以下，结合附图和【具体实施方式】，对本实用新型做进一步的说明。
[0030]本实用新型所述一种基于芯片级键合的夹具，是一种基于可调螺杆，耐高温弹簧和定位销钉的三层芯片级键合夹具方案，实现了 MEMS压力传感器谐振子的三层芯片级键合。采用可调螺杆和弹簧，通过上下玻管定中性设计和上下基座定位销钉设计，实现了玻硅玻三层芯片级键合中的缓慢加载，对载荷大小的控制，以及玻硅玻三层芯片级键合的精密对位。三层键合的测试漏率低于lE-10Pa.nT3/s，满足后续工艺的真空封装要求。
[0031]与现有的芯片级键合工艺相比，本实用新型充分利用现有设备和成熟工艺，从夹具设计和工艺设计角度，解决了玻硅玻三层芯片级键合中存在的问题。
[0032]本实用新型提出的一种基于芯片级键合的夹具，涉及耐高温弹簧选型及设计，上下基座定位销钉设计，缓慢加载方案设计，上下玻管定中性设计。本实用新型选择了耐高温不锈钢销钉以及耐高温弹簧，实现了载荷的缓慢加载。本实用新型使用可调螺杆，实现了对载荷大小的控制。本实用新型通过上下玻管定中性设计和上下基座定位销钉设计，实现了芯片级精密对位。
[0033]本实用新型包括:上玻璃管1、上销钉2、上加载弹簧3、上可调螺杆4、上基座5、下玻璃管6、下销钉7、下加载弹簧8、下可调螺杆9、下基座10、专用卡套12。
[0034]上基座5和下基座10主体为圆筒状结构，上下拼接，起到外部支撑和固定作用；在上基座5的下端面具有凹槽，在下基座10的上端面具有对应的凸台，用于定位；在下基座10的上端面的凸台上，具有放置待键合芯片的凹槽。
[0035]如图1所示，在上基座5的中空部分，在实际使用时，从上往下依次设置上可调螺杆4、上加载弹簧3、上销钉2、上玻璃管1、上销钉2套入上加载弹簧3，通过上可调螺杆4将上加载弹簧3压缩，装入上玻璃管1，调节上可调螺杆4，使得上玻璃管1端面与上基座5凹槽底面平齐。图1中的上下方向与实际使用时的上下方向相反。
[0036]在下基座10的中空部分，从下往上依次设置下可调螺杆9、下加载弹簧8、下销钉
7、下玻璃管6 ;下销钉7套入下加载弹簧8，通过下可调螺杆8将弹簧压缩，装入下玻璃管6，调节下可调螺杆9，使得下玻璃管6端面与下基座10凸台凹槽底面平齐。
[0037]专用卡套12将上基座5、下基座10固定在一起，防止在后续键合过程中产生位移。
[0038]下面结合附图和实施例对本实用新型的一种基于芯片级键合的夹具进行介绍:
[0039]第一步:上玻璃管装入；
[0040]如图1所示，将上销钉2套入上加载弹簧3，通过上可调螺杆4将弹簧压缩，然后装入上玻璃管1，调节上可调螺杆4，使得上玻璃管1端面与上基座5凹槽底面平齐。
[0041]第二步:下玻璃管装入；
[0042]如图2所示，将下销钉7套入下加载弹簧8，通过下可调螺杆9将弹簧压缩，然后装入下玻璃管6，调节下可调螺杆9，使得下玻璃管6端面与下基座10凸台凹槽底面平齐。
[0043]第三步:芯片装入；
[0044]通过真空吸笔，将芯片11放入下基座10矩形凹槽中，如图3所示，凹槽的深度为2.5mmο
[0045]第四步:上下基座预对位；
[0046]将带下玻璃管6和芯片11的下基座10水平放置，将带上玻璃管的上基座水平放置，通过导引槽将上基座装于下基座中，如图4所示。
[0047]第五步:下弹簧加载；
[0048]如图5所示，将上下基座组合件顺时针旋转180度，使得下基座10朝上，上基座5朝下，轻拍下基座10，使得芯片11落于上基座5凹槽底部，转动下可调螺杆9，使得下玻璃管6与芯片11之间产生预紧力，预紧力为0.2N。
[0049]第六步:上弹簧加载；
[0050]将上、下基座组合件顺时针旋转180度，使得下基座10朝下，上基座5朝上，转动上可调螺杆4，使得上玻璃管1与芯片11之间产生预紧力，预紧力为0.05N。
[0051]第七步:上下基座紧固；
[0052]采用专用卡套12，将上下基座固定在一起，防止在后续键合过程中，上下基座产生松脱，如图6所示。
[0053]第八步:三层芯片级键合；
[0054]将组合夹具放入芯片级键合设备中，加热温度490度，保温时间30分钟，真空度0.5Pa，然后断电随炉冷却。
[0055]第九步:芯片取出；
[0056]旋动下可调螺杆9，取出下加载弹簧8和下销钉7，旋动上可调螺杆4，取出上加载弹簧3和上销钉2，打开专用卡套12，将下基座10和上基座5分离，将下基座10旋转180度，利用芯片11自身重力从下基座10脱出。
[0057]虽然通过上述实施例对本实用新型所述的一种基于芯片级键合的夹具进行了详细的说明，但是上述说明并不是对本实用新型的限定，在不脱离本实用新型的主旨的范围内，可以进行各种变形和变更，例如，最优化的方法可以在现有技术的各种方法中选择。
【权利要求】
1.一种基于芯片级键合的夹具，其特征在于，包括:上玻璃管(I)、上销钉(2)、上加载弹簧(3)、上可调螺杆(4)、上基座(5)、下玻璃管￠)、下销钉(7)、下加载弹簧(8)、下可调螺杆(9)、下基座(10)； 上基座(5)和下基座(10)主体为圆筒状结构，上下拼接；在上基座(5)的下端面具有凹槽，在下基座(10)的上端面具有对应的凸台；在下基座(10)的上端面的凸台上，具有放置待键合芯片的凹槽； 在上基座(5)的中空部分，从上往下依次设置上可调螺杆(4)、上加载弹簧(3)、上销钉(2)、上玻璃管(I)、上销钉(2)套入上加载弹簧(3)，通过上可调螺杆(4)将上加载弹簧(3)压缩，装入上玻璃管(I)，调节上可调螺杆(4)，使得上玻璃管(I)端面与上基座(5)凹槽底面平齐； 在下基座(10)的中空部分，从下往上依次设置下可调螺杆(9)、下加载弹簧(8)、下销钉(7)、下玻璃管￠);下销钉(7)套入下加载弹簧(8)，通过下可调螺杆(8)将弹簧压缩，装入下玻璃管￠)，调节下可调螺杆(9)，使得下玻璃管(6)端面与下基座(10)凸台凹槽底面平齐。
2.如权利要求1所述的一种基于芯片级键合的夹具，其特征在于，下基座(10)凸台凹槽深度为2.5mm。
3.如权利要求1所述的一种基于芯片级键合的夹具，其特征在于，还包括用于固定上基座(5)、下基座(10)的专用卡套(12)。
【文档编号】B81C3/00GK204228304SQ201420632196
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年10月28日 优先权日:2014年10月28日
【发明者】孙龙庆, 吴黎明, 朱晓, 杨军 申请人:北京自动化控制设备研究所