用于低应力MEMS封装的粘接结构和封装结构的制作方法

本实用新型涉及低应力mems封装技术领域，尤其涉及一种针对惯性传感器的低应力mems封装的三维粘接结构和封装结构，以及用于实现低应力mems封装的粘接结构的集成制造方法。

背景技术：

mems惯性传感器件对封装工艺过程中硅芯片中产生的应力很敏感，这与存在应力时的芯片翘曲有关。在芯片贴片封装工艺中，一般有焊接和有机胶粘接两种方式。低温低应力封装是mems惯性传感器件的通常要求，而工艺温度最低的方法为有机胶粘接的方法。常用的粘接剂有环氧胶，硅胶等。传统的胶粘贴片方式为整层胶粘或局部点胶粘接，环境温度变化时，由于材料热失配往往导致残余应力的产生，残余应力随环境温度的变化将通过mems器件的敏感单元以电信号的形式反映到输出信号上，从而使传感器的输出发生偏移。传统的胶粘贴片方式存在一定的局限性，即良好的应力隔离效果和较好的芯片-基座粘接力不能同时得到。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的不足，本实用新型提供用于低应力mems封装的粘接结构和封装结构，具有较好的应力隔离效果和较好的芯片-基座粘接力。

根据本实用新型提供的技术方案，作为本实用新型的第一方面，提供一种用于低应力mems封装的粘接结构，所述用于低应力mems封装的粘接结构包括：从下至上依次交替叠置的应力隔离a层和应力隔离b层；所述应力隔离a层和应力隔离b层均分别包括至少一层的应力隔离层；所述应力隔离层包括若干根呈阵列式排布的应力隔离条。

进一步地，所述应力隔离a层包括第一应力隔离层，所述应力隔离b层包括第二应力隔离层；

所述第一应力隔离层和第二应力隔离层中的应力隔离条分别并列排成一排，且所述第一应力隔离层中的应力隔离条与第二应力隔离层中的应力隔离条之间相互交叉。

进一步地，所述应力隔离a层包括第一应力隔离层，所述应力隔离b层（200）包括第二应力隔离层；

所述第一应力隔离层和第二应力隔离层中的应力隔离条分别并列排成一排，且所述第一应力隔离层中的应力隔离条与第二应力隔离层中的应力隔离条之间相互垂直。

进一步地，所述应力隔离a层包括应力隔离条排布一致的第一应力隔离层和第二应力隔离层，所述应力隔离b层包括应力隔离条排布一致的第三应力隔离层和第四应力隔离层；

第一应力隔离层和第二应力隔离层中的应力隔离条排布一致；第三应力隔离层和第四应力隔离层中的中的应力隔离条排布一致

且第一应力隔离层和第二应力隔离层中的应力隔离条交叉于第三应力隔离层和第四应力隔离层中的应力隔离条。

进一步地，所述应力隔离条的宽度为50~~100μm，应力隔离条的间距为100~~500μm。

进一步地，所述应力隔离条采用的材料为：陶瓷、热固型橡胶、热塑型橡胶、热固型树脂和热塑型树脂中的任意一种或多种。

进一步地，所述应力隔离条的热膨胀系数为1×10^-6~~1×10^-3[1/k]。

作为本实用新型的第二方面，提供一种用于低应力mems封装结构，所述用于低应力mems封装结构包括mems芯片和mems基座，所述mems芯片通过如本实用新型第一方面所述的用于低应力mems封装的粘接结构粘贴在所述mems基座上。

作为本实用新型的第三方面，提供一种用于实现低应力mems封装的粘接结构的集成制造方法，采用增材制造的方式制造粘接结构，包括以下步骤：

s1：将mems基座放置在打印平台上；

s2：通过直书写3d打印的增材制造技术，制造用于低应力mems封装的粘接结构；

s3：将mems芯片粘接在所述粘接结构上得到整个器件；

s4：加热粘接好的整个器件，使粘接胶固化。

进一步地，所述s2：通过直书写3d打印的增材制造技术，制造粘接结构，包括：

s210：采用直书写3d打印的增材制造方式，通过挤出系统在mems基座的粘接区上制造粘接结构；

其中，所述粘接结构的材料为硅胶；所述粘接结构中的隔离条至少有四层。

进一步地，所述s2：通过直书写3d打印的增材制造技术，制造粘接结构，包括：

s210：采用直书写3d打印的增材制造方式，通过挤出系统在硅片上制造粘接结构，然后将该粘接结构高温固化；

s220：将具有粘接性的胶涂覆在mems基座的粘接区上；

s230：将高温固化后形成的粘接结构，粘贴到所述mems基座的粘接区中，形成复合结构；

s240：将具有粘接性的胶涂覆所述粘接结构的上表面；

其中，所述粘接结构的材料为光固化陶瓷浆料；所述粘接结构中的隔离条至少有四层。

从以上所述可以看出，本实用新型提供的用于低应力mems封装的粘接结构，与现有技术相比具备以下优点：封装过程中使用三维粘接结构将mems管壳和芯片粘接在一起，这种三维结构通过增材制造方式（包括但不限于直书写3d打印）制造，具有灵活性和可调控性，并能够同时提供较好的芯片-基座粘接力和较好的应力隔绝效果，该制造方法所产生的mems惯性传感器件具有零位温度漂移小、粘接牢靠的优点。

附图说明

图1为本实用新型第一方面中的第一种实施例纵剖结构示意图。

图2为本实用新型第一方面中的第二种实施例纵剖结构示意图。

图3为本实用新型第一方面中的第三种实施例纵剖结构示意图。

图4（a）为本实用新型第一方面中的第一种实施例的立体结构示意图。

图4（b）为本实用新型第一方面中的第二种实施例的立体结构示意图。

图4（c）为本实用新型第一方面中的第三种实施例的立体结构示意图。

图5为本实用新型中第二方面的结构示意图。

图6为对本实用新型第二方面中的mems芯片下表面应力分布示意图，其中图6（a）为现有技术mems芯片下表面应力分布图，图6（b）为采用本实用新型第一方面第一种实施例所述的粘接结构时mems芯片下表面应力分布图，图6（c）为采用本实用新型第一方面第二种实施例所述的粘接结构时mems芯片下表面应力分布图，图6（d）为采用本实用新型第一方面第三种实施例所述的粘接结构时mems芯片下表面应力分布图。

颜色越深代表应力越大，可以看到现有结构下的mems芯片下表面应力变化不均匀，而使用本实用新型的第一方面三种实施例的mems芯片下表面应力变化均匀且应力更小，表明硅胶泡沫结构具有较好的应力隔离效果。

图7为采用本实用新型第一方面所述的粘接结构时mems芯片上表面对角线上应力分布曲线；现有结构下的mems芯片上表面对角线上应力分布曲线起伏较大且应力变化较大，使用本实用新型的第一方面三种实施例的mems芯片上表面对角线上应力分布曲线起伏较小，从而说明应力变化小。

图8为本实用新型第三方面第二种实施例的流程示意图。

100.应力隔离a层，200.应力隔离b层，300.应力隔离条，410.第一应力隔离层，420.第二应力隔离层，430.第三应力隔离层，440.第四应力隔离层，500.第四应力隔离层，600.mems基座。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向。使用的词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

作为本实用新型的第一方面，提供一种用于低应力mems封装的粘接结构，所述用于低应力mems封装的粘接结构包括以下三种实施例：

第一种实施例：

本实用新型提供的用于低应力mems封装的粘接结构，所述用于低应力mems封装的粘接结构包括：若干层依次叠置的应力隔离层，每层所述应力隔离层中包括若干根应力隔离条300，若干根所述应力隔离条300阵列间隔设置从而形成该层的应力隔离层。

优选地，所述粘接结构包括从下至上依次交替叠置的应力隔离a层100和应力隔离b层200，所述应力隔离a层100包括第一应力隔离层410，所述应力隔离b层200包括第二应力隔离层420；所述第一应力隔离层410和第二应力隔离层420中均分别包括并成一排依次间隔排布的若干根应力隔离条300，且所述第一应力隔离层410中的应力隔离条300与第二应力隔离层420中的应力隔离条300之相互垂直。

第二种实施例：

本实用新型提供的用于低应力mems封装的粘接结构，所述用于低应力mems封装的粘接结构包括：若干层依次叠置的应力隔离层，每层所述应力隔离层中包括若干根应力隔离条300，若干根所述应力隔离条300并排间隔设置从而形成该层的应力隔离层。

优选地，所述粘接结构包括从下至上依次交替叠置的应力隔离a层100和应力隔离b层200，所述应力隔离a层100包括应力隔离条300排布一致的第一应力隔离层410和第二应力隔离层420，所述应力隔离b层200包括应力隔离条300排布一致的第三应力隔离层430和第四应力隔离层440，且第一应力隔离层410和第二应力隔离层420中的应力隔离条300交叉于第三应力隔离层430和第四应力隔离层440中的应力隔离条300，优选地且第一应力隔离层410和第二应力隔离层420中的应力隔离条300垂直于第三应力隔离层430和第四应力隔离层440中的应力隔离条300。

第三种实施例：

本实用新型提供的用于低应力mems封装的粘接结构，所述用于低应力mems封装的粘接结构包括：若干层依次叠置的应力隔离层，每层所述应力隔离层中包括若干根应力隔离条300，若干根所述应力隔离条300阵列间隔设置从而形成该层的应力隔离层。

优选地，所述粘接结构包括从下至上依次交替叠置的应力隔离a层100和应力隔离b层200，所述应力隔离a层100包括第一应力隔离层410，所述应力隔离b层200包括第二应力隔离层420；所述第一应力隔离层410和第二应力隔离层420中均分别包括并成一排依次间隔排布的若干根应力隔离条300，且所述第一应力隔离层410中的应力隔离条300与第二应力隔离层420中的应力隔离条300之间相互交叉形成交叉角。

作为本实用新型的第二方面，提供一种用于低应力mems封装结构。所述用于低应力mems封装结构包括mems芯片500和mems基座600，所述mems芯片500通过本实用新型第一方面中任意一个实施例所述的用于低应力mems封装的粘接结构粘贴在所述mems基座600上。

可以理解的是，由于所述粘接结构具有一定的应力隔离效果，即当温度变化时管壳及胶的热胀冷缩对芯片影响比较小，因此可以减小mems的零位温度漂移。

本实用新型的第三方面提供的用于低应力mems封装结构的制作方法，如图8所示，包括以下步骤：

s1：将mems基座600放置在打印平台上；

s2：通过直书写3d打印的增材制造技术，制造粘接结构；

s3：将mems芯片500粘接在所述粘接结构上得到整个器件；

s4：加热粘接好的整个器件，使粘接胶固化。

需要解释的是，对于s2中，除了采用直书写3d打印的增材制造技术，还可采用其他增材制造技术，制造出本实用新型第一方面所述的粘接结构。

对于本实用新型第三方面的第一种实施例：

第一步：将3d打印机的挤出系统安装于多自由度运动平台的执行末端；

第二步：在挤出系统中装入用于粘接结构制备的材料；优选地，材料采用固化陶瓷浆料；

第三步：利用运动控制技术与挤出系统控制协同工作，可以在运动过程中挤出四层或四层以上应力隔离条300阵列结构，利用该材料高储能模量的特性完成自支撑；优选地，设定挤出系统的挤出气压为60psi、针头以7mm/s的打印速度将陶瓷三维粘接结构打印在打印机上。所述粘接结构的尺寸大小为3.2mm×5mm，6层，线宽约100μm，线间距为200μm；

第四步：通过3d打印机打印出如本实用新型第一方面任意一种实施例所述的粘接结构后放置到高温环境下将其完全固化。优选地，将第二步得到的陶瓷三维粘接结构放入马弗炉中，采用600℃进行脱脂，然后将脱脂后的陶瓷结构放入高温马弗炉中，采用1500℃烧结2个小时；

第五步：将具有粘接性的胶涂覆在mems基座600的粘接区上；优选地，所述粘接性的胶采用道康宁se1700硅胶；

第六步：将第四步高温固化后形成的粘接结构粘贴到所述mems基座600的粘接区形成复合结构；

第七步：将具有粘接性的胶涂覆在经第四步高温固化后形成的粘接结构的上表面；

第八步：将mems芯片500贴在所述粘接结构的上表面；

第九步：将第八步得到的完整结构放入烘箱中加热使第五步和第七步中所述的粘接性胶固化。

需要解释的是，所述粘接结构中的应力隔离条300的宽度为~~100μm，粘接结构中的应力隔离层的层数为4层及以上。

对于本实用新型第三方面第二种实施例：

第一步：将3d打印机的挤出系统安装于多自由度运动平台的执行末端；

第二步：在挤出系统中装入用于粘接结构制备的材料；优选地，所述粘接结构制备的材料采用道康宁se1700硅胶，所述挤出系统针头内径为100μm；

第三步：将mems基座600放在打印机的打印平台上，利用运动控制技术与挤出系统控制协同工作，可以在运动过程中挤出四层或四层以上应力隔离条300阵列结构于mems基座600之上，利用该材料高储能模量的特性完成自支撑；优选地，设定挤出系统的气压为90psi、针头移动速度为1mm/s；其中挤出系统的气压经过一个7倍增压装置将针筒中的硅胶从针头挤出，且直接成型在mems基座600上。

第四步：将mems芯片500贴在所述粘接结构的上表面；

第五步：高温固化第四步得到的结构；优选地，采用80℃加热固化的方式，使硅胶三维粘接结构固化成型。

可以理解的是：封装过程中使用三维粘接结构将mems管壳和芯片粘接在一起，这种三维结构通过直书写增材制造方式制造，具有灵活性和可调空性，并能够同时提供较好的粘接强度和较好的应力隔绝效果，该制造方法所产生的mems惯性传感器件具有零位温度漂移小的优点。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的主旨之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。