一种新型无引线键合的MEMS传感器封装方法技术

本发明专利技术公开了一种新型无引线键合的MEMS传感器封装方法,属于微电子机械系统或半导体制造领域。该方法中单晶圆MEMS传感器电极采用可锡焊电极，同时采用表面贴装技术直接将未保护的单晶圆MEMS传感器芯片组装到PCB或基板上，并通过在PCB或基板上打孔的方法暴露传感器的敏感区域以确保传感器封装后可以正常工作。本方法采用表面贴装技术进行组装，提高了组装效率，节约了时间与成本，使得良率大幅提高、成本大幅降低。同时该方法具备高产品可靠性，确保传感器在恶劣工作环境下(如水下)不会因为引线断裂而失效，特别适合面向海洋应用的传感器。

A New Packaging Method for Non-Lead Bonded MEMS Sensors

The invention discloses a novel lead-free bonding encapsulation method for a MEMS sensor, which belongs to the field of microelectromechanical system or semiconductor manufacturing. In this method, the tin-solderable electrode is used for the single-wafer micro-sensor electrode, and the unprotected single-wafer micro-sensor chip is directly assembled on the PCB or substrate by surface mounting technology. The sensitive area of the sensor is exposed by punching holes in the PCB or substrate to ensure that the sensor can work normally after packaging. The method uses surface mounting technology to assemble, improves the efficiency of assembly, saves time and cost, and greatly improves the yield and reduces the cost. At the same time, the method has high product reliability and ensures that the sensor will not fail due to the breakage of the lead in harsh working environment (such as underwater), so it is especially suitable for sensors for marine applications.

【技术实现步骤摘要】
一种新型无引线键合的MEMS传感器封装方法所属领域：本专利技术涉及一种传感器封装技术，属于微电子机械系统或半导体制造领域。
技术介绍
微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem,MEMS)是指可利用半导体制造平台批量制作的微型传感器、执行器等器件或系统。近年来，物联网技术迅速发展，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮；传感器技术是物联网三大关键技术之一(另两个分别是传感器、通信和云计算)，负责原始信号与数据获取。封装是MEMS传感器制造的关键技术，对传感器的性能、可靠性和成本等有着重要影响。当前MEMS传感器封装方法主要有两种。第一种：基于引线键合的封装方法。首先采用焊料将MEMS传感器芯片贴装在基板上；然后采用引线键合将传感器芯片焊接到基板电极形成电学连接，基板可以是PCB电路板、QFN、DSP、DIP等任何合适的封装载体；最后采用焊料将盖板贴装在基板上来完成封装。如图1所示，这种封装方法对于多数传感器而言具有工艺相对简单、成熟，且成本较低的优点。第二种：基于晶圆级键合(waferlevelbonding)与硅通孔技术(TSV)的圆片级封装，也称作晶圆级芯片封装(waferlevelchipscalepackaging,WLCSP)。其典型的封装过程包括：首先，MEMS传感器芯片在一片晶圆上完成加工；其次，MEMS传感器晶圆和一片预置TSV的盖片晶圆完成晶圆级键合；再次，在盖片晶圆的背面加工相应的电极，并在电极上沉积锡焊球，实现MEMS传感器到封装的电学连接；最后，对圆片级封装的晶圆进行切片(dicing)，得到封装的传感器。此传感器可以使用表面贴装技术(SMT)在PCB或基板上直接组装而无须引线键合工序，因而组装可靠性更好，效率也更高；但成本较高，如图2所示。对于某些MEMS传感器而言，如声学与压力MEMS传感器，以上两种封装方法各自存在一些缺点。第一种：与表面贴装技术相比，引线键合由于采用细金属导线(典型的如25um直径的金线)作为电学连接，在某些恶劣环境应用中可靠性不够。例如在海洋环境或高温环境中，海水的侵蚀、深水环境下静水的压迫或高温通常使封装的传感器体积膨胀，从而使引线承受较大的拉伸应力，严重的可能导致金属引线断裂或脱落，从而使传感器失效；如图3所示为一种基于引线键合封装的MEMS传感器X射线透视图(传感器封装后需要通过X射线投射才能看到内部引线结构)。图3(a)为封装后置于室温、空气环境中，可以看出，传感器芯片303通过引线301键合实现和PCB305的电学连接，位于传感器芯片303和PCB305的焊接点分别为302和304，引线301呈现舒展的状态。图3(b)为此传感器在模拟海洋环境中放置一个月后损坏，X射线透视图显示其中一根引线301分别从传感器芯片的键合点302和PCB上的键合点304断裂；另一根引线在传感器芯片的键合点302断裂，同时引线严重变形。进一步的分析表明在模拟海洋环境的情况下，海水的渗透使得基于引线键合封装的传感器发生膨胀，每个方向约膨胀12％，而引线键合使用的25微米直径的金线最大允许拉伸约5％，远低于实际膨胀尺寸，因此，膨胀所引起拉伸应力直接导致引线大幅度变形与断裂。第二种：圆片级键合与硅通孔技术不仅成本高昂，而且良率较低。主要是因为圆片级键合包含昂贵的键合工艺、大深度反应离子刻蚀工艺(DeepReactiveIonEtching,DRIE)、化学机械抛光工艺(ChemicalMechanicalPolishing，CMP)以及高温氧化工艺，低良率主要是因为晶圆温度分布不均匀以及对准精度所导致。此外，封闭式的晶圆级封装阻挡了诸如声学与压力信号，使其无法进入传感器的敏感芯片，因而这种方法不适合声学与压力传感器。因此，对于声学与压力MEMS传感器，需要一种高可靠性、低成本的封装方法。
技术实现思路
：本专利技术的目的是：为了克服现有的引线键合方法与圆片级封装方法，均不适用于声学与压力MEMS传感器的不足，公开一种无引线键合、单片晶圆的声学或压力MEMS传感器的封装方法。所述新型无引线键合的MEMS传感器封装方法，包括至少一个敏感区域暴露的单晶圆MEMS传感器芯片，其电极是可锡焊多金属叠层电极，如Cu/Ni/Au、Ti/Ni/Au、Ti/Cr/Au构成的金属叠层或任何其它合适的可锡焊电极；所述MEMS传感器芯片电极的单侧尺寸不小于40000μm2.至少一个基板或电路板，基板或电路板上至少有一个通孔；其它必要的电子元器件或ASIC芯片，至少一个封装模具或制具；至少一种封装材料。本专利技术的封装方法为：第一步，加工单晶圆MEMS传感器芯片，传感器芯片的所有电极均为可锡焊电极；第二步，加工含有通孔的基板或电路板，所述基板或电路板上有与MEMS传感器芯片所有电极位置相应的可锡焊电极；第三步，采用表面贴装工艺，将必要的电子元器件或ASIC芯片贴装在基板或PCB板上，同时将MEMS传感器也贴装在基板或PCB板上，确保传感器芯片的敏感结构与基板或PCB板上的通孔位置相应使得传感器的敏感区域暴露，MEMS传感器芯片上的可锡焊电极与基板或PCB板上相应的可锡焊电极对准；第四步，在MEMS传感器芯片上的可锡焊电极与基板或PCB板上相应的可锡焊电极之间进行锡焊组装，作为优选方案之一，所述焊接操作采用回流焊技术，其他任何合适的技术也在本专利技术的构思之内；对于MEMS传感器，必要的情况下表面贴装可通过环氧树脂等材料进行加固，以提高可靠性；第五步，设计并加工相应的模具，将完成MEMS传感器芯片贴装与焊接的基板或PCB板放入模具或制具中，往其中注入封装材料且完全覆盖已经组装的MEMS传感器，并除泡、固化后，得到封装的MEMS传感器产品；所用模具或制具材料可以是金属、塑料或其它合适的材料。为了使所述封装后的传感器具备良好的声学或压力性能，所述封装材料具有透声、防水、电绝缘特性，例如橡胶、聚氨酯或其它合适的材料。本专利技术的有益效果包括：1.MEMS传感器与电子元件均采用表面贴装技术进行组装，避免传统基于引线键合的MEMS封装方法在表面贴装与引线键合之间切换，从而提高了组装效率，节约了时间与成本。2.与基于引线键合的MEMS传感器封装方法相比，本方法提高了产品的可靠性，确保传感器在恶劣工作环境下(如水下)不会因为引线断裂而失效，特别适合面向海洋应用的传感器。3.与晶圆级封装方法相比，本方法只使用一片晶圆，且无需昂贵的硅通孔技术与后道加工技术及其相关的盖片晶圆，因而良率大幅提高、成本大幅降低。4.与晶圆级封装方法相比，本方法在PCB或基板上开孔，不会阻挡声学与压力等敏感信号进入传感器，确保传感器封装后可以正常工作。附图说明：图1是
技术介绍
中基于引线键合的MEMS传感器封装技术示意图；图2是
技术介绍
中晶圆级芯片封装示意图；图3是
技术介绍
中基于引线键合封装的MEMS传感器X-Ray示意图(a)置于室温、空气环境中，(b)在100米深海水使用30天后；图4是实施例中的一种典型水声MEMS传感器示意图,(a)俯视图，(b)A-A剖面图图5其它典型MEMS传感器结构示意图：(a)阵列式敏感结构；(b)四面电极结构；(c)阵列式电极结构图6是带通孔的PCB结构示意图，PCB上的电极需和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型无引线键合的MEMS传感器封装方法，其特征在于，该过程包括：至少一个敏感区域暴露的单晶圆MEMS传感器芯片，至少一个基板或电路板，基板或电路板上至少有一个通孔，其它必要的电子元器件或ASIC芯片，至少一个封装模具或制具，至少一种封装材料。所述方法具体包括如下步骤：第一步，加工单晶圆MEMS传感器芯片，传感器芯片的电极均为可锡焊电极；第二步，加工含有通孔的基板或电路板，所述基板或电路板上有与MEMS传感器芯片电极对应的可锡焊电极；第三步，采用表面贴装工艺，将必要的电子元器件或ASIC芯片贴装在基板或PCB板上，同时将MEMS传感器也面对面贴装在基板或PCB板上，确保传感器芯片的敏感结构与基板或PCB板上的通孔位置对准，MEMS传感器芯片上的可锡焊电极与基板或PCB板上相应的可锡焊电极对准；第四步，在MEMS传感器芯片上的可锡焊电极与基板或PCB板上相应的可锡焊电极之间进行锡焊组装；第五步，设计并加工相应的模具，将完成MEMS传感器芯片贴装与焊接的基板或PCB板放入模具或制具中，往其中注入封装材料且完全覆盖已经组装的MEMS传感器，并除泡、固化后，得到封装的MEMS传感器产品。

【技术特征摘要】
1.一种新型无引线键合的MEMS传感器封装方法，其特征在于，该过程包括：至少一个敏感区域暴露的单晶圆MEMS传感器芯片，至少一个基板或电路板，基板或电路板上至少有一个通孔，其它必要的电子元器件或ASIC芯片，至少一个封装模具或制具，至少一种封装材料。所述方法具体包括如下步骤：第一步，加工单晶圆MEMS传感器芯片，传感器芯片的电极均为可锡焊电极；第二步，加工含有通孔的基板或电路板，所述基板或电路板上有与MEMS传感器芯片电极对应的可锡焊电极；第三步，采用表面贴装工艺，将必要的电子元器件或ASIC芯片贴装在基板或PCB板上，同时将MEMS传感器也面对面贴装在基板或PCB板上，确保传感器芯片的敏感结构与基板或PCB板上的通孔位置对准，MEMS传感器芯片上的可锡焊电极与基板或PCB板上相应的可锡焊电极对准；第四步，在MEMS传感器芯片上的可锡焊电极与基板或PCB板上相应的可锡焊电极之间进行锡焊组装；第五步，设计并加工相应的模具，将完成MEMS传感器芯片贴装与焊接的基板或PCB板放入模具或制具中，往其中注入封装材料且完全覆盖已经组装的MEMS传感器，并除泡、固化后，得到封装...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐景辉，
申请(专利权)人：徐景辉，
类型：发明
国别省市：广东,44