CN105036067A - Mems传感器倒装叠层封装结构及其制备方法 - Google Patents

Mems传感器倒装叠层封装结构及其制备方法 Download PDF

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方东明
杜利东
马天军
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Abstract

本发明公开了一种MEMS传感器倒装叠层封装结构及其制备方法，该MEMS传感器倒装叠层封装结构包括：基板，该基板表面具有多个凸块；专用集成电路，倒装焊接于该基板之上，该专用集成电路表面的焊盘与该基板表面的凸块对应扣合，实现该专用集成电路与该基板的电路连接；以及MEMS传感器，粘接于该专用集成电路之上，该MEMS传感器的焊盘通过焊线连接于该基板。本发明提供的MEMS传感器倒装叠层封装结构及其制备方法，采用倒装焊方式将ASIC焊接到PCB基板上，减少了一次焊线工艺步骤，简化了工艺复杂度和材料成本。由于ASIC不需要焊线到PCB基板上，可以进一步缩小芯片的封装体积，有利于最终封装尺寸的微型化。

Description

MEMS传感器倒装叠层封装结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及MEMS传感器封装技术领域，尤其是一种MEMS传感器倒装叠层(Flip-ChipStacked)封装结构及其制备方法。
背景技术
微机电***(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)是指采用光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件，其***尺寸在几毫米乃至更小，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。利用MEMS技术手段加工的传感器具有体积小、功耗低、批量制造成本低等优点。
近年来，MEMS传感器与专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)通过各种封装技术封装成为一个芯片成为传感器发展的一个趋势。封装的形式包括并排(SidebySide)、叠层(Stacked)等，其中叠层封装形式由于可以减小封装面积(Footprint)，越来越多的被电子设计公司所采用。
以意法电子(STMicroelectronics)的压力传感器LPS331A为例，如图1所示，其采用的是图1所示的叠层封装结构。图1中，最底层的是PCB基板，ASIC芯片通过粘接的方式固定在PCB基板上，MEMS压力传感器再通过粘接的方式固定在ASIC芯片上。MEMS传感器上的焊盘通过焊线(Wirebond)的方式将信号引到ASIC的焊盘上，然后ASIC上的焊盘再通过焊线引到PCB基板上。
从图1所示的STLPS331A封装结构可知，该叠层封装方式需要进行两次焊线，分别是MEMS传感器到ASIC及ASIC到PCB基板，这种封装方法存在的技术缺陷包括：1)需要两步焊线，增加了工艺步骤和材料成本；2)ASIC到PCB基板的焊线需要占用一定的横向位置，限制了芯片尺寸的进一步缩小。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种MEMS传感器倒装叠层封装结构及其制备方法，以简化封装工艺，降低封装成本。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种MEMS传感器倒装叠层封装结构，包括：基板，该基板表面具有多个凸块；专用集成电路，倒装焊接于该基板之上，该专用集成电路表面的焊盘与该基板表面的凸块对应扣合，实现该专用集成电路与该基板的电路连接；以及MEMS传感器，粘接于该专用集成电路之上。
上述方案中，该MEMS传感器的焊盘首先通过焊线连接于该基板，然后再通过该基板上的布线连接于该专用集成电路的焊盘。
上述方案中，该基板为印刷电路板。
上述方案中，该基板表面的凸块通过微加工方式制备而成。
上述方案中，该基板表面的凸块采用柱形结构、圆锥形结构或多棱锥形结构。该基板表面的凸块采用柱形结构，其顶面为多边形、圆形或椭圆形；该基板表面的凸块采用多棱锥形结构，是采用正三棱锥结构或正金字塔结构。
上述方案中，该MEMS传感器为压力传感器、惯性传感器、气体传感器或光传感器。该惯性传感器为加速度计或陀螺仪。
为达到上述目的，本发明还提供了一种MEMS传感器倒装叠层封装结构的制备方法，包括：在基板表面制备多个凸块，并在基板表面进行再布线；将专用集成电路倒装焊接于该基板之上，使该专用集成电路表面的焊盘与该基板表面的凸块对应扣合，实现该专用集成电路与该基板的电路连接；以及将MEMS传感器粘接于该专用集成电路之上，并采用焊线将该MEMS传感器的焊盘连接于该基板。
上述方案中，该基板表面的凸块通过微加工方式制备而成。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1)本发明提供的MEMS传感器倒装叠层封装结构及其制备方法，由于采用倒装焊方式将ASIC焊接到PCB基板上，减少了一次焊线工艺步骤，简化了工艺复杂度和材料成本。
2)本发明提供的MEMS传感器倒装叠层封装结构及其制备方法，由于ASIC不需要焊线到PCB基板上，可以进一步缩小芯片的封装体积，有利于最终封装尺寸的微型化。
附图说明
图1是现有技术中STLPS331A封装结构的示意图。
图2是本发明提供的MEMS传感器倒装叠层封装结构的示意图。
图3是依照本发明实施例的MEMS传感器到PCB基板的引线图。
图4是依照本发明实施例的PCB基板到ASIC的再布线线图。
图5是本发明提供的制备MEMS传感器倒装叠层封装结构的方法流程图。
图6是另一实施例中压力传感器倒装叠层封装结构的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、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，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的MEMS传感器倒装叠层封装结构及其制备方法，采用倒装焊方式将ASIC焊接到PCB基板上，减少了一次焊线工艺步骤，简化了工艺复杂度和材料成本。由于ASIC不需要焊线到PCB基板上，可以进一步缩小芯片的封装体积，有利于最终封装尺寸的微型化。
如图2所示，图2是本发明提供的MEMS传感器倒装叠层封装结构的示意图，该MEMS传感器倒装叠层封装结构包括基板、专用集成电路和MEMS传感器。其中，该基板表面具有多个凸块(Bumper)；该专用集成电路倒装焊接于该基板之上，该专用集成电路表面的焊盘与该基板表面的凸块对应扣合，实现该专用集成电路与该基板的电路连接。该MEMS传感器粘接于该专用集成电路之上，该MEMS传感器的焊盘通过焊线连接于该基板。
图2中，该MEMS传感器的焊盘首先通过焊线连接于该基板，然后再通过该基板上的布线连接于该专用集成电路的焊盘。该基板一般采用印刷电路板，即PCB基板。该基板表面的凸块是通过光刻胶涂布、曝光、显影，或电镀等微加工工艺制备而成。该基板表面的凸块可以采用柱形结构、圆锥形结构或多棱锥形结构等多种形式，当该基板表面的凸块采用柱形结构时，其顶面为多边形(例如三边形、四边形、五边形、六边形等)、圆形或椭圆形；当该基板表面的凸块采用多棱锥形结构时，可以采用正三棱锥结构或正金字塔结构。另外，该MEMS传感器可以为压力传感器、惯性传感器、气体传感器或光传感器等，该惯性传感器例如是加速度计或陀螺仪等。
再参照图2，该MEMS传感器倒装叠层封装结构的最底层是PCB基板，在PCB基板上通过微加工方式制备凸块(Bumper)，ASIC通过倒装焊的方式，倒扣在PCB基板上方。ASIC表面的焊盘与PCB基板上的凸块正好一一对应，从而实现ASIC的焊盘到PCB基板的电路连接。在ASIC芯片上方，叠放MEMS传感器，通过粘接的方式，把MEMS传感器固定在ASIC芯片的上方。MEMS传感器的焊盘通过焊线的方式，直接焊接到PCB基板上，然后再通过PCB基板上的布线，连接到ASIC的相应的焊盘。
图3是依照本发明实施例的MEMS传感器到PCB基板的引线图。压力传感器的激励信号Vext、地GND、以及差分信号输出VINP、VINN分别通过焊线的方式连接到PCB基板上。
图4是依照本发明实施例的PCB基板到ASIC的再布线线图。四个焊盘通过PCB再布线(RedistributionDesignLine，RDL)的方式分别连接到ASIC的相应的焊盘上。
显然，本发明提供的MEMS传感器倒装叠层封装结构除了应用于压力传感器外，还可以应用到其他MEMS传感器的封装上，例如惯性传感器(加速度计、陀螺仪)、气体传感器或光传感器等。
基于图2至图4所示的MEMS传感器倒装叠层封装结构，本发明还提供了制备该MEMS传感器倒装叠层封装结构的方法流程图，如图5所示，该方法包括以下步骤：
步骤1：在基板表面制备多个凸块，并在基板表面进行再布线；其中，该基板表面的凸块通过微加工方式制备而成；
步骤2：将专用集成电路倒装焊接于该基板之上，使该专用集成电路表面的焊盘与该基板表面的凸块对应扣合，实现该专用集成电路与该基板的电路连接；
步骤3：将MEMS传感器粘接于该专用集成电路之上，并采用焊线将该MEMS传感器的焊盘连接于该基板。
上述实施例中，对本发明提供的MEMS传感器倒装叠层封装结构及其制备方法进行了说明，在实际应用中，对于压力传感器而言，为了最大程度上减小应力和温度变化对传感器的影响，可以在ASIC表面利用微加工方法制备4个锚点，用于像桌腿一样支撑起MEMS传感器，尽量避免由于温度或外力对传感器的造成影响。然后在MEMS传感器的四周点上富有弹性的果冻胶(DowCorningSilicon184，1:10)进行固定，如图6所示。该富有弹性的果冻胶可以采用道康宁的一种型号为184的硅胶(DowCorningSilicon184)，其中AB组分按照质量比1：10的比例配比。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种MEMS传感器倒装叠层封装结构，包括：
基板，该基板表面具有多个凸块；
专用集成电路，倒装焊接于该基板之上，该专用集成电路表面的焊盘与该基板表面的凸块对应扣合，实现该专用集成电路与该基板的电路连接；以及
MEMS传感器，粘接于该专用集成电路之上。
2.根据权利要求1所述的MEMS传感器倒装叠层封装结构，其中，该MEMS传感器的焊盘首先通过焊线连接于该基板，然后再通过该基板上的布线连接于该专用集成电路的焊盘。
3.根据权利要求1所述的MEMS传感器倒装叠层封装结构，其中，该基板为印刷电路板。
4.根据权利要求1所述的MEMS传感器倒装叠层封装结构，其中，该基板表面的凸块通过微加工方式制备而成。
5.根据权利要求1所述的MEMS传感器倒装叠层封装结构，其中，该基板表面的凸块采用柱形结构、圆锥形结构或多棱锥形结构。
6.根据权利要求5所述的MEMS传感器倒装叠层封装结构，其中，
该基板表面的凸块采用柱形结构，其顶面为多边形、圆形或椭圆形；
该基板表面的凸块采用多棱锥形结构，是采用正三棱锥结构或正金字塔结构。
7.根据权利要求1所述的MEMS传感器倒装叠层封装结构，其中，该MEMS传感器为压力传感器、惯性传感器、气体传感器或光传感器。
8.根据权利要求7所述的MEMS传感器倒装叠层封装结构，其中，该惯性传感器为加速度计或陀螺仪。
9.一种MEMS传感器倒装叠层封装结构的制备方法，包括：
在基板表面制备多个凸块，并在基板表面进行再布线；
将专用集成电路倒装焊接于该基板之上，使该专用集成电路表面的焊盘与该基板表面的凸块对应扣合，实现该专用集成电路与该基板的电路连接；以及
将MEMS传感器粘接于该专用集成电路之上，并采用焊线将该MEMS传感器的焊盘连接于该基板。
10.根据权利要求9所述的MEMS传感器倒装叠层封装结构的制备方法，其中，该基板表面的凸块通过微加工方式制备而成。
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