CN109850839B - 微机电传感器封装结构及制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种微机电传感器封装结构及制造方法，该微机电传感器封装结构包括：第一基板；第二基板，所述第二基板设置在所述第一基板的一侧；壳体，所述壳体设置在所述第一基板的另一侧，所述壳体与所述第一基板之间形成空腔；芯片，所述芯片设置在所述壳体内侧，位于所述空腔内，并经由金属线与所述第一基板电连接；其中，所述第一基板上设置有第一通孔，所述第一通孔的面积大于所述芯片的面积，所述第一通孔的位置与所述芯片位置相对应。使原本需要逐个生产的微机电传感器封装结构可以实现整板的批量生产，有利于控制生产产品的一致性，提高了生产效率和产品良率，并简化了工艺流程，降低了生产成本。

Description

微机电传感器封装结构及制造方法

技术领域

本发明涉及微机电传感器技术领域，更具体地，涉及一种微机电传感器封装结构及制造方法。

背景技术

微机电传感器组件的封装具有不同功能。封装保护组件免受机械的和化学的环境影响。此外，封装的结构类型确定了如何安装和接通所有组件。在此结构中特别重要的是壳体。在微机电传感器中，壳体承担着一部分传感器功能，起到传递和缓冲声音、压力、加速度等物理信息的作用，因为传感器敏感芯片最终接收到的非电物理量也会由壳体的构型决定性地确定。由此，壳体对微机电传感器的传递特性及性能具有重要影响。

以麦克风封装结构为例，在现有技术中，其壳体多为散装设计，并非像基板一样采用整板设计，在进行批量作业时，需通过工装治具将多个壳体对齐，并等高固定，才可进一步地使其与基板连接，工艺流程繁琐。且部分封装结构中包括一个壳体和多层基板，需采用多次压合对位的方式进行连接，由于压合对位的次数较多，其累计误差较高，影响了工艺生产的效率和产品良率。当然地，现有技术中也有采用整版设计的壳体，但生产该整版的壳体，涉及额外的加工工艺及技术，壳体材料及性能受限，且生产良率低，生产成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种微机电传感器封装结构及制造方法，以解决现有技术中存在的生产成本高、工艺流程复杂、产品良率低、一致性差、生产效率低的问题。提高微机电传感器封装结构的生产效率、产品良率并简化工艺流程、降低其生产成本。

一方面，本发明提供一种微机电传感器封装结构，其特征在于，包括：

第一基板；

第二基板，所述第二基板设置在所述第一基板的一侧；

壳体，所述壳体设置在所述第一基板的另一侧，所述壳体与所述第一基板之间形成空腔；

芯片，所述芯片设置在所述壳体内侧，位于所述空腔内，并经由金属线与所述第一基板电连接；

其中，所述第一基板上设置有第一通孔，所述第一通孔的面积大于所述芯片的面积，所述第一通孔的位置与所述芯片位置相对应。

优选地，所述芯片包括MEMS芯片和ASIC芯片，所述MEMS芯片、ASIC芯片以及第一基板通过所述金属线电连接。

优选地，所述壳体设置有第二通孔，所述第二通孔位于所述MEMS芯片内侧。

优选地，所述第一基板中第一通孔的侧面及所述第一基板一侧的至少部分区域设置有第一金属层，所述第一基板的另一侧设置有第二金属层。

优选地，所述第二基板与所述第一基板相邻一侧的至少部分区域设置有第三金属层。

优选地，所述第一金属层的部分区域设置有第一阻焊层，所述第三金属层的部分区域设置有第二阻焊层，至少部分所述第二阻焊层的位置与所述第一阻焊层的位置相对应。

优选地，所述第一阻焊层与第二阻焊层以及第三金属层的厚度之和，不小于所述金属线的线弧高度。

另一方面，本发明还提供一种微机电传感器封装结构的制造方法，其特征在于，包括：

将多个壳体与第一基板相连；

在所述多个壳体上分别贴装芯片；

将所述芯片与所述第一基板电连接；

将第二基板与所述第一基板相连，形成半成品；

对半成品进行切割分离，以获取多个独立的微机电传感器封装结构；

其中，所述第一基板与所述壳体之间形成多个空腔，所述芯片位于所述空腔中，所述第一基板与所述第二基板相对应，所述第一基板与所述第二基板均包括多个微机电传感器单元。

优选地，所述芯片包括MEMS芯片和ASIC芯片，采用表面贴装技术设置在所述壳体上，所述MEMS芯片、所述ASIC芯片以及所述第一基板之间通过金属线相连接。

优选地，所述第一基板与所述第二基板相邻一侧的部分区域设置有第一金属层，所述第一金属层的部分区域设置有第一阻焊层；所述第二基板与所述第一基板相邻的一侧设置有第三金属层，所述第三金属层的部分区域设置有第二阻焊层；所述第一阻焊层与第二阻焊层以及第三金属层的厚度之和，不小于所述金属线的线弧高度。

优选地，所述壳体与所述第一基板之间、所述第一基板与所述第二基板之间通过连接材料相连接，所述连接材料包括锡膏、导电胶、绝缘胶中的至少一种。

优选地，按需要决定是否使用导电的连接材料，在完成机械连接的同时设置电气连接。

优选地，所述第一基板与所述第二基板通过单次压合对位的方式相连接，以减少误差。

本发明实施例提供的微机电传感器封装结构及制造方法，通过采用该封装结构设计，在使用常规的工艺方法和物料的情况下，使原本需要逐个生产的微机电传感器封装结构实现了批量生产，有利于控制生产产品的一致性，提高了生产效率和产品良率，进一步地，第一基板与所述第二基板通过单次压合对位的方式相连接，减少了误差，并简化了工艺流程，降低了生产成本。

进一步地，该封装结构设计中，各部件间并无特殊的纵向尺寸匹配的需求，且需切割分离的部分的材料相类似，需切割分离部分与壳体底面之间具有一定的高度差，可通过设置刀具的进给量，针对性的对需切割分离部分进行切割。同时，在第一基板和第二基板的边缘还可设置定位标识，可显著提高基板之间的对位精度。通过网板进行连接材料(锡膏)的涂设，可以有效的控制连接材料的厚度及均匀性，保证产品的连接质量。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出了本发明实施例的微机电传感器封装结构的示意图。

图2示出了本发明实施例的微机电传感器封装结构的制造方法的示意图。

图3示出了本发明实施例第一基板与壳体相连的局部示意图。

图4a示出了本发明实施例贴装芯片的局部示意图。

图4b示出了本发明实施例金属线设置的局部示意图。

图5示出了本发明实施例第二基板与第一基板相连的局部示意图。

图6示出了本发明实施例进行切割分离的局部示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。

应当理解，在描述结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。

如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“直接在……上面”或“在……上面并与之邻接”的表述方式。

在下文中描述了本发明部分实施例的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

图1示出了本发明实施例的微机电传感器封装结构的示意图，该微机电传感器封装结构100包括：第一基板110、第二基板120、壳体130和芯片140。其中，第一基板110的上表面与第二基板120的下表面相邻，第一基板110的下表面与壳体130相邻，壳体130与第一基板110之间形成空腔，芯片140设在壳体130内侧，位于该空腔内。

当然地，第一基板110上设置有第一通孔111，第一通孔111的位于芯片140的上方，第一通孔111的面积大于芯片140的面积，以便于芯片140的贴装。第一基板的上表面的部分区域设置有第一金属层112，进一步地，第一金属层112还可延伸设置于第一通孔111的侧壁上，部分第一金属层112上还设置有第一阻焊层1121。第一基板110的下表面上还设置有第二金属层113，用于通过连接材料150与壳体130相连。

第二基板120的下表面设置有第三金属层121，部分第三金属层121上还设置有的第二阻焊层1211，部分第二阻焊层1211与第一阻焊层1121相对应，第二基板120在未被第二阻焊层1211覆盖的部分第三金属层121上通过连接材料150与第一基板110上的第一金属层相连接。

壳体130例如为瓶盖状，包括第二通孔131，壳体130边缘的上表面与第一基板110下表面上的第二金属层通过连接材料150相连接，使壳体130与第一基板110之间形成空腔，芯片140设置在壳体130内侧，位于该空腔内。芯片140例如包括MEMS芯片141和ASIC芯片142，其中，MEMS芯片141、ASIC芯片142以及第一基板110的第一金属层112依次通过金属线143电连接，第二通孔131位于MEMS芯片141内侧。

连接材料150包括焊锡、锡膏、导电胶、绝缘胶等，通过连接材料150在需要连接的部件之间设置相应的机械连接，并可按需要决定是否使用导电的连接材料150，在设置机械连接的同时设置相应的电气连接。

进一步地，由于芯片140通过金属线143与第一基板110上的第一金属层112电连接，故第一阻焊层1121与第二阻焊层1211以及第三金属层121的厚度之和，应不小于金属线143的线弧高度，以为金属线143的设置预留足够的空间。

壳体130例如通过焊锡与第一基板110下表面的第二金属层113相连，第二基板120例如通过在第三金属层上涂设焊锡膏后，与第一基板110的上表面进行压合对位，并进行回流焊使焊锡膏固化，完成第一基板120与第一基板110之间的连接。

图2示出了本发明实施例的微机电传感器封装结构的制造方法的示意图，具体步骤包括：

S10将多个壳体与第一基板相连；第一基板110为拼板设计，包括多个微机电传感器单元，在每一个微机电传感器单元的对应位置均设置有与壳体130相连的第二金属层113，每个壳体130与第一基板110上的一个微机电传感器单元相连，其连接材料150例如为焊锡，通过焊锡焊接的方式将多个壳体130分别连接至第一基板110中对应的微机电传感器单元上。

S20在多个壳体上分别贴装芯片；芯片140例如包括MEMS芯片141和ASIC芯片142，第一基板110上设置有第一通孔111，第一通孔111的位置与芯片140的位置相对应，例如位于芯片140的上方，第一通孔111的面积大于芯片140的面积，以便于芯片140的贴装。以一个微机电传感器单元为例，透过第一通孔111在壳体130的内侧设置芯片140，例如采用SMT(surface mounting technology：表面安装技术)的方式将MEMS芯片141和ASIC芯片142贴装于壳体130的内侧。当然地，壳体130上设置有第二通孔131，第二通孔131位于MEMS芯片141内侧。

S30在芯片与第一基板的表面之间形成金属连线；具体地，可以在MEMS芯片141与ASIC芯片142之间，以及ASIC芯片142与第一基板110表面的第一金属层112之间设置金属连线，通过金属线143将芯片140与第一基板110表面的第一金属层112电连接，形成相应的导电通道。

S40将第二基板与所述第一基板相连，以制成半成品；第二基板120例如为与第一基板110同样的拼板设计，第二基板120与第一基板110相对应，同样具有多个多个微机电传感器单元。当然地，可预先在第二基板上设置需要的电容电阻等元器件后，再将其与第一基板110进行连接。第二基板120与第一基板110之间例如通过锡膏，在第二基板120与第一基板110对位压合后，通过回流焊的方式相连。

S50对半成品进行切割分离，获取多个独立的微机电传感器封装结构。由于第一基板110和第二基板120均采用拼板设计，故在上一步中第二基板与第一基板连接完成后需要对连接后获得的半成品进行切割分离，以获取独立的微机电传感器封装结构。由于第一基板110与第二基板120的材质基本相同，可使用对应的刀具通过一次进给即可完成半成品的切分。

其中，微机电传感器封装结构的制造并非一定按照S10-S50的步骤顺序进行，例如可将步骤S10与步骤S20的顺序互换，同样不影响该微机电传感器封装结构的制造。

该制造方法使原本需要逐个生产的微机电传感器封装结构可以实现整板的批量生产，有利于控制生产产品的一致性，提高产品良率，且其涉及的尺寸匹配也是常规的回流焊工艺可解决的问题，具有很强的生产稳定性和实用性。

图3示出了本发明实施例第一基板与壳体相连的局部示意图。第一基板110例如通过原材料加工而成，原材料例如采用PCB板材，第一基板110的边缘区域与工艺边类似，可设置相应的定位标记以保证其与其余部件之间的对位精度。

图中所示为第一基板110的局部截面图，横向包括3个微机电传感器单元，以一个微机电传感器单元为例，第一基板110上设置有第一通孔111，在第一基板一侧的部分区域，以及第一通孔111的侧面均设置有第一金属层112，第一金属层112上还设置有第一阻焊层1121，第一基板110的另一侧的部分区域设置有第二金属层113，作为与壳体130相连的焊盘。将第一基板110具有第一金属层112的一面朝下，壳体130的内表面朝向第一基板110的第二金属层113，并将壳体130的边缘对准第二金属层113，通过连接材料150将壳体130与第一基板110相连，连接材料150例如为焊锡，将壳体130的边缘焊接至第二金属层113上，使壳体130与第一基板110之间形成空腔。壳体130上设置有第二通孔131，第二通孔131位于第一通孔111的上方，第二通孔131的面积小于第一通孔111的面积。

图4a示出了本发明实施例贴装芯片的局部示意图。将连接后的壳体130和第一基板110进行翻转，使壳体130外侧朝下，第一基板110的第一金属层112朝上，在壳体130的内侧贴装芯片140。同样地，以一个微机电传感器单元为例，壳体130已经与第一基板110相连，两者之间形成了相应的空腔，穿过第一基板110上的第一通孔111，在与第一通孔111相对的壳体130的内侧位置贴装芯片140，当然地，芯片140的(投影)面积小于第一通孔111的(投影)面积，芯片140例如包括MEMS芯片141和ASIC芯片142，采用SMT的方式进行贴装，并通过回流焊进行固化。SMT贴装方式比Diebond等其他贴片方式更高效，也更有利于控制生产的一致性。壳体130包括第二通孔131，在贴装MEMS芯片141时，使第二通孔131位于MEMS芯片141内侧。

在芯片140贴装完成后，设置金属线143，将MEMS芯片141、ASIC芯片142以及第一基板110表面的第一电极层112依次电连接。第一金属层112可包括多个相连或独立的焊盘，由于后续步骤中会将第二基板120设置于第一基板110的上方，故ASIC芯片142与第一基板110表面的第一电极层112之间的金属线143存在被(第二基板120)压伤的风险，导致其与第一通孔111侧壁的第一金属层112相接触，造成短路。优选地，如图4b所示，将设置于第一通孔111侧壁的第一金属层112的纵向尺寸减小，使其与第一基板110的表面具有一定的距离，从而避免短路风险以及金属线143被压伤情况的发生。

图5示出了本发明实施例第二基板与第一基板相连的局部示意图，之前已描述部分在此不再赘述。第二基板的一侧表面的部分区域设置有第三金属层121，部分第三金属层121上设置有第二阻焊层1211，以第二基板与第一基板之间的连接材料150选用锡膏为例，在部分第三金属层121中未覆盖有第二阻焊层1211的位置涂设锡膏，进一步地，锡膏还可以通过网板进行涂设，使用网板涂设锡膏，比画锡膏、画胶或其他方式更高效，也更有利于控制生产的一致性。同样地，第二基板120的边缘区域也设置有与工艺边类似的结构，其与第一基板110的边缘区域相对应。

将第二基板120中设置有第三金属层121的一侧朝下，与第一基板110具有第一金属层112的一侧对位设置并进行压合，采用回流焊的方式使锡膏固化，从而使第二基板120与第一基板110相连。第一基板110与第二基板120之间采用单次压合对位并进行回流焊的连接方式以减少多次压合对位造成的累计误差，有利于提高产品良率。

当然地，可在第二基板120与第一基板110连接之前，预先在第二基板120上设置所需的电容、电阻、二极管等电气元器或芯片，并对电气元件或芯片进行封胶等操作，在第二基板120上的器件设置完成后再进行与第一基板110的组合和连接。

进一步地，通过第一阻焊层1121和第二阻焊层1211以及第三金属层121保证芯片140所在区域的空间尺寸。具体地，第一阻焊层1121、第二阻焊层1211与第三金属层121的厚度之和应不小于金属线143的线弧高度。

图6示出了本发明实施例进行切割分离的局部示意图。在对半成品进行切割分离时，将壳体130的外表面朝下，直接与下方的薄膜210贴合，通过薄膜210防止杂物进入第二通孔131。通过刀具220将半成品中的多个微机电传感器单元进行切割分离，以获取独立的微机电传感器封装结构100。

第一基板110和第二基板120一般均选用PCB材料，刀具220可选用钢刀或其他硬质刀具，具体地，又由于第一基板110和第二基板120距离薄膜210之间有一定的距离，故可通过设置刀具220的进给深度，在不损伤薄膜210的情况下，完成对第一基板110和第二基板120的切割，使得半成品中的多个微机电传感器封装结构彼此分离。

在以上的描述中，对于各器件的构图、切割等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。

以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等效限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种微机电传感器封装结构，其特征在于，包括：

第一基板；

第二基板，所述第二基板设置在所述第一基板的一侧；

壳体，所述壳体设置在所述第一基板的另一侧，所述壳体与所述第一基板之间形成空腔；

芯片，所述芯片设置在所述壳体内侧，位于所述空腔内，并经由金属线与所述第一基板电连接；

其中，所述第一基板上设置有第一通孔，所述第一通孔的面积大于所述芯片的面积，所述第一通孔的位置与所述芯片位置相对应；所述芯片包括MEMS芯片和ASIC芯片，所述MEMS芯片、ASIC芯片以及第一基板通过所述金属线电连接；所述第一基板中第一通孔的侧面及所述第一基板一侧的至少部分区域设置有第一金属层，所述第一基板的另一侧设置有第二金属层，所述第二基板与所述第一基板相邻一侧的至少部分区域设置有第三金属层，所述第一金属层的部分区域设置有第一阻焊层，所述第三金属层的部分区域设置有第二阻焊层，至少部分所述第二阻焊层的位置与所述第一阻焊层的位置相对应，所述第一阻焊层与第二阻焊层以及第三金属层的厚度之和，不小于所述金属线的线弧高度，所述第一基板与所述第二基板通过单次压合对位的方式相连接，以减少误差。

2.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述壳体设置有第二通孔，所述第二通孔位于所述MEMS芯片内侧。

3.一种微机电传感器封装结构的制造方法，其特征在于，包括：

将多个壳体与第一基板相连；

在所述多个壳体上分别贴装芯片；

将所述芯片与所述第一基板电连接；

将第二基板与所述第一基板相连，形成半成品；

对半成品进行切割分离，以获取多个独立的微机电传感器封装结构；

其中，所述第一基板与所述壳体之间形成空腔，所述芯片位于所述空腔中，所述第一基板与所述第二基板相对应，所述第一基板与所述第二基板均包括多个微机电传感器单元。

4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述芯片包括MEMS芯片和ASIC芯片，采用表面贴装技术设置在所述壳体上，所述MEMS芯片、所述ASIC芯片以及所述第一基板之间通过金属线相连接。

5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述第一基板与所述第二基板相邻一侧的部分区域设置有第一金属层，所述第一金属层的部分区域设置有第一阻焊层；所述第二基板与所述第一基板相邻的一侧设置有第三金属层，所述第三金属层的部分区域设置有第二阻焊层；所述第一阻焊层与第二阻焊层以及第三金属层的厚度之和，不小于所述金属线的线弧高度。

6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述壳体与所述第一基板之间、所述第一基板与所述第二基板之间通过连接材料相连接，所述连接材料包括锡膏、导电胶、绝缘胶中的至少一种。

7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，按需要决定是否使用导电的连接材料，在完成机械连接的同时设置电气连接。

8.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述第一基板与所述第二基板通过单次压合对位的方式相连接，以减少误差。