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一种基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器.pdf

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一种 基于 硅硅键合 隔离 封装 应力 压力传感器
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摘要
申请专利号:

CN201410306360.4

申请日:

2014.07.01

公开号:

CN104132768A

公开日:

2014.11.05

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法?#19978;?#24773;: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01L 9/06申请日:20140701|||公开
IPC分类号: G01L9/06; G01L19/04 主分类号: G01L9/06
申请人: 苏州大学
发明人: 郭述文; 周铭
地址: 215123 江苏省苏州市工业园区仁爱路199号
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: 苏州创元专利商标事务所有限公司 32103 代理人: 范晴
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法律状态
申请(专利)号:

CN201410306360.4

授权公告号:

||||||

法律状态公告日:

2017.03.29|||2014.12.10|||2014.11.05

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明公开了一种基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器,包括芯片层和支撑层,所述支撑层表面刻蚀出一块用于硅硅键合的凸块,所述支撑层的其他区域与芯片层之间有间隙。这种结构可以避免过多的考虑材料的选择(如低应力的封装衬底和低应力的粘接剂),在较?#36164;?#29616;高效热隔离的同时,能抗较大的冲击,因此有广泛的应用场合。

权利要求书

权利要求书
1.  一种基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器,包括芯片层和支撑层,其特征在于,所述支撑层表面刻蚀出一块用于硅硅键合的凸块,所述支撑层的其他区域与芯片层之间有间隙。

2.  根据权利要求1所述的基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器,其特征在于,所述凸块周围刻蚀有深槽。

3.  根据权利要求1所述的基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器,其特征在于,所述支撑层与芯片层的间隙为0.1-2um。

4.  根据权利要求1或3所述的基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器,其特征在于,所述支撑层与芯片层的间隙内设有至少一个凸尖。

5.  根据权利要求1所述的基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器,其特征在于,所述凸块为方形或者圆形。

6.  根据权利要求1或2或5所述的基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器,其特征在于,所述凸块位于支撑面的边角。

7.  根据权利要求1或2或5所述的基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器,其特征在于,所述凸块的键合面积占芯片面积的1%-10%,典型值4%。

8.  根据权利要求2所述的基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器,其特征在于,所述深槽的刻蚀深度为10-100um。

说明书

说明书一种基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器
技术领域
本发明属于硅微机械传感器技术领域,具体涉及一种基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器。
背景技术
压阻式压力传感器由于其是DC元件且具良好的线性性而被广泛使用。但压阻式传感器不仅?#28304;?#27979;应力敏感,还对热应力敏感。为了提高传感器的精度和?#31181;?#28909;零漂移,减小在封装过程中由材料热不匹配带来的热应力是非常必要的。
众所周知,MEMS传感器芯片的封装应力来源于封装材料与硅芯片的热膨胀系数不匹配。MEMS传感器硅芯片通常是采用各种不同的粘接材料?#31243;?#20110;衬底之上,然后经过一定的温度烧结使之固化。因材料的热不匹配在封装过程中引入的热应力显而易见,而传感器敏感区域的任何形式的应力都会对传感器的精度和稳定度产生影响。对于高精度、高温MEMS传感器而言,这种由于封装材料与MEMS传感器芯片的热膨胀系数失配造成的热应力对器件性能的影响特别大,这使得芯片结构和封装的应力隔离设计显得尤为重要。必须采取措施来减小敏感元件区的热应力。传统减小热应力的方法有以下几类:(1)选用低?#20161;?#37197;的衬底材料,即与硅的热膨胀系数接近的合金材料如?#36335;?#21512;金(KOVAR)、低温共烧陶瓷等;但是这种方法的成本比较高。
(2)选用低应力的柔性粘接材料如软性硅胶等;使用柔性粘接剂有粘接强度弱的缺点,而且柔性粘接剂不适合有剪切应力的应用场合。
(3)增?#26377;?#29255;的厚度,使得芯片敏感层面远离衬底粘?#29992;媯?#20174;结构上,采用高深宽比的支撑层连接传感芯片和封装管壳,如图1所示,支撑层和芯片层通过阳极键合方式键合,制作工?#21344;?#21333;,成?#38236;停?#26377;较高的连接强度,使用范围较广。较厚的支撑层可以释放并隔离热应力,因而这种结构属于纵向隔离。缺点在于,当支撑层不是硅材料时,如使用Pyrex,由于阳极键合温度较高,会不可避免的引入残余热应力。另外,在高压应用场合,压力不仅作用于敏感膜片,同样作用于支撑层表面的压力产生的应力会传递至敏感区,对传感器的灵敏度和精度造成影响。图2所示结构通过减小支撑层和管壳的粘?#29992;?#31215;可进一步?#26723;?#28909;应力,但同?#24065;不嶠档?#33455;片的粘接强度。
(4)基于横向V型解耦结构释放应力,把芯片设计?#21830;?#24418;结构;这种结构增加了工艺的复?#26377;?#21644;减小了与管壳的粘?#29992;?#31215;,?#26723;土苏?#25509;强度。
(5)把芯片的敏感层设计成悬臂梁结构或者在沾片时仅把芯片的一端固定起来。不足之处在于增加了芯片面积,而且需要较为复杂的刻蚀工艺来制作悬臂梁结构。
发明内容
本发明目的是:提供一种减小芯片面积、?#36879;?#28201;、工?#21344;?#21333;、成?#38236;汀?#39640;效热应力隔离的基于硅硅键合的减少封装应力的压力传感器。
本发明的技术方案是:一种基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器,包括芯片层和支撑层,所述支撑层表面刻蚀出一块用于硅硅键合的凸块,所述支撑层的其他区域与芯片层之间有间隙。
进一步的,所述凸块周围刻蚀有深槽。
进一步的,所述支撑层与芯片层的间隙为0.1-2um。
进一步的,所述支撑层与芯片层的间隙内设有至少一个凸尖。
进一步的,所述凸块为方形或者圆形。
进一步的,所述凸块位于支撑面的边角。
进一步的,所述凸块的键合面积占芯片面积的1%-10%,典型值4%。
进一步的,所述深槽的刻蚀深度为10-100um。
本发明的优点是:
该种结构的压力传感器键合区域放置于芯片的边角,通过减小键合面积和深沟槽刻蚀减小因材料热膨胀系数不匹配而产生的热应力,这种结构可以避免过多的考虑材料的选择(如低应力的封装衬底和低应力的粘接剂),在较?#36164;?#29616;高效热隔离的同时,能抗1000g的冲击,为防止在后期引线键合工艺中间隙对结构的影响,在支撑层芯片1-2um间隙区域制作一系列用于防止应变过大导致键合区域断裂的小尖针保护结构。这种结构虽然增加了厚度,但是该结构具有?#36879;?#28201;,芯片面积小,成?#38236;停?#39640;效热应力隔离等优点,对于高精度、高温MEMS传感器而言,效果更加突出,因?#21496;?#26377;广泛的应用场合。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:
图1是现有增?#26377;?#29255;的厚度的压力传感器的结构示意图;
图2是现有减少支撑层和管壳的粘?#29992;?#31215;的压力传感器的结构示意图;
图3是本发明基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器的?#36866;?#22270;;
图4是本发明基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器的热应力与键合位置的关系曲线图;
图5是本发明基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器的热应力与键合面积的关系曲线图;
图6是本发明基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器的热应力与深槽刻蚀深度的关系曲线图;
图7是本发明基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器的最佳尺寸小方块设置在边角的隔离结构热应力随温度的变化的曲线图。
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了,下面结合具体实施方式并参照附图,对本发明进一?#36739;?#32454;说明。应该理解,这些描述只是示例性的,而并非要限制本发明的范围。此外,在以?#28388;?#26126;中,省略了对公知结构和技术的描述,以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例:如图3所述的基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器,该结构由芯片层1和支撑层2组成,在支撑层2表面刻蚀出一块用于硅硅键合的小方块3(刻蚀的形状可以根据传感器的结构而定,例如支撑层为方形,则刻蚀的形状可以为方形,支撑层为圆形,则刻蚀的形状可以为圆形),在小方块3周围刻蚀一深槽4,使得粘?#29992;?#23567;于芯片面积,支撑层2的其他区域则与芯片层1保持0.1-2um的间隙,为防止在后期引线键合工艺中间隙对结构的影响,在支撑层芯片0.1-2um间隙区域制作一系列用于防止应变过大导致键合区域断裂的小凸尖5保护结构。支撑层2通过粘接剂6粘接在封装管壳7上,鉴于高温高压的恶劣使用环?#24120;?#21487;以使用TO形式的管壳封装。
在芯片层1与支撑层2键合后,对高温压力传感器,使用金锡合金作为粘接剂剂粘接整个芯片与不锈钢材质的TO引线框架。金锡合金粘接温度280℃,即280℃时整个组件零应力,随着温度冷却至室温,产生的热应力传递?#21015;?#29255;层敏感区。
对于高精度、高温MEMS传感器而言,由于封装材料与MEMS传感器芯片的热膨胀系数失配造成的热应力对器件性能的影响特别大,由于为高温压力传感器,支撑层2芯片通过粘接剂6AuSn合金粘接在钢材质的管壳7上。由于粘接剂的工艺温度较高,且材料之间的热膨胀系数不一致,热应力不可避免。下面以高温压力传感器为例对该隔离结构进行分析。
1、键合位置的选取
键合区域可放置在芯片上的?#25105;?#30456;对位置。图4为当键合面积(200x200um)和刻蚀的深槽深度(50um)不变时,键合区域的位置对传递至敏感膜片上A,B,C三点的热应力的影响。从图中曲线可以看出,随着键合区域靠近芯片的边角,A,B,C三点处的热应力均有明显减小,即在获得同等的热应力隔离效果时,相比将键合区域放置在芯片中心,将键合区域放置在边角可以获得较大的键合面积,从而获得更大的键合强度。
2、键合面积对热应力的影响
图5为芯片层与支撑层键合面积大小对压阻敏感区域热应力的影响。可见,如果两层直接键合,由后期封装产生的热应力在传递至敏感区域会引入约60MPa的应力,这对于硅300-400MPa的最大安全应力来讲,势必会产生很大的影响。对于高温压力传感器,如果不做补偿,将会?#26723;?#20256;感器的精度和温度特性。
同时,从图5中也可看出,当小方块的高度(刻蚀深度)一致时,随着键合面积的减小,热应力明显减小。在键合面积为290x290um(约芯片面积的4%)时,在传感器敏感区的热应力?#26723;?#33267;0.03MPa左右,相比直接键合热应力?#26723;?#20102;103量级,为设计的最大法向应力值300-400MPa的万?#31181;?#19968;,可大大提高传感器的精度。如果进一步将键合面积减小,热应力将几乎被完全隔离。
3、深槽刻蚀深度对结构的影响
图6是本发明基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器的热应力与深槽刻蚀深度的关系曲线图,由图6可知,深槽刻蚀的越深,热应力隔离效果越好,?#22791;?#24230;大于50um时,隔离效果相差不大,考虑到抗冲击性能等因素,高度宜取在在50-100um之间。
图7是本发明基于硅硅键合的隔离封装应力的压力传感器的最佳尺寸小方块设置在边角的隔离结构热应力随温度的变化的曲线图。
结合上述分析,取290x290x50um尺寸的隔离结构,图7中曲线显示了在20oC-280oC的温度范围内热应力的变化,采用该热应力隔离结构后,由于温度变化带来的热应力的变化被大大的削弱,虽然在不同温度热应力仍有微小变化,但在高温压力传感器的整个工作温度范围内都能将传递至压阻敏感区域的热应力控制在我们的期望值(0.03MPa)以内,从而不仅提高了传感器的精度,还改善了传感器的温度特性。同时,在此基础上,如果进一步减小键合面积和增大深槽刻蚀深度,可获得更佳的热应力隔离效果。
这种减小热应力的方法具有芯片面积小、?#36879;?#28201;、成?#38236;?#26131;加工、高效热应力隔离等诸多优点,有着广泛的应用前景。
应当理解的是,本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例?#36816;?#26126;或解释本发明的原理,而不构成对本发明的限制。因此,在不偏离本发明的精神和范围的情况?#28388;?#20570;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。此外,本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

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