用于MEMS谐振器的低应力封装结构

技术领域

本申请涉及传感器的封装领域，更具体地，涉及MEMS谐振器的低应力封装结构。

背景技术

MEMS芯片内部的可动部件与电极作为MEMS谐振器的核心结构，影响谐振器的输出性能。在封装过程的贴片工艺中，由于粘接胶的热膨胀系数与芯片材料(硅6.23ppm/K)的热膨胀系数不匹配，由固化高温冷却到室温时，粘接胶与MEMS的接触面产生热应力。热应力通过MEMS衬底层传递到MEMS的结构层—可动部件与电极。造成可动部件与电极间隙变化，进而影响输出的频率变化。

专利文献CN109355997A的发明专利提出一种采用芯片材料制作的工字形的芯片支架，将MEMS谐振器固定在封装外壳内的方法。该方法制造的MEMS谐振器件对外部形变与温度变化产生的应力不明显，稳定性好。但是这种方法是通过粘胶将芯片支架固定在封装外壳内，粘胶本身的热膨胀系数较大，在MEMS芯片的制造中会产生残余应力。专利文献CN105036060的发明专利提出一种在MEMS芯片衬底层添加一个应力隔离层的方法。该方法所用到的衬底层结构简单、制造方便、可有效降低热应力。这种方法的应力隔离层是通过四个拐角面与MEMS芯片连接，接触面积小，抗冲击能力差。专利CN116259537A提到一种二氧化硅与硅的键合方法。该方法通过在二氧化硅表面与硅表面添加锗层，实现二氧化硅与硅的键合。该方法采用的锗材料具有与硅材料几乎相同的热膨胀系数。专利文献CN112938888A提出一种在电极层和衬底上挖槽，减小电极层与衬底的接触面的方法。该方法可以减小应力对MEMS结构层的影响。但是这种方法在MEMS的芯片中引入新的的结构，该结构与与芯片材料的热膨胀系数不一致，在MEMS制造工艺中产生应力。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种用于低应力MEMS封装结构，该结构具有多级应力释放与应力隔离结构，最大化的减小封装应力对MEMS结构层的影响。

本发明提出一种适用于MEMS谐振器的低应力封装结构，从上到下依次为MEMS芯片、隔离层、粘接结构和ASIC芯片；

所述MEMS芯片包含封盖层、结构层、上下锚点层与衬底层；

所述封盖层下表面有一凹槽，所述封盖层的下表面与所述衬底层上表面通过介质层实现金硅键合并形成一个密闭的空腔；

所述封盖层有电通路，所述电通路与所述封盖层绝缘，所述电通路与所述上锚点层连接；

所述上锚点层上表面与所述封盖层连接，下表面与所述结构层连接；

所述上锚点层内部有电通路，所述电通路与锚点层绝缘；

所述上锚点层电通路实现所述结构层与所述封盖层的电连接桥梁；

所述结构层位于所述空腔中，其上表面与所述上锚点层连接，并由所述上锚点层悬挂，其下表面与所述下锚点层连接，由所述下锚点层所支撑；

所述下锚点层包含上氧化层与弹簧结构；

所述下锚点层的上氧化层与所述结构层连接，下表面与所述衬底层上表面连接；

所述锚点层之间分布有弹簧结构；

所述衬底层的上表面包含多个波浪纹结构与深槽结构，分布在锚点层接触面四周。

进一步地，所述隔离层上表面有一凹槽，与所述衬底层下表面硅硅键合形成密闭空腔；

所述凹槽位于所述隔离层中央，凹槽面有波浪纹结构。

进一步地，所述粘接结构用于所述MEMS芯片与所述ASIC芯片的连接；

所述粘接结构主要是热塑性、热固性材料，热膨胀系数为10ppm/K～100ppm/K。

附图说明

图1为本发明的MEMS谐振器低应力封装结构的一实施例的剖面示意图；

图2为图1中锚点层的剖面示意图；

图3为图1中衬底层的剖面示意图；

图4为图1中隔离层的剖面示意图；

图5为图1中隔离层的圆形凹槽示意图；

图6为图1中隔离层的方形凹槽示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1，本发明提供一种用于降低封装应力的MEMS谐振器封装结构。包含MEMS芯片1234、隔离层500、粘接结构600、ASIC芯片700。

所述MEMS芯片包含封盖层100、上锚点层201、结构层300、下锚点层202与衬底层400。

所述封盖层100下表面有一凹槽，封盖层100的下表面与衬底层400上表面金硅键合，并形成一个密闭的空腔。

所述空腔用于放置结构层300与锚点层201、202。

所述封盖层100内部通过TSV技术加工电通路，电通路与封盖层100绝缘，并与上锚点层201电连接。

所述上锚点层201同时连接封盖层100与结构层300，实现二者的电联接与结构支撑。

所述结构层300位于空腔中，其上表面与上锚点层201下表面连接，下表面与下锚点层202上氧化层连接。并由锚点层201、202提供支撑与电连接。

参见图2，所述下锚点层202与芯片材料相同，其上表面202有氧化硅层、锚点层之间有弹簧结构202b、下表面202c有氧化层。

所述下锚点层上表面202a氧化层与结构层下电极面连接，下表面202c氧化层与衬底层上表面401连接。氧化层表面溅射锗层，金属锗的热膨胀系数6.1ppm/K与芯片材料几乎相同，在低温下与结构层200键合，实现锚点层300与结构层200连接，同时产生较小的应力。

所述下锚点层202之间有弹簧结构，用于释放应力。

参见图3，所述衬底层400上表面401包含波浪纹410a、深槽410b、以及锚点接触面410c。

所述衬底层上表面401的波浪纹410a、深槽410b用于释放和隔离应力。

参见图4，所述隔离层500上表面501有一凹槽，凹槽为圆形502a(参见图5)或方形502b(参见图6)，凹槽面有波浪纹502。

所述隔离层500上表面501与衬底层400下表面硅硅键合，并形成一个空腔，用于隔离应力。

所述粘接结构600作用是将MEMS芯片1234固定在ASIC芯片700上，粘接结构通常是热塑性、热固性树脂材料，热膨胀系数处于10～100ppm/K之间，是MEMS芯片封装应力的主要来源。