MEMS传感器及其封装结构 |
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| 申请号 | CN202110191010.8 | 申请日 | 2021-02-19 | 公开(公告)号 | CN113003530B | 公开(公告)日 | 2024-05-03 |
| 申请人 | 苏州敏芯微电子技术股份有限公司; | 发明人 | 梅嘉欣; | ||||
| 摘要 | 本 申请 公开了一种MEMS 传感器 及其封装结构，该封装结构包括：壳体，具有第一 基板 、第二基板以及连接第一基板与第二基板的连接板，第一基板的内表面、第二基板的内表面以及连接板的内表面形成空腔，第一基板和第二基板分别沿着壳体的顶面向壳体的底面的方向延伸，第一基板的内表面和/或第二基板的内表面具有导电区；至少一个 电极 ，位于空腔外，并设置在壳体的底面，壳体的底面至少包括连接板的其中一个外表面；以及至少一个导电结构，用于分别经第一基板和/或第二基板将电极电连接至相应导电区。该封装结构简化了MEMS传感器的走线，进而增加了MEMS传感器的可靠性、降低了工艺流程的复杂程度、降低了成本。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种MEMS传感器的封装结构，包括： |
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| 说明书全文 | MEMS传感器及其封装结构技术领域背景技术[0002] 基于微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)制造的传感器被称为MEMS传感器，MEMS传感器由于极小的体积、良好的性能而被受重视。MEMS传感器通常包括微机电结构芯片以及与微机电结构电连接的信号处理芯片，为了防止芯片的破碎、减少环境对芯片的干扰，需要通过设置封装结构保护MEMS传感器中的微机电结构芯片电和信号处理芯片，同时还需要通过封装结构使得信号处理芯片与外界形成电学连接。 [0003] 如图10所示，在一些现有技术中，MEMS传感器的封装结构由上基板1、连接板2以及下基板3构成，其中，MEMS传感器中的微机电结构芯片4、信号处理芯片5以及滤波电容6均固定在上基板1的内表面。为了实现MEMS传感器从无通孔1d的一侧进行贴装或者从有通孔1d的一侧进行贴装，需要将输出信号灵活地引致上基板1或下基板3的外表面。为了满足上述需求，分别设置了贯穿上基板1的导电柱1a和导电柱1b、位于上基板1外表面并电连接导电柱1a与导电柱1b的贴装焊盘1c、贯穿连接板2的导电柱2a、贯穿下基板3的导电柱3b以及位于下基板3外表面的贴装焊盘3b，从而使得输出信号可以经导电柱1a引致贴装焊盘1c，还可以依次经过导电柱1a、贴装焊盘1c、导电柱1b、导电柱2a以及导电柱3a引致贴装焊盘3b。 [0004] 然而，由于微机电结构芯片4、信号处理芯片5以及滤波电容6均固定于上基板1，导致上基板1所占用的面积较大，并且该MEMS传感器在上基板1、连接板板2以及下基板3中设置了较多的导电柱，使得传递输出信号的走线设置较为复杂、走线之间的干扰较多、进而降低了MEMS传感器的可靠性、提高了工艺流程的复杂程度、提高了成本。 [0006] 有鉴于此，本发明提供了一种MEMS传感器及其封装结构，其具有基板占用面积小，工艺流程简单，成本低，可靠性高的优点。 [0007] 根据本发明实施例的一方面，提供了一种MEMS传感器的封装结构，壳体，具有第一基板、第二基板以及连接所述第一基板与所述第二基板的连接板，所述第一基板的内表面、所述第二基板的内表面以及所述连接板的内表面形成空腔，所述第一基板和所述第二基板分别沿着所述壳体的顶面向所述壳体的底面的方向延伸，所述第一基板的内表面和/或所述第二基板的内表面具有导电区；至少一个电极，位于所述空腔外，并设置在所述壳体的底面，所述壳体的底面至少包括所述连接板的其中一个外表面；以及至少一个导电结构，用于分别经所述第一基板和/或所述第二基板将所述电极电连接至相应所述导电区。 [0008] 可选地，所述导电结构至少包括以下部件中的一种或组合：所述第一基板的内表面设置的导线、所述第一基板的内部设置的导线、所述第一基板的外表面设置的导线、所述第二基板的内表面设置的导线、所述第二基板的内部设置的导线、所述第二基板的外表面设置的导线。 [0009] 可选地，所述导电结构还包括以下部件中的一种或组合：所述连接板的内表面设置的导线、所述连接板的内部设置的导线、所述连接板与所述第一基板相对的表面设置的导电体、所述连接板与所述第二基板相对的表面设置的导电体。 [0010] 可选地，所述壳体的底面还包括所述第一基板和/或所述第二基板沿厚度方向的表面。 [0012] 可选地，所述壳体的底面具有平面与凹槽，每个所述电极覆盖所述凹槽的表面且相邻所述电极被所述平面分隔。 [0013] 可选地，还包括电磁屏蔽层，至少部分位于所述连接板的内表面，与所述第一基板和所述第二基板固定连接。 [0014] 可选地，所述第一基板与所述连接板为一体结构，或所述第二基板与所述连接板为一体结构。 [0015] 可选地，所述壳体上设置有至少一个通孔。 [0016] 根据本发明实施例的另一方面，提供了一种MEMS传感器，如上所述的封装结构；以及电连接的微机电结构与信号处理芯片，所述微机电结构与所述信号处理芯片均位于所述空腔中。 [0017] 可选地，所述微机电结构包括麦克风芯片、压力传感器芯片、骨传导芯片中的至少之一。 [0018] 可选地，所述壳体上设置有至少一个通孔。 [0019] 可选地，所述第一基板与所述第二基板之一用于承载所述微机电结构，且所述通孔的轴线与所述微机电结构的感应膜表面互不平行。 [0020] 可选地，所述轴线与所述感应膜的表面垂直。 [0021] 可选地，所述信号处理芯片与所述微机电结构均位于所述第一基板或所述第二基板上；或者所述信号处理芯片位于所述第一基板与所述第二基板中的一个，所述微机电结构位于第一基板与所述第二基板中的另一个。 [0022] 根据本发明实施例提供的MEMS传感器及其封装结构，该封装结构的壳体通过第一基板、第二基板以及连接板构成，第一基板和第二基板分别沿着壳体的顶面向着设置有电极的底面的方向延伸，并利用第一基板和/或第二基板将导电区电连接至壳体底面的电极，从而简化了MEMS传感器的走线，进而增加了MEMS传感器的可靠性、降低了工艺流程的复杂程度、降低了成本。 [0023] 将通孔设置在第一基板和/或第二基板上，从而让通孔与电极能够位于壳体的不同表面，且通孔与电极不会相对，在通过电极将MEMS传感器的封装结构固定后，利用电极与通孔在壳体上的位置满足了MEMS传感器的通孔位于贴装位置侧面的需求。 [0024] 导电结构经过壳体的第一基板、第二基板以及连接板将壳体底面的电极与空腔内表面的导电区电连接，由于导电结构、导电区、电极均依附在壳体表面上，便于降低封装结构的复杂程度、提高产品的生产效率，更加便于产品的组装、且利于产品的小型化。 [0025] 导电结构提供了导电区与电极之间的多种导电路径，从而使得MEMS传感器中的微机电结构与信号处理芯片可以灵活的布置在第一基板与第二基板上，通过让信号处理芯片位于第一基板与第二基板中的一个，让微机电结构位于第一基板与第二基板中的另一个，充分利用了第一基板与第二基板的面积，进一步减小了封装体积。 [0026] 该封装结构的通孔轴线与微机电结构的感应膜的表面互不平行，在满足MEMS传感器的通孔位于贴装位置侧面的需求下，让外部信号能够更加有效地作用在微机电结构的感应膜上。 [0027] 通过让通孔轴线与感应膜的表面垂直，进一步提高了MEMS传感器的灵敏度。 [0028] 通过将电极设置为电镀层，可以使得电极更加稳定的附着在壳体的外表面。 [0029] 通过在壳体的底面设置凹槽，且将每个电极置于凹槽的表面上，在有限的空间中增大了电极的面积，降低了电极与外部电路的接触电阻，在通过电极与外部电路电连接后，该凹槽能够和连接面的凸起匹配，更有利于增加MEMS传感器的可靠性和稳定性。 [0031] 为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面的描述中的附图仅涉及本申请的一些实施例，而非对本申请的限制。 [0032] 图1a与图1b示出了本发明实施例封装结构的壳体的结构示意图。 [0033] 图2a与图2b示出了本发明实施例壳体的第一基板与第二基板的结构示意图。 [0034] 图3示出了本发明实施例的连接板的结构示意图。 [0035] 图4示出了承载平台的结构示意图。 [0036] 图5示出了本发明第一实施例的MEMS麦克风的结构示意图。 [0037] 图6a与图6b示出了图5中第一基板的结构示意图。 [0038] 图7示出了图5中第一基板与连接板连接后的结构示意图。 [0039] 图8a与图8b示出了本发明第二施例的MEMS麦克风的结构示意图。 [0040] 图9示出了图8b中第二基板的结构示意图。 [0041] 图10示出了现有技术中的MEMS传感器的结构示意图。 具体实施方式[0042] 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。 [0043] 应当理解，在描述器件的结构时，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”。 [0044] 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”等表述方式。 [0045] 在下文中描述了本发明的许多特定的细节，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。 [0046] 本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。 [0047] 下面将结合图1a与图1b、图2a与图2b、图3、图4对本发明实施例的MEMS麦克风封装结构的壳体结构进行详细说明。 [0048] 虽然图示微机电结构200为麦克风芯片，然而也可以是压力传感器芯片、骨传导芯片等等MEMS传感器芯片。本发明对传感器芯片的类型不做限制。 [0049] 在本发明实施例中，封装结构的壳体具有第一基板110、第二基板120以及连接板130。第一基板110与第二基板120分别沿着壳体的顶面101向壳体的底面102的方向延伸，且第二基板120被通孔140贯穿。连接板130位于第一基板110和第二基板120之间，具有与第一基板110和第二基板120相对的两个表面132，并通过这两个表面132分别和第一基板110、第二基板120连接。第一基板110的内表面111、第二基板120的内表面121以及连接板130的内表面131形成空腔。在一些其他实施例中，连接板130还可以环绕包围第一基板110和第二基板120中的至少一个。 [0050] 在本发明实施例中，封装结构的壳体大致呈长方体，壳体的底面102包括连接板130外表面的一个侧面133，还包括第一基板110的一个侧面113(沿第一基板110厚度方向延伸的表面)和第二基板120的一个侧面123(沿第二基板120厚度方向延伸的表面)。其中，壳体的底面102具有凹槽102a与分隔凹槽102a的平面102b，相应的，侧面113具有凹槽113a与平面113b，侧面123具有凹槽123a与平面123b，侧面133具有凹槽133a与平面133b，在第一基板110、第二基板120以及连接板130组合后，凹槽113a、凹槽123a以及凹槽133a共同构成凹槽102a。凹槽102a的形状可以根据需要设置成弧形槽、方形槽、梯形槽、三角形槽等等。在将封装结构固定在承载平台900上后，承载平台的凸起901与壳体底面102的凹槽102a卡合，从而增加了产品固定后的稳定性能。在一些其他实施例中，第一基板110与连接板130为一体结构，例如采用预成型的方式将第一基板110与连接板130形成整体的盖状结构。在另一些其他实施例中，第二基板120与连接板130为一体结构，例如采用预成型的方式将第二基板 120与连接板130形成整体的穴状结构。 [0051] 下面将结合图5、图6a、图6b以及图7对本发明第一实施例的MEMS麦克风的结构进行详细说明。 [0052] 本发明第一实施例的MEMS麦克风包括：封装结构、微机电结构200、信号处理芯片300以及多个分立器件400。封装结构包括：壳体、通孔140、至少一个电极150以及至少一个导电结构。其中，关于封装结构的壳体可以参照图1a与图1b、图2a与图2b、图3的描述，此处不再赘述。 [0053] 在本实施例中，每个电极150设置在壳体的底面102上，电极150的数量为3个，其中两个电极150作为常规电极，用于引出MEMS麦克风的电信号，例如输出信号与接地信号。另一个电极150作为备用电极，用于在需要时代替常规电极引出MEMS麦克风的电信号。然而，本实施例并不限于此，本领域技术人员可以根据需要对电极150的数量以及对应的电信号功能进行其他设置。 [0054] 在一些具体的实施例中，电极150包括电镀层，采用电镀工艺形成在壳体的底面102。每个电极150覆盖对应凹槽102a的表面，相邻的电极150被平面102b分隔。电极150可以仅位于连接板的侧面133、或仅位于第一基板110的侧面113、或仅位于第二基板120的侧面 123，电极150还可以位于连接板130的侧面133、第一基板110的侧面113以及第二基板120的侧面123中的任意组合。 [0055] 在本实施例中，第一基板110的内表面111上具有导电区160，微机电结构200、信号处理芯片300以及分立器件400均固定在第一基板110的内表面111上。其中，分立器件400例如为电容、电阻、电感等，微机电结构200通过引线301与信号处理芯片300电连接，信号处理芯片300和分立器件400分别与相应的导电区160电连接。在一些优选的实施例中，在将信号处理芯片300与第一基板110的导电区160电连接后，还需要在信号处理芯片300上设置保护层10，该保护层10的材料例如为胶水，在保护信号处理芯片300的同时还可以更加牢固地将信号处理芯片300固定在第一基板110上。 [0056] 然而本发明实施例并不限于此，本领域技术人员还可以根据需要部分将导电区160设置在第二基板120的内表面121，并将信号处理芯片300以及分立器件400灵活地设置在第一基板110与第二基板120上。在一些其他实施例中，电容、电阻、电感等可以与第一基板110和/或第二基板120集成，因此MEMS麦克风中可以不设置可见的分立器件400。 [0057] 在本实施例中，通孔140的轴线与微机电结构200的感应膜的表面互不平行。在一些具体的实施例中，通孔140的轴线与感应膜的表面垂直，在采用电极150将MEMS麦克风贴装(焊接)在外部印刷电路板或外部柔性电路板等承载结构900上的情况下，通孔140的轴线能够与外部印刷电路板或外部柔性电路板平行。然而本发明实施例并不限于此，本领域技术人员可以根据需要对通孔140的轴线与感应膜的表面所成角度进行其他设置。此外，感应膜可以是麦克风芯片、骨传导芯片的感应膜，或者压力传感器芯片的敏感膜。 [0058] 在本实施例中，导电结构包括第一基板110的外表面112设置的导线172，导线172通过贯穿第一基板110的导电孔与第一基板110内表面的导电区160电连接。 [0059] 导电结构还包括导电体171，导电体171位于第一基板110的内表面111、第二基板120的内表面121与外表面122、还位于连接基板130分别与第一基板110和第二基板120相对的两个表面132，每个导电体171与电极150接触。在第一基板110与连接板130固定连接后，位于第一基板110与连接板130上的导电体171分别对应相连。在第二基板120与连接板130固定连接后，位于第二基板120与连接板130上的导电体171分别对应相连。 [0060] 在本实施例中，封装结构还包括电磁屏蔽层180，位于连接板130的内表面131并且分别延伸至与第一基板110、第二基板120相对的两个表面132上。第一基板110的内表面上还具有环形导电体180a，在第一基板110与连接板130固定时，环形导电体180a与电磁屏蔽层180接触。相应的第二基板120的内表面121上也具有环形导电体180a，在第二基板120与连接板130固定时，环形导电体180a与电磁屏蔽层180接触。在设置了电磁屏蔽层180的情况下，由于电磁屏蔽层180具有一定厚度，在环形导电体180a与电磁屏蔽层180连接后，第一基板110与第二基板120到连接板的表面132之间存在缝隙，因此需要利用具有预设厚度的导电体171在基板间进行衔接。当然，在一些MEMS麦克风对电磁干扰不敏感的环境下，可以不设置电磁屏蔽层180与环形导电体180a，相应的，也可省略导电体171。 [0061] 下面将结合图8a、图8b以及图9对本发明第二实施例的MEMS麦克风的结构进行说明。 [0062] 本发明第二实施例的MEMS麦克风包括：封装结构、微机电结构200、信号处理芯片300以及多个分立器件400。封装结构包括：壳体、通孔140、至少一个电极150以及至少一个导电结构。本发明第二实施例的MEMS麦克风结构与第一实施例大体一致，此处不再赘述。与第一实施例的不同之处在于，本实施例的微机电结构200位于第二基板120的内表面121上，贯穿第二基板120的通孔140与微机电结构120的背腔连通，第二基板120的内表面121还具有导电区160，信号处理芯片300、分立器件400也位于第二基板120的内表面121上，与相应导电区160电连接。 [0063] 在本实施例中，导电体171位于第一基板110的内表面111与外表面112、第二基板120的内表面121、还位于连接基板130分别与第一基板110和第二基板120相对的两个表面 132。导线172设置在第二基板120的外表面122上，导线172通过贯穿第二基板120的导电孔与第二基板120内表面的导电区160电连接。 [0064] 然而，导电结构的设置并不仅限于上述两个实施例，导电结构只要依附于壳体即可，本领域技术人员可以根据需要对导电结构的构成进行其他设置，例如导电结构至少包括以下部件中的一种或组合：第一基板110的内表面111设置的导线、第一基板110的内部(中间夹层等结构)设置的导线、第一基板110的外表面112设置的导线、第二基板120的内表面121设置的导线、第二基板120的内部设置的导线、第二基板120的外表面122设置的导线、连接板130的内表面131设置的导线、连接板130的内部设置的导线。更为优选的，导电结构仅依附于第一基板110、第二基板120以及连接板130的表面。 [0065] 根据本发明实施例提供的MEMS麦克风及其封装结构，该封装结构的壳体通过第一基板、第二基板以及连接板构成，第一基板和第二基板分别沿着壳体的顶面向着设置有电极的底面的方向延伸，本发明对通孔的设置位置及数量都不做限定，通孔可以设置在任意表面，至少一个表面可以设置一个或更多个通孔，当将通孔设置在与电极所在面邻接的四个面的至少一个面时，在通过电极将MEMS麦克风的封装结构固定后，利用电极与通孔在壳体上的位置能够实现MEMS麦克风的侧面进音的功能。进一步地，当将通孔轴线与感应膜表面设置为垂直时，能够提高灵敏度。另外，对于骨传导芯片，可以设置也可以不设置通孔。 [0066] 其中，导电结构经过壳体的第一基板、第二基板以及连接板将壳体底面的电极与空腔内表面的导电区电连接，由于导电结构、导电区、电极均依附在壳体上，便于降低封装结构的复杂程度、提高产品的生产效率，更加便于产品的组装、且利于产品的小型化。 [0067] 导电结构提供了导电区与电极之间的多种导电路径，从而使得MEMS麦克风中的微机电结构、信号处理芯片以及分立器件可以灵活的布置在第一基板与第二基板上。 [0068] 该封装结构的通孔轴线与微机电结构的感应膜的表面互不平行，在实现了MEMS麦克风侧面进音的功能的情况下，让声音信号能够更加有效地作用在微机电结构的感应膜上，保障了MEMS麦克风的收音性能。 [0069] 通过将电极设置为电镀层，可以使得电极更加稳定的附着在壳体的外表面。 [0070] 通过在壳体的底面设置凹槽，且将每个电极置于凹槽的表面上，在有限的空间中增大了电极的面积，降低了电极与外部电路的接触电阻，在通过电极与外部电路电连接后，该凹槽能够和连接面的凸起匹配，更有利于增加MEMS麦克风的稳定性。 [0071] 通过将通孔设置在第一基板或第二基板上，而第一基板与第二基板的面积较大，且第一基板与第二基板均为一体结构，降低了通孔的开设难度，同时使得通孔位置的设置更加灵活。 [0072] 通过将第一基板与连接板设置为一体结构，或将第二基板与连接板设置为一体结构，进一步减少了封装的工艺步骤，提高了封装效率。 [0073] 通过让信号处理芯片位于第一基板与第二基板中的一个，让微机电结构位于第一基板与第二基板中的另一个，充分利用了第一基板与第二基板的面积，进一步减小了封装体积。 [0074] 在以上的描述中，对于各层的构图、蚀刻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。 |
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