一種圓片級(jí)封裝的mems芯片的開(kāi)蓋裝置及開(kāi)蓋方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及MEMS芯片的檢測(cè)領(lǐng)域，特別涉及到一種圓片級(jí)封裝的MEMS芯片的開(kāi)蓋裝置及開(kāi)蓋方法。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是微機(jī)電系統(tǒng)的縮寫(xiě)，MEMS元器件由MEMS芯片和專(zhuān)用控制集成電路(ASIC)芯片組成，MEMS元器件具有體積小、成本低、功耗低、智能化程度高、易校準(zhǔn)、易集成的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品(如手機(jī)、平板電腦、玩具、數(shù)碼相機(jī)、游戲機(jī)、空中鼠標(biāo)、遙控器、GPS等)、國(guó)防工業(yè)(如智能炸彈、導(dǎo)彈、航空航天、無(wú)人飛機(jī)等)以及工業(yè)類(lèi)產(chǎn)品(如汽車(chē)、機(jī)器人、智能交通、工業(yè)自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)測(cè)、平臺(tái)穩(wěn)定控制、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)、安全監(jiān)控等)中，可以說(shuō)，MEMS元器件是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基石。
[0003]隨著便攜式電子產(chǎn)品(如手機(jī)、平板電腦、可穿戴裝置等)市場(chǎng)的迅猛增長(zhǎng)，消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品已成為MEMS元器件的最大市場(chǎng)，以高端智能手機(jī)為例，它用到了幾大類(lèi)MEMS元器件，一類(lèi)是MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器:陀螺儀、加速度計(jì)、電子指南針；一類(lèi)是MEMS環(huán)境傳感器:濕度計(jì)、環(huán)境溫度計(jì)、壓力計(jì)、氣體傳感器；一類(lèi)是通訊MEMS器件:麥克風(fēng)、調(diào)諧天線、濾波器等。為達(dá)到便攜式電子產(chǎn)品對(duì)MEMS元器件體積小、性能高、功耗低、價(jià)格便宜的要求，大部分MEMS元器件含有可活動(dòng)的部件，需要在圓片制造過(guò)程中先進(jìn)行圓片級(jí)封裝，保護(hù)可動(dòng)、易碎的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，然后將圓片切割成芯片，再通過(guò)普通塑料封裝方法或根據(jù)不同用途進(jìn)行封裝。
[0004]由于MEMS器件的活動(dòng)結(jié)構(gòu)非常細(xì)微和脆弱，在受到毛細(xì)管力、范德華力、靜電力等作用下會(huì)相互吸合，以及在外力沖擊、振動(dòng)、溫度變化時(shí)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)斷裂、不可恢復(fù)性位移等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致MEMS器件失效；另外，在MEMS器件的生產(chǎn)過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)不良或工藝控制不良也會(huì)導(dǎo)致器件失效。為改良產(chǎn)品成品率和可靠性，就必須對(duì)那些失效的MEMS器件進(jìn)行分析，尋找失效原因。
[0005]圖1所示的是一個(gè)典型的圓片級(jí)封裝的MEMS器件的示意圖，MEMS器件10由蓋板11、MEMS結(jié)構(gòu)層12、底板14組成，MEMS結(jié)構(gòu)層12通過(guò)絕緣層13與底板14結(jié)合在一起，通過(guò)焊料層16與蓋板11結(jié)合在一起，底板14與蓋板11上制作有凹腔，合起來(lái)形成一個(gè)密封腔15，MEMS活動(dòng)結(jié)構(gòu)12a可在密封腔15中自由活動(dòng)。
[0006]MEMS芯片的主要材料通常是硅(Si)，硅材料能夠透過(guò)波長(zhǎng)在100nm?1000nm的紅外光，在不除去蓋板11或底板14的情況下，紅外顯微鏡是觀察活動(dòng)MEMS結(jié)構(gòu)12a的一個(gè)選擇，但紅外顯微鏡的分辨率不夠，而且圓片級(jí)封裝的MEMS芯片的蓋板11上往往有金屬層，紅外光透不過(guò)金屬層，無(wú)法看到金屬層下面的MEMS結(jié)構(gòu)12a。所以對(duì)于圓片級(jí)封裝的MEMS芯片，除去蓋板11或底板14，用可見(jiàn)光顯微鏡或掃描電鏡(SEM)觀察是一個(gè)必然的選擇?，F(xiàn)有的是通過(guò)加熱、化學(xué)腐蝕或機(jī)械力等手段除去蓋板11或底板14，存在待分析樣品易損壞，操作過(guò)程易引入二次失效等問(wèn)題，例如在用加熱方法除去金屬焊料16粘合的蓋板11時(shí)，容易導(dǎo)致熔化的焊料滴落在MEMS結(jié)構(gòu)12a上，更進(jìn)一步，如果密封腔15內(nèi)是真空，則熔化的焊料會(huì)向內(nèi)流動(dòng)到MEMS結(jié)構(gòu)12a上，而且由于密封腔15內(nèi)外的氣壓差，蓋板11需要用較大的力除去，這會(huì)引起蓋板11橫向移動(dòng)，損壞MEMS結(jié)構(gòu)12a。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種圓片級(jí)封裝的MEMS芯片的開(kāi)蓋裝置，該裝置可以在真空中加熱熔化金屬焊料，通過(guò)彈簧的彈力將蓋板與MEMS結(jié)構(gòu)層分離，從而精準(zhǔn)地除去圓片級(jí)封裝的MEMS芯片的蓋板，露出完整的MEMS結(jié)構(gòu)，為后續(xù)失效分析做準(zhǔn)備。
[0008]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種圓片級(jí)封裝的MEMS芯片的開(kāi)蓋裝置，由開(kāi)蓋夾具、電爐和真空系統(tǒng)組成，開(kāi)蓋夾具置于電爐上，開(kāi)蓋夾具和電爐都置于真空室中。
[0009]所述真空系統(tǒng)由真空泵、真空管道和密封容器組成，真空泵通過(guò)真空管道連接密封容器，可以抽出密封容器內(nèi)的空氣，真空管道上安裝有抽氣閥，在抽真空時(shí)開(kāi)啟，在關(guān)停真空泵前關(guān)閉，以維持真空室內(nèi)的氣壓，密封容器上安裝有放氣管，放氣管上安裝有放氣閥，在MEMS芯片的蓋板與MEMS結(jié)構(gòu)層分離后，打開(kāi)放氣閥，空氣通過(guò)放氣管進(jìn)入密封容器中，使密封容器內(nèi)外氣壓相同，從而打開(kāi)密封容器，取出開(kāi)蓋夾具，密封容器上還安裝有觀察窗，用于監(jiān)控開(kāi)蓋過(guò)程以及電爐的溫度。
[0010]所述電爐為封閉電爐，電爐加熱部的表面為水平的金屬或陶瓷，可加熱到500攝氏度以上。
[0011]所述開(kāi)蓋夾具由頂層、上層、下層、導(dǎo)向桿和牽引裝置組成，頂層、上層和下層上下布置，牽引裝置位于頂層和上層之間，用于調(diào)節(jié)上層相對(duì)下層的距離，從而將被上層夾住蓋板與MEMS結(jié)構(gòu)層分離。導(dǎo)向桿下端固定在下層上，上端從頂層穿出，上層可沿導(dǎo)向桿在垂直方向自由滑動(dòng)。
[0012]頂層的主體是頂板，頂板上有至少兩個(gè)頂導(dǎo)向孔，導(dǎo)向桿上端從頂導(dǎo)向孔中穿過(guò)，頂板通過(guò)頂螺絲固定在導(dǎo)向桿上，與導(dǎo)向桿垂直，頂螺絲除了起到固定頂板的作用外，還可以微調(diào)導(dǎo)向桿的垂直度和平行度，以保證上層可以自由滑動(dòng)；頂板中間有頂窗口，用于觀察MEMS芯片的狀況；
[0013]下層的主體是下板，導(dǎo)向桿下端固定在下板上，下板中間開(kāi)有下窗口，下窗口位置與頂窗口位置相對(duì)應(yīng)，以容納MEMS芯片和上板凸起，在下窗口的左右兩側(cè)分別安裝有下固定夾板和下活動(dòng)夾板，下固定夾板固定在下板上，下固定夾板上有下固定夾頭，用于接觸MEMS芯片，下固定夾頭的厚度與MEMS芯片的底板厚度相當(dāng)；下活動(dòng)夾板位于下活動(dòng)槽中，下活動(dòng)夾板上有下活動(dòng)夾頭，下活動(dòng)夾頭的厚度與MEMS芯片的底板厚度相當(dāng)，下螺絲一端伸入下活動(dòng)槽中，并與下活動(dòng)夾板連接，用于調(diào)節(jié)下活動(dòng)夾板的位置，在實(shí)施開(kāi)蓋作業(yè)時(shí)，MEMS芯片置于下窗口中，通過(guò)調(diào)節(jié)下螺絲，帶動(dòng)下活動(dòng)夾板運(yùn)動(dòng)，將MEMS芯片固定在下固定夾頭和下活動(dòng)夾頭之間，MEMS芯片的底板與下固定夾頭和下活動(dòng)夾頭接觸。
[0014]上層的主體是上板，上板上有至少兩個(gè)上導(dǎo)向孔，上導(dǎo)向孔位置與頂導(dǎo)向孔位置相對(duì)應(yīng)，導(dǎo)向桿從上導(dǎo)向孔中穿過(guò)，以保證上板只能沿導(dǎo)向桿上下運(yùn)動(dòng)，在上板的中間開(kāi)有上窗口，以容納MEMS芯片和觀察下層的狀況，上窗口的前后兩側(cè)安裝有上固定夾板和上活動(dòng)夾板，上固定夾板固定在上板上，上固定夾板上有上固定夾頭，上活動(dòng)夾板位于上活動(dòng)槽中，上活動(dòng)夾板上有上活動(dòng)夾頭，上螺絲一端伸入上活動(dòng)槽中，并與上固定夾板連接，上螺絲用于調(diào)節(jié)上活動(dòng)夾板的位置，上板由上板凸起和平層部分組成，上固定夾板、上活動(dòng)夾板、上窗口、上活動(dòng)槽和上螺絲位于上板凸起處，平層部分安裝在下板上方，上板凸起位于下窗口中，這樣，安裝在上板凸起上的上固定夾板和上活動(dòng)夾板就不受下固定夾板、下活動(dòng)夾板的厚度影響而能夠夾住MEMS芯片。
[0015]在實(shí)施開(kāi)蓋作業(yè)時(shí)，MEMS芯片置于上窗口中，同時(shí)也位于下窗口中，調(diào)節(jié)上螺絲，帶動(dòng)上活動(dòng)夾板運(yùn)動(dòng)，上活動(dòng)夾板的運(yùn)動(dòng)方向與下活動(dòng)夾板的運(yùn)動(dòng)方向相垂直，將MEMS芯片固定在上固定夾頭和上活動(dòng)夾頭之間，MEMS芯片的蓋板與上固定夾頭和上活動(dòng)夾頭接觸，而MEMS芯片的底板和MEMS結(jié)構(gòu)層不與上固定夾頭和上活動(dòng)夾頭接觸，在開(kāi)蓋時(shí)，MEMS芯片的蓋板隨上層在牽引裝置的牽