一种基于引线键合的MEMS自组装过程的限位方法

摘要

一种基于引线键合的MEMS自组装过程的限位方法，它涉及一种MEMS自组装过程的限位方法，具体涉及一种基于引线键合的MEMS自组装过程的限位方法。本发明为了解决现有MEMS自组装过程中的限位方法是通过微加工工艺制造完成，工艺复杂、成品率低、成本高的问题。本发明的具体步骤为：将需要进行自组装的MEMS芯片进行牺牲层释放，使活动微结构不受约束，然后将MEMS芯片夹持在夹具上，在活动微结构的两侧分别各制作有一个用于进行丝球键合用焊盘；在MEMS芯片的活动微结构的上方通过丝球键合工艺制作一个梯形形状的金属丝限位结构；通过外部激励机制，激励活动微结构发生自组装运动；当活动微结构接触到金属丝限位结构后，即可发生止动。本发明用于MEMS自组装过程中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种MEMS自组装过程的限位方法，具体涉及一种基于引线键合的 MEMS自组装过程的限位方法。

背景技术

微机电系统(Micro electromechanical systems，MEMS)是融合了机械学、材料学、光 电子学、微电子学等诸多学科的新兴技术，被誉为“第三次新技术革命的浪潮”。MEMS 器件的种类繁多，有加速度计、压力传感器、流量传感器、陀螺仪等，已被广泛应用在汽 车电子、消费电子、生物医学、工业及宇航领域。然而，目前常用的微加工技术，如表面 微加工技术和体硅微加工技术仍具有一定的局限性，难以实现复杂的三维MEMS器件的 制造。因此，如何对MEMS微结构实现高精度的再组装和再装配，最终形成真正意义上 的三维微结构，是制造复杂三维MEMS器件所需解决的关键问题，同时也是MEMS器件 大批量、低成本、高可靠工业化生产的关键。

目前，针对某些特殊MEMS三维结构的制造，例如与基底成任意角度的三维翻转微 结构，有着普遍的解决方案。首先，在二维平面上制作微结构的图形和铰链结构，之后通 过将二维平面结构绕铰链进行翻转来形成三维结构，类似于“折纸”过程。这种翻转微结 构在微光机电系统、机械微结构、RFMEMS等领域都有着广泛地应用，目前这种二维平 面结构到三维结构的翻转过程主要还是通过人工手动方式，或者其它外部激励机制完成。 自组装的外部激励机制包括利用聚合物的热收缩应力、薄膜残余应力、磁场力或者熔融钎 料合金的表面张力。通过外部激励，使得平面的准三维微结构能够发生翻转、位移以及对 准操作，形成最终的三维微结构。但在高精度光学MEMS器件的应用场合，需要对基于 各种外部激励机制的MEMS自组装的精度进行进一步优化。目前，利用限位结构对MEMS 平面微结构自组装翻转过程进行限位及止动是目前最常用的提高装配精度的方法。

MEMS自组装过程的限位多采用机械止动的方法。例如，美国国家专利 《MULTI-DIMENSIONAL MICRO-ELECTROMECHANICAL ASSEMBLIES AND  METHOD OF MAKINGSAME》专利号：US2002/0170290A1，通过典型的MUMPs三层 多晶硅工艺制造了带铰链的多晶硅二维微结构，并通过熔融钎料表面张力完成自组装的翻 转和制造。同时，还通过MUMPs工艺制造了基于多晶硅结构的MEMS自组装限位结构， 在当限位机构划入被翻转的微结构的定位卡槽时，使翻转结构停止运动产生定位。帝国理 工学院Syms教授利用熔融光刻胶提供的表面张力来进行微结构的自组装，其自组装过程 的限位结构由两根等尺寸的止动梁组成。当钎料或光刻胶等材料发生重熔时，两根止动梁 在表面张力的作用下向上抬起，并接触形成自锁闩时，止动器形成。然而，上述这些MEMS 自组装过程中的限位方法和结构都是通过微加工工艺制造完成，三维限位结构的形成本身 也属于自组装过程的一部分。这种先加工可活动的平面图形，之后再翻转形成止动装置的 限位方法，不仅制作工艺复杂、成品率低、成本高，而且限位结构的可靠性和精度也难于 控制。同时，限位结构属于MEMS器件自组装过程的附属结构，在需要移除的场合，上 述的限位方法就不再适用。

发明内容

本发明为解决现有MEMS自组装过程中的限位方法是通过微加工工艺制造完成，工 艺复杂、成品率低、成本高、难控制而且无法移除的问题，进而提出一种基于引线键合的 MEMS自组装过程的限位方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的具体步骤为：

步骤一、将需要进行自组装的MEMS芯片进行牺牲层释放，使活动微结构不受约束， 然后将MEMS芯片夹持在夹具上，需要进行自组装的MEMS基本微结构包括固定微结构 和活动微结构，将固定微结构和活动微结构呈一字形制作在MEMS芯片的上表面上，在 活动微结构的两侧分别各制作有一个用于进行丝球键合用焊盘；

步骤二、将楔形销放置在MEMS芯片的上表面上，并使活动微结构位于楔形销斜面 的正下方；

步骤三、在MEMS芯片的活动微结构的上方通过丝球键合工艺制作一个梯形形状的 金属丝限位结构；在活动微结构一侧的一个用于进行丝球键合用焊盘上键合拉丝的第一 点，然后将劈刀头从楔形销的上表面通过，并在活动微结构另一侧的一个用于进行丝球键 合用焊盘上键合第二点，缓慢抽出楔形销完成金属丝限位结构的制作；

步骤四、通过外部激励机制，激励活动微结构发生自组装运动，当活动微结构远离固 定微结构的一端碰到金属丝限位结构时，即完成止动，并最终形成的组装结构；

步骤五、在形成自组装结构之后，金属丝限位结构的移除可通过机械拉拔的方式完 成。

本发明的有益效果是：本发明采用成熟的引线键合工艺进行限位结构制作，不需要 进行复杂的微加工工艺，成品率高、成本低廉；本发明中的基于引线键合的限位结构能在 帮助翻转微结构定位及止动后，方便地移除，不会对MEMS微结构造成任何影响；当金 属丝限位结构同MEMS芯片分离后，该限位结构能重复利用，利于批量化生产。

附图说明

图1是MEMS自组装基本结构的示意图，图2是基于引线键合工艺的金属丝限位结 构制作示意图，图3是金属丝限位结构的左视图，图4是最终止动后形成的MEMS自组 装器件示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种基于引线键 合的MEMS自组装过程的限位方法的步骤如下：

步骤一、将需要进行自组装的MEMS芯片1进行牺牲层释放，使活动微结构3不受 约束，然后将MEMS芯片1夹持在夹具上，需要进行自组装的MEMS基本微结构包括固 定微结构2和活动微结构3，将固定微结构2和活动微结构3呈一字形制作在MEMS芯 片1的上表面上，在活动微结构3的两侧分别各制作有一个用于进行丝球键合用焊盘4；

步骤二、将楔形销6放置在MEMS芯片1的上表面上，并使活动微结构3位于楔形 销6斜面的正下方；

步骤三、在MEMS芯片1的活动微结构3的上方通过丝球键合工艺制作一个梯形形 状的金属丝限位结构5；在活动微结构3一侧的一个用于进行丝球键合用焊盘4上键合拉 丝的第一点，然后将劈刀头从楔形销6的上表面通过，并在活动微结构3另一侧的一个用 于进行丝球键合用焊盘4上键合第二点，缓慢抽出楔形销6完成金属丝限位结构5的制作；

步骤四、通过外部激励机制，激励活动微结构3发生自组装运动，当活动微结构3 远离固定微结构2的一端碰到金属丝限位结构5时，即完成止动，并最终形成的组装结构；

步骤五、在形成自组装结构之后，金属丝限位结构5的移除可通过机械拉拔的方式 完成。

具体实施方式二：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种基于引线 键合的MEMS自组装过程的限位方法的金属丝限位结构5是由金丝、铜丝或铝丝制作的 金属丝限位结构5。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

实施例

步骤一、将需要进行自组装的MEMS芯片1进行牺牲层释放，使活动微结构3不受 约束，然后将MEMS芯片1夹持在夹具上，需要进行自组装的MEMS基本微结构包括固 定微结构2和活动微结构3，将固定微结构2和活动微结构3呈一字形制作在MEMS芯 片1的上表面上，在活动微结构3的两侧分别各制作有一个用于进行丝球键合用焊盘4；

步骤二、将楔形销6放置在MEMS芯片1的上表面上，并使活动微结构3位于楔形 销6斜面的正下方；

步骤三、在MEMS芯片1的活动微结构3的上方通过丝球键合工艺制作一个梯形形 状的金属丝限位结构5；在活动微结构3一侧的一个用于进行丝球键合用焊盘4上键合拉 丝的第一点，然后将劈刀头从楔形销6的上表面通过，并在活动微结构3另一侧的一个用 于进行丝球键合用焊盘4上键合第二点，缓慢抽出楔形销6完成金属丝限位结构5的制作；

步骤四、在固定微结构2和活动微结构3之间放置一个直径为100μm-400μm的球 形钎料，钎料的成分为Sn3.0Ag0.5Cu，然后通过激光或红外重熔的方法加热钎料使之熔 化，熔化后呈液态的钎料的表面张力会拉动活动微结构3向靠近固定微结构2的一端翻转， 即进行自组装过程，当活动微结构3远离固定微结构2的一端碰到金属丝限位结构5时， 即完成止动，并最终形成的组装结构；

步骤五、在形成自组装结构之后，金属丝限位结构5的移除可通过机械拉拔的方式 完成。