CN102351141A

CN102351141A - 一种mems器件的圆片级真空封装方法

Info

Publication number: CN102351141A
Application number: CN2011103389893A
Authority: CN
Inventors: 于晓梅; 周晓雄; 袁明泉; 杨建成
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2011-11-01
Filing date: 2011-11-01
Publication date: 2012-02-15

Abstract

本发明的目的是提供一种MEMS器件的圆片级真空封装的方法。该圆片级真空封装的器件主要包括MEMS器件、支撑器件的底座基片、带过孔的中间垫层基片、盖帽基片、焊料和吸气剂。封装基本步骤包括：在底座基片上制备出MEMS器件；在底座基片的器件面、中间垫层基片的双面和盖帽基片的一面淀积复合金属层，形成键合区域图形；在其任一种基片上溅射吸气合金作为吸气剂；加工中间垫层基片形成过孔；把三种基片按顺序对准组合，并在基片之间夹入焊料；放入键合炉，焊料熔融后将这三种基片粘合在一起，形成密封腔；划片形成单个器件。该圆片级封装方法能提高封装内外部环境的密封性能和封装器件的可靠性、成品率高，且工艺简单、成本低，适用于工业大批量生产。

Description

一种MEMS器件的圆片级真空封装方法

技术领域

本发明涉及一种MEMS器件的封装方法，特别是关于一种MEMS器件的圆片级真空封装方法。

背景技术

封装在微机电系统中占有非常重要的地位，是器件能实际应用的关键一步。微机电系统产品的成本中，封装成本大约占50％-80％。目前，MEMS器件的封装技术大多继承了集成电路的封装工艺。集成电路的封装技术虽然成熟、可靠，但同时面临新的问题和挑战。MEMS器件封装有以下不同于IC封装的特点：检测和输入信号的多样性，如力、热、光、电、磁、化学、生物等多种信号以及多种混合信号；三维微结构和可动结构极易受损，且需要足够的封装空间；高气密性和高真空，一些器件需要在高气密性和真空下工作，这就需要在封装时完成高气密性和高真空封装；封装的外壳要求特殊，因为MEMS器件工作环境特殊且多样，封装需要既能保护MEMS器件，又不影响信号的传输；高可靠性要求，MEMS器件应用广泛，需要很好的可靠性，才能保证其正常使用

圆片级封装的优势包括：圆片级封装是先封装后划片，避免了划片过程中的污染和微结构损毁等问题；圆片级封装的MEMS器件设计和封装设计可以统一考虑、同时进行，这将提高设计效率，减少设计费用；圆片级封装从MEMS器件制造、封装到产品完成的整个过程中，中间环节大大减少，周期缩短很多，这样就能降低成本；利用圆片级封装可以在圆片上实现器件的封装与测试，是真正意义上的批量生产器件的封装技术

MEMS封装工艺主要采用键合技术。键合技术是指通过化学和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其它材料紧密地结合起来的方法，常用的包括阳极键合和共晶键合等阳极键合又称静电键合。它可以将玻璃与金属、合金或半导体键合在一起而不用任何粘结剂这种键合温度相对较低、键合界面牢固、长期稳定性好，但是需要加电压形成高电场，会影响器件的可动微结构和性能。共晶键合是利用材料间的共晶温度键合，当所用材料达到与硅片共晶温度时，将会与硅形成合金达到键合目的。常用共晶键合材料是Au，但其价格昂贵，且共晶温度约在600℃以上。

软钎焊技术(soft soldering)是微电子封装中的一项重要技术且适用范围广泛为了得到理想的焊接，焊料的选择至关重要。焊料的可焊性、熔点、强度及杨氏模量、热膨胀系数、热疲劳、蠕变及抗蠕变性能等均可影响焊接的质量。软钎焊的特点是所用焊料的熔点低于300℃。

发明内容

本发明的目的是提供一种MEMS器件的圆片级真空封装的方法该圆片级真空封装的器件主要包括MEMS器件、支撑MEMS器件的底座基片、带过孔的中间垫层基片、盖帽基片、焊料和吸气剂。封装基本步骤包括：在底座基片上制备出需要的MEMS器件；在底座基片的器件面、中间垫层基片的两个面和盖帽基片的一面淀积一层复合金属层，并形成键合区域图形，该复合金属层作为焊接中间层，在实现粘附的同时还作为气密性阻绝层；在盖帽或中间垫层或底座基片上溅射吸气合金作为吸气剂；加上中间垫层基片形成过孔；把底座基片、中间垫层基片、盖帽基片按顺序对准组合在一起，并在底座基片和中间垫层基片、中间垫层基片和盖帽基片之间夹入一定厚度的焊料；把组合器件放入具有一定真空度的键合炉内，焊料在一定温度和压力下熔融，使底座基片、中间垫层基片、盖帽基片粘合在一起，形成器件密封腔；划片形成单个器件该圆片级封装方法能提高封装内外部环境的密封性能，封装器件的可靠性和成品率高，且工艺简单、成本低，适用于工业大批量生产。

所述MEMS器件可以是陀螺、加速度计、压力计、红外焦平面阵列等MEMS器件。

所述底座基片是支撑MEME器件的衬底，可以是直径为4寸、8寸和12寸等规格的硅片、石英片、蓝宝石、陶瓷等圆形基片，也可以是其它规格和尺寸的基片

所述中间垫层基片可以是与底座基片相同规格的圆形或其它形状的基片，尺寸与底座基片基本相同，材料可以是陶瓷、玻璃、石英、硅片等材料，厚度根据封装器件的要求选择500nm-1mm。

所述中间垫层过孔可以是方形、圆形等，尺寸与MEMS器件尺寸对应，可采用激光划片、干法刻蚀、湿法腐蚀等工艺加工。

所述盖帽基片可以是与底座基片相同规格的玻璃、石英片、陶瓷片等，可在所述盖帽基片与中间垫层的接触面上加工一定深度的槽，形状与中间垫层过孔基本一致，与中间垫层共同形成MEMS器件的密封腔。

所述复合金属层可以是多种类型，如Cr/Cu，Cr/Au，Cr/Ni/Au，Ti/Ni/Au，Cr′Ni′Cu Ag等，其中的底层是粘附层，实现中间层与基片的粘附；中间层是阻挡层，防止顶层金属扩散进基片，顶层金属是粘附层，实现与焊料的共融钎焊。所述复合金属层厚度在100mm-10μm。

所述焊料可以是多种合金焊料，如Sn-Pb，Sn-In，Sn-Ag，Sn-Au，Sn-Cu，Sn-Ag-Bi，Sn-Ag-Cu，Sn-Ag-In，Sn-Ag-Sb，Sn-Cu-Ni等焊料，根据复合金属层材料来选择。所述焊料一般加工成厚度在5μm-100μm的片状，尺寸与被键合区域的尺寸基本一致

所述吸气剂可选择非蒸散型吸气剂(NEG)，如锆(Zr)合金，锆铝合金，Ti-Mo，Ii-Zr-V，Zr-V-Fc，纳米吸气剂等。

所述键合炉的真空度应高于器件封装所需真空度，所需温度和压力应能使焊料与复合金属层熔融在一起。

本发明MEMS器件的圆片级真空封装的制备方法，包括如下加工步骤：

1)在底座基片上完成MEMS器件的加工，在底座基片上加工器件的同时完成封装用复合金属层的淀积，光刻并腐蚀或剥离金属，形成键合用金属图形，以便减少后续加工中对MEMS器件性能的影响；

2)在中间垫层基片的两面淀积复合金属层，光刻并腐蚀金属形成键合用金属图形，图形形状与底座基片一致；上述腐蚀金属的工艺也可采用剥离工艺实现，图形形状与底座基片一致；

3)在盖帽基片的一面淀积复合金属层，光刻并腐蚀金属形成键合用金属图形；上述腐蚀金属的工艺也可采用剥离工艺实现，图形形状与底座基片一致；

4)在中间垫层基片形成过孔，可以直接采用金属层为掩膜，湿法腐蚀或干法刻蚀中间垫层直至穿通，形成过孔结构。还可以使用激光切割技术来形成过孔结构，激光切割前需要对基片进行保护，以防止损伤沾污键合用复合金属层；

5)在盖帽基片上光刻出吸气剂图形，溅射吸气剂材料，采用剥离工艺完成吸气剂图形的制作，也可以先淀积吸气剂材料，光刻后腐蚀形成吸气剂图形的工艺；

6)按底座基片、中间垫层基片和盖帽基片的顺序对准组合三个基片，片状焊料按键合区域形状切割，夹在底座基片和中间垫层基片，以及中间垫层基片和盖帽基片之间，组合后的基片放入具有一定真空度的炉内，在该真空度环境下加热基片至焊料熔点以上，完成键合封装；

7)激活吸气剂，根据吸气剂材料和器件实际应用来确定激活温度，激活温度大致在400℃左右。

8)封装完成后沿键合区域划片形成单个器件。

该工艺可以根据实际需要来修改封装过程、封装用材料、封装尺寸等。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

1、封装温度低，焊料的熔点一般在300℃以下，因此可以在较低温度的情况下实现MEMS器件的圆片级真空封装。

2、工艺简单，成本低，键合工艺只需要2块光刻版，3次光刻来实现，且不需像传统封装工艺那样额外加工管壳、使用特殊的键合设备，降低了加工成本。

3、可靠性好，该封装工艺不需像阳极键合工艺那样施加高电压，不需像金硅共融键合工艺那样高的温度，不会损坏器件，采用中间焊料会显著改善封装的可靠性。

4、适用范围广，该封装技术除适用于电学读出的MEMS器件外，由于盖帽基片可选用玻璃、石英等透光基片，该封装技术还适用于封装光学读出的MEMS器件

附图说明

图1是本发明圆片级真空封装的结构示意图；

图2是本发明圆片级真空封装的工艺流程图；

图3是本发明中间垫层片的镂空结构示意图；

图4是本发明焊接界面结构示意图；

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，下面将结合附图对本发明的结构及制备方法作详细描述。

如图1所示的圆片级封装器件，该圆片级真空封装主要包括MEMS器件2、支撑MEMS器件的底座基片1、带过孔的中间垫层基片3、盖板基片4、焊料8和吸气剂9封装基本步骤包括：在底座基片上制备出需要的MEMS器件；在底座基片的器件面、中间垫层基片的两个面和盖帽基片的一面淀积一层复合金属层，并形成键合区域图形，该复合金属层作为焊接中间层，在实现粘附的同时还作为气密性阻绝层；在盖帽或中间垫层或底座基片上溅射吸气合金作为吸气剂；加工中间垫层基片形成过孔；把底座基片、中间垫层基片、盖帽基片按顺序对准组合在一起，并在底座基片和中间垫层基片、中间垫层基片和盖帽基片之间夹入一定厚度的焊料；把组合器件放入具有一定真空度的键合炉内，焊料在一定温度和压力下熔融，使底座基片、中间垫层基片、盖帽基片粘合在一起，形成器件密封腔；划片形成单个器件。该圆片级封装方法能提高封装内外部环境的密封性能，封装器件的可靠性和成品率高，且工艺简单、成本低，适用于工业大批量生产。

所述底座基片是支撑MEME器件的衬底，可以是直径为4寸、8寸和12寸等规格的硅片、石英片、蓝宝石、陶瓷等圆形基片，也可以是其它规格和尺寸的基片。

所述复合金属层可以是多种类型，如Cr/Cu，Cr/Au，Cr/Ni/Au，Ti/Ni/Au，Cr Ni Cu Ag等，其中的底层是粘附层，实现中间层与基片的粘附；中间层是阻挡层，防止顶层金属扩散进基片，顶层金属是粘附层，实现与焊料的共融钎焊。所述复合金属层厚度在100nm-10μm。

所述吸气剂中可选择非蒸散型吸气剂(NEG)，如锆(Zr)合金，锆铝合金，Ti-Mo，Ti-Zr-V，Zr-V-Fc，纳米吸气剂等。

所述键合炉的真空度应高于器件封装所需真空度，所需温度和压力应能是焊料与复合金属层熔融在一起。

一种采用该圆片级真空封装方法封装MEMS红外焦平面阵列(FPA)器件的工艺，图2为本发明FPA圆片级真空封装的制备流程图，具体步骤如下：

1)在4寸硅片1上采用MEMS加工工艺完成红外焦平面阵列(FPA)2的加工，如图2a；

2)在完成FPA 2的同时，在硅片1上光刻出金属键合图形，溅射金属Cr5/Ni6，具体厚度为

剥离形成金属图形，如图2b，2c，其中2c为金属框图的俯视图；

3)同2)对双抛硅片3(正面)和玻璃片4溅射金属Cr5/Ni6，剥离形成金属图形，如图2d，2e，其中2d为中间垫层片示意图，2e为窗口片的示意图；

4)对双抛硅片3正面涂胶保扩，同2)对双抛硅片3背面进行光刻，溅射金属Cr5/Ni6，剥离形成金属图形，如图2d；

5)对硅片1、双抛硅片3和玻璃片4溅射Au 7，具体厚度为

6)光刻出Au 7的图形，与金属Cr 5/Ni 6图形重合，腐蚀Au，形成顶层金属图形，如图2b，2d，2e；

7)光刻出玻璃片4上吸气剂的图形，溅射锆合金9作为吸气剂，剥离形成吸气剂图形，如图2c；

8)采用激光切割技术，将没有金属覆盖的硅切割掉，形成过孔结构，切割之前对硅片3正反面涂胶保护，如图2f和图3，其中图2f为镂空剖面图和俯视图，图3为中可垫层片的圆片级的过孔结构示意图，10为过孔；

9)按硅片1、双抛硅片3和玻璃片4的顺序对准，将片状Au-Sn焊料8剪成键合区域形状，放入各层之间，在真空加热炉中完成封装，如图2g，焊接界面结构和图4所示；

10)激活吸气剂，然后划片。

Claims

1.一种圆片级真空封装方法，该圆片级真空封装的器件主要包括MEMS器件、支撑MEMS器件的底座基片、带过孔的中间垫层基片、盖板基片、焊料和吸气剂。封装基本步骤包括：在底座基片上制备出需要的MEMS器件；在底座基片的器件面、中间垫层基片的两个面和盖帽基片的一面淀积一层复合金属层，并形成键合区域图形，该复合金属层作为焊接中间层，在实现粘附的同时还作为气密性阻绝层；在盖帽或中间垫层或底座基片上溅射吸气合金作为吸气剂；加工中间垫层基片形成过孔：把底座基片、中间垫层基片、盖帽基片按顺序对准组合在一起，并在底座基片和中间垫层基片、中间垫层基片和盖帽基片之间夹入一定厚度的焊料；把组合器件放入具有一定真空度的键合炉内，焊料在一定温度和压力下熔融，使底座基片、中间垫层基片、盖帽基片粘合在一起，形成器件密封腔；划片形成单个器件。该圆片级封装方法能提高封装内外部环境的密封性能，封装器件的可靠性和成品率高，且工艺简单、成本低，适用于工业大批量生产。

2.如权利要求1所述的圆片级真空封装的方法，其特征在于，所述MEMS器件可以是陀螺、加速度计、压力计、红外焦平面阵列等MEMS器件。

3.如权利要求1所述的圆片级真空封装的方法，其特征在于，所述底座基片是支撑MEMF器件的衬底，可以是直径为4寸、8寸和12寸等规格的硅片、石英片、蓝宝石、陶瓷等圆形基片，也可以是其它规格和尺寸的基片。

4.如权利要求1所述的圆片级真空封装的方法，其特征在于，所述中间垫层基片可以是与底座基片相同规格的圆形或其它形状的基片，尺寸与底座基片基本相同，材料可以是陶瓷、玻璃、石英、硅片等材料，厚度根据封装器件的要求选择500nm-1mm。

5.如权利要求1所述的圆片级真空封装的方法，其特征在于，所述中间垫层过孔可以是方形、圆形等，尺寸与MEMS器件尺寸对应，可采用激光划片、干法刻蚀、湿法腐蚀等工艺加工。

6.如权利要求1所述的圆片级真空封装的方法，其特征在于，所述盖帽基片可以是与底座基片相同规格的玻璃、石英片、陶瓷片等，可在所述盖帽基片与中间垫层的接触面上加工一定深度的槽，形状与中间垫层过孔基本一致，与中间垫层共同形成MEMS器件的密封腔。

7.如权利要求1所述的圆片级真空封装的方法，其特征在于，所述复合金属层可以是多种类型，如Cr/Cu，Cr/Au，Cr/Ni/Au，Ti/Ni/Au，Cr/Ni/Cu/Ag等，其中的底层是粘附层，实现中间层与基片的粘附；中间层是阻挡层，防止顶层金属扩散进基片，顶层金属是粘附层，实现与焊料的共融钎焊。所述复合金属层厚度在100nm-10μm。

8.如权利要求1所述的圆片级真空封装的方法，其特征在于，所述焊料可以是多种合金焊料，如Sn-Ph，Sn-ln，Sn-Ag，Sn-Au，Sn-Cu，Sn-Ag-Bi，Sn-Ag-Cu，Sn-Ag-ln，Sn-Ag-Sb，Sn-Cu-Ni等焊料，根据复合金属层材料来选择。所述焊料一般加工成厚度在5μm-100μm的片状，尺寸与被键合区域的尺寸基本一致。

9.如权利要求1所述的圆片级真空封装的方法，其特征在于，所述吸气剂可选择非蒸散型吸气剂(NEG)，如锆(Zr)合金，锆铝合金，Ti-Mo，Ti-Zr-V，Zr-V-Fc，纳米吸气剂等。

10.如权利要求1所述的圆片级真空封装的方法，其特征在于，所述键合炉的真空度应高于器件封装所需真空度，所需温度和压力应能使焊料与复合金属层熔融在一起。

11.一种本发明MEMS器件的圆片级真空封装的制备方法，包括如下加工步骤：

1)在底座基片上完成MEMS器件的加工，在底座基片上加工器件的同时完成封装用复合金属层的淀积，光刻并腐蚀或剥离金属，形成键合用金属图形；

2)在中间垫层基片的两面淀积复合金属层，光刻并腐蚀金属形成键合用金属图形，图形形状与底座基片一致；上述腐蚀金属的工艺也可采用剥离工艺实现；

3)在盖帽基片的一面淀积复合金属层，光刻并腐蚀金属形成键合用金属图形；上述腐蚀金属的工艺也可采用剥离工艺实现；

4)在中间垫层基片形成过孔，可以直接采用金属层为掩膜，湿法腐蚀或干法刻蚀中间垫层直至穿通，形成过孔结构。还可以使用激光切割技术来形成过孔结构；

5)在盖帽基片上光刻出吸气剂图形，溅射吸气剂薄膜，采用剥离工艺完成吸气剂图形的制作，也可以先淀积吸气剂薄膜，光刻后腐蚀形成吸气剂图形的工艺；

6)按底座基片、中间垫层基片和盖帽基片的顺序对准组合三个基片，片状焊料按键合区域形状切割，夹在底座基片和中间垫层基片，以及中间垫层基片和盖帽基片之间，组合后的基片放入具有一定真空度的炉内，在真空度环境下加热基片至焊料熔点以上，完成键合封装；

7)激活吸气剂，根据吸气剂材料和器件实际应用来确定激活温度。

8)封装完成后沿键合区域划片形成单个器件。

该方法可以根据实际需要来修改封装过程、封装用材料、封装尺寸等。