CN102815657B - 一种封装结构及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于封装部件的封装结构和封装方法，包括：中空框架，包括上表面和下表面；第一封装基底，位于中空框架的上方，与该上表面密封键合；第二封装基底，位于中空框架的下方，与该下表面密封键合；以及封装部件，包括衬底和器件，该器件位于衬底之上，并且中空框架、第一封装基底和第二封装基底中的任意一个与衬底相键合；中空框架、第一封装基底和第二封装基底形成一个封闭腔体，该封装部件容置于封闭腔体中。与现有技术相比，该封装结构能够将包括器件以及衬底的被封装芯片完全封装在封闭腔体中，因而被封装芯片的上下表面并不会出现压强差，在封装过程中被封装的芯片不会发生形变，进而被封装芯片的器件性能不受影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于封装部件的封装技术，尤其涉及一种用于该封装部件的封装结构及其封装方法。
背景技术
随着微机电系统(MEMS，Micro Electro Mechanical System)技术的日益发展，微机电系统芯片在各个领域的应用也越来越广泛，因此微机电系统芯片的封装技术也成为了保证MEMS器件性能的重要技术，例如，MEMS器件尤其是MEMS传感器的真空封装在很大程度上影响着其最终性能、工作的可靠性以及使用寿命等等。
图1示出了现有技术中的一种MEMS封装结构。参照图1，该封装结构包括被封装的芯片101、封装衬底102和封装体107，其中，封装体107用于对被封装的芯片101进行封装，并且封装体107与封装衬底102直接键合或者通过连接材料106键合在一起。此外，该封装体107具有侧腔壁104，以及该封装体107的中部为凹槽，该凹槽与封装衬底102共同形成一个真空腔103，以便将被封装的芯片101封装在该真空腔103内。为了吸附封装材料所缓慢释放出的气体，在真空腔103内还放置气体吸附剂105。
然而，在很多应用领域，上述MEMS封装结构会存在一些明显缺陷，例如，被封装的芯片101在工作或者在封装时，温度变化较大，这就对相互键合的封装体107以及封装衬底102的热膨胀系数有较为严格的要求，最好是该封装体107和封装衬底102的热膨胀系数相同或相接近，否则温度变化将影响到封装的可靠性，因此封装体107的选取会受到封装衬底102的材料限制。另外，封装衬底102的上表面位于真空腔103中，处于真空状态；而封装衬底102的下表面与空气接触，其上表面和下表面的压强差可能导致封装衬底102变形，从而会对封装衬底102上表面的被封装芯片101的性能产生不利影响。再者，封装体107的凹槽必须进行蚀刻或机械加工而形成，这会极大地增加封装成本，并且蚀刻或机械加工后的表面通常较为粗糙，对光产生散射，当被封装的芯片101为红外传感器时，将对该红外传感器的工作性能产生不利影响。对于红外传感器来说，需要在封装体107的上下表面镀上红外增透膜，而蚀刻工艺之后进行镀膜操作，也会增加该封装结构的封装成本，并且蚀刻后的粗糙表面也会大大削弱增透膜的效用。此外，将芯片直接作为封装窗口，需要在器件周围留出空间用于键合，在相同的面积上产出的器件数量减少，从而成本增加。并且，在实际操作过程中，为避免对器件造成损伤，对键合区域的加工、清洗非常困难。
现有技术中的另一种常用封装方法是，预先将需要封装的芯片固定在一个腔体内，然后对该腔体进行抽真空处理，当该腔体的真空度达到预定要求后再把腔体进行密封。但是，该封装方法一次只能封装一个芯片，材料的成本高，并且封装后的体积较大。现有技术中的其他常用封装方法，包括上述方法，均需要经历不止一次的键合或密封过程，工艺复杂。例如，封装过程中需先将窗口键合到封装腔体，再将器件放入封装腔体，然后将另一窗口键合至封装腔体。
有鉴于此，如何提供一种简单可靠、可批量生产的封装结构，并且该封装结构中的被封装芯片保持优良的工作性能，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种封装结构及其封装方法，其消除了现有技术中的封装结构的缺点，能够简单、可靠地对被封装的芯片进行批量封装，并保持被封装的芯片优良的工作性能。
根据本发明的一个方面，提供一种用于封装部件的封装结构，其中，该封装结构包括：
中空框架，包括上表面和下表面；
第一封装基底，位于所述中空框架的上方，与所述中空框架的上表面密封键合；
第二封装基底，位于所述中空框架的下方，与所述中空框架的下表面密封键合；以及
封装部件，包括衬底和器件，所述器件位于所述衬底之上，并且所述中空框架、所述第一封装基底和所述第二封装基底中的任意一个与所述衬底相键合；
其中，所述中空框架、所述第一封装基底和所述第二封装基底形成一个封闭腔体，并且所述封装部件容置于所述封闭腔体中。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于封装部件的封装方法，该封装部件包括衬底与器件，所述器件固定于所述衬底之上，其中，该封装方法包括以下步骤：
将中空框架与所述第二封装基底的上表面相接触，并将第一封装基底的下表面与所述中空框架相接触，以使得所述中空框架、所述第一封装基底和所述第二封装基底形成封闭腔体，其中，所述封装部件位于所述封闭腔体中；
加热所述封装部件、所述中空框架、所述第一封装基底和所述第二封装基底所形成的封装结构中的全部或部分；
冷却所述封装结构。
与现有技术相比，本发明的封装结构具有如下优点：封装结构自身包括一个封装基底，从而在封装芯片时，该封装结构上方的封装基底、中空框架以及下方的封装基底进行热键合，能够将包括器件以及衬底的被封装芯片的整体完全封装在该封装结构的封闭腔体中，因而被封装芯片的上下表面并不会出现压强差，在封装过程中被封装的芯片不会发生形变，进而被封装芯片的器件性能不受影响。另外，封装结构中的封装基底的材料选择更加广泛，而无需强制选择热膨胀系数与被封装芯片衬底相同或相接近的材料。此外，本发明的封装结构的上下封装基底以及中空框架的表面无需经过蚀刻，因此表面光滑，这对于被封装芯片为红外焦平面阵列之类的透射器件来说，也是非常有利的。此外，该封装结构以及封装方法也非常适合批量生产，可对多个封装结构同时进行抽真空并密封。封装过程可一次性同时完成，无需分步进行窗口封装、气体吸附剂激活或密封。该封装结构和封装方法还可用于准晶圆级封装。例如，在封装多个芯片时，封装结构的上封装基底、中空框架以及下封装基底可以是整片，封装时在每个中空框架内放置被封装的芯片，待封装好以后再进行切片操作，成本低廉。本申请中的“整片”，包括可切割出两个或两个以上封装单元，即上封装基底、中空框架或者下封装基底的完整材料，可以是圆片，也可以是方形、长方形片或其他形状。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出现有技术中的一种MEMS封装结构。
图2示出根据本发明的一个方面用于封装部件的封装结构的分解示意图。
图3示出根据本发明的一优选实施例用于封装部件的封装结构的结构组成示意图。
图4示出根据本发明的另一个方面用于封装部件的封装方法的方法流程图。
图5示意性地说明了根据本发明的再一个方面用于封装部件的封装结构在进行准晶圆级封装时的结构分解示意图。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图2示出根据本发明的一个方面用于封装部件的封装结构的分解示意图。其中，该封装部件包括但不局限于，MEMS芯片、红外传感器、MEMS红外传感器、红外焦平面阵列等等。本领域技术人员应能理解上述利用本发明的封装结构进行封装的封装部件仅为举例，其他现有的或今后可能出现的利用本发明的封装结构进行封装的封装部件如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并以引用方式包含于此。
参照图2，本发明的封装结构包括中空框架204、第一封装基底203、第二封装基底205和封装部件(未示出)。其中，第一封装基底203位于所述中空框架204的上方，与所述中空框架204的上表面密封键合；第二封装基底205位于所述中空框架204的下方，与所述中空框架204的下表面密封键合。封装部件包括衬底和器件，该封装部件的器件位于其衬底之上，并且所述中空框架204、所述第一封装基底203和所述第二封装基底205中的任意一个与所述衬底通过诸如直接键合或利用键合材料进行键合等方式键合在一起，所述第一封装基底203、所述中空框架204和所述第二封装基底205形成一个封闭腔体，并且所述封装部件容置于所述封闭腔体中。由于所述封装部件自身包括一个衬底，通过将该封装结构上方的封装基底、中空框架以及下方的封装基底进行热键合后，包括器件以及衬底的封装部件的整体被完全封装在封闭腔体中，因而封装部件中器件的上下表面并不会出现压强差，并且封装过程中该封装部件的衬底不会发生形变，进而该封装部件的器件工作不受影响。此外，本发明的封装部件将器件放置在其自身的衬底之上，因而当所述封装部件放置在第一封装基底203、中空框架204和第二封装基底构成的封闭腔体时，无需在该封装部件周围预留空间用于第一封装基底203与中空框架204、中空框架204与第二封装基底205间的键合，相比于其他技术，本发明的封装结构使得器件生产时在相同面积上能够产出的器件数量更多，从而降低了器件的生产成本。并且，封装基底和中空框架因独立于器件，其表面清洗和预处理简单。
本领域的技术人员应当理解，所述第一封装基底203和所述第二封装基底205仅仅是为方便描述而命名，以区分所述中空框架204两侧的封装基底，例如，将所述中空框架204任意一侧的封装基底称为第一封装基底203，并且位于所述中空框架204的上方时，与之相对的另一侧的封装基底称为第二封装基底205，位于所述中空框架204的下方。因此，在本发明的一些优选实施例中，该封装部件的衬底也可与第一封装基底203进行键合。此外，在本发明的一些优选实施例中，该封装部件的衬底也可与中空框架进行键合。
优选地，由所述第一封装基底203、所述中空框架204和所述第二封装基底205构成的封闭腔体形成真空腔体，并且所述封装部件密封于所述真空腔体中。例如，可将所述第一封装基底203、中空框架204、第二封装基底205、封装部件连同相应的键合材料放置在真空系统中，然后对该真空系统进行抽真空处理，在对所述封装结构进行加热以完成所述第一封装基底203与中空框架204、中空框架204与第二封装基底205之间的热键合后，所述第一封装基底203、所述中空框架204和第二封装基底205构成的封闭腔体形成真空腔体，并且与所述第二封装基底205键合的封装部件密封于所述真空腔体中。
在一具体实施例中，针对所述第一封装基底203和中空框架204，热膨胀系数较小的材料的热膨胀系数不小于热膨胀系数较大的材料的热膨胀系数的40％。例如，当第一封装基底203的热膨胀系数为4.5×10-7/℃时，中空框架204的热膨胀系数应当介于1.8×10-7/℃与11.25×10-7/℃之间。针对所述第二封装基底205和中空框架204，热膨胀系数较小的材料的热膨胀系数不小于热膨胀系数较大的材料的热膨胀系数的40％。例如，当第二封装基底205的热膨胀系数为4.5×10-7/℃时，中空框架204的热膨胀系数介于1.8×10-7/℃与11.25×10-7/℃之间。在另一具体实施例中，所述第一封装基底203、中空框架204和第二封装基底205各自材料的热膨胀系数相同。在又一具体实施例中，第一封装基底203、中空框架204和第二封装基底205各自材料中的至少两种材料相同。例如，第一封装基底203和第二封装基底204采用相同材料制成，或者中空框架204和第二封装基底205采用相同材料制成。本领域技术人员应能理解上述第一封装基底、第二封装基底以及中空框架各自材料的热膨胀系数之间的关系仅为举例，其他现有的或今后可能出现的第一封装基底、第二封装基底以及中空框架各自材料的热膨胀系数之间的关系如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并以引用方式包含于此。
在根据本发明的一个具体实施例中，封装部件包括红外传感器或红外焦平面阵列，所述第一封装基底203的制成材料或第二封装基底205的制成材料是对红外线透明、对参照光透明或者对红外线和参照光均透明的材料。在此，参照光包括诸如光电二极管、CMOS或CCD等硅探测器可探测到的光。优选地，所述第一封装基底203或第二封装基底205的制成材料包括锗、硅、玻璃、D263玻璃、硒化锌或者硫化锌。例如，所述封装部件包括光读出的红外焦平面阵列，工作时参照光入射在该红外焦平面阵列，透射或反射的参照光被CCD或CMOS芯片接收，由于红外线入射到红外焦平面阵列时，透射或反射的参照光的光强发生变化，该变化被CCD或CMOS芯片探测到，从而计算出所入射的红外线的光强，以达到热成像的目的。此时，该封装结构的第一封装基底203用作一个对红外线和参照光均透明的窗口，其制成材料选用硒化锌(ZnSe)或硫化锌(ZnS)。又如，所述封装部件为红外传感器，为了增强红外线的透射效率，在第一封装基底203的上下表面镀红外增透膜。当采用透射模式探测参照光的强度时，将该封装结构的第二封装基底205用作该参照光的透射窗口，其制成材料选用对参照光透明的材料，例如D263玻璃。
优选地，所述中空框架204的制成材料包括锗、硅、硒化锌、硫化锌、玻璃、D263玻璃或者可伐合金。例如，所述中空框架204采用玻璃材料制作时，不但可降低材料成本，当通过诸如玻璃打孔的方式生成时，也可显著降低中空框架的加工成本。本领域技术人员应能理解上述中空框架的制成材料仅为举例，其他现有的或今后可能出现的中空框架的制成材料如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并以引用方式包含于此。
优选地，所述第一封装基底203与所述中空框架204间的键合、所述中空框架204与所述第二封装基底205的键合以及所述封装部件与所述第二封装基底205的键合包括直接键合方式和/或通过键合材料进行键合的方式。以直接键合方式为例，所述第一封装基底203与所述中空框架204之间、所述中空框架204与所述第二封装基底205之间、所述封装部件与所述第二封装基底205之间通过诸如硅-硅键合或离子键键合等方式进行直接键合，并且通过施加电压、压力和高温条件中的至少一种来完成键合过程。
下面以通过键合材料进行键合的方式为例进行说明，所述第一封装基底203与所述中空框架204之间、所述中空框架204与所述第二封装基底205之间、所述封装部件与所述第二封装基底205之间通过诸如玻璃、合金、金属等材料进行键合，并且通过施加电压、压力和高温条件中的至少一种来完成键合过程。在此，本发明中所使用的“键合”一词，泛指直接或通过连接材料结合，粘合等。本领域技术人员应能理解上述第一封装基底、中空框架、第二封装基底、封装部件间的键合方式仅为举例，其他现有的或今后可能出现的第一封装基底、中空框架、第二封装基底、封装部件间的键合方式如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并以引用方式包含于此。
在一具体实施例中，所述第一封装基底203与所述中空框架204也可采用一体成型结构，或者所述第二封装基底205与所述中空框架204采用一体成型结构。具体地，为了减少第一封装基底203、中空框架204和第二封装基底205之间需要进行键合的键合次数，例如，第二封装基底205和中空框架204采用一体成型结构；或者在封装所述封装部件之前，预先将所述第二封装基底205和所述中空框架204键合在一起，形成凹型容置空间。又如，第一封装基底203和中空框架204采用一体成型结构；或者在封装所述封装部件之前，预先将所述第一封装基底203和所述中空框架204键合在一起，形成凹型容置空间。在另一具体实施例中，还可将所述第一封装基底203、中空框架204和第二封装基底205依序放置并对准，然后一次性地完成所有需要键合的位置的键合过程。
图3示出根据本发明的一优选实施例用于封装部件的封装结构的结构组成示意图。其中，该封装部件包括但不局限于，MEMS芯片、红外传感器、MEMS红外传感器、红外焦平面阵列等等。本领域技术人员应能理解上述利用本发明的封装结构进行封装的封装部件仅为举例，其他现有的或今后可能出现的利用本发明的封装结构进行封装的封装部件如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并以引用方式包含于此。
在图3所示的封装结构中，第一封装基底303、中空框架304、第二封装基底305分别与图2所示的第一封装基底203、中空框架204、第二封装基底205相同或相似，并且图3中包括衬底301和器件的封装部件也与图2所描述的封装部件相同或相似，为描述简便起见，故此处不再赘述，并通过引用的方式包含于此。
该封装结构还包括气体吸附剂307，所述气体吸附剂307固定于所述封装结构的封闭腔体302中。具体地，为保持封闭腔体302长期稳定，在不影响封装部件中的器件工作的条件下，在该封闭腔体302内的任意位置处固定该气体吸附剂307，例如，该气体吸附剂307在封装时放置并进行固定，或者在封装之前放置并进行固定，或者直接镀在衬底301、第二封装基底305、中空框架304或第一封装基底303与该封闭腔体302相接触的侧壁面。优选地，在不影响器件工作的前提下，所述气体吸附剂307以薄膜形式镀在所述封闭腔体302中的任一腔壁表面或所述封装部件的任一表面。本领域技术人员应能理解上述将气体吸附剂固定于封闭腔体中的方式仅为举例，其他现有的或今后可能出现的将气体吸附剂固定于封闭腔体中的方式如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并以引用方式包含于此。
优选地，所述气体吸附剂307以直接键合方式或通过键合材料键合的方式固定于所述封闭腔体302中。以直接键合方式为例，所述气体吸附剂307与所述封闭腔体302通过诸如金属-金属键合、玻璃-玻璃键合、或离子键键合等方式直接键合于键合位置306，并且通过施加电压、压力和高温条件中的至少一种来完成键合过程。以通过键合材料进行键合的方式为例，预先将键合材料放置于键合位置306，然后所述气体吸附剂307与所述封闭腔体302通过诸如玻璃、合金、金属等材料进行键合，并且通过施加电压、压力和高温条件中的至少一种来完成键合过程。在此，所述合金包括金、银、锡和铟中任意两种或两种以上的组合，以及所述金属包括金、银、锡或铟。在此，本发明中所使用的“键合”一词，泛指直接或通过连接材料结合，粘合等。本领域技术人员应能理解上述气体吸附剂与封闭腔体间的键合方式仅为举例，其他现有的或今后可能出现的气体吸附剂与封闭腔体间的键合方式如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并以引用方式包含于此。
在一具体实施例中，所述气体吸附剂307、所述封装部件、所述第一封装基底303、所述中空框架304或者所述第二封装基底305需要键合的部分镀有粘合浸润膜(未示出)。优选地，所述粘合浸润膜包括铬、钛、镍、金和铂中的至少一种金属。例如，该封装结构在所述气体吸附剂307、所述封装部件、所述第一封装基底303、所述中空框架304或所述第二封装基底305需要键合的键合表面镀上粘合浸润膜，诸如Cr/Ni/Au(铬/镍/金)、Ti/Ni/Au(钛/镍/金)、Cr/Au(铬/金)、Ti/Au(钛/金)等，从而保证诸如合金的键合材料与键合部分形成更牢固的键合。具体地，在进行键合时，诸如合金或金属的键合材料会浸润在粘合浸润膜的表面，从而形成牢固的键合。又如，在气体吸附剂307和衬底301的背面或侧面上的某一区域镀上粘合浸润膜，通过使用该粘合浸润膜，同样能够使键合材料在该区域最后形成键合时更好地固定该气体吸附剂307和衬底301。
在一具体实施例中，所述第一封装基底303或所述第二封装基底305的上表面和下表面的至少一个表面镀有红外增透膜。例如，所述封装部件包括红外传感器，为了增强红外线的透射效率，将红外线入射方向的所述第一封装基底303或所述第二封装基底305的上表面和下表面中的至少一个表面上镀有红外增透膜。
图4示出根据本发明的另一个方面用于封装部件的封装方法的方法流程图。其中，该封装部件包括衬底与器件，并且所述器件固定于所述衬底之上。在此，所述封装部件包括但不局限于，MEMS芯片、红外传感器、MEMS红外传感器、红外焦平面阵列等等。
在步骤S1中，将中空框架与第二封装基底的上表面相接触，并将第一封装基底的下表面与所述中空框架相接触，以使得所述中空框架、所述第一封装基底和所述第二封装基底形成封闭腔体，其中，所述封装部件位于所述封闭腔体中。例如，该封装方法先将中空框架与所述第二封装基底的上表面相接触，然后再将所述第一封装基底的下表面与所述中空框架相接触；或者，该封装方法先将所述第一封装基底的下表面与所述中空框架相接触，然后再将所述中空框架与所述第二封装基底的上表面相接触。又如，为便于将所述第二封装基底和所述中空框架快速地进行键合，在封装所述封装部件之前，预先将所述第二封装基底的上表面和所述中空框架通过诸如键合材料键合在一起，形成凹型容置空间，然后将所述第一封装基底的下表面与所述中空框架相接触，以使得所述中空框架、所述第一封装基底和所述第二封装基底形成封闭腔体，其中，所述封装部件位于所述封闭腔体中，即，所述封装部件的器件和所述封装部件的衬底均封闭于所述封闭腔体中。再如，预先将所述第一封装基底和所述中空框架键合在一起，形成凹型容置空间，然后将所述第二封装基底的上表面与所述中空框架相接触，以使得所述中空框架、所述第一封装基底和所述第二封装基底形成封闭腔体，其中，所述封装部件位于所述封闭腔体中。本领域技术人员应能理解上述将第一封装基底的下表面以及第二封装基底的上表面与所述中空框架相接触的方式仅为举例，其他现有的或今后可能出现的将第一封装基底的下表面以及第二封装基底的上表面与所述中空框架相接触的方式如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并以引用方式包含于此。
在步骤S2中，加热所述封装部件、所述中空框架、所述第一封装基底和所述第二封装基底所形成的封装结构中的全部或部分。具体地，在上述步骤S1中，所述中空框架、所述第一封装基底和所述第二封装基底形成封闭腔体，然后所述封装方法在步骤S2中同时加热或依先后顺序而部分加热所述封装部件、所述中空框架、所述第一封装基底和所述第二封装基底。优选地，该封装方法还包括步骤S4(未示出)，在所述步骤S4中，所述封装方法将气体吸附剂固定于所述封装结构的封闭腔体中。例如，将该气体吸附剂在封装前放置，封装时键合固定；或者，在封装之前放置并进行固定；或者，可直接以镀膜方式镀在所述封闭腔体内，诸如，所述封装部件的衬底、第二封装基底、中空框架或第一封装基底与该封闭腔体相接触的侧壁面。又如，将该气体吸附剂固定于第二封装基底的上表面，或者将所述气体吸附剂镀于所述第一封装基底、所述第二封装基底或所述中空框架与所述封闭腔体相接触的表面的任意位置。优选地，在加热过程中对封装结构进行加压或加电，以形成良好的密封。
在步骤S3中，冷却所述封装结构。例如，所述封装结构通过上述步骤S2进行热键合后，该封装方法可通过诸如风冷、水冷或自然冷却等方式来冷却所述封装结构。本领域技术人员应能理解上述将第一封装基底的下表面与所述中空框架相结合的方式仅为举例，其他现有的或今后可能出现的将第一封装基底的下表面与所述中空框架相结合的方式如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并以引用方式包含于此。
优选地，在所述步骤S1和S2之间，该封装方法还包括步骤S5(未示出)，在所述步骤S5中，所述封装方法将所述尚未密封的封装结构放入真空系统中；然后，对所述真空系统进行抽真空处理；最后，对所述封装结构在键合温度以下进行烘烤去气。具体地，将所述尚未密封的第一封装基底、中空框架、第二封装基底、封装部件连同相应的键合材料放置在真空系统中，然后对该真空系统进行抽真空处理，以便所述第一封装基底、所述中空框架和第二封装基底构成的封闭腔体形成真空腔体，并且与所述第二封装基底相键合的封装部件密封于所述真空腔体中。
在一具体实施例中，该封装方法采用分步加热方式完成所述封装结构的热键合过程。优选地，将所述第一封装基底、所述中空框架和所述封装部件构成所述封装结构的第一部分，以及将所述气体吸附剂和所述第二封装基底构成所述封装结构的第二部分，分离所述封装结构的第一部分和第二部分；然后，在所述步骤S2中，该封装方法先后加热所述封装结构的第二部分和所述封装结构的第一部分。具体地，该封装方法先移除所述封装结构的第一部分；然后，对所述封装结构的第二部分进行加热，以激活所述气体吸附剂；接着，将所述封装结构的第二部分冷却至封装键合温度以下；将所述第一部分与冷却后的所述第二部分对准，以构成所述封装结构；最后，将所述封装结构加热至所述封装键合温度，以完成第一封装基底、中空框架、第二封装基底、封装部件和气体吸附剂中需要键合位置的键合过程。在此，所述封装键合温度是指所述第一封装基底、中空框架和第二封装基底间需要进行热键合的键合温度。在另一具体实施例中，该封装方法还可将所述第一封装基底和所述封装部件构成所述封装结构的第一部分，以及将所述中空框架、气体吸附剂和所述第二封装基底构成所述封装结构的第二部分，然后采用与上述步骤相类似的加热过程进行分步加热。在又一具体实施例中，该封装方法也可先将所述封装结构中的第一封装基底、第二封装基底、中空框架相接触，然后再将所述封装结构划分为第一部分和第二部分；或者，先将所述封装结构划分为第一部分和第二部分，然后在步骤S1中将所述第一部分和所述第二部分相接触。由此可知，将封装结构中的第一封装基底、第二封装基底、中空框架相接触的步骤与所述封装结构被划分为第一部分和第二部分的步骤并无必然的先后关系，亦即，在加热所述封装结构前，不仅可先将所述封装结构分为第一部分和第二部分，然后再将所述第一部分和第二部分相接触；也可将所述封装结构中的第一封装基底、第二封装基底和中空框架相接触，然后再将所述第一封装基底、第二封装基底、中空框架和封装部件所构成的封装结构分为第一部分和第二部分。本领域技术人员应能理解上述将所述封装结构划分为不同部分的方式仅为举例，其他现有的或今后可能出现的将所述封装结构划分为不同部分的方式如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并以引用方式包含于此。
在另一具体实施例中，该封装方法采用同时加热方式完成所述封装结构的热键合过程。具体地，在同时加热的过程中，当所述封装结构的第一封装基底、第二封装基底和中空框架所形成的封闭腔体中放置有气体吸附剂时，该封装方法选取所述气体吸附剂激活所需的温度小于封装键合时所用的所述键合材料的键合所需温度和所述封装部件的器件可承受的最高温度，并且，选取所述键合材料的键合所需温度小于所述封装部件的器件可承受的最高温度，因此，当所述第一封装基底、中空框架、第二封装基底、气体吸附剂和封装部件被加热至所述键合材料的键合所需温度时，所述气体吸附剂已达到激活所需的温度从而被成功激活，并且热键合过程完成时所述封装部件的器件的实际温度仍然在其可承受的最高温度之下。
优选地，在同时加热的过程中，气体吸附剂达到的最高温度高于封装键合时所用的键合材料达到的最高温度。例如，当所述气体吸附剂激活所需的温度高于所述封装键合时所用的键合材料的键合所需温度时，该封装方法通过一个特定的加热装置或加热方法，使得加热过程中所述气体吸附剂达到的最高温度高于所述封装键合时所用的键合材料达到的最高温度，以便热键合过程完成的同时，所述气体吸附剂也被激活。
优选地，在同时加热的过程中，气体吸附剂达到的最高温度高于所述封装部件的器件达到的最高温度。例如，当所述气体吸附剂激活所需的温度高于所述封装部件的器件可承受的最高温度时，该封装方法通过一个特定的加热装置或加热方法，使得加热过程中所述气体吸附剂达到的最高温度高于所述封装部件的器件达到的最高温度，以便所述气体吸附剂被激活的同时，所述封装部件的器件的实际温度仍然在其可承受的最高温度之下，从而不会对所述封装部件的器件造成损害。
优选地，在同时加热的过程中，键合材料达到的最高温度高于所述封装部件的器件达到的最高温度。例如，当所述封装键合时所用的键合材料的键合所需温度高于所述封装部件的器件可承受的最高温度时，该封装方法通过一个特定的加热装置或加热方法，使得加热过程中所述封装键合时所用的键合材料达到的最高温度高于所述封装部件的器件达到的最高温度，以便热键合过程完成的同时，所述封装部件的器件的实际温度仍然在其可承受的最高温度之下，从而不会对所述封装部件的器件造成损害。
优选地，所述第二封装基底、所述中空框架以及所述第一封装基底相键合的部分镀有粘合浸润膜。更优选地，所述粘合浸润膜包括铬、钛、镍、金和铂中的至少一种金属。例如，该封装方法还在所述气体吸附剂、所述封装部件、所述第一封装基底、所述中空框架或所述第二封装基底需要键合的键合表面镀上粘合浸润膜，诸如Cr/Ni/Au(铬/镍/金)、Ti/Ni/Au(钛/镍/金)、Cr/Au(铬/金)、Ti/Au(钛/金)等。例如，该封装方法还将键合材料放置在所述封装结构中需要进行键合的部分位置或全部位置；以及将所述键合材料和所述粘合浸润膜设置为部分或全部重叠，从而保证诸如合金或金属的键合材料与键合部分形成更牢固的键合。具体地，在进行键合时，诸如合金或金属的键合材料会浸润在粘合浸润膜的表面，从而形成牢固地键合。又如，在气体吸附剂和封装部件的衬底的背面或侧面上的某一区域镀上粘合浸润膜，通过使用该粘合浸润膜，同样能够使键合材料在该区域最后形成键合时更好地固定该气体吸附剂和衬底。
优选地，该气体吸附剂以直接键合方式或通过键合材料键合的方式固定于所述封闭腔体中。以直接键合方式为例，所述气体吸附剂与所述封闭腔体通过诸如金属-金属键合、玻璃-玻璃键合或离子键键合等方式直接键合于键合位置，并且通过施加电压、压力和高温条件中的至少一种来完成键合过程。以通过键合材料进行键合的方式为例，预先将键合材料放置于键合位置，然后所述气体吸附剂与所述封闭腔体通过诸如玻璃、合金、金属等材料进行键合，并且通过施加电压、压力和高温条件中的至少一种来完成键合过程。在此，所述合金包括金、银、锡和铟中任意两种或两种以上的组合，以及所述金属包括金、银、锡或铟。在此，本发明中所使用的“键合”一词，泛指直接或通过连接材料结合，粘合等。本领域技术人员应能理解上述气体吸附剂与封闭腔体间的键合方式仅为举例，其他现有的或今后可能出现的气体吸附剂与封闭腔体间的键合方式如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并以引用方式包含于此。
优选地，该封装结构的第一封装基底、中空框架或者第二封装基底中的至少一个是整片，在封装前将多个所述封装部件单独放置于多个所述封闭腔体中，并且在封装完成后将所述封装结构分割成仅包含单个封装部件的封装单元。在此，所述第一封装基底、中空框架或者第二封装基底中的至少一个整片可利用切片工艺得到两个或两个以上的封装单元，每一封装单元仅包含单个的封装部件。
图5示意性地说明了根据本发明的再一个方面用于封装部件的封装结构在进行准晶圆级封装时的结构分解示意图。具体地，该封装结构在进行准晶圆级封装时，诸如使用所述第一封装基底、中空框架、第二封装基底中的至少一个整片。在此，术语“整片”，是指该封装结构可切割出两个或两个以上封装单元，即第一封装基底、中空框架或者第二封装基底的完整材料，可以是圆片，也可以是方形、长方形片或其他形状。诸如，该第一封装基底为一整片；或者，第二封装基底为一整片；或者，位于第一封装基底和第二封装基底之间的中空框架为一整片。因此，该封装结构以及封装方法适于批量生产，当将其用于准晶圆级封装时，在封装多个封装部件的过程中，封装结构的第一封装基底、中空框架以及第二封装基底可以是整片，封装时在每个中空框架中放置封装部件，待封装好以后再进行切片操作，不仅生产方便，而且成本低廉。采用玻璃或硅、锗等材料而非金属或合金材料制作基底和中空框架，使得封装后进行切片方便可行。参照图5，本发明的封装结构在进行准晶圆级封装时，包括但不限于使用整片中空框架、整片第一封装基底、整片第二封装基底，并且多个独立的封装部件(未示出)分别位于所述整片中空框架中的每一个中空框格中。本领域技术人员应能理解上述封装结构在进行准晶圆级封装时的封装方式仅为举例，其他现有的或今后可能出现的封装结构在进行准晶圆级封装时的方式如可适用于本发明，也应包含在本发明保护范围以内，并以引用方式包含于此。
在上文中，结合附图对本发明的多个优选实施例进行了详细描述。本领域技术人员应当理解，本发明中所使用的“接触”一词，既包括封装结构中的一组件与另一组件直接相接触，也包括该组件通过键合材料和/或粘合浸润膜与该另一组件相接触。例如，所述封装部件的衬底与第二封装基底的上表面相接触时，所述封装部件的衬底可与所述第二封装基底的上表面直接接触，也可通过设置在所述封装部件的衬底和所述第二封装基底的上表面之间的键合材料和/或粘合浸润膜与所述第二封装基底的上表面相接触。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
Claims (34)
1.一种封装结构，其中，所述封装结构包括：
中空框架，包括上表面和下表面；
第一封装基底，位于所述中空框架的上方，与所述中空框架的上表面密封键合；
第二封装基底，位于所述中空框架的下方，与所述中空框架的下表面密封键合；以及
封装部件，包括衬底和器件，所述器件位于所述衬底之上，并且所述中空框架、所述第一封装基底和所述第二封装基底中的任意一个与所述衬底相键合；
其中，所述中空框架、所述第一封装基底和所述第二封装基底形成一个封闭腔体，并且所述封装部件容置于所述封闭腔体中。
2.根据权利要求1所述的封装结构，其中，所述封闭腔体为真空腔体，并且所述封装部件密封于所述真空腔体中。
3.根据权利要求1或2所述的封装结构，其中，在所述第一封装基底材料和所述中空框架材料中，热膨胀系数较小的材料的热膨胀系数不小于热膨胀系数较大的材料的热膨胀系数的40％，以及在所述第二封装基底材料和所述中空框架材料中，热膨胀系数较小的材料的热膨胀系数不小于热膨胀系数较大的材料的热膨胀系数的40％。
4.根据权利要求1或2所述的封装结构，其中，所述第一封装基底材料、所述中空框架材料和所述第二封装基底材料的热膨胀系数相同。
5.根据权利要求1或2所述的封装结构，其中，所述第一封装基底材料、所述中空框架材料和所述第二封装基底材料中的至少两种材料相同。
6.根据权利要求1或2所述的封装结构，其中，所述第一封装基底材料或第二封装基底材料是对参照光透明的材料，其中，所述参照光包括硅探测器可探测到的光。
7.根据权利要求1或2所述的封装结构，其中，所述第一封装基底材料或第二封装基底材料是对红外线透明的材料。
8.根据权利要求6所述的封装结构，其中，所述第一封装基底或第二封装基底的材料包括锗、硅、玻璃、硒化锌或者硫化锌。
9.根据权利要求7所述的封装结构，其中，所述第一封装基底或第二封装基底的材料包括锗、硅、玻璃、硒化锌或者硫化锌。
10.根据权利要求1或2所述的封装结构，其中，所述中空框架的材料包括锗、硅、硒化锌、硫化锌、玻璃或者可伐合金。
11.根据权利要求1所述的封装结构，其中，所述第一封装基底与所述中空框架间的键合、所述中空框架与所述第二封装基底的键合以及所述封装部件与所述第二封装基底的键合包括直接键合方式和/或通过键合材料进行键合的方式。
12.根据权利要求1或2所述的封装结构，其中，所述封装结构还包括气体吸附剂，所述气体吸附剂固定于所述封闭腔体中。
13.根据权利要求12所述的封装结构，其中，所述气体吸附剂以薄膜形式镀在所述封闭腔体中的任一腔壁表面或所述封装部件的任一表面。
14.根据权利要求12所述的封装结构，其中，所述气体吸附剂以直接键合方式或通过键合材料键合的方式固定于所述封闭腔体中。
15.根据权利要求11或14所述的封装结构，其中，所述键合材料包括玻璃、合金或者金属。
16.根据权利要求15所述的封装结构，其中，所述合金包括金、银、锡和铟中任意两种或两种以上的组合，以及所述金属包括金、银、锡或铟。
17.根据权利要求11所述的封装结构，其中，所述封装部件、所述第一封装基底、所述中空框架或者所述第二封装基底相键合的部分镀有粘合浸润膜。
18.根据权利要求17所述的封装结构，其中，所述粘合浸润膜包括铬、钛、镍、金和铂中的至少一种金属。
19.根据权利要求1或2所述的封装结构，其中，在所述第一封装基底或所述第二封装基底的上表面和下表面中的至少一个表面镀有红外增透膜。
20.一种用于封装部件的封装方法，所述封装部件包括衬底与器件，所述器件固定于所述衬底之上，其中，所述封装方法包括以下步骤：
a)将中空框架与第二封装基底的上表面相接触，并将第一封装基底的下表面与所述中空框架相接触，以使得所述中空框架、所述第一封装基底和所述第二封装基底形成封闭腔体，其中，所述封装部件位于所述封闭腔体中；
b)加热所述封装部件、所述中空框架、所述第一封装基底和所述第二封装基底所形成的封装结构中的全部或部分；
c)冷却所述封装结构。
21.根据权利要求20所述的封装方法，其中，在所述步骤a和b之间，该封装方法还包括：
-将所述封装结构放置于真空系统中；
-对所述真空系统进行抽真空；
-对所述封装结构在键合温度以下进行烘烤去气。
22.根据权利要求20或21所述的封装方法，其中，在所述步骤b之前，该封装方法还包括：
-将气体吸附剂放置于、或固定于、或通过镀膜方式镀于所述封闭腔体内。
23.根据权利要求22所述的封装方法，其中，该封装方法还包括：
-将所述第一封装基底、所述中空框架和所述封装部件构成所述封装结构的第一部分，以及将所述气体吸附剂和所述第二封装基底构成所述封装结构的第二部分；
-分离所述封装结构的第一部分和第二部分；
其中，所述步骤b还包括：
-加热所述封装结构的第二部分，以激活所述气体吸附剂；
-冷却所述封装结构的第二部分至封装键合温度以下；
-将第一部分与冷却后的所述第二部分对准，以构成所述封装结构；
-加热所述封装结构至所述封装键合温度。
24.根据权利要求22所述的封装方法，其中，所述步骤b还包括：
-同时加热所述封装部件、所述中空框架、所述第一封装基底、所述第二封装基底以及所述气体吸附剂，以便激活所述气体吸附剂并封装键合所述封装部件、所述中空框架、所述第一封装基底和所述第二封装基底。
25.根据权利要求24所述的封装方法，其中，在同时加热的过程中，气体吸附剂达到的最高温度高于封装键合时所用的键合材料达到的最高温度。
26.根据权利要求24所述的封装方法，其中，在同时加热的过程中，气体吸附剂达到的最高温度高于所述封装部件的器件达到的最高温度。
27.根据权利要求24所述的封装方法，其中，在同时加热的过程中，键合材料达到的最高温度高于所述封装部件的器件达到的最高温度。
28.根据权利要求20或21所述的封装方法，其中，所述封装部件、所述第二封装基底、所述中空框架以及所述第一封装基底相键合的部分镀有粘合浸润膜。
29.根据权利要求28所述的封装方法，其中，所述粘合浸润膜包括铬、钛、镍、金和铂中的至少一种金属。
30.根据权利要求28所述的封装方法，其中，在步骤b之前，该封装方法还包括：
-将键合材料放置在所述封装结构中需要进行键合的部分位置或全部位置；以及
-将所述键合材料和所述粘合浸润膜设置为部分或全部重叠。
31.根据权利要求22所述的封装方法，其中，该封装方法还包括：
-将所述气体吸附剂镀于或固定于所述第一封装基底、所述第二封装基底或所述中空框架与所述封闭腔体的内表面的任意位置。
32.根据权利要求20或21所述的封装方法，其中，在所述步骤a至c的至少一个步骤中，对所述封装结构施加压力、重力和电压中的至少一种。
33.根据权利要求20或21所述的封装方法，其中，所述封装结构的第一封装基底、中空框架或者第二封装基底中的至少一个是整片，在封装前将多个所述封装部件单独放置于多个所述封闭腔体中，并且在封装完成后将所述封装结构分割成仅包含单个封装部件的封装单元。
34.根据权利要求33中所述的封装方法，其中，所述整片的材料包括硒化锌、硫化锌、锗、硅或者玻璃。
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