CN116281844A - 晶圆级腔体式封装结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种晶圆级腔体式封装结构及其制备方法，该制备方法包括：提供可伐合金晶圆，并对其进行减薄至预设厚度；于减薄后的可伐合金晶圆表面形成至少一个沿其厚度方向延伸的盲腔，相邻两盲腔之间形成为可伐合金墙；提供表面形成有键合金属层的芯片晶圆，并将键合金属层与可伐合金墙键合，以使盲腔与芯片晶圆之间形成为真空腔体，且该真空腔体内的芯片晶圆上设置有芯片。以可伐合金材料作为盖板晶圆，可直接刻蚀形成盲腔，避免在盖板晶圆上制备键合金属层的过程，工艺简单且成本低廉，还能明显提高产品屏蔽性能和散热性，提高产品良率。

Description

晶圆级腔体式封装结构及其制备方法

技术领域

本发明属于芯片晶圆级封装技术领域，特别是涉及一种晶圆级腔体式封装结构及其制备方法。

背景技术

在集成电路芯片生产过程中，芯片封装是十分重要的环节。由于芯片上的特征尺寸非常微小，金属触点难以直接与电路板上的导线连接，需要通过封装技术将芯片上的触点与电路板之间建立连接。此外，在实际使用时，芯片一般需要进行保护，以防止意外碰损。传统的芯片封装是将预先加工并分割好的单个芯片固定在封装管壳内，通过引线键合技术将芯片上的触点与封装管壳上的电引脚连接，最后灌入绝缘封装材料或加盖板密封。随着半导体制造工艺的发展，晶圆级封装(Wafer Lever Packaging，WLP)被开发出来用于提高集成度和降低芯片制造成本，该技术是对整片晶圆进行封装测试后再切割得到单个成品芯片的技术，封装后的芯片尺寸与裸片几乎一致。与传统的管壳级封装相比，晶圆级封装的芯片体积更小，制造成本更低，也更适合应用于小型移动应用或高集成度系统之中。

近年，微机电系统(Mico-Electro-Mechanical Systems，MEMS)已经在各种领域被广泛应用。微机电系统芯片上加工有微米级的机械结构和电极，可以实现物理、声、光、磁力等信号的传输或感测，并由此制成各种各样的传感器和驱动器，例如压力计、加速度计、陀螺仪、麦克风、微镜、磁力计、温度传感器等。微机电系统芯片的封装技术借鉴了许多上述集成电路芯片的封装技术，并且再次基础上额外提出了更多的要求。由于微机电元件十分脆弱，容易受外部污染物或颗粒等损害，一般都需要加带腔体的盖板密封进行保护。晶圆级封装技术也适合用于微机电系统芯片封装，一般先通过带腔体的盖板晶圆与微机电系统晶圆的键合，达到晶圆级密封的要求，同时保持盖板晶圆与微机电系统晶圆之间的物理空间。目前，在制备晶圆级腔体式封装结构中存在加工工艺复杂、成本高昂、易碎且散热较差等问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种晶圆级腔体式封装结构及其制备方法，用于解决现有的带腔体的晶圆级封装结构存在加工工艺复杂、成本高昂、易碎及散热较差等的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种晶圆级腔体式封装结构的制备方法，所述制备方法包括：

提供可伐合金晶圆，并对其进行减薄至预设厚度；

于减薄后的所述可伐合金晶圆表面形成至少一个沿其厚度方向延伸的盲腔，相邻两所述盲腔之间形成为可伐合金墙；

提供表面形成有键合金属层的芯片晶圆，并将所述芯片晶圆上的所述键合金属层与所述可伐合金晶圆上的所述可伐合金墙键合，以使所述盲腔与所述芯片晶圆之间形成为真空腔体，且该真空腔体内的所述芯片晶圆上设置有芯片。

可选地，将所述芯片晶圆上的所述键合金属层与所述可伐合金晶圆上的所述可伐合金墙键合前，对所述芯片晶圆进行减薄至预设厚度。

可选地，采用机械加工工艺或湿法腐蚀工艺形成所述盲腔。

进一步地，所述机械加工工艺为激光刻蚀。

可选地，还包括划片步骤，将键合有所述可伐合金晶圆的所述芯片晶圆分割为独立的封装体。

可选地，采用金属间熔融键合的方式形成所述真空腔体。

可选地，所述可伐合金晶圆表面形成有多个所述盲腔，且所述盲腔的形状相同或者不同。

可选地，所述可伐合金晶圆表面还形成有至少一个预留腔，该预留腔作为后续形成的独立的封装体的电路引出腔。

本发明还提供一种晶圆级腔体式封装结构，该封装结构可采用上述的晶圆级腔体式封装结构的制备方法制备得到，所述封装结构包括：相互键合的可伐合金晶圆及芯片晶圆；

所述可伐合金晶圆表面形成至少一个沿其厚度方向延伸的盲腔，相邻两所述盲腔之间为可伐合金墙；

所述芯片晶圆表面形成有键合金属层；

所述可伐合金晶圆与所述芯片晶圆通过所述键合金属层与所述可伐合金墙键合，并在所述盲腔与所述芯片晶圆之间形成真空腔体；

所述真空腔体内的所述芯片晶圆上设置有芯片。

可选地，所述芯片晶圆为微机电系统芯片晶圆。

如上所述，本发明的晶圆级腔体式封装结构及其制备方法，以可伐合金材料作为盖板晶圆，可直接刻蚀形成盲腔，可伐合金本身就可作为键合材料，避免了在盖板晶圆上制备键合金属层的过程，工艺简单且成本低廉；另外，可伐合金具有金属的优良导电属性且具有稳定的较小的热膨胀系数和较好的力学强度，导电性能使其具有较强的电磁屏蔽效应，较小的热膨胀系数使其在后续加工过程中不易变形，较好的力学强度使其在后续的工艺过程中不易损坏，且可在键合前对盖板晶圆进行减薄，避免键合后减薄工艺对芯片晶圆造成损伤，提高产品良率；最后，可伐合金盖板更能提高散热效果。

附图说明

图1至图19显示为一示例的晶圆级腔体封装结构的制备方法中各步骤结束后的截面结构示意图。

图20显示为本发明的晶圆级腔体封装结构的制备方法中芯片晶圆的截面结构示意图。

图21显示为本发明的晶圆级腔体封装结构的制备方法中芯片晶圆上形成有键合金属层的截面结构示意图。

图22显示为本发明的晶圆级腔体封装结构的制备方法中芯片晶圆减薄后的截面结构示意图。

图23显示为本发明的晶圆级腔体封装结构的制备方法中可伐合金晶圆的截面结构示意图。

图24显示为本发明的晶圆级腔体封装结构的制备方法中可伐合金晶圆的俯视结构示意图。

图25显示为本发明的晶圆级腔体封装结构的制备方法中可伐合金晶圆减薄后的截面结构示意图。

图26显示为本发明的晶圆级腔体封装结构的制备方法中可伐合金晶圆形成盲腔后的截面结构示意图。

图27显示为本发明的晶圆级腔体封装结构的制备方法中可伐合金晶圆形成盲腔后的俯视结构示意图。

图28显示为本发明的晶圆级腔体封装结构的制备方法中可伐合金晶圆与芯片晶圆键合后的截面结构示意图。

图29显示为本发明的晶圆级腔体封装结构的制备方法中可伐合金晶圆与芯片晶圆键合后的俯视结构示意图。

元件标号说明

100 可伐合金晶圆

101 盲腔

102 可伐合金墙

103 真空腔体

104 预留腔

201 芯片晶圆

202 前层结构

203 键合金属层

204 切割道

205 独立的封装体

301 芯片晶圆

302 前层结构

303 第一键合金属层

304 盖板晶圆

305 光刻胶层

306 图形化光刻胶层

307 光刻胶窗口

308 盲腔

309 种子层

310 干性光刻胶膜

311 干性光刻胶膜窗口

312 第二键合金属层

313 真空腔体

314 切割道

315 独立的封装体

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图29。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1至图19所示，为一示例的晶圆级腔体封装结构的制备方法中各步骤结束后的截面结构示意图。该制备方法具体如下：

如图1及图2所示，首先，如图1所示，提供来料芯片晶圆301，该芯片晶圆301表面形成有前层结构302，例如芯片的焊垫、电路引出焊垫及电隔离层等等；如图2所示，并使用Bumping工艺对芯片晶圆301进行金属化，在前层结构302相应位置形成第一键合金属层303；

如图3所示，然后，提供盖板晶圆304，材质为硅晶圆或者玻璃晶圆，并在其上使用旋涂或者喷涂的方式覆盖一层光刻胶层305；

如图4所示，接着进行曝光步骤，使用曝光机在涂布有光刻胶层305的盖板晶圆304上按要求将需要刻蚀的区域进行曝光或者遮光，根据选择的光刻胶不同，制作相应的掩膜版，这里为正性光刻胶，需要刻蚀的地方进行曝光；

如图5及图6所示，其中，图6为图5的光刻胶层的俯视图，接着进行显影步骤，使用特定的药液，将需要刻蚀的区域的光刻胶层305通过化学反应将其去除，形成图形化光刻胶层306，该图形化光刻胶层306上形成的光刻胶窗口307后续作为刻蚀形成盲腔的刻蚀窗口；

如图7所示，接着进行干法刻蚀步骤，使用真空刻蚀机台，基于图形化光刻胶层306利用特定的气体进行硅的刻蚀，保持开口无明显变化的情况下刻蚀出相应深度的盲腔308；

如图8所示，接着进行去胶步骤，一般用湿法工艺，通过药液反应将图形化光刻胶层306进行去除；

如图9所示，接着进行种子层沉积步骤，使用物理气相沉积(PVD)方法，于上述盖板晶圆304表面沉积一层薄层金属层作为种子层309，用于后续电镀导电；

如图10所示，接着进行覆膜步骤，使用真空压合的方式在盖板晶圆304表面上贴上一层用于曝光的干性光刻胶膜310；

如图11所示，接着进行曝光步骤，使用曝光机在干性光刻胶膜310上按要求将需要电镀的区域进行曝光或者遮光，根据选择的光刻胶不同，制作相应的掩膜版，这里为正性光刻胶，需要刻蚀的地方进行曝光；

如图12所示，接着进行显影步骤，使用特定的药液，将需要刻蚀的区域的干性光刻胶膜310通过化学反应将其去除，形成干性光刻胶膜窗口311；

如图13所示，接着进行电镀步骤，以盖板晶圆304为阴极的方式进行电镀，完成干性光刻胶膜窗口311的填充，以在该干性光刻胶膜窗口311内形成第二键合金属层312；

如图14所示，接着进行去胶步骤，将非电镀区域的干性光刻胶膜310用化学反应的方式去除，露出种子层309，便于后续将种子层309去除；

如图15所示，接着进行种子层去除步骤，用化学反应的方式将非电镀区域的种子层309去除，形成仅用于后续键合用的第二键合金属层312；

如图16所示，接着进行金属键合步骤，在高温低真空条件下使用wafer to wafer的方式，利用金属间熔融键合的方式形成真空腔体，此处由于对位和搬运对晶圆厚度和强度有一定要求，太薄或者强度不够容易造成碎片，所以一般盖板晶圆304的厚度较厚；

如图17所示，接着进行正面减薄步骤，使用机械研磨机对盖板晶圆304正面进行减薄至所需厚度；

如图18所示，接着进行背面减薄步骤，使用机械研磨机对芯片晶圆301进行减薄至所需厚度；

如图19所示，最后进行划片步骤，使用机械划片沿切割道314进行切割，得到一个个独立的封装体315。

由上可知该晶圆级腔体式封装结构使用硅或者玻璃形成真空腔体，制备工艺非常复杂，成本高昂、易碎且散热性能较差，导致形成的封装结构成本高、效率低且质量也不稳定。基于此，本实施例提供一种晶圆级腔体式封装结构的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

S1：提供可伐合金晶圆，并对其进行减薄至预设厚度；

S2：于减薄后的所述可伐合金晶圆表面形成至少一个沿其厚度方向延伸的盲腔，相邻两所述盲腔之间形成为可伐合金墙；

S3：提供表面形成有键合金属层的芯片晶圆，并将所述芯片晶圆上的所述键合金属层与所述可伐合金晶圆上的所述可伐合金墙键合，以使所述盲腔与所述芯片晶圆之间形成为真空腔体，且该真空腔体内的所述芯片晶圆上设置有芯片。

本实施例的晶圆级腔体式封装结构的制备方法，以可伐合金材料作为盖板晶圆，可直接刻蚀形成盲腔，可伐合金本身就可作为键合材料，避免了在盖板晶圆上制备键合金属层的过程，工艺简单且成本低廉；另外，可伐合金具有金属的优良导电属性且具有稳定的较小的热膨胀系数和较好的力学强度，导电性能使其具有较强的电磁屏蔽效应，较小的热膨胀系数使其在后续加工过程中不易变形，较好的力学强度使其在后续的工艺过程中不易损坏，且可在键合前对盖板晶圆进行减薄，避免键合后减薄工艺对芯片晶圆造成损伤，提高产品良率；最后，可伐合金盖板更能提高散热效果。

下面结合具体附图对本实施例的晶圆级腔体封装结构的制备方法进行详细说明。

如图23至图25所示，首先进行步骤S1，如图23及图24所示，提供可伐合金晶圆100，如图25所示，并对其进行减薄至预设厚度。

这里需要说明的是对所述可伐合金晶圆100的减薄厚度，根据实际需要进行减薄，具体情况具体选择，在此不做过分限制。

由于可伐合金具有优良的力学强度所以可以在键合前对其进行减薄至所需厚度，有效避免后续与芯片晶圆键合后减薄时对芯片晶圆中的芯片造成损伤的风险，提高封装良率。

如图26及图27所示，然后进行步骤S2，于减薄后的所述可伐合金晶圆100表面形成至少一个沿其厚度方向延伸的盲腔101，相邻两所述盲腔101之间形成为可伐合金墙102。所述可伐合金墙102作为后续与芯片晶圆键合的键合区域。

作为示例，在形成所述盲腔101的同时，还在所述可伐合金晶圆100表面形成至少一个预留腔104，该预留腔104作为后续形成的独立的封装体的电路引出腔。由于后续该盲腔101与芯片晶圆会形成真空腔体，将芯片晶圆中的芯片封装在该真空腔体中，形成该预留腔104的目的即是使封装在真空腔体中的芯片通过该预留腔104与外界实现电连接，所以该预留腔一般形成在后续形成的每个独立的封装体中的可伐合金晶圆的边缘位置。

这里需要说明的是，为了便于理解，图26及图27中仅示意出了一个封装体的可伐合金晶圆的截面及俯视结构示意图，且该封装体中封装了四个芯片，所以可伐合金晶圆100中形成了四个盲腔101，该四个盲腔101中可以封装四个芯片，且该四个芯片可以相同也可以不相同，预留腔104形成在封装体的边缘，切割后该预留腔与外界连通，以实现封装体中芯片与外界的电连接。实际中，可伐合金晶圆100中形成有若干个如图26及图27的盲腔101结构，后续键合切割后，形成的独立的封装体中含有该四个盲腔结构封装的四个芯片。

作为示例，所述可伐合金晶圆100表面形成有多个所述盲腔101，且所述盲腔101的形状可以相同也可以不相同，具体根据后续封装的芯片形状进行设置。后续形成的独立的封装体中封装的芯片个数根据实际情况进行选择，可以是一个，也可以是多个；封装的芯片可以是相同的芯片也可以是不相同的芯片；封装体中芯片的布局方式也是根据实际情况进行设置。

作为示例，所述盲腔101的深度根据实际的封装要求进行设置，在此不做过分限制。

作为较佳示例，采用机械加工工艺或湿法腐蚀工艺形成所述盲腔101，由于可伐合金CTE小强度高，采用该方法可以省去现有的采用光刻、干法刻蚀及清洗等复杂的形成凹槽的工艺过程，简化工艺复杂度、降低制造成本、提高效率且可减薄至相当薄不变形。本实施例中优选采用激光刻蚀形成所述盲腔101。

如图28所示，最后进行步骤S3，提供表面形成有键合金属层203的芯片晶圆201，并将所述芯片晶圆201上的所述键合金属层203与所述可伐合金晶圆100上的所述可伐合金墙102键合，以使所述盲腔101与所述芯片晶圆201之间形成为真空腔体103，且该真空腔体103内的所述芯片晶圆201上设置有芯片。

由于可伐合金较好的力学强度，对位及搬运过程中不易碎片。

如图20所示，所述芯片晶圆201的表面形成有前层结构202，该前层结构202包括芯片的焊垫、独立封装体的电路引出焊垫及电隔离层等等所需结构，属于本领域的公知结构，不同的芯片结构，设置有所不同，在此不做详细限制。

这里需要说明的是，为了便于理解，图20与图26及图27的所述可伐合金晶圆100对应，该芯片晶圆201仅示出了一个封装体的芯片晶圆的截面结构示意图。实际中该芯片晶圆201形成有若干个如图20的结构，后续键合切割后，形成的独立的封装体中含有四个芯片。

作为示例，在高温低真空条件下使用wafer to wafer的方式，利用金属间熔融键合的方式形成所述真空腔体103。使用可伐合金作为键合材料，可以直接与芯片晶圆的键合金属层键合，可省去可伐合金晶圆上复杂的金属键合层的制造工艺，有效降低工艺复杂度及节省成本。

如图21所示，作为示例，将所述芯片晶圆201上的所述键合金属层203与所述可伐合金晶圆100上的所述可伐合金墙102键合前，对所述芯片晶圆201进行减薄至预设厚度。

如图29所示，作为示例，键合后还包括将键合有所述可伐合金晶圆100的所述芯片晶圆201沿切割道204分割为独立的封装体205的步骤。

如图28所示，本实施例还提供一种晶圆级腔体式封装结构，该晶圆级腔体式封装结构可以采用上述的制备方法制备。该封装结构所能达到的有益效果可请参见上述制备方法，以下不再赘述，所述封装结构包括：相互键合的可伐合金晶圆100及芯片晶圆201；

所述可伐合金晶圆100表面形成至少一个沿其厚度方向延伸的盲腔101，相邻两所述盲腔101之间为可伐合金墙102；

所述芯片晶圆201表面形成有键合金属层203；

所述可伐合金晶圆100与所述芯片晶圆201通过所述键合金属层203与所述可伐合金墙102键合，并在所述盲腔101与所述芯片晶圆201之间形成真空腔体103；

所述真空腔体103内的所述芯片晶圆201上设置有芯片。

作为示例，所述芯片晶圆201为微机电系统芯片晶圆。

综上所述，本发明提供一种晶圆级腔体式封装结构及其制备方法，以可伐合金材料作为盖板晶圆，可直接刻蚀形成盲腔，可伐合金本身就可作为键合材料，避免了在盖板晶圆上制备键合金属层的过程，工艺简单且成本低廉；另外，可伐合金具有金属的优良导电属性且具有稳定的较小的热膨胀系数和较好的力学强度，导电性能使其具有较强的电磁屏蔽效应，较小的热膨胀系数使其在后续加工过程中不易变形，较好的力学强度使其在后续的工艺过程中不易损坏，且可在键合前对盖板晶圆进行减薄，避免键合后减薄工艺对芯片晶圆造成损伤，提高产品良率；最后，可伐合金盖板更能提高散热效果。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种晶圆级腔体式封装结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

提供可伐合金晶圆，并对其进行减薄至预设厚度；

于减薄后的所述可伐合金晶圆表面形成至少一个沿其厚度方向延伸的盲腔，相邻两所述盲腔之间形成为可伐合金墙；

提供表面形成有键合金属层的芯片晶圆，并将所述芯片晶圆上的所述键合金属层与所述可伐合金晶圆上的所述可伐合金墙键合，以使所述盲腔与所述芯片晶圆之间形成为真空腔体，且该真空腔体内的所述芯片晶圆上设置有芯片。

2.根据权利要求1所述的晶圆级腔体式封装结构的制备方法，其特征在于：将所述芯片晶圆上的所述键合金属层与所述可伐合金晶圆上的所述可伐合金墙键合前，对所述芯片晶圆进行减薄至预设厚度。

3.根据权利要求1所述的晶圆级腔体式封装结构的制备方法，其特征在于：采用机械加工工艺或湿法腐蚀工艺形成所述盲腔。

4.根据权利要求3所述的晶圆级腔体式封装结构的制备方法，其特征在于：所述机械加工工艺为激光刻蚀。

5.根据权利要求1所述的晶圆级腔体式封装结构的制备方法，其特征在于，还包括划片步骤，将键合有所述可伐合金晶圆的所述芯片晶圆分割为独立的封装体。

6.根据权利要求1所述的晶圆级腔体式封装结构的制备方法，其特征在于：采用金属间熔融键合的方式形成所述真空腔体。

7.根据权利要求1所述的晶圆级腔体式封装结构的制备方法，其特征在于：所述可伐合金晶圆表面形成有多个所述盲腔，且所述盲腔的形状相同或者不同。

8.根据权利要求1所述的晶圆级腔体式封装结构的制备方法，其特征在于：所述可伐合金晶圆表面还形成有至少一个预留腔，该预留腔作为后续形成的独立的封装体的电路引出腔。

9.一种晶圆级腔体式封装结构，其特征在于，所述封装结构包括：相互键合的可伐合金晶圆及芯片晶圆；

所述可伐合金晶圆表面形成至少一个沿其厚度方向延伸的盲腔，相邻两所述盲腔之间为可伐合金墙；

所述芯片晶圆表面形成有键合金属层；

所述可伐合金晶圆与所述芯片晶圆通过所述键合金属层与所述可伐合金墙键合，并在所述盲腔与所述芯片晶圆之间形成真空腔体；

所述真空腔体内的所述芯片晶圆上设置有芯片。

10.根据权利要求9所述的晶圆级腔体式封装结构，其特征在于：所述芯片晶圆为微机电系统芯片晶圆。

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