CN100513299C

CN100513299C - 一种微电子机械系统圆片级真空封装及倒装焊方法

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Publication number: CN100513299C
Application number: CNB2007101213842A
Authority: CN
Inventors: 丁海涛; 杨振川; 郭中洋; 迟晓珠; 赵前程; 郝一龙; 闫桂珍
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2007-09-05
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2027-09-05
Also published as: CN101108722A

Abstract

本发明涉及一种微电子机械系统的圆片级真空封装及倒装焊方法，它包括如下步骤：对盖帽玻璃片进行打孔，但不打通；在盖帽玻璃片未打引线孔的一侧溅射钨(或铬)和金，并进行光刻和腐蚀，形成掩膜；用氢氟酸腐蚀玻璃腔体，同时将未穿通的引线孔腐蚀通；在玻璃腔体内溅射吸气剂；将MEMS器件结构圆片与盖帽玻璃片在高温、低压力下静电键合；在盖帽玻璃片上制作金属电极；在金属电极上制作金属凸点；将切片后的单个MEMS器件芯片与处理电路进行倒装焊封装。本发明方法封装可用于批量生产，保护MEMS器件芯片免受外界的污染和破坏，提高成品率。本发明可广泛应用于MEMS系统中。

Description

一种微电子机械系统圆片级真空封装及倒装焊方法

技术领域

本发明涉及一种微电子机械系统，特别是关于一种微电子机械系统的圆片级真空封装及倒装焊方法。

背景技术

微电子机械系统(MEMS)的封装技术是目前MEMS研究的一项重要内容。MEMS器件特征尺寸微小，一般在微米量级，容易受到外界环境噪声的影响，或受空气中湿气、灰尘的玷污，以致器件性能下降，严重时甚至失效，因而绝大多数情况下需要密闭性或真空封装以保证器件的正常工作。对于一些MEMS传感器，例如谐振器和微陀螺，真空封装能够显著提高器件的品质因数Q值和灵敏度，降低环境噪声的影响，大幅度提高器件的整体性能。

MEMS器件封装可以分为系统级封装、圆片级封装和器件级封装。目前，圆片级真空封装实现方法主要有三类，包括硅片直接键合、阳极键合和中间层辅助键合，其中阳极键合又称静电键合，它将玻璃与金属或硅等半导体材料直接键合起来，不用任何粘合剂，是目前比较流行的一种封装方式。圆片级封装具有批量生产的特点，并且能够保护器件在后续加工、存储和运输过程中不受沾污和破坏，提高成品率，是目前MEMS研究的热点。另外倒装焊技术目前已广泛用于集成电路中，但是在MEMS器件中的应用却少见报道。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种微电子机械系统的圆片级真空封装及倒装焊方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种微电子机械系统的圆片级真空封装及倒装焊的方法，其特征在于：它包括如下步骤：(1)在用于制作盖帽玻璃片的玻璃片上加工作为引线孔的盲孔；(2)对经步骤(1)的所述玻璃片进行清洗，在所述玻璃片上未打所述引线孔的一面溅射金和钨或金和铬，其中钨或铬作为金与所述玻璃片的黏附层，金为掩膜，光刻形成掩膜图形；(3)分别用金腐蚀液和钨或铬腐蚀液腐蚀掉将要形成的玻璃腔体所在部位的所述掩膜和所述黏附层，采用干法刻蚀或湿法腐蚀制作所述玻璃腔体，并且将作为引线孔的盲孔腐蚀穿通，形成通孔；(4)腐蚀掉经步骤(3)的所述玻璃片上剩余的所述掩膜和所述黏附层，所述盖帽玻璃片制作完成；(5)在所述盖帽玻璃片的所述腔体内溅射或涂覆吸气剂；(6)采用键合机将现成的MEMS器件结构圆片与经溅射或涂覆吸气剂的所述盖帽玻璃片进行对位静电键合，与此同时所述吸气剂被激活；(7)在所述盖帽玻璃片的表面和所述引线孔内制作电极引线，并连通所有相同的电极引线；(8)在所述电极引线上制作用于倒装焊的金属凸点；(9)采用切片机对经步骤(8)的所述MEMS器件结构圆片和盖帽玻璃片的封装结构进行切片；并将切片后得到的单个MEMS芯片与外围处理电路进行倒装焊连接。

加工所述引线孔采用喷砂、激光或精密机械打孔的方法，所述喷砂打孔方法包括如下步骤：首先制作一个金属模具，用精密机械加工方法在所述金属模具上制作数量和位置都确定的通孔，然后将所述金属模具对准所述玻璃片进行喷砂打盲孔，所述盲孔呈圆锥形，锥度为60°～80°。

所述玻璃片上的盲孔底部与所述玻璃片底面间的厚度值不大于所述玻璃腔体的高度值。

所述湿法腐蚀为：利用氢氟酸对所述玻璃腔体进行腐蚀，在腐蚀所述玻璃腔体的同时，将采用所述喷砂打孔方法所打的所述盲孔腐蚀通，形成通孔。

所述MEMS器件结构圆片与所述盖帽玻璃片的静电键合压力100～5000Pa、温度350～450℃，持续时间为30～50分钟。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于本发明中MEMS采用喷砂打孔和圆片级封装，所以它能进行批量生产，并且能够保护器件在后续加工、存储和运输过程中不受外界的污染和破坏，提高MEMS器件的精度和成品率。2、由于本发明中圆片级封装的阳极键合将玻璃与硅材料直接键合起来，不用任何粘合剂，所以键合界面气密性和稳定性很好。3、由于本发明采用了盖帽玻璃片和吸气剂，所以能保护MEMS器件的结构，并提供一个稳定的低压真空环境。4、由于本发明中的盖帽玻璃片作为电极引线的布线层，所以简化了外围电路的连线。5、由于本发明中的电极引线间互连采用纵向互连和倒装焊技术，充分利用了MEMS器件面积，所以占用体积小、互连线短且封装密度高，增加了器件电极布局的灵活性，引入的寄生电容较小，提高了器件的总体性能和成品率。6、由于本发明采用湿法工艺腐蚀玻璃腔体，所以腐蚀速率较快，设备简单，操作容易且成本较低。本发明可广泛应用于MEMS系统中。

附图说明

图1是单个MEMS器件芯片与处理电路倒装焊连接后的示意图

图2是Corning Pyrex 7740玻璃片示意图

图3是在图2的玻璃片上打盲孔后的效果示意图

图4是对图3的玻璃片溅射金属掩膜并腐蚀腔体部分掩膜后的示意图

图5是腐蚀玻璃腔体并腐蚀盲孔成为通孔后的效果示意图

图6是玻璃腔体内溅射或涂覆吸气剂后的效果示意图

图7是硅表面经抛光后的MEMS器件结构圆片示意图

图8是MEMS器件结构圆片与盖帽玻璃片键合后的示意图

图9是在MEMS器件结构圆片的盖帽玻璃片上制作金属电极后的示意图

图10是在金属电极上制作了金属凸点的示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明主要由MEMS器件结构圆片1、盖帽玻璃片2和外围处理电路3组成。一个MEMS器件结构圆片1由几百个(由MEMS器件芯片的尺寸确定)相互独立的MEMS器件芯片组成。盖帽玻璃片2上有几百个竖直方向的引线孔21，引线孔21的数目等于MEMS器件结构圆片1上的MEMS器件芯片数目与MEMS器件芯片的电极个数的乘积，在盖帽玻璃片2上加工出几百个玻璃腔体23(该玻璃腔体的数目与MEMS芯片的数目相对应)，以保护MEMS器件芯片的结构，玻璃腔体23内溅射或涂覆有吸气剂24，电极引线25安置于引线孔21中，在盖帽玻璃片2表面部分的电极引线25上制作一金属凸点26，MEMS器件结构圆片1和盖帽玻璃片2通过静电键合的方法键合在一起。处理电路3是电路板或厚膜电路，将与MEMS器件结构圆片1键合后的盖帽玻璃片2倒过来，通过其上的金属凸点26与处理电路3倒装焊连接在一起，而不需其它管壳。MEMS器件芯片通过电极引线25与处理电路3的电极引线31在盖帽玻璃片2表面进行连接，实现真空玻璃腔体23内的结构部分与外界的信号传输，盖帽玻璃片2作为了一层布线层。

电极引线25、31之间的引出和互连分为横向互连和纵向互连，横向互连方式中，MEMS器件芯片的电极引线25的引出工艺比较复杂，而且电极引线25引出后的走线和压焊点需要占据一定的面积；纵向互连方式中，电极引线25是在MEMS器件芯片上方竖着引出，不占用额外的面积，密封引线孔是通过键合完成的。因此，纵向互连方式可充分利用MEMS器件结构圆片1的面积且工艺简单。本实施例中的电极引线采用纵向互连。

由上述可知本发明方法包括盖帽玻璃片2的加工、盖帽玻璃片2与MEMS器件结构圆片1的静电键合和MEMS器件与处理电路的倒装焊连接三部分内容，下面分别加以描述。

一、盖帽玻璃片2的加工包括以下步骤：

1、利用喷砂、激光或精密机械打孔的方法，在用于制作盖帽玻璃片2的玻璃片(如图2所示)上加工引线孔21(如图3所示)。本实施例采用喷砂打孔的方法：首先制作一个金属模具，用精密机械加工方法在模具上制作数量和位置都确定的通孔，然后将模具与玻璃片对准，进行喷砂打孔，但并不穿通，即形成盲孔，未穿通的厚度不超过预先设计的玻璃腔体23的高度，通常为5～150um，未穿通的孔为圆锥形，锥度约为60°～80°，便于电极引线25(如图1所示)的制作；

2、对经步骤1的玻璃片进行清洗后，在未打孔的一面溅射金(Au)/钨(W)或金(Au)/铬(Cr)，其中钨或铬作为金与玻璃片的黏附层，厚度约为10～30nm；金为氢氟酸腐蚀玻璃腔体23的掩膜22(如图4所示)，厚度约为150～250nm；光刻形成掩膜图形；

3、用钨或铬腐蚀液和典型的金腐蚀液腐蚀掉将要形成玻璃腔体23所在部位的金属掩膜22，采用干法刻蚀或湿法腐蚀制作玻璃腔体23(如图5所示)。本实施例采用湿法腐蚀：利用氢氟酸腐蚀玻璃腔体23，可根据预先设计的腔体深度进行不同深度的腐蚀。在腐蚀玻璃腔体23的同时，将喷砂打引线孔21时未穿通的厚度腐蚀穿通，形成通孔；

4、腐蚀掉玻璃片上剩余的金属掩膜22，盖帽玻璃片2制作完成；

5、在盖帽玻璃片2腔体23内溅射或涂覆吸气剂24(如图6所示)。

二、盖帽玻璃片2与MEMS器件结构圆片1的静电键合

如图7、图8所示，采用键合机，将MEMS器件结构圆片1与盖帽玻璃片2在高温和低压下进行对位静电键合，同时激活吸气剂。MEMS器件结构圆片1与盖帽玻璃片2的静电键合条件为：压力100～5000Pa、温度350～450℃以及持续时间30～50分钟。吸气剂在一定温度下保持一定的时间即可被激活，如在温度为400℃条件下，持续30分钟(不同的吸气剂略有差异)即可以被激活。

三、MEMS器件与处理电路的倒装焊

本发明把倒装焊技术引入MEMS器件封装中。如图9所示，在盖帽玻璃片2上制作电极引线25，在电极引线25上制作金属凸点26(如图10所示)。用切片机对MEMS器件结构圆片1和盖帽玻璃片2键合后的结构进行切片，形成单个真空封装的MEMS器件芯片，进行简单的性能测试后，与处理电路3倒装键合(如图1所示)，实现MEMS的圆片级封装与倒装焊的集成，包括如下步骤：

1、在引线孔21内和盖帽玻璃片2表面溅射金属铝，并进行光刻和腐蚀，制作电极引线25，将相同的电极引线进行互连，通过电极引线25与处理电路3进行连接，实现MEMS芯片与处理电路3的信号传输；

2、采用电镀凸点技术、激光植球技术或模版印刷技术等技术，在电极引线25上制作可用于倒装焊的金属凸点26；

3、将带有金属凸点26的MEMS芯片与处理电路3进行倒装焊封装。

下面以一具体实施例进行详细说明：

本实施例中，MEMS器件芯片是已经加工完成了的微机械陀螺结构，由硅片和与之键合的Corning Proxy 7740玻璃片两部分构成，硅片已经经过减薄，经氢氧化钾腐蚀和化学机械抛光(CMP)后，硅片厚度由原来520μm减薄为80μm。本实施例的圆片级真空封装和倒装焊连接的工艺流程如下：

1、用于制作盖帽玻璃片2的玻璃片为一直径100mm、平均厚度为520μm的Pyrex 7740玻璃(如图2所示)；

2、对玻璃片进行喷砂打孔，上表面孔径为400μm，下表面孔径为40μm，孔深度为470μm，锥度约为68度(如图3所示)；

3、在经步骤2的玻璃片未打引线孔21的一侧依次溅射30nm的钨和200nm的金，然后进行光刻和腐蚀，形成掩膜22，再用金腐蚀液和过氧化氢(H₂O₂)分别腐蚀掉将形成玻璃腔体23的那一部位的金和钨(如图4所示)；

4、用浓度为40％的氢氟酸(HF)腐蚀玻璃腔体23，深度为100μm，同时将喷砂未穿通的引线孔21腐蚀通(如图5所示)，并腐蚀掉剩余的掩膜，盖帽玻璃片2制作完成；

5、在玻璃腔体23内溅射钛，作为吸气剂24(如图6所示)；

6、将MEMS器件结构圆片1(硅、玻璃结构)(如图7所示)与盖帽玻璃片2在高温、低压力下静电键合：温度400℃、电压1500V、真空度为500Pa，时间40分钟(如图8所示)，同时吸气剂24被激活；

7、在盖帽玻璃片2上溅射金属铝，光刻，腐蚀，制作金属电极25(如图9所示)，同时连接相同的金属电极；

8、利用模板印刷技术在金属电极25上制作用于倒装焊的金属凸点26(如图10所示)；

9、采用切片机对经步骤8的MEMS器件结构圆片1与盖帽玻璃片2组成的结构进行切片，并将切片后的MEMS器件芯片上的金属凸点26与处理电路3进行倒装焊封装(如图1所示)。

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1、一种微电子机械系统的圆片级真空封装及倒装焊的方法，其特征在于：它包括如下步骤：

(1)在用于制作盖帽玻璃片的玻璃片上加工作为引线孔的盲孔；

(2)对经步骤(1)的所述玻璃片进行清洗，在所述玻璃片上未打所述引线孔的一面溅射金和钨或金和铬，其中钨或铬作为金与所述玻璃片的黏附层，金为掩膜，光刻形成掩膜图形；

(3)分别用金腐蚀液和钨或铬腐蚀液腐蚀掉将要形成的玻璃腔体所在部位的所述掩膜和所述黏附层，采用干法刻蚀或湿法腐蚀制作所述玻璃腔体，并且将作为引线孔的盲孔腐蚀穿通，形成通孔；

(4)腐蚀掉经步骤(3)的所述玻璃片上剩余的所述掩膜和所述黏附层，所述盖帽玻璃片制作完成；

(5)在所述盖帽玻璃片的所述腔体内溅射或涂覆吸气剂；

(6)采用键合机将现成的MEMS器件结构圆片与经溅射或涂覆吸气剂的所述盖帽玻璃片进行对位静电键合，与此同时所述吸气剂被激活；

(7)在所述盖帽玻璃片的表面和所述引线孔内制作电极引线，并连通所有相同的电极引线；

(8)在所述电极引线上制作用于倒装焊的金属凸点；

(9)采用切片机对经步骤(8)的所述MEMS器件结构圆片和盖帽玻璃片的封装结构进行切片；并将切片后得到的单个MEMS芯片与外围处理电路进行倒装焊连接。

2、如权利要求1所述的一种微电子机械系统的圆片级真空封装及倒装焊方法，其特征在于：加工所述引线孔采用喷砂、激光或精密机械打孔的方法，所述喷砂打孔方法包括如下步骤：首先制作一个金属模具，用精密机械加工方法在所述金属模具上制作数量和位置都确定的通孔，然后将所述金属模具对准所述玻璃片进行喷砂打盲孔，所述盲孔呈圆锥形，锥度为60°～80°。

3、如权利要求1所述的一种微电子机械系统的圆片级真空封装及倒装焊方法，其特征在于：所述玻璃片上的盲孔底部与所述玻璃片底面间的厚度值不大于所述玻璃腔体的高度值。

4、如权利要求2所述的一种微电子机械系统的圆片级真空封装及倒装焊方法，其特征在于：所述玻璃片上的盲孔底部与所述玻璃片底面间的厚度值不大于所述玻璃腔体的高度值。

5、如权利要求2或4所述的一种微电子机械系统的圆片级真空封装及倒装焊方法，其特征在于：所述湿法腐蚀为：利用氢氟酸对所述玻璃腔体进行腐蚀，在腐蚀所述玻璃腔体的同时，将采用所述喷砂打孔方法所打的所述盲孔腐蚀通，形成通孔。

6、如权利要求1或2或3或4所述的一种微电子机械系统的圆片级真空封装及倒装焊方法，其特征在于：所述MEMS器件结构圆片与所述盖帽玻璃片的静电键合压力100～5000Pa、温度350～450℃，持续时间为30～50分钟。

7、如权利要求5所述的一种微电子机械系统的圆片级真空封装及倒装焊方法，其特征在于：所述MEMS器件结构圆片与所述盖帽玻璃片的静电键合压力100～5000Pa、温度350～450℃，持续时间为30～50分钟。