CN100564242C - 用于mems圆片级封装的球形玻璃微腔的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于MEMS圆片级封装的球形玻璃微腔的制备方法，包括以下步骤：首先将设有通孔的耐热模具放置于与带有通孔的耐热模具相配合的箱体的开口处，再在箱体与耐热模具的结合处涂上耐热密封剂将两者之间的间隙密封，打开箱体的阀门，使其内部与惰性气体相连通，将微机械封装用玻璃放置于带有通孔的耐热模具上，加热使得微机械封装用玻璃呈熔融状态，向箱体内通入惰性气体，气体透过带有通孔的耐热模具的通孔，而使得熔融状态的微机械封装用玻璃形成球形玻璃微腔。最后冷却，获得用于微电子机械系统封装的球形玻璃微腔。该方法可直接成型，方法简单，成本较低。可以通过控制通孔尺寸的大小来控制球形玻璃微腔尺寸的大小。

Description

用于MEMS圆片级封装的球形玻璃微腔的制备方法

技术领域

本发明涉及一种微电子机械系统封装结构的制备方法，尤其涉及一种用于用于MEMS圆片级封装的球形玻璃微腔的制备方法。

背景技术

相对于IC封装，MEMS器件封装的特点在于：如何为MEMS可动部件提供机械保护，并同时提供环境维持。目前，封装成本已占到了MEMS器件生产成本的50％～80％，因而相当多微电子机械系统(MEMS)的应用与产业化受制于封装技术的滞后。发展MEMS器件圆片级封装技术是低成本MEMS器件封装技术的主要方向之一。MEMS器件的圆片级封装(WLP)的核心问题是：如何同时制备大量形状、尺寸可控的微腔结构来封装圆片上成批的MEMS器件，并能提供良好的环境支持。

现有技术使用Pyrex7740玻璃制造封装气密微腔的方法有很多，但概括起来可以划分为两大类：

第一类，采用平板玻璃(Pyrex7740)作为封盖。这一类平板玻璃封装工艺的问题在于，在圆片级封装中，键合面难以保持精确平整，键合强度普遍不高，气密性(或真空度)不高；如果采用焊料进行热键合，热处理过程会对MEMS器件有较大的影响。

第二类，采用玻璃微腔进行封盖。主要利用湿法腐蚀工艺在Pyrex7740玻璃上刻蚀凹槽形成微腔，再用该微腔对MEMS器件进行封装。这类封装方法的代表性研究有：Z.H.Liang等利用美国Loctite的UV固化胶3491来键合Pyrex7740玻璃，使用各向同性湿法刻蚀工艺在Pyrex7740玻璃上刻出微腔结构，再使UV胶固化，完成气密性封装。A.V.Chavan等(The University of Michigan，Center for Integrated MicroSystems)曾利用阳极键合将CMOS工艺的压力传感器和带微腔的Pyrex7740玻璃衬底在真空中进行键合，完成气密性封装过程。B.LeeSeonho等(SeoulNational University，Korea)曾使用含有微腔结构的Pyrex7740玻璃，对MEMS机械谐振器进行圆片级封装，完成气密性封装。采用上述第二类玻璃空腔封装方法的主要问题在于，制造Pyrex7740玻璃微腔普遍使用的方法是湿法腐蚀，对玻璃的腐蚀是各向同性的，因此微腔形状和尺寸难以控制，由于腐蚀时间长，因而生产效率低、成本较高，工艺比较复杂，特别是在涉及大规模生产的圆片级封装中尤其如此。

发明内容

本发明提供一种玻璃微腔尺寸易控制、方法简单的用于用于MEMS圆片级封装的球形玻璃微腔的制备方法。

本发明采用如下技术方案：

一种用于用于MEMS圆片级封装的球形玻璃微腔的制备方法，将微机械封装用玻璃叠放于带有通孔的模具上方，加热使得微机械封装用玻璃熔化，在通孔中通入气体使得从而使得微机械封装用玻璃熔化形成球形玻璃微腔。包括以下步骤：首先将设有通孔的耐热模具放置于与带有通孔的耐热模具相配合的箱体的开口处，再在箱体与耐热模具的结合处涂上耐热密封剂将两者之间的间隙密封，打开箱体的阀门，使其内部与惰性气体相连通，将微机械封装用玻璃放置于带有通孔的耐热模具上，加热使得微机械封装用玻璃呈熔融状态，通过箱体(3)的阀门向箱体内通入惰性气体，增加箱体内的使其表头压力为0.002-0.1MPa，从而使得熔融状态的微机械封装用玻璃在压力的作用下形成球形玻璃微腔，最后冷却，获得用于微电子机械系统封装的球形玻璃微腔。

本技术方案中，带有通孔的耐热模具为带有通孔的硅片，微机械封装用的玻璃为硼硅玻璃，优选Pyrex7740玻璃，加热使玻璃熔化的温度为850℃-900℃。密封剂为硅油。惰性气体为氩气或者氮气中的一种。箱体内表头压力优选为0.004-0.02MPa。

本发明获得如下技术效果：

1.本发明在微机械封装用玻璃熔融状态下再加上压力，通过气体的膨胀作用在微机械封装用玻璃上形成球形玻璃微腔，由于微机械封装用玻璃在熔融状态下与模具材料紧密贴合，因此不需要额外的密封工艺，也不需要额外的微电子工艺键合工艺来保证玻璃片与模具材料之间的密封性，即，在热膨胀过程中，气体通过模具材料上的通孔向熔融状态微机械封装用玻璃膨胀时，气体不会通过模具材料与玻璃之间的间隙逃逸，而直接将熔融态的玻璃作用成球形。因而该方法可直接成型，方法简单，成本较低。

2.本发明采用硅片作为模具材料，因为它具有与Pyrex玻璃良好的热膨胀特性，有利于封装图案的精确设计，即，制备圆片级封装玻璃微腔过程中，在硅片上制作特定排布的通孔(硅通孔的在硅片上的位置排布根据圆片级封装的特定需求而设置)，如果模具材料与硼硅玻璃的热膨胀系数相差过大，则在加热过程中，由于热膨胀的作用，容易导致球形玻璃微腔位置的较大的偏移，从而使得后面的圆片级封装过程误差较大。采用硼硅玻璃中的Pyrex7740玻璃(美国corning公司生产，市场可购得)，它具有与硅接近的热膨胀系数，适中的强度，良好的透光性，是封装硅基MEMS器件的良好的材料。在800℃-900℃，它具有良好的成型性，具有合适的黏度，即既不会由于黏度过小而使得熔融态的气泡不稳定而破裂，也不会由于黏度过大，而难以变形，而在830℃-850℃之间，玻璃的黏度特性更好，粘度不大也不小，特别适合成型。

3.本发明通过控制箱体内的压力可以控制气泡的大小，从而控制球形玻璃微腔的大小，即本发明根据实际需求可以控制球形玻璃微腔尺寸的大小。

4.本发明如果直接使用带通孔的模具圆片以及玻璃圆片，通孔的数量可以有很多，因而可以同时在玻璃圆片上同时制备大量的具有特定位置排布的微机械封装用玻璃微腔，通过设立特定的划片槽，在封装好以后进行划片，从而用于微机械(MEMS)圆片级封装。

5.由于硅油具有良好的耐热性，而且价格便宜，用其填充模具材料与箱体之间的间隙使其密闭，具有低成本的特点。

6.采用氩气或者氮气等惰性气体作为增加压力的载气，这种气体与硅片以及玻璃不产生反应，因而对制备的球形玻璃微腔的性能影响很小。

7.模具上通孔的尺寸对最后形成的球形气泡的大小具有重要的影响，两者在数量上具有对应关系，因此本发明可以通过控制通孔尺寸的大小来控制球形玻璃微腔尺寸的大小。较小的通孔尺寸通常会形成较小的球形玻璃微腔，而较大尺寸的通孔往往会形成较大尺寸的球形玻璃微腔。

附图说明

图1是本发明所用装置的结构示意图；

图2是本发明所制备的球形玻璃微腔的结构放大示意图。

具体实施方式

实施例1

一种用于用于MEMS圆片级封装的球形玻璃微腔的制备方法，将微机械封装用玻璃叠放于带有通孔的模具上方，加热使得微机械封装用玻璃熔化，在通孔中通入气体使得从而使得微机械封装用玻璃熔化形成球形玻璃微腔。

该方案包括以下步骤：首先将设有通孔的耐热模具(通常可以是圆片或者方形的片)放置于与带有通孔的耐热模具相配合的箱体的开口处，耐热模具材料可以是硅、钢、陶瓷、钛等耐800℃-1000℃以上高温的材料，再在箱体与耐热模具的结合处涂上耐热密封剂将两者之间的间隙密封，耐热密封剂可以是硅油、石墨等高温密封剂，箱体上部设有放置模具的缺口，形状可以是圆形也可以是方形，形状与模具材料的形状相适应，箱体上设有阀门，用来通气，在使用时可以与外界大气相接，也可以接其他气源，譬如接惰性气体，该惰性气体的压力可通过压力计进行控制，打开箱体的阀门，使其内部与外部惰性气体相连通，将微机械封装用玻璃放置于带有通孔的耐热模具上，微机械封装用玻璃可以为Pyrex7740玻璃，也可以是其他与硅热膨胀系数相近的硼硅玻璃、磷硅玻璃，加热使得微机械封装用玻璃呈熔融状态，通过上述阀门向箱体内通入惰性气体，增加箱体内的使其表头压力为0.002-0.1MPa(表头压力是指箱体内压力比外部大气压的压力差多出的压力)，惰性气体可以是氩气、氮气、氦气等，由于熔融状态的微机械封装用玻璃与模具贴合紧密，气体透过带有通孔不能沿玻璃与模具之间的间隙逃逸，只能通过耐热模具的通孔，从而使熔融状态的微机械封装用玻璃变形，将其作用成球形玻璃微腔。冷却(可以直接冷却至室温25℃，也可以冷却至较低的温度，例如25-300℃，使得玻璃固化，冷却方式可以用风冷的方式)，获得用于微电子机械系统封装的球形玻璃微腔。

实施例2

一种用于用于MEMS圆片级封装的球形玻璃微腔的制备方法，包括如下步骤：首先将设有通孔的耐热模具(通常可以是圆片或者方形的片)放置于与带有通孔的耐热模具相配合的箱体的开口处，耐热模具材料可以是硅、钢、陶瓷、钛等耐800℃-1000℃以上高温的材料，再在箱体与耐热模具的结合处涂上耐热密封剂将两者之间的间隙密封，耐热密封剂可以是硅油、石墨等高温密封剂，箱体上部设有放置模具的缺口，形状可以是圆形也可以是方形，形状与模具材料的形状相适应，箱体上设有阀门，用来通气，在使用时接惰性气体，该惰性气体的压力可通过压力计进行控制，打开箱体的阀门，使其内部与惰性气体相连通，将微机械封装用玻璃放置于带有通孔的耐热模具上，微机械封装用玻璃可以为Pyrex7740玻璃，也可以是其他与硅热膨胀系数相近的硼硅玻璃、磷硅玻璃，加热使得微机械封装用玻璃呈熔融状态，通过上述阀门向箱体内通入惰性气体，增加箱体内的使其表头压力为0.002-0.1MPa(惰性气体的压力可通过压力计缓慢控制，压力从1大气压到2大气压精确、稳定可调，也可以采用介质位水的压力计或水银压力计，其量程为0-10000Pa，表头压力是指箱体内压力比外部大气压的压力差多出的压力)，惰性气体可以是氩气、氮气、氦气等，由于熔融状态的微机械封装用玻璃与模具贴合紧密，气体透过带有通孔不能沿玻璃与模具之间的间隙逃逸，只能通过耐热模具的通孔，从而使熔融状态的微机械封装用玻璃变形，将其作用成球形玻璃微腔。冷却(可以直接冷却至室温25℃，也可以冷却至较低的温度，例如25-300℃，使得玻璃固化，冷却方式可以用风冷的方式；风冷时，保持箱体内的压力，直接在顶部对球形玻璃微腔进行冷却)，获得用于微电子机械系统封装的球形玻璃微腔。本实施例中，耐热模具为设有通孔的硅圆片或者方形的片，譬如4英寸的P型或N型硅圆片，通孔的尺寸可以为0.5-20mm，例如可以为：0.5mm，1mm，1.5mm，2mm，8mm，15mm，18mm，硅通孔的制作可以采用激光加工，硅圆片的晶向没有特别的要求，例如可以为<100>，<111>等，通孔的位置和大小与微电子机械系统封装的要求相适应，譬如在一个硅圆片上设有)带有通孔的耐热模具为带有通孔的硅片，微机械封装用的玻璃为硼硅玻璃，优选Pyrex7740玻璃(美国corning公司生产，Pyrex7740是其牌号)，加热使玻璃熔化的温度为800℃-900℃，例如可以选取为800℃，820℃，830℃，840℃，850℃，870℃，880℃，890℃。密封剂优选为硅油。惰性气体可以是氩气、氮气、氦气等，优选为氩气或者氮气中的一种。箱体内表头压力优选为0.004-0.02Mpa，例如可以选取为0.005MPa，0.008MPa，0.0102MPa，0.012MPa，0.018MPa，0.019MPa。所述箱体为金属或者硅制造，待阀门关闭和上口密封后，该箱体处于密闭状态，不泄漏。该箱体的尺寸可以大可小，譬如采用毫米-分米尺寸的箱体，其压力通常根据箱体的尺寸以及玻璃微腔的大小来确定，即根据PV＝nRT来确定，通常箱体尺寸较大，玻璃微腔的尺寸相对较小，对冲入气体的变化相对于较小的箱体尺寸而言就不敏感，本实施例中，箱体的尺寸可以采用5×5×5毫米，5×5×5厘米，5×5×5分米的箱体。本实施例制备获得的球形玻璃微腔的尺寸相应的为0.5-20mm，球形玻璃微腔的尺寸和通孔的尺寸密切相关，通过不同通孔尺寸的选择可以确定球形玻璃微腔的尺寸。

当该玻璃微腔应用于封装时，采用常规微电子加工工艺，将Pyrex7740玻璃清洗干净(按照常规Pyrex7740玻璃与硅片键合的要求)，将该微腔采用键合(譬如采用阳极键合，工艺为：温度为400摄氏度，电压为600伏)的方式进行键合。或者粘结的方式(譬如采用聚酰亚胺等胶)与带有器件的硅片进行粘结，可获得应用该微腔封装的MEMS器件。

Claims (7)

1.一种用于MEMS圆片级封装的球形玻璃微腔的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先将设有通孔(5)的耐热模具(2)放置于与带有通孔的耐热模具(2)相配合的箱体的开口处，再在箱体(3)与耐热模具(2)的结合处涂上耐热密封剂将两者之间的间隙密封，打开箱体的阀门(6)，使其内部与惰性气体相连通，将MEMS封装用玻璃(1)放置于带有通孔的耐热模具(2)上，加热使得该MEMS封装用玻璃(1)呈熔融状态，通过箱体(3)的阀门(6)向箱体(3)内通入惰性气体，增加箱体内的气压，使其表头压力为0.002～0.1MPa，从而使得熔融状态下的MEMS封装用玻璃在压力的作用下形成球形玻璃微腔(7)，最后冷却，获得用于MEMS封装的球形微腔。

2.根据权利要求1所述的用于MEMS圆片级封装的球形玻璃微腔的制备方法，其特征在于，带有通孔的耐热模具为带有通孔的硅片，MEMS封装用的玻璃为与硅热膨胀系数相近的硼硅玻璃，加热使玻璃熔化的温度为800℃～900℃。

3.根据权利要求1所述的用于MEMS圆片级封装的球形玻璃微腔的制备方法，其特征在于，上述硼硅玻璃为Pyrex7740玻璃。

4.根据权利要求1所述的用于MEMS圆片级封装的球形玻璃微腔的制备方法，其特征在于，加热使玻璃熔化的温度为830℃～850℃。

5.根据权利要求1所述的用于MEMS圆片级封装的球形玻璃微腔的制备方法，其特征在于，所述箱体内的表头压力为0.004～0.02MPa。

6.根据权利要求2所述的用于MEMS圆片级封装的球形玻璃微腔的制备方法，其特征在于，所述密封剂为硅油。

7.根据权利要求2所述的用于MEMS圆片级封装的球形玻璃微腔的制备方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气或者氮气中的一种。

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