CN101301993A - 一种mems器件真空封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用低温共烧陶瓷基板对MEMS器件进行真空封装的方法：首先利用低温共烧陶瓷的多层电路结构、三维布线把电路中应用的各种无源元器件和传输线等完全掩埋在基板介质中；然后把MEMS器件粘接或焊接在基板上，并完成电气连接；最后将带有MEMS器件的低温共烧陶瓷基板整体直接作为封装外壳的管底，以传统的混合集成电路用金属封装外壳做管帽，结合传统的密封方法，如激光密封、焊环密封和金属管密封，获得对MEMS器件的真空封装。此方法工艺条件实现简单，成本低，便于批量加工，实现了对引线的真空密封，使漏偏率大大降低，增强真空保持性能，特别适用于面向射频/微波、惯性等应用的MEMS器件的真空封装。

Description

一种MEMS器件真空封装方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统领域，尤其涉及一种对射频、微波、无线通讯等MEMS器件进行真空封装的方法。

背景技术

MEMS(微电子机械系统)技术是在微电子技术基础上发展起来的一个多学科交叉的新兴技术领域，涉及常规集成电路设计/工艺技术和微机械专门技术以及物理、生化、自动控制、集成电路等多个学科与技术，其研究对象是集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理/控制电路、接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS器件成本低、功能全、体积小、重量轻、机械灵活、功耗低、可靠性高、性能优异，已经开始广泛地应用于航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制、消费电子以及兵器等很多关系国家经济发展和国家安全保障的领域。在MEMS加工工艺流程中，MEMS器件的封装与测试是MEMS器件产品最终成形的最后一步，也是不可或缺的一步，其作用是保护器件和维持能保证微机械器件正常工作的内环境，并为器件提供与外界的接口，在很大程度上决定了MEMS产品的性能、体积、成本、可靠性和寿命的关键。由于MEMS器件针对多种应用领域，工作原理和操作对象差异很大，相应的封装也形式多样，其工艺要求高于微电子封装，难度大，费用在产品成本价格中占有很高的比例(超过50％)。

为了远离外界污染，降低MEMS器件中灵敏元件的阻尼从而获得更高的品质因子和更大的灵敏度，MEMS器件大都需要在真空环境下进行封装。真空封装能在MEMS产品芯片(chip)周围形成一个真空环境，可以使MEMS器件处于10-2帕以下的中等和高真空环境工作，并保证其中的微机械结构具有优良的振动性能(例如使各种机械谐振器有高的品质因数)或长期稳定工作(例如防止射频微机械开关运动触点的玷污、粘附或保证真空微电子器件的电流特性)，使其能正常工作，并提高其可靠性。MEMS真空封装的实现常常采用传统的用于混合集成电路的金属、陶瓷封闭外壳或与之类似的专门加工的外壳，或者利用硅或玻璃等材料，以微机械方法制作出尺寸与MEMS器件大小相近的外壳，通过键合等方法与MEMS器件封接在一起。存在困难是尺寸小，由于引线和管脚的存在，漏率偏高，真空度保持困难。

现有的MEMS器件真空封装技术主要有：

1.传统器件级真空封装技术

这是一门历史悠久、技术成熟的技术，采用低气体渗透金属材料(如可伐、无氧铜、不锈钢)、塑料、陶瓷作为封装外壳，辅以强力吸气剂，经高温处理和钎焊、氩弧焊等熔封工艺，可实现从低真空到超高真空级的真空封装。但这项工艺往往要经过多道高温工艺，一般都要求单件操作，封装时需要特殊夹具，并以高成本的高温烧结陶瓷或者耐高温的合金作为基板，以可伐等材料为互连引出线，从而保证引线与基板间的气密性。传统的真空封装技术属于器件级封装，无法同时对多个器件实行大批量的封装，故封装效率低，加工成本高，与现有的硅基微机械加工流程兼容性不好，应用局限于真空电子器件等需要高真空的电子器件或者对成本要求不严格的MEMS器件封装。

2.圆片级键合封装技术

在专用真空设备上，对已通过微机械加工方法制作出相应MEMS器件及封装腔体结构的三层玻璃片/硅片/玻璃片或硅片/硅片/硅片叠层结构进行对准，在真空环境下进行键合，形成三明治封装结构，从而达到真空条件。这种技术可以同时对器件圆片上的众多芯片进行封装、老化、测试，最后切割成单个器件，生产效率大幅度提高。存在的主要问题是：1)电信号到外界的传输需要穿越很厚的结构层，相应的通孔加工与填充难度大，或者，2)当电极引线制作在加工有器件的硅圆片表面上、与外界连通时，厚金属电极会使得键合质量和漏气率难于控制；3)器件互连的分布主要是单层的，电气互连灵活性差；4)当某种微机械结构需要与集成电路芯片或者其他衬底上加工出来的微机械结构实现封装内集成时，这种封装难以保证集成的顺利实施；5)各个器件封装的真空度的控制只能通过真空封装设备来控制，不能针对单个器件的工作特性进行真空度的微调，另外封装过程完成后，真空度的保持能力方面的检测较为困难。

总体而言，这些问题影响了MEMS真空封装的真空保持效果，制约了相关MEMS的研究深入和器件的商品化。

低温共烧陶瓷基板是一种高集成度、高可靠性、高性能及低成本的封装材料，目前多应用于封装各种电路。低温共烧陶瓷属于陶瓷相-玻璃相复合介质型材料，根据不同组成物可分为碱硼硅酸盐玻璃系、锌硼硅酸盐系、铅硼硅酸盐系、钡硼硅酸盐系，其中碱硼硅酸盐玻璃系应用最为广泛，包括硼硅酸铅玻璃+Al₂O₃系、硼硅酸玻璃+石英玻璃+堇青石系、硼硅酸玻璃+Al₂O₃+美橄榄石系、硼硅酸玻璃+Al₂O₃系、硼硅酸玻璃+Al₂O₃处理的氧化锆系。低温共烧陶瓷基板采用多层生瓷材料叠放而成，在900℃左右的温度下烧结成一体化的基板，每层生瓷材料上用Cu、Au、Ag等导电率高的金属良导体作为互连布线和过孔填料，基板介电常数小，只有4-5，低于大多数常用基板材料，Q值高。这种基板的优点是：1)温度和机械特性优良；2)可高密度多层立体布线，方便地实现多种电路间的互连和与外界的电互连；3)基板电路损耗和信号传输延迟非常小，适合于传输高频/高速信号；4)加工方法较为成熟，原材料来源广泛，制作周期短，生产效率高；5)导热性好，有利于器件散热，可以封装大功率器件。目前利用低温共烧陶瓷来进行MEMS真空封装尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供利用高集成度、高可靠性、高性能及低成本的低温共烧陶瓷基板对MEMS器件进行真空封装的方法，结合现有的微机械加工及封装工艺，实现简便实用、高效可靠的MEMS器件的真空封装。

本发明提出的基于低温共烧陶瓷基板的MEMS器件真空封装方法包括以下步骤：

1)先根据MEMS器件需要设计互连引出线结构和各种被动组件的位置，这里所述的被动组件包括电容、电感、电阻、滤波器、平衡器、非平衡器、双工器、天线开关、谐振腔等；

2)在低温共烧陶瓷每层生瓷材料上制作出过孔和空腔；

3)在每层生瓷材料上印刷上金属良导体材料作为布线和过孔填料，将被动组件固定在预定位置；

4)将多层生瓷材料精确叠层对位，在普通马福炉中400-500℃排胶后，放入真空设备内升温至800-900℃烧结成一体化的基板；

5)将需要封装的MEMS器件嵌入式、半嵌入式或者非嵌入式地固定在做好的低温共烧陶瓷基板上，并与低温共烧陶瓷上的电路相连(参见图1)；

6)以带有MEMS器件的低温共烧陶瓷基板整体直接作为封装外壳的管底，以金属封装外壳做管帽，利用传统的真空密封方法，例如激光、焊环或者金属管密封，获得对MEMS器件的真空封装。

上述步骤2)可通过钻孔、冲孔或激光打孔的方法制作出过孔和空腔。

步骤3)所述的金属良导体材料包括Cu、Ag、Au等导电率高的金属；印刷可以采用丝网印刷、掩模印刷、流延型印刷等方法；一般通过金属焊料焊接或钎焊固定被动组件。

步骤4)多采用定位孔或图像识别定位的方法使多层生瓷材料精确叠层对位。

步骤5)通过有机粘合剂粘接、金属焊料焊接或钎焊的方法将MEMS器件嵌入式、半嵌入式或者非嵌入式地固定在做好的低温共烧陶瓷基板上。所述的有机粘合剂如环氧树脂，金属焊料通常用锡、铅、铝、银等低温金属焊料。

步骤6)封装外壳可以采用传统的用于混合集成电路的金属封装外壳管帽，如Al、Cu、Mo、钢、可伐合金等制成的管帽，外形多为矩形或圆形，形式可以多样，可以利用现有的机械加工方法和模具进行灵活加工，精度高，价格低，适合批量生产，性能优良，可靠性高，可以得到大面积腔体。由于互连线在烧结中与基板介质材料融为一体，引线的真空密封性大为提高，封装的漏率可往大大降低。

对于MEMS器件的真空封装来说，低温共烧陶瓷基板具备如下优势：

1)低温共烧陶瓷材料的热膨胀系数与硅相近，能很好的与各种基于硅工艺的MEMS器件粘接；

2)基板由多层易于微机械加工的生瓷材料叠合而成，可以制作多样化的微结构；

3)能够在表面和内部通过嵌入等方式集成MEMS器件、电路保护元件等多种元件/结构；

4)电互连与低温共烧陶瓷烧结为均匀致密的一体化结构，其气密性得到充分保证；

5)可实现MEMS、低频/高频器件的混合集成，实现器件平面尺寸和成本的节约。

低温共烧陶瓷基板除了在其中布置电路传输线外，其多层电路结构、三维布线可将电路和模块中需要用到的各种被动组件(如电容、电感、电阻、滤波器、平衡/非平衡器，双工器、天线开关、谐振腔等)内埋入基板中，特别适用于多块高频/微波集成电路的封装，可广泛应用于手机通讯、蓝芽(Bluetooth)、无线网络(WLAN)、全球卫星定位系统(GPS)、笔记本电脑、高性能计算机等领域。

总之，本发明在制作有多层立体化互连的低温共烧陶瓷基板上粘接MEMS器件，并结合激光焊接、储能焊等封接技术将专门设计的封盖固定在低温共烧陶瓷基板上，从而获得在互连灵活性、密封性、可检测性、易加工性大大优于传统真空封装和圆片级真空封装的一种MEMS器件真空封装方法。该方法具有成本低、便于批量加工、成品率高、真空保持时效长、真空度高等特点，特别适用于面向射频/微波、惯性等应用的MEMS器件的真空封装。本发明的真空封装方法保证了其封装的元器件能在恶劣环境下正常工作，可以广泛地应用于航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制、消费电子以及兵器等很多关系国家经济发展和国家安全保障的领域。

附图说明

图1是连接了MEMS器件的低温共烧陶瓷基板示意图。

图2是采用激光密封方法进行真空封装的结构示意图。

图3是采用焊环密封方法进行真空封装的结构示意图。

图4是采用金属管密封方法进行真空封装的结构示意图。

其中：

1——低温共烧陶瓷基板    2——MEMS器件             3——电路传输线

4——通孔                5——金属外壳管帽         6——真空腔

7——被激光焊化金属区    8——焊环                 9——细软金属管

10——夹具               11——环氧树脂或金属焊料

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步详细说明本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1

以低温共烧陶瓷为基板，采用激光密封的方法对MEMS器件进行真空封装(参见图2)，其步骤为：

1.根据MEMS器件需要设计互连引出线结构和各种被动组件(如电容、电感、电阻、滤波器、平衡/非平衡器，双工器、天线开关、谐振腔等)的位置；

2.将低温共烧陶瓷每层生瓷材料放入冲床中，通过冲孔的方法制作出过孔和空腔；

3.在每层生瓷材料上利用不锈钢做掩模，通过掩模印刷的方法印刷上金属作为互连布线和过孔填料，将被动组件钎焊在指定位置；

4.多层生瓷材料采用定位孔的方法进行精确叠层对位，在普通马福炉450℃左右的温度下进行排胶3-5h，再放入真空设备内升温至850℃左右，保持该温度约10min烧结成一体化的基板；

5.将MEMS器件钎焊在布好线的低温共烧陶瓷基板上，并与低温共烧陶瓷上的电路相连，形成如图1所示的结构，MEMS器件2连接在低温共烧陶瓷基板1上，与基板中的电路传输线3连通，而基板的各层之间通过通孔4连通；

6.将已通过微机械加工方法做好的封装外壳管帽和带有MEMS器件的低温共烧陶瓷基板1放置在各自的定位架上，一起移入带有真空获得系统的真空室中；

7.启动真空获得系统，使真空室内的真空度达到10^-3帕以上或任何所需的真空度值；

8.用机械手将管帽与低温共烧陶瓷基板对接，利用激光束将被焊金属加热至融化温度以上使管帽与低温共烧陶瓷基板紧密地熔合在一起；

9.在真空状态下逐步降温，完成全部封装过程，如图2所示，MEMS器件2被封装在一个真空腔6中，被激光焊化的金属区7将金属外壳管帽5紧密连接在低温共烧陶瓷基板1上。

实施例2

以低温共烧陶瓷为基板，采用焊环密封的方法对MEMS器件进行真空封装(参见图3)，

其步骤为：

1.根据MEMS器件需要设计互连引出线结构和各种被动组件(如电容、电感、电阻、滤波器、平衡/非平衡器，双工器、天线开关、谐振腔等)的位置；

2.将低温共烧陶瓷每层生瓷材料放入冲床中，通过冲孔的方法制作出过孔和空腔；

3.每层生瓷材料上利用不锈钢做掩模，通过掩模印刷的方法印刷上金属作为互连布线和过孔填料，将被动组件钎焊在指定位置；

4.多层生瓷材料采用定位孔的方法进行精确叠层对位，在普通马福炉450℃左右的温度下进行排胶，再放入真空设备内升温至850℃左右烧结成一体化的基板；

5.将MEMS器件钎焊在布好线的低温共烧陶瓷基板上，并与低温共烧陶瓷上的电路相连；

6.在微机械加工方法做好的封装外壳管帽上用环氧树脂或低温金属焊料(锡、铅、铝、银等)做焊环；

7.将封装外壳管帽和带有MEMS器件的低温共烧陶瓷基板放置在各自的定位架上，一起移入带有真空获得系统的真空室中；

8.启动真空获得系统，使真空室内的真空度达到10^-3帕以上或任何所需的真空值；

9.用机械手将管帽与低温共烧陶瓷基板对接，启动加热装置，加热至焊接温度，直到焊环将基板与壳帽完全衔接。

10.在真空状态下逐步降温，完成全部封装过程，如图3所示，MEMS器件2被封装在一个真空腔6中，焊环8将金属外壳管帽5衔接在低温共烧陶瓷基板1上。

实施例3

以低温共烧陶瓷为基板，采用金属管密封的方法对MEMS器件进行真空封装(参见图4)，其步骤为：

1.根据MEMS器件需要设计互连引出线结构和各种被动组件(如电容、电感、电阻、滤波器、平衡/非平衡器，双工器、天线开关、谐振腔等)的位置；

2.将低温共烧陶瓷每层生瓷材料放入冲床中，通过冲孔的方法制作出过孔和空腔；

3.每层生瓷材料上利用不锈钢做掩模，通过掩模印刷的方法印刷上金属作为互连布线和过孔填料，将被动组件钎焊在指定位置；

4.多层生瓷材料采用定位孔的方法进行精确叠层对位，在普通马福炉450℃左右的温度下进行排胶，再放入真空设备内升温至850℃左右烧结成一体化的基板；

5.将MEMS器件钎焊在布好线的低温共烧陶瓷基板上，并与低温共烧陶瓷上的电路相连；

6.在微机械加工方法做好的封装外壳管帽上做细软金属管通道；

7.用环氧树脂或低温金属焊料(锡、铅、铝、银等)11在大气常压下将封装外壳管帽5和带有MEMS器件2的低温共烧陶瓷基板1固定、密封(参见图4)；

8.经细软金属管9抽气至所需真空度值，用夹具10将金属管收紧夹死，完成全部封装过程(参见图4)。

Claims (10)

1.一种MEMS器件真空封装方法，包括以下步骤：

1)根据MEMS器件需要设计互连引出线结构和各种被动组件的位置；

2)在低温共烧陶瓷每层生瓷材料上制作出过孔和空腔；

3)在每层生瓷材料上印刷金属良导体材料作为布线和过孔填料，并将被动组件固定在预定位置；

4)将多层生瓷材料精确叠层对位，在普通马福炉中400-500℃排胶后，放入真空设备内升温至800-900℃烧结成一体化的基板；

5)将需要封装的MEMS器件固定在低温共烧陶瓷基板上，并与低温共烧陶瓷基板上的电路相连；

6)以带有MEMS器件的低温共烧陶瓷基板整体作为封装外壳的管底，以金属封装外壳做管帽，进行真空密封。

2.如权利要求1所述的MEMS器件真空封装方法，其特征在于：所述步骤2)通过钻孔、冲孔或激光打孔的方法制作出过孔和空腔。

3.如权利要求1所述的MEMS器件真空封装方法，其特征在于：步骤3)所述的金属良导体材料选自：Cu、Ag、Au。

4.如权利要求1所述的MEMS器件真空封装方法，其特征在于：步骤3)的印刷方法选自：丝网印刷、掩模印刷、流延型印刷。

5.如权利要求1所述的MEMS器件真空封装方法，其特征在于：步骤3)中通过金属焊料焊接或钎焊固定被动组件。

6.如权利要求1所述的MEMS器件真空封装方法，其特征在于：步骤4)采用定位孔或图像识别定位的方法使多层生瓷材料精确叠层对位。

7.如权利要求1所述的MEMS器件真空封装方法，其特征在于：步骤5)通过有机粘合剂粘接、金属焊料焊接或钎焊的方法将MEMS器件嵌入式、半嵌入式或者非嵌入式地固定在低温共烧陶瓷基板上。

8.如权利要求1所述的MEMS器件真空封装方法，其特征在于：步骤6)所述的金属封装外壳管帽材料选自：Al、Cu、Mo、钢、可伐合金。

9.如权利要求1所述的MEMS器件真空封装方法，其特征在于：所述步骤6)是在真空条件下，利用激光焊化金属或者加热焊环的方法实现管帽和管底的紧密连接。

10.如权利要求1所述的MEMS器件真空封装方法，其特征在于：所述步骤6)在管帽上做有细软金属管通道，在大气压下将管帽和管底紧密连接，然后经细软金属管抽气使MEMS器件所至的腔体达到所需真空度值，再用夹具将细软金属管收紧夹死。

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