CN101497422B

CN101497422B - 基于圆片级玻璃微腔的低温玻璃焊料键合封装方法

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Publication number: CN101497422B
Application number: CN2009100284623A
Authority: CN
Inventors: 黄庆安; 柳俊文; 尚金堂; 唐洁影
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2029-01-20
Also published as: CN101497422A

Abstract

本发明公开一种基于圆片级玻璃微腔的低温玻璃焊料键合封装方法，包括以下步骤：第一步，利用丝网印刷工艺，将低温玻璃焊料涂覆在具有微腔结构的Pyrex7740玻璃基板的封装接触部分，对低温玻璃焊料进行预烘，使低温玻璃焊料固化并紧贴于上述具有微腔结构的Pyrex7740玻璃基板上，第二步，将上述固化有低温玻璃焊料的Pyrex7740玻璃封装圆片，与含有MEMS器件或CMOS电路的硅衬底圆片进行对准，使所述Pyrex7740玻璃基板上的微腔结构与所述硅衬底所含有待封装MEMS器件或CMOS电路的位置相对应。第三步，将上述完成对准的两圆片，用夹具夹紧施以压力，在特定封装气氛中，烧结玻璃焊料，并冷却。整个过程基于硅和Pyrex7740玻璃圆片整体加工，属于圆片级MEMS制造封装工艺，具有方法简单，封装空间可调，低成本的特点。

Description

基于圆片级玻璃微腔的低温玻璃焊料键合封装方法

技术领域

本发明涉及一种MEMS(微电子机械系统)制造封装技术，尤其涉及一种基于圆片级玻璃微腔的低温玻璃焊料键合封装方法。

背景技术

在MEMS制造技术领域，Pyrex7740玻璃(一种含有碱性离子的玻璃，Pyrex是Corning公司的产品品牌)是一种重要的材料，它有着和半导体硅材料(常温300K下，Pyrex7740玻璃热膨胀系数为28×10^-7/K，硅的热膨胀系数为23～40×10^-7/K)相近的热膨胀系数，有着高透光率和较高的强度，可与硅进行高强度的阳极键合，也可以通过金属焊料键合或者聚合物键合的方式和硅衬底进行整片键合。由于这样的特性，使得Pyrex7740玻璃广泛应用于MEMS封装、微流体和MOEMS(微光学机电系统)等领域。

在MEMS封装领域，由于器件普遍含有可动部件，在封装时需要使用微米尺寸的微腔结构对器件进行密闭封装，让可动部件拥有活动空间，并且对器件起到物理保护的作用，一些如谐振器、陀螺仪、加速度计等器件，还需要真空气密的封装环境。表面键合工艺可以提供良好的气密性，是常用的气密封装工艺。在Pyrex7740玻璃上形成微腔结构，或者用键合焊料撑起空间，与含有可动部件的硅衬底进行键合，便可以实现MEMS器件的真空封装。

在传统的利用Pyrex7740玻璃基板进行圆片级封装工艺中，通常采用阳极键合、金属焊料键合或者聚合物键合工艺。

如果采用含有玻璃微腔的Pyrex7740玻璃基板，采用阳极键合对器件进行圆片级封装工艺，其工艺对键合表面平整度要求很高，普遍采用表面微加工工艺的MEMS器件衬底无法达到要求。而且由于工艺引入了400V以上的键合电压，易对MEMS的微纳米尺寸量级的可动部件产生不可逆的破坏。

现今采用金属焊料键合或者聚合物键合工艺，大多采用一整块无微腔结构的硅基板或者Pyrex7740玻璃基板来与含有器件的衬底圆片键合，仅仅靠键合焊料层撑起的高度来实现封装空间，其局限性很大，高度只有1～6μm左右，极易损坏衬底上的器件。而且键合焊料层与硅衬底易产生较大的热失配，容易产生失效，从而使气密封装失效，其封装可靠性很差。

发明内容

本发明的目的是提供一种热失配小、工艺温度低、键合强度高的基于圆片级玻璃微腔的低温玻璃焊料键合封装方法。

一种基于圆片级玻璃微腔的低温玻璃焊料键合封装方法，包括以下步骤：

第一步，利用丝网印刷工艺，将低温玻璃焊料涂覆在具有微腔结构的Pyrex7740玻璃基板的封装接触部分，对低温玻璃焊料进行预烘，使低温玻璃焊料固化并紧贴于上述具有微腔结构的Pyrex7740玻璃基板上，

第二步，将上述固化有低温玻璃焊料的Pyrex7740玻璃封装圆片，与含有MEMS器件或CMOS电路的硅衬底圆片进行对准，使所述Pyrex7740玻璃基板上的微腔结构与所述硅衬底所含有待封装MEMS器件或CMOS电路的位置相对应。

第三步，将上述完成对准的两圆片，用夹具夹紧施以压力，在特定封装气氛中，烧结玻璃焊料，并冷却。

本技术方案中，第一步涂覆过程中，低温玻璃焊料涂覆在具有微腔结构的Pyrex7740玻璃基板的键合接触部分，采用了精密丝网印刷技术；第二步预烘工艺中，采用的预烘温度略高于低温玻璃焊料的玻璃化温度点Tg，一般在350℃～450℃左右；第三步对准工艺中，需要将涂覆并固化有低温玻璃焊料的Pyrex7740玻璃封装圆片，同含有CMOS电路或者MEMS器件的硅衬底进行对准，使微腔结构正对衬底上的被封装部分；第四步烧结键合工艺中，需要在特定键合气氛通常是特定气压或者氮气环境，对已经完成对准的两键合片，使用一定的夹力(在100N～600N范围内依照低温玻璃焊料粘度和密度进行选择)进行这步工艺，随后在键合温度(键合温度由低温玻璃焊料的软化点温度决定，选用的低温玻璃焊料烧结温度通常在380℃～480℃之间)下完成烧结键合工艺。在完成烧结键合工艺后，采用缓慢冷却的方法以降低烧结中引入的应力。

本发明获得如下效果：

1.本发明属于MEMS表面键合工艺。工艺引入低热失配的有玻璃微腔结构的Pyrex7740玻璃基板和低温玻璃焊料作为键合基本材料，在完成气密封装的同时保证了封装的可靠性，并且采用圆片级封装的形式，大大降低了MEMS器件封装成本。

2.本发明采用热成型方法制备的玻璃微腔结构可以获得封装的充足空间，高度可以达到100μm左右，远远高于单纯用键合焊料撑起的高度(1～6μm)，可以满足各种MEMS可动部件的封装要求。而且，该玻璃微腔结构的尺寸可以在20-300微米的空间内调节，可以满足对于空腔高度要求可控的不同MEMS封装的需求，即可以设计玻璃微腔的高度的大小。进一步采用深反应离子刻蚀工艺，可以在硅片模具上，获得高的深宽比，而且深度可调，因此获得的玻璃微腔的深度可调，而且可以获得高的深宽比，因此，采用该方法制作的玻璃微腔尤其可以应用于要求高深宽比的MEMS器件，具有使用范围宽的特点。

3.低温玻璃焊料键合具有对键合表面平整度要求低，气密性好的特点，非常适合于采用了硅表面微加工工艺制造出来的MEMS器件的封装。

4.采用的第四步中的缓慢冷却工艺可以有效的降低烧结键合过程中引入的应力，从而使封装结构可靠性更高。

5.本发明使用具有高透光性能的Pyrex7740玻璃作为基本封装材料，可广泛应用与MEMS微流道结构和MOEMS(微光电子机械系统)的制造和封装。

6.本发明的工艺过程由于将低温玻璃焊料键合、丝网印刷技术以及圆片级玻璃微腔制作技术三者结合起来，是一种圆片级技术，因此使得本发明具有简单可靠，成本相对低廉的特点。

7.本发明采用的美国Ferro公司的EG2805型低温玻璃焊料浆料，具有玻璃化温度适中，热膨胀系数与硅相近的特点。过高的玻璃化温度会使得由于工艺温度过高损坏MEMS器件以及引线的缺点，热膨胀系数过高，将会增加封装过程的热应力。

总之与现有技术相比，本发明采用的低温玻璃焊料热膨胀系数为40～60×10^-7/K左右，与硅和Pyrex7740玻璃基本无热失配。本发明具有工艺简单、封装空间大(封装空间高度可以达到100μm)、热失配小、工艺温度低、键合强度高等特点。可以广泛应用于MEMS技术中的圆片级封装工艺。

附图说明

图1为具有微腔结构的Pyrex7740玻璃基板。

图2利用丝网印刷工艺，将低温玻璃焊料涂覆在键合接触部分并预烘。

图3将两键合片对准并在特定温度和气氛下完成键合封装。

具体实施方式

实施例1

第一步，利用丝网印刷工艺，所述的丝网印刷技术可采用精密丝网印刷技术，将低温玻璃焊料涂覆在具有微腔结构的Pyrex7740玻璃基板的封装接触部分，对低温玻璃焊料进行预烘，预烘温度为350℃～450℃，通常略高于低温玻璃焊料玻璃态温度。使低温玻璃焊料固化并紧贴于上述具有微腔结构的Pyrex7740玻璃基板上，此处所用的低温玻璃焊料为玻璃化温度为330-500℃，譬如360℃，375℃，400℃，430℃，470℃，热膨胀系数为(20～50)×10^-7/K的玻璃焊料(对应于常温温度下的热膨胀系数)，25×10^-7/K，35×10^-7/K，40×10^-7/K，48×10^-7/K，譬如，譬如可以用美国Ferro公司的EG2805型低温玻璃焊料浆料，其玻璃化温度为440℃，热膨胀系数为40×10^-7/K。

第三步，将上述完成对准的两圆片，用夹具夹紧施以压力，夹具施加的压力为100N～1600N，例如200N，300N，800N，900N，1300N，1500N，在特定封装气氛中，这里，特定气氛根据器件或电路的封装要求确定，譬如在氮气气氛中，或者在特定的真空度下，譬如1Pa，10^-1Pa，10^-2Pa，10^-3Pa，烧结玻璃焊料，烧结温度处于380℃～480℃，例如选取为390，400，430，470，选取的烧结温度比玻璃态温度略高。再冷却，冷却速度可缓慢冷却，可使得冷却过程中产生的应力较小。

本实施例中，采用的玻璃微腔可以采用刻蚀法在玻璃表面刻蚀形成圆片级的玻璃微腔，也可以采用热成型制备的玻璃微腔，热成型玻璃制备的微腔的方法见实施例2。

实施例2

一种基于圆片级玻璃微腔的低温玻璃焊料键合封装方法，封装方法的步骤同实施例1，但是制备玻璃微腔用以下方法来进行：

本实施例中，所述Pyrex7740玻璃基板上的微腔结构的制备方法为：第一步，利用硅微加工工艺在双面抛光硅圆片上制造玻璃微腔图案结构，第二步，将上述硅圆片与相同尺寸的Pyrex7740玻璃圆片在小于1Pa的压力下进行键合，使玻璃微腔图案结构密封成真空腔体，第三步，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热至810℃～890℃，譬如830℃，850℃，870℃，保温3～5min，时间可以选取为，4分钟，腔内外压差使软化后的玻璃形成与上述微腔图案结构相应的结构，冷却到20～25℃，将上述圆片在常压下退火消除应力，形成所述微腔结构。通常玻璃微腔的深度与硅微加工工艺制备的硅圆片上腐蚀形成槽，热成型后的玻璃微腔将具有与硅上所述槽基本相同的深度和深宽比，所述硅微加工工艺采用深反应离子刻蚀工艺可获得高的深宽比，因此容易获得高深宽比的玻璃微腔。

实施例3

一种新型圆片级玻璃微腔的低温玻璃焊料键合封装的方法，包括以下步骤：

第一步，利用丝网印刷工艺，将低温玻璃焊料涂覆在具有微腔结构的Pyrex7740玻璃基板的键合接触部分。

第二步，在低温玻璃焊料玻璃化温度Tg附近进行预烘，使焊料中的有机溶剂挥发，同时使焊料紧紧粘附在玻璃基板上。

第三步，将涂覆并固化有低温玻璃焊料的Pyrex7740玻璃封装圆片，同含有CMOS电路或者MEMS器件的硅衬底进行对准，使微腔结构正对衬底上的被封装部分。

第四步，完成对准的两键合片，由夹具夹紧施以压力，在键合温度和特定键合气氛中烧结并冷却。键合温度由低温玻璃焊料的软化点温度决定，；特定键合气氛通常是特定气压或者氮气环境。烧结键合工艺完成后缓慢冷却，低温玻璃焊料固化，圆片级玻璃微腔的低温玻璃焊料键合封装完成。

实施需要注意第一步涂覆过程中，低温玻璃焊料涂覆在具有微腔结构的Pyrex7740玻璃基板的键合接触部分，采用了精密丝网印刷技术；第二步预烘工艺中，采用的预烘温度略高于低温玻璃焊料的玻璃化温度点Tg，一般在350℃～450℃左右；第三步对准工艺中，需要将涂覆并固化有低温玻璃焊料的Pyrex7740玻璃封装圆片，同含有CMOS电路或者MEMS器件的硅衬底进行对准，使微腔结构正对衬底上的被封装部分；第四步烧结键合工艺中，需要在特定键合气氛通常是特定气压或者氮气环境，对已经完成对准的两键合片，使用一定的夹力进行这步工艺，压力在100N～1600N范围内依照低温玻璃焊料粘度和密度进行选择。随后在键合温度下完成烧结键合工艺。键合温度由低温玻璃焊料的软化点温度决定，选用的低温玻璃焊料烧结温度通常在380℃～480℃之间。在完成烧结键合工艺后，采用缓慢冷却的方法以降低烧结中引入的应力。

在此处的丝网印刷技术，将精密不锈钢网状模板对准具有微腔结构的Pyrex7740玻璃基板，模板上露出的网点部分对应玻璃基板上的封装部分。将低温玻璃焊料用刮刀刷在精密模板上，焊料由于其本身的自然重力，渗入网眼，则焊料涂覆完成。

对于MEMS器件，气密封装时通常采用氮气气氛封装，并同时调节氮气的气压，以调整MEMS器件中可动部件的阻尼系数。所以此时封装的气氛应该视器件性能需要进行调节。

实施例4一种气密圆片级玻璃微腔的低温玻璃焊料键合封装的方法，

第一步，利用丝网印刷工艺，将美国Ferro公司的EG2805型低温玻璃焊料浆料涂覆在具有微腔结构的Pyrex7740玻璃基板的键合接触部分。其中Pyrex7740玻璃基板的微腔深度为100μm，EG2805低温玻璃焊料的热膨胀系数为40×10^-7/K。

第二步，在低温玻璃焊料玻璃化温度Tg附近，在400℃环境下预烘10min，使焊料中的有机溶剂挥发，同时使焊料紧紧粘附在玻璃基板上。

第三步，将涂覆并固化有低温玻璃焊料的Pyrex7740玻璃封装圆片，同含有CMOS电路或者MEMS器件的硅衬底进行双面对准，使微腔结构正对衬底上的被封装部分。

第四步，完成对准的两键合片，由夹具夹紧施以800N的压力，在380℃的键合温度和气压为1×10^-3Pa的键合气氛中烧结20min。随后在风冷环境下缓慢冷却到室温25℃，至此气密圆片级玻璃微腔的低温玻璃焊料键合封装完成。封装空间高度达到100μm，封装气压为1×10^-3Pa，封装气密性优秀。

本发明通过MEMS圆片级表面键合技术：带有玻璃微腔结构的Pyrex7740玻璃圆片与含有MEMS器件的硅衬底进行低温玻璃焊料键合封装，并在封装中引入高真空环境，制造出具有封装空间大(封装空间高度可以达到100μm)、工艺简单、热失配小、工艺温度低、键合强度的MEMS封装结构，可以广泛应用于MEMS器件的圆片级封装工艺。

Claims

1.一种基于圆片级玻璃微腔的低温玻璃焊料键合封装方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，利用丝网印刷工艺，将低温玻璃焊料涂覆在具有微腔结构的Pyrex7740玻璃基板的封装接触部分，对低温玻璃焊料进行预烘，预烘温度为：350-450℃，使低温玻璃焊料固化并紧贴于上述具有微腔结构的Pyrex7740玻璃基板上，

第二步，将上述固化有低温玻璃焊料的Pyrex7740玻璃基板，与含有MEMS器件或CMOS电路的硅衬底圆片进行对准，使所述Pyrex7740玻璃基板上的微腔结构与所述硅衬底圆片所含有待封装MEMS器件或CMOS电路的位置相对应，

第三步，将上述完成对准的玻璃基板和硅衬底圆片，用夹具夹紧施以压力，压力为：100N-1600N，在特定封装气氛中，烧结玻璃焊料，烧结温度为：380℃～480℃，并冷却，

所用的低温玻璃焊料为美国Ferro公司的EG2805型低温玻璃焊料浆料，

所述Pyrex7740玻璃基板上的微腔结构采用热成型方法制备：第一步，利用硅微加工工艺在双面抛光硅圆片上制造玻璃微腔图案结构，第二步，将上述硅圆片与相同尺寸的Pyrex7740玻璃基板在小于1Pa的压力下进行键合，使玻璃微腔图案结构密封成真空腔体，第三步，将上述键合好的硅圆片和玻璃基板在一个大气压下加热至810℃～890℃，保温3～5min，腔内外压差使软化后的玻璃形成与上述微腔图案结构相应的结构，冷却到20～25℃，将上述硅圆片和玻璃基板在常压下退火消除应力，形成所述微腔结构。

2.根据权利要求1所述的基于圆片级玻璃微腔的低温玻璃焊料键合封装方法，其特征在于所述第一步所述的丝网印刷工艺采用精密丝网印刷技术。

3.根据权利要求1所述的基于圆片级玻璃微腔的低温玻璃焊料键合封装方法，其特征在于，所述的硅微加工工艺为深反应离子刻蚀工艺。