CN101552263B - 芯片圆片级封装及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种芯片圆片级封装及其封装方法，其在上盖板圆片设有上密封环带，在下盖板圆片上设有与上密封环带相配合的下密封环带，上密封环带和下密封环带共晶共熔或者热压扩散实现封装或；在上盖板圆片上涂敷上环氧树脂、聚合物、金属或合金材料的键合层，在下盖板圆片上设有与上密封环带相配合的下密封环带，下密封环带挤压到键合层实现封装。本芯片圆片级封装提高封装内外部环境的密封性能，封装方法能够大大提高键合后的成品率，提高密封质量，保证长期可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种MEMS和微电子工艺制造技术领域，尤其是一种芯片圆片级封装及其封装方法。
背景技术
随着应用的需求和发展，无论对军用还是民用的各种电子系统，都提出了轻量化、小体积、多功能的要求。而通过目前大量使用的管壳和倒装焊封装技术来实现更小的体积、更高的封装密度，已经遇到了技术和成本上的巨大挑战。目前我们正在经历这样一个时期，即使用圆片级封装工艺WLP解决以上问题，有人称之为零级封装，因为它真正实现了最小化的体积，同时降低成本，不再使用管壳，甚至还可以在这项技术上延伸，进而发展为不同种类芯片在三维方向的堆叠，实现最高的封装密度。
圆片级封装技术作为这样一种关键的基础制造技术，最初是由MEMS技术提出并发展而来的。开始是考虑到消除灰尘、潮气对可动结构的影响，所以给可动结构加一个盖帽来保护它；后来发现还具有提高MEMS器件性能、减小体积、降低成本等优势。经过圆片级封装，可以控制腔体内的气压和阻尼，从而调整器件性能，这一点对于MEMS器件具有重要意义，因此提出了密封的问题。后来圆片级封装技术在很多微电子器件上都得到了应用，带来了封装概念的革新，如果能够保持密封，保证器件的长期可靠性，完全可以替代管壳或者外部的塑封和框架。
通过上述应用发现，圆片级封装的密封性至为关键，它影响到器件的长期可靠性和性能，决定了圆片封装技术能否最终大量应用。而能否实现密封并保持同工艺和结构的设计都有很大关系。
目前国内外发展的圆片级封装，主要有以下这些工艺手段：
阳极键合——阳极键合是最广泛使用的圆片级封装方式之一。硅和玻璃通过电场形成可靠的键合，可以保持气密性，但是玻璃通孔制备困难，而且玻璃和硅表面要求高，适用范围小；
硅直接键合——通过吸附的水分子群之间的范德华吸引力，由湿化学元素或等离子体激活所造成的亲水性表面可在接触孔处立即键合。键合之后，间歇性热退火可用于将键合转换为共价键的Si-O-Si键合，并获得相当于体硅的键合强度。可以保持气密性，但是键合难度大，适用范围小。
热压键合——热压键合包括三个主要子范畴：玻璃熔封，共晶和扩散。
玻璃熔封键合中，当加热超过玻璃软化温度时，中间层界面在压力的影响下开始流动。玻璃可用于过孔挤压、丝网印刷、喷涂或沉淀方法。目前正在开展工作改善玻璃熔料的性能，因此它与共晶和扩散键合在高真空封装方面的竞争已日趋激烈。这项工作的难点是材料键合温度高，而且微电子和MEMS需要的精细图形化技术比较困难。
共晶键合利用冶金相变，其中由组分形成的二元相比其中任一组分的熔点都低。键合技术采用金属作为媒介层，通常会形成密封以及高真空的兼容性(低除气材料与低渗透性)。本质上讲，共晶键合是扩散键合的一个特殊情况，允许在相对低的温度下形成很强的金属间化合键合。当两种材料的扩散时，就会在共晶的成分中形成熔点很低的混合物。一旦共晶形成并变成液体，在液相扩散的影响下，在液-固界面处加速反应。德国弗朗霍弗研究中心使用这种技术实现了真空封装。
固态热压键合类似于共晶键合，因为它也会形成合金。然而，这些反应不涉及扩散界面的熔融。在固态键合中，关键是找出系统的低温固相相变和快速扩散系数。最常见的相位形式是一种可为组装提供结构稳定性的金属间化合物。
扩散键合也是一种热压键合，普遍应用于在相对低的温度时扩散系数变得很快的系统中。这常常发生在如金(Au)、铜(Cu)的材料中，因此可进行Au-Au或者Cu-Cu键合，甚至在低温下利用温度驱动动力学进行Cu-Au键合。在这些情况下，没有形成合金，界面是两种溶质的混合物。在某些应用中，相对于金属间化合或共晶合金的形式，扩散键合是一种更好的选择，因为合金比较脆弱。
粘接键合——通过聚合物，环氧胶类等实现粘接键合，工艺简单，便于应用、材料成本低、有足够的粘结强度和渗透率，但是密封保持性能上，在更为严酷的考核时会遇到问题，使其应用范围受到限制。
通过比较可以发现，由于使用中间焊料或者粘接层的热压键合(含共晶、固态热压和扩散键合)和粘接键合工艺灵活性大，易于图形化，适用于微电子和微机械工艺，温度较低等，成为目前研究和应用较多的主流圆片级封装技术手段。
在结构设计上，一般既有在管芯结构周围设计一定宽度的环带，布线在键合环下通过的方式，也有信号直接通过通孔引出的方式。但是目前的键合环带上都是平面的，没有结构，这样对表面和设备的要求就很高，整片内的应力会极大地影响整片的键合质量，压力过大又容易造成圆片破裂，除非键合质量很高的部分可以保证密封性能，其他部分则不能达到密封，造成成品率下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种密封性能好的芯片圆片级封装，本发明还提供了芯片圆片级封装的封装方法，以在较低的温度和压力下提高密封的成品率，减小裂片。
为解决上述技术问题，本发明的第一个技术方案是由上盖板圆片和下盖板圆片封装而成，在上盖板圆片设有上密封环带，在下盖板圆片上设有与上密封环带相配合的下密封环带；上密封环带和下密封环带共晶共熔或者热压扩散实现封装。
本发明第一个技术方案的封装方法是采用热压键合将上盖板圆片和下盖板圆片实现封装，先在上盖板圆片和下盖板圆片上分别形成相互配合的密封环带，然后通过热压键合将上盖板圆片和下盖板圆片封装。
本发明第一个技术方案的封装方法中所述的在上盖板圆片和下盖板圆片上分别形成相互配合的密封环带的方法采用下述工艺步骤：(1)上盖板圆片的准备：制备带有通孔或者不带通孔的同需要封装的圆片尺寸一样的上盖板圆片；
(2)上盖板圆片溅射：利用磁控溅射在上盖板圆片上溅射金属种子层；
(3)上盖板圆片光刻：利用光刻技术将金属焊盘及对位标记图形转移到上盖板圆片的金属种子层上；
(4)上盖板圆片电镀：在上盖板圆片经光刻后的金属种子层上电镀实现第一层焊层的基底结构；
(5)上盖板圆片二次光刻：利用光刻技术将密封环带的上齿图形转移到第一层焊层的基底结构上；
(6)上盖板圆片二次电镀：在上齿图形上电镀形成上盖板圆片的上密封环带；
(7)下盖板圆片的准备：制备带有通孔或者不带通孔的同需要封装的圆片尺寸一样的下盖板圆片；
(8)下盖板圆片溅射：利用磁控溅射在下盖板圆片上溅射金属种子层；
(9)下盖板圆片光刻：利用光刻技术将金属焊盘、布线和对位标记的图形转移到下盖板圆片上；
(10)下盖板圆片电镀：使用电镀实现第二层焊层基底结构，电镀所采用的金属能与上盖板圆片二次电镀所采用的金属形成共晶或者扩散键合；
(11)下盖板圆片二次光刻：利用光刻技术将密封环带的下齿图形转移到第二层焊层基底结构上；
(12)下盖板圆片二次电镀：在下齿图形上电镀形成下盖板圆片的下密封环带。
本发明第二个技术方案是由上盖板圆片和下盖板圆片封装而成，其特征在于：在上盖板圆片上涂敷上环氧树脂、聚合物、金属或合金材料的键合层，在下盖板圆片上设有与上密封环带相配合的下密封环带；下密封环带挤压到键合层实现封装。
本发明第二个技术方案的封装方法是采用压力键合将上盖板圆片和下盖板圆片实现封装，先在上盖板圆片涂敷上环氧或者聚合物，在下盖板圆片上形成密封环带，然后通过压力键合将上盖板圆片和下盖板圆片封装。
本发明第二个技术方案的封装方法中所述的在上盖板圆片涂敷上环氧、金属或者聚合物和在下盖板圆片上形成密封环带的方法采用下述工艺步骤：(1)上盖板圆片的准备：制备带有通孔或者不带通孔的同需要封装的圆片尺寸一样的上盖板圆片；
(2)旋涂：在上盖板圆片上涂敷环氧树脂或聚合物，或者电镀金属或合金；
(3)下盖板圆片的准备：制备带有通孔或者不带通孔的同需要封装的圆片尺寸一样的下盖板圆片；
(4)下盖板圆片溅射：利用磁控溅射在下盖板圆片上溅射金属种子层；
(5)下盖板圆片光刻：利用光刻技术将金属焊盘、布线和对位标记的图形转移到下盖板圆片上；
(6)下盖板圆片电镀：使用电镀实现第二层焊层基底结构；
(7)下盖板圆片二次光刻：利用光刻技术将密封环带的契型密封环图形转移到第二层焊层基底结构上；
(8)下盖板圆片二次电镀：在契型密封环图形上电镀形成下盖板圆片的密封环带。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明的总的技术构思是在圆片级封装时，在封装的盖板圆片之间形成密封环带的结构，在结构上提出的优化手段。针对热压键合，设计交叉咬合的密封环带，通过加温加压键合后，既增大了相对键合面积，键合的多圈密封环结构，又可以形成多道隔离墙，提高封装内外部环境的密封性能；压力的使用，使环氧树脂、或聚合物金属发生变形，从而增加键合的强度。针对压力健合，由于环氧树脂或者聚合物可以产生塑性变形的特点，提出在另一层圆片上电镀楔型密封环带的结构，通过压力使聚合物或环氧树脂产生塑性变形的办法实现密封，这种方法也适用于使用比较软、容易发生塑性变形的金属或合金替代聚合物，直接冷压焊的场合。通过本发明方法，能够大大提高键合后的成品率，提高密封质量，保证长期可靠性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1-1～图1-8是本发明第一个技术方案中上盖板圆片形成密封环带的过程结构示意图；
图2-1～图2-5是本发明下盖板圆片形成密封环带的过程结构示意图；
图3-1～图3-2是本发明第一个技术方案中热压键合过程结构示意图；
图4-1～图4-2是本发明第二个技术方案中上盖板圆片涂敷过程结构示意图；
图5-1～图5-2是本发明第二个技术方案中粘接键合过程结构示意图。
具体实施方式
实施例1：图3-2所示，本芯片圆片级封装由硅片制成的上盖板圆片和下盖板圆片封装而成。在上盖板圆片设有上密封环带，在下盖板圆片上设有与上密封环带相配合的下密封环带；上密封环带和下密封环带共晶共熔或者热压扩散实现封装。
本芯片圆片级封装使用锡铅和金的热压键合进行圆片级封装。具体的工艺步骤如下：
1、上盖板圆片的准备：制备带有通孔或者不带通孔的同需要封装的圆片尺寸一样的上盖板圆片1。上盖板圆片的材料可以为硅片、玻璃片或陶瓷片等，通孔的实现方式不限，可以为刻蚀、激光打孔、磨砂等手段。本实施例以3时300微米厚的硅片为例，通过湿法腐蚀形成通孔，为了保证电性能，腐蚀后整个硅片氧化6000
(埃米)以上，所得到的结构如图1-1所示；上述的单位时为英寸，1时＝25.4毫米。
2、上盖板圆片溅射：利用磁控溅射在上盖板圆片1上溅射金属种子层2，溅射的金属分别为钛300
金1000
所得到的结构如图1-2所示。
3、上盖板圆片光刻：利用光刻技术将金属焊盘及对位标记图形3转移到上盖板圆片1的金属种子层2上，所得到的结构如图1-3所示。
4、上盖板圆片电镀：在上盖板圆片经光刻后的金属种子层上电镀实现第一层焊层的基底结构4。使用Cu电镀液、SnPb镀液实现第一层焊层基底结构，Cu层厚度可以控制在1.5～3μm，SnPb层厚度可以控制在2～6μm，所得到的结构如图1-4、1-5所示；
5、上盖板圆片二次光刻：利用光刻技术将密封环带的上齿图形5转移到第一层焊层的基底结构4上，所得到的结构如图1-6所示。
6、上盖板圆片二次电镀：在上齿图形5上电镀形成上盖板圆片的上密封环带6，使用SnPb镀液实现上密封环带的上齿结构，SnPb层厚度可以控制在4～8μm，所得到的结构如图1-7、1-8所示。
7、下盖板圆片的准备：制备带有通孔或者不带通孔的同需要封装的圆片尺寸一样的下盖板圆片。在MEMS或者微电子工艺中，下盖板圆片的材料一般为硅片，本实施例以3时300微米厚的压阻MEMS传感器硅片为例。
8、下盖板圆片溅射：利用磁控溅射在下盖板圆片7上溅射金属种子层8，溅射的金属分别为铬300
Pt500
金1000
所得到的结构如图2-1所示。
9、下盖板圆片光刻：利用光刻技术将金属焊盘、布线和对位标记的图形9转移到下盖板圆片上，所得到的结构如图2-2所示。
10、下盖板圆片电镀：使用电镀实现第二层焊层基底结构10，电镀所采用的金属能与上盖板圆片二次电镀所采用的金属形成共晶或者扩散键合，比如针对上面提到的PbSn金属层，使用Au电镀实现第二层焊层基底结构，Au层厚度可以控制在2～4μm，所得到的结构如图2-3所示。
11、下盖板圆片二次光刻：利用光刻技术将密封环带的下齿图形11转移到第二层焊层基底结构上，所得到的结构如图2-4所示。
12、下盖板圆片二次电镀：在下齿图形上电镀形成下盖板圆片的下密封环带12，使用Au镀液，Au层厚度可以控制在4～8μm，所得到的结构如图2-5所示。
13、将上盖板圆片1和下盖板圆片7对准，使相互配合的上密封环带6和下密封环带12互相对咬，对准精度±3μm，所得到的结构如图3-1所示。
14、在上盖板圆片和下盖板圆片之间施加温度和压力实现金属的变形，使上盖板圆片和下盖板圆片共晶共熔或者热压扩散。本实施例中用Au-PbSn共晶，温度183℃，对三时圆片，压力可以为20～40Kg。得到结构如图3-2所示的本芯片圆片级封装。
实施例2：图5-2所示，本芯片圆片级封装由硅片制成的上盖板圆片和下盖板圆片封装而成。在上盖板圆片上涂敷上BCB材料的键合层，在下盖板圆片上设有与上密封环带相配合的下密封环带；下密封环带挤压到键合层实现封装。
本芯片圆片级封装使用BCB和金的冷压键合进行圆片级封装，具体的工艺步骤如下：
1、上盖板圆片的准备：制备带有通孔或者不带通孔的同需要封装的圆片尺寸一样的上盖板圆片。上盖板圆片的材料可以为硅片、玻璃片或陶瓷片等，通孔的实现方式不限，可以为刻蚀、激光打孔、磨砂等手段。本实施例以3时300微米厚的硅片为例，通过湿法腐蚀形成通孔，为了保证电性能，腐蚀后整个硅片氧化6000埃以上，所得到的结构如图4-1所示。
2、旋涂：在上盖板圆片1上涂敷环氧树脂、环氧聚合物或者软性的金属或合金。聚合物最好选用环氧密封胶、苯并环丁烯或聚酰亚胺，涂敷厚度在5-100um之间；金属最好选用金、铜、SnCu、PbSn或SnAg。本实施例中涂敷BCB材料(苯并环丁烯)12，厚度10μm，所得到的结构如图4-1所示；
3、下盖板圆片的准备：制备带有通孔或者不带通孔的同需要封装的圆片尺寸一样的下盖板圆片。在MEMS或者微电子工艺中，下盖板圆片的材料一般为硅片，这里以3时300微米厚的压阻MEMS传感器硅片为例
4、下盖板圆片溅射：利用磁控溅射在下盖板圆片上溅射金属种子层，溅射金属分别为钛300
金1000
所得到的结构如图2-1所示。
5、下盖板圆片光刻：利用光刻技术将金属焊盘、布线和对位标记的图形转移到下盖板圆片上；所得到的结构如图2-2所示。
6、下盖板圆片电镀：使用电镀实现第二层焊层基底结构；使用Au电镀液实现第一层焊层基底结构，Au层厚度可以控制在2～4μm，所得到的结构如图2-3所示。
7、下盖板圆片二次光刻：利用光刻技术将密封环带的契型密封环图形转移到第二层焊层基底结构上；所得到的结构如图2-4所示。
8、下盖板圆片二次电镀：在契型密封环图形上电镀形成下盖板圆片的密封环带，使用Au镀液，Au层厚度可以控制在4～8μm，所得到的结构如图2-5所示。
9、将上盖板圆片和下盖板圆片对准，如图5-1所示；
10、在上盖板圆片和下盖板圆片之间施加压力实现金属的变形，契型结构的密封环带插入比较软的上层BCB材料13中，得到的结构如图5-2所示的封装器件。
Claims (14)
1.一种芯片圆片级封装，其由上盖板圆片和下盖板圆片封装而成，其特征在于：在上盖板圆片设有上密封环带，在下盖板圆片上设有与上密封环带相配合的下密封环带；上密封环带和下密封环带共晶共熔或者热压扩散实现封装。
2.根据权利要求1所述的芯片圆片级封装，其特征在于：所述的上盖板圆片和下盖板圆片均选用硅片、玻璃片或陶瓷片。
3.权利要求1所述的芯片圆片级封装的封装方法，其采用热压键合将上盖板圆片和下盖板圆片实现封装，其特征在于：先在上盖板圆片和下盖板圆片上分别形成相互配合的密封环带，然后通过热压键合将上盖板圆片和下盖板圆片封装。
4.根据权利要求3所述的芯片圆片级封装的封装方法，其特征在于所述的在上盖板圆片和下盖板圆片上分别形成相互配合的密封环带的方法采用下述工艺步骤：(1)上盖板圆片的准备：制备带有通孔或者不带通孔的同需要封装的圆片尺寸一样的上盖板圆片；
(2)上盖板圆片溅射：利用磁控溅射在上盖板圆片上溅射金属种子层；
(3)上盖板圆片光刻：利用光刻技术将金属焊盘及对位标记图形转移到上盖板圆片的金属种子层上；
(4)上盖板圆片电镀：在上盖板圆片经光刻后的金属种子层上电镀实现第一层焊层的基底结构；
(5)上盖板圆片二次光刻：利用光刻技术将密封环带的上齿图形转移到第一层焊层的基底结构上；
(6)上盖板圆片二次电镀：在上齿图形上电镀形成上盖板圆片的上密封环带；
(7)下盖板圆片的准备：制备带有通孔或者不带通孔的同需要封装的圆片尺寸一样的下盖板圆片；
(8)下盖板圆片溅射：利用磁控溅射在下盖板圆片上溅射金属种子层；
(9)下盖板圆片光刻：利用光刻技术将金属焊盘、布线和对位标记的图形转移到下盖板圆片上；
(10)下盖板圆片电镀：使用电镀实现第二层焊层基底结构，电镀所采用的金属能与上盖板圆片二次电镀所采用的金属形成共晶或者扩散键合；
(11)下盖板圆片二次光刻：利用光刻技术将密封环带的下齿图形转移到第二层焊层基底结构上；
(12)下盖板圆片二次电镀：在下齿图形上电镀形成下盖板圆片的下密封环带。
5.根据权利要求4所述的芯片圆片级封装的封装方法，其特征在于所述的上盖板圆片和下盖板圆片均选用硅片、玻璃片或陶瓷片；所述的上盖板圆片和下盖板圆片上的通孔均选用刻蚀、激光打孔或磨砂方法制成。
6.根据权利要求3、4或5所述的芯片圆片级封装的封装方法，其特征在于所述的热压键合是先将上盖板圆片和下盖板圆片对准，使相互配合的上密封环带和下密封环带互相对咬；然后通过在上盖板圆片和下盖板圆片之间施加温度和压力实现金属的变形，使上盖板圆片和下盖板圆片共晶共熔或者扩散键合。
7.一种芯片圆片级封装，其由上盖板圆片和下盖板圆片封装而成，其特征在于：在上盖板圆片上涂敷上环氧树脂、聚合物、金属或合金材料的键合层，在下盖板圆片上设有与上密封环带相配合的下密封环带；下密封环带挤压到键合层实现封装。
8.根据权利要求7所述的芯片圆片级封装，其特征在于所述的上盖板圆片和下盖板圆片均选用硅片、玻璃片或陶瓷片。
9.根据权利要求7或8所述的芯片圆片级封装，其特征在于所述的的聚合物为环氧密封胶、苯并环丁烯或聚酰亚胺；所述的金属为金、铜；所述的合金为SnCu、PbSn或SnAg。
10.权利要求7所述的芯片圆片级封装的封装方法，其采用压力键合将上盖板圆片和下盖板圆片实现封装，其特征在于：先在上盖板圆片上涂敷上环氧树脂、聚合物、金属或合金以形成键合层，在下盖板圆片上形成密封环带；然后通过压力使密封环带嵌入上盖板圆片的键合层，将上盖板圆片和下盖板圆片键合在一起，进行封装。
11.根据权利要求10所述的芯片圆片级封装的封装方法，其特征在于所述的在上盖板圆片涂敷上环氧或者聚合物和在下盖板圆片上形成密封环带的方法采用下述工艺步骤：(1)上盖板圆片的准备：制备带有通孔或者不带通孔的同需要封装的圆片尺寸一样的上盖板圆片；
(2)旋涂：在上盖板圆片上涂敷环氧树脂或聚合物或者，电镀金属或合金；
(3)下盖板圆片的准备：制备带有通孔或者不带通孔的同需要封装的圆片尺寸一样的下盖板圆片；
(4)下盖板圆片溅射：利用磁控溅射在下盖板圆片上溅射金属种子层；
(5)下盖板圆片光刻：利用光刻技术将金属焊盘、布线和对位标记的图形转移到下盖板圆片上；
(6)下盖板圆片电镀：使用电镀实现第二层焊层基底结构；
(7)下盖板圆片二次光刻：利用光刻技术将密封环带的契型密封环图形转移到第二层焊层基底结构上；
(8)下盖板圆片二次电镀：在契型密封环图形上电镀形成下盖板圆片的密封环带。
12.根据权利要求10所述的芯片圆片级封装的封装方法，其特征在于所述的上盖板圆片和下盖板圆片均选用硅片、玻璃片或陶瓷片；所述的上盖板圆片和下盖板圆片上的通孔均选用刻蚀、激光打孔或磨砂方法制成。
13.根据权利要求10所述的芯片圆片级封装的封装方法，其特征在于所述的热压键合是先将上盖板圆片和下盖板圆片对准，然后通过在上盖板圆片和下盖板圆片之间施加压力使环氧树脂、聚合物、金属或合金变形与下密封环带形成键合。
14.根据权利要求10-13所述的任意一种芯片圆片级封装的封装方法，其特征在于所述的聚合物为环氧密封胶、苯并环丁烯或聚酰亚胺；所述的金属为金、铜；所述的合金为SnCu、PbSn或SnAg。
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