CN102298207A - 一种微机电系统微镜封装 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种利用微机电系统微镜自身外围框架对微机电系统微镜进行圆片级的叠层密封封装，其特征在于：该封装包括顶层透光盖片，中间层微机电系统微镜，底层基底；所述微机电系统微镜包括微镜本体和微镜四周硅框架，所述顶层透光盖片下表面与所述微镜四周硅框架形成可容纳所述微镜本体活动的腔体，所述底层基底用于支持所述微机电系统微镜并与所述顶层透光盖片、微镜四周硅框架键和底层基底形成密闭腔体，所述微镜本体设置于上述密闭腔体内。该封装结构为微机电系统微镜的最小封装结构，且生产效率高，成本较低，微镜抗干扰能力强，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及一种微机电系统微镜封装，属于半导体电子封装领域，特别是MEMS器件封装领域。
背景技术
微机电系统（Micro-electro-mechanical systems,简称MEMS)是利用微加工技术制造出来的三维装置，至少包括一个可运动结构满足某种机械作用。MEMS器件在众多领域都有着十分广阔的应用背景，这是由于MEMS大力借鉴集成电路成熟的工艺技术，使得所制造出来的器件能够集成微型传感器、微型执行器、信号处理和控制集成电路于一体。在本世纪越来越多的传感器和执行器都倾向于采用MEMS技术，其中微机电系统微镜就是其中一个绝佳的例证。这是因为虽然微机电系统驱动结构产生的力有限，但是足以轻易地驱动微镜的镜面去操控没有重量的光线。
要制作高质量的MEMS微镜，封装环节至关重要。微镜通常都包括精密结构如镜面、支撑臂、驱动臂等。这些结构受环境影响极易损坏，譬如环境中的水蒸汽会造成镜面氧化和并使其静电吸附于底座，气流和机械振动直接作用于镜面从而破坏脆弱的支撑臂等等。因此，微镜的封装必须对微镜提供足够的保护。其中，陶瓷密封封装被公认为最好的解决方案，但是，价格高昂的结构和封装工艺阻碍了其应用。同时，用于体内成像的微镜对其封装技术提出了更高的要求。使用MEMS微镜二维扫描结合光学相干层析（Optical Coherence Tomography, 简称OCT)技术可以用于生物组织的无创断层扫描成像，特别适用于人体内脏器官癌症的早期诊断，其市场价值相当庞大。但是，封装后微镜整体面积变大制约了微镜用于体内成像的发展。
紧凑的结构，低廉的价格，圆片级密封封装是用于体内成像微镜封装的必然发展趋势。
虽然用于激光微显技术的微镜封装成熟方案很多，但是有关于用于体内成像的微镜封装技术还是一片空白。图1、2、3显示的是具有普遍代表性的微机电系统微镜的封装。其结构庞大不适用于体内成像。
发明内容
本发明的目的就是利用微机电系统微镜自身外围框架对微机电系统微镜进行圆片级的叠层密封封装，可以大大减少封装后的管芯面积和体积，提高生产效率，降低成本。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
本发明的封装主要包括以下三部分：顶层透光盖片，中间层微机电系统微镜，底层基底。其中，中间的微机电系统微镜在封装前已经准备好。所述微机电系统微镜包括微镜本体和微镜四周硅框架；所述顶层透光盖片下表面与所述微镜四周硅框架形成可容纳所述微镜本体活动的腔体，所述底层基底用于支持所述微机电系统微镜并与所述顶层透光盖片、微镜四周硅框架键和底层基底形成密闭腔体，所述微镜本体设置于上述密闭腔体内。
适用于本发明的微镜基本可以包括当前主要的微机电系统微镜，如使用表面硅工艺制作的表面微镜，使用体硅工艺制作的体微镜。其中使用表面硅工艺制作的表面微镜由于微镜本体就附在其硅基底上面，因此可以省去封装时的基底键合。其中使用体硅工艺制作的体微镜由于微镜本体释放后起始位移偏置比较大，可以分成镜体向上或者向下的形式，它们都同样适用本发明。
顶层透光盖片主要用于密封和制作光学窗口。其材料可以选用高透明玻璃，有机玻璃；如果此微镜封装用于红外光线控制，也可以使用对红外光透明的硅片。顶层盖片的制作主要涉及到两大部分：上表面（与外界环境接触的一面）的光学涂层窗口，下表面（正对着微镜的一面）可容纳微镜活动部位的腔体。上表面的光学涂层，主要用于优化光学性能，避免盖片自身的反射，微镜边框及微镜底部的杂散反射干扰。其材料可以选用对某波段高吸收的材料，例如对于可见光可以选用铬黑、镍黑、碳粉末或、消光漆、多孔材料涂层等，也可以选用高低折射率交替的多层增透膜结构。涂层窗口（光学透明）正对准中间层微镜的镜面，其大小与微镜镜面尺寸相当，一般不大于镜面。涂层窗口的制作可选用转模压印，其优点是适合不容易图形化的材料。转模压印需要先制作模具。涂层窗口制作的另一种方法就是使用lift off工艺，即先用光刻胶在顶层透光盖片的上表面制作图形，而后旋涂上涂层材料，固化后剥离出窗口。由于需要容纳微镜的自由运动，顶层透光盖片下表面需要具有腔体。该腔体由顶层透光盖片、微镜四周硅框架和底层基底键和形成。所述透光顶层盖片下表面可以是平面也可以具有向内凹陷的空腔。顶层透光盖片下表面内凹陷的空腔大小与微镜活动范围相当。该空腔的制作可以使用反应离子刻蚀（RIE）或湿法刻蚀；也可以使用同种类材料先制作一个完全刻蚀穿孔的薄层作为垫片，再键合形成下表面的空腔结构。
底层基底主要用于密封。其材料可以选择薄硅片，薄玻璃片，薄印刷电路板包括柔性电路板。
本发明灵活多变，如若在焊盘上方的顶层透光盖片或者底层基底不带有电连接，可以在其上制作通孔结构。通孔则正对着微镜芯片上的焊盘。其通孔结构的制作可以通过反应离子刻蚀（RIE）或湿法腐蚀开孔（如若使用硅片，玻璃片），也可以使用激光钻孔。如果使用的是硅片，必须先打孔清洗，再热氧化形成致密的氧化层用于通孔绝缘。
三大部件封装形式是圆片级垂直键合，封装后结构形状如三明治，紧凑而水平方向不增加任何管芯面积。各层之间的键合可以通过导电银胶，共晶，熔融玻璃浆料，阳极，聚合物胶等方式键合。
本发明为微机电系统微镜提供了密封封装，同时还增加了防反射膜，封装方法简单，封装后结构紧凑。
本发明具有以下有益效果：
1. 本发明利用微机电系统微镜自身外围框架垂直三明治夹心形式，圆片级尺寸的新颖气密封装结构，该封装结构为微机电系统微镜的最小封装结构。
2. 由于采用适合圆片级的封装方法，提高了生产效率，节省了成本。
3. 封装后的微镜，由于没有裸露部分，大大方便了微镜使用的后续操作。
4. 由于采用了垂直封装，结构紧凑，便于系统的微型化和集成，特别适用于体内对体积要求严格的人体内成像系统。
5. 密封封装能够提高了系统的长期使用中的抗干扰能力，提高了器件的使用寿命。
附图说明
图1为现有技术的微机电系统微镜封装的结构示意图（普通表面微镜）；
图2为现有技术的微机电系统微镜封装的结构示意图（焊盘与微镜镜面同一朝向的体微镜）；
图3为现有技术的微机电系统微镜封装的结构示意图（焊盘与微镜镜面不同一朝向的体微镜）；
图4为本发明的封装结构示意图（焊盘与微镜镜面同一朝向的体微镜）；
图5为本发明的封装结构示意图（焊盘与微镜镜面不同一朝向的体微镜）；
图6为本发明的封装结构示意图（普通表面微镜）；
图7为本发明的封装结构示意图（整体图）；
图中各标号的名称为：
11-上层盖片；12-陶瓷基底；13-封装引脚；14-微机电系统微镜；15-微镜镜面；
21-微镜镜面；22-微镜焊盘；23-微镜四周硅边框；
31-微镜镜面；32-微镜焊盘；33-微镜四周硅边框；
40-顶层透光盖片；41-光学涂层；42-涂层窗口；43-镜面；44-微镜四周硅框架；45-底层基底；46-通孔；47-焊盘；
50-顶层透光盖片；51-光学涂层；52-涂层窗口；53-镜面；54-微镜四周硅框架；55-底层基底；
60-顶层透光盖片；61-光学涂层；62-涂层 ；63-镜面；64-微镜四周硅框架 ；65-底层基底；66-通孔；67-焊盘；
71-微机电系统微镜；72-顶层透光盖片；73-底层基底 ；74-切割刀切割方向。
具体实施方式
如图4所示，微机电系统微镜封装在由顶层透光盖片40和微镜四周硅框架44及底层基底45组成的密闭腔体内，顶层透光盖片和底层基底45不带有电连接，焊盘47与微镜镜面43同一朝向，在顶层透光盖片上开有通孔46，通孔正对着微镜芯片上的焊盘46。顶层透光盖片上表面具有光学涂层41和涂层窗口42，涂层窗口42正对微镜镜面43；下表面具有向内凹陷空腔。
图5所示为焊盘与微镜镜面不同一朝向的体微镜，微机电系统微镜封装在由顶层透光盖片50和微镜四周硅框架54及底层基底55组成的密闭腔体内，顶层透光盖片上表面具有光学涂层51和涂层窗口52，涂层窗口52正对微镜镜面53；下表面为平面。
图6所示为普通表面微镜，微机电系统微镜封装在由顶层透光盖片60和微镜四周硅框架64及底层基底65组成的密闭腔体内，顶层透光盖片60和底层基底65不带有电连接，在顶层透光盖片上开有通孔66，通孔正对着微镜芯片上的焊盘67。顶层透光盖片上表面具有光学涂层61和涂层窗口62，涂层窗口62正对微镜镜面63；下表面具有向内凹陷空腔。
如图7所示本发明的整体封装结构，封装完成沿74方向切割。
Claims (11)
1.一种微机电系统微镜封装，其特征在于：该封装包括顶层透光盖片、微机电系统微镜和底层基底；
所述微机电系统微镜包括微镜本体和微镜四周硅框架；
所述顶层透光盖片下表面与所述微镜四周硅框架形成可容纳所述微镜本体活动的腔体，
所述底层基底用于支持所述微机电系统微镜并与所述顶层透光盖片、微镜四周硅框架键合底层基底形成密闭腔体，
所述微镜本体设置于上述密闭腔体内。
2.根据权利要求1所述的一种微机电系统微镜封装，其特征在于：所述顶层透光盖片表面涂有光学涂层，正对所述微机电系统微镜镜面的上表面具有光学透明的涂层窗口，所述涂层窗口尺寸与镜面尺寸相当。
3.根据权利要求2所述的一种微机电系统微镜封装，其特征在于：所述顶层透光盖片的光学涂层材料选用对特定波段具有高吸收率的材料，或者选用增透膜的多层结构制作；所述涂层窗口制作可使用lift off工艺，或者镀膜工艺，或者使用模具转膜压印。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种微机电系统微镜封装，其特征在于：所述顶层透光盖片材质为高透明玻璃、有机玻璃等对可见光透明的材料；或硅等对可见光不透明的材料。
5.根据权利要求1所述的一种微机电系统微镜封装，其特征在于：所述底层基底材料为硅片、陶瓷、玻璃片、专用集成电路圆片或芯片、印刷电路板中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种微机电系统微镜封装，其特征在于：所述顶层透光盖片或底层基底设置有通孔，所述通孔正对准所述微机电系统微镜微镜的焊盘，用于暴露微镜的焊盘。
7.根据权利要求1所述的一种微机电系统微镜封装，其特征在于：所述透光顶层盖片下表面为平面或具有向内凹陷的空腔。
8.根据权利要求7所述的一种微机电系统微镜封装，其特征在于：所述空腔可通过干法或湿法刻蚀形成；或者先做好一个完全刻蚀穿孔的薄层作为垫片再键合形成下表面的腔体结构。
9.根据权利要求1所述的一种微机电系统微镜封装，其特征在于：层之间的键合可以通过导电胶，共晶，熔融玻璃浆料，阳极，聚合物胶中的至少一种键合。
10.根据权利要求1所述的一种微机电系统微镜封装，其特征在于：该封装为适合圆片级封装。
11.根据权利要求1所述的一种微机电系统微镜封装，其特征在于：所述微机电系统微镜正反两面均可作为镜面。
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