CN102408091B - 一种改进的微机电系统平台圆片级封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进的微机电系统平台圆片级封装结构，包括顶层盖片，微机电系统的平台，底层基底，所述顶层盖片、微机电系统平台和底层基底形成一个密闭空间，其特征在于：所述微机电系统平台为镂空结构，并可主动或被动地产生位移。所述顶层盖片和或底层基底上集成了传感器。由于镂空结构的微系统平台自由度大，可以产生大的位移。同时封装时集成了多个传感器，可以提高微机电系统的性能。由于采用了垂直封装，结构紧凑，便于系统的微型化和集成，特别适用于植入人体。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。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统封装领域，尤其是涉及一种改进的微机电系统平台圆片级封装结构及其加工方法。
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。由于微机电系统通常都包括微米级精密结构如支撑结构、驱动结构等，这些结构受环境影响极易损坏。因此，需要完善的封装加强保护，同时也可以充分利用封装结构加强封装后微机电系统的功能。
如今微机电系统的微机电系统平台通常采用密封结构，还停留在单个传感器或者执行器的阶段。为了拓展整个微机电系统功能，比较常用的方法都是通过把多个传感器或者执行器组合在一起进行系统级的封装。这种方法组成的微机电系统都比较独立，并没有真正的集成。因此，系统级封装后的整体微机电系统面积大，效率低，成本高。
图1、2为两种现有技术的结构示意图。由于没有考虑实际应用的不同，此微机电系统平台会对应用产生不利影响。如此结构应用于光栅扫面，微机电系统平台的边框就会有固定反射干扰。
因此为了提高整个微机电系统的整体性能，本发明针对一种微机电系统平台进行改进，并提出一种新颖的封装方法可集成大量的传感元件。
发明内容
本发明的目的为设计并改进一种微机电系统平台，并进行圆片级的垂直三维封装。从而显著提高微机电系统的整体性能，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：
一种改进的微机电系统平台圆片级封装结构，包括顶层盖片，微机电系统的平台，底层基底，所述顶层盖片、微机电系统平台和底层基底形成一个密闭空间，所述微机电系统平台为镂空结构，并可主动或被动地产生位移。
所述顶层盖片和或底层基底上可以集成传感器，或者可移动的微机电系统平台与顶层盖片和或底层基底直接形成电容式传感器。
微机电系统的平台包括静止偏置单元或者可运动单元，微机电系统的平台具有边框，所述静止偏置单元或者可运动单元投影位置在所述边框内，所述密封空间能够提供容纳下微机电系统平台起始偏置的空间或者运动单元运动所需空间。
可运动单元部分的驱动结构可以是静电、热电、电磁、压电中的至少一种。
热电驱动结构由两层或者多层热膨胀系数不同的材料薄层组成，例如钨/铝，铝/SiO2所述热电驱动结构包括驱动层和被动层，被动层为两层热膨胀系数不同的薄层材料，驱动层为导电材料。
针对不同的微机电系统的器件，本发明需要应用不同的方法对不同的微机电系统进行改进。
首先，我们在制作微机电系统平台以前，先制作各种传感器于中间的起始偏置或者可运动单元上面；或者在此微机电系统平台的起始偏置或者可运动单元释放前搭载上微纳器件。可运动单元部分搭载反射镜，微透镜，衍射光栅，热感应器；或者集成反射镜，微透镜，衍射光栅，光度计，加速度计，陀螺仪。
在制作静止偏置或者可运动结构未释放前，在其上面集成制作如高吸收介质膜、高吸收黑色金属、高吸收有机物等抗反射层，或者金属微粒。
如果此微机电系统平台集成衍射光栅并进行封装，其设计得考虑增加抗反射涂层。由于微机电系统平台上面的光栅需要通过此微系统平台封装的盖片入射出射光线，而此微机电系统平台，除光栅以外的制作材料一般都会反射光线，造成反射后有定点噪声的影响。为了去除光栅以外材料的反射，本发明需要改进微系统平台的加工工艺，先制作抗反射涂层。本发明可以在制作微系统平台工艺流程中添加一步，在其上溅射铂黑并图形化。
其次，制作带有不同预定义截面的盖片。根据功能的不同，选用的材料有聚合物，玻璃，陶瓷，硅片等等。同时由于微机电系统平台应用场合的不同，对封装的盖片有不同的形状要求，不再局限在平面型。如微机电系统平台集成或者搭载衍射光栅，则可以制作圆屋顶型，斜坡型等结构。另外也可以根据不同的使用要求将顶层盖片制作成透镜形，圆锥形。其制作方法包括聚合物压膜法，玻璃熔融自我变形法等等。如果微机电系统的外面直接用于体内扫描，可以在封装盖片结构上制作超疏水结构；其超疏水结构的制作使用高透光聚合物涂层浸润烘干或者制作纳米图案。。在所述顶层盖片上同时也可集成各种传感器。
微机电系统平台为镂空结构，底层基底材料可以选用柔性印刷电路板，印刷电路板，硅，集成电路裸芯，玻璃，陶瓷等。
制作带有传感器的基底也是本发明的关键步骤。在其上面，我们制作温度传感器，湿度传感器，电容检测传感器、压力传感器、热量传感器，以及集成能量捕获器件如射频线圈及电源转换模块，加速度测量传感器，位移测量传感器等。
然后，依次键合各大部分。键合的方法有胶水固化，阳极键合，共晶健合等。
最后，通过划片即可获得单个微机电系统。
本发明灵活多变，实现方便，不仅为微机电系统提供了封装保护，还大大提高了微机电系统的功能。
本发明具有以下有益效果：
镂空结构的微系统平台自由度大，可以产生大的位移。
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。
由于封装时可以集成多个传感器，可以提高微机电系统的性能。
由于采用了垂直封装，结构紧凑，便于系统的微型化和集成，特别适用于植入人体。
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平台的结构示意图；
（a）为带有可自由运动平台；
（b）为低自由度起始偏置或者可运动平台；
11、微机电系统平台；12、驱动臂；13、焊盘；14、硅边框。
图2为现有技术的微机电系统平台（平台为起始偏置或者可以自由运动）的结构示意图；
21、微机电系统平台；22、驱动臂或者卷曲结构；23、焊盘；24、硅边框。
图3为现有技术的微机电系统集成反射镜的工艺流程简图；
31、硅；32、SiO2；34、SiO2结构层；35、Al结构层。
（a）清洗烘干后的SOI；
（b）PECVD SiO2并图形化；
（c）蒸发Al，并图形化；
（d）背面硅刻蚀；
（e）正面硅刻蚀。
图4为三维结构的盖片；
41、圆屋顶型；42、透镜型；43、倾斜结构；44、平面型。
图5为带有各种传感器件的基底或者盖片；
51、裸芯/集成制作的芯片；52、硅；53、铂电阻/线圈；54、焊盘; 57、硅导通穿孔（TSV）。
图6为改进后的微机电系统平台的工艺流程简图
61、SOI；62、SiO2；63、Au；64、Al；
(a) SOI准备；
(b) PECVD SiO2并图形化；
(c) 溅射金并图形化；
(d) 蒸发Al并图形化；
(e) 聚酰亚胺/铂黑溅射并图形化；
(f) 背面硅刻蚀；
(g) 与硅基底键合；
(h) 正面硅刻蚀释放此微机电系统平台结构；
(i) 与盖片键合。
图7为单个封装的微机电系统平台结构示意图；
71、玻璃顶层盖片；72、开孔；73、微机电系统平台；74、底层基底；75、倾斜玻璃顶层盖片；76、集成/贴附裸芯；77、硅通孔；78、园屋顶顶层盖片； 79、线圈；
图8为圆片级封装结构；
81、切割点。
具体实施方式
如图7所示一种改进的微机电系统平台圆片级封装结构，包括顶层盖片71，微机电系统的平台73，底层基底74，所述顶层盖片71、微机电系统平台73和底层基底74形成一个密闭空间，所述微机电系统的平台73为镂空结构，并可主动或被动地产生位移。所述顶层盖片71和或底层基底74上集成了传感器。
另外可移动的微机电系统平台与顶层盖片和或底层基底也可以直接形成电容式传感器。
底层基底材料为柔性印刷电路板、印刷电路板、硅、集成电路裸芯、玻璃、陶瓷中的一种。
如图4所示所述顶层盖片截面可以为平面形44，园屋顶形41，透镜形42等。
另外也可以根据不同的使用要求将顶层盖片制作成透镜形，圆锥形。其制作方法包括聚合物压膜法，玻璃熔融自我变形法等等。在所述顶层盖片上同时也可集成各种传感器。
在所述顶层盖片和或底层基底上集成的传感器可以是温度传感器、湿度传感器、电容检测传感器、射频线圈及电源模块、压力传感器、热量传感器中、加速度检测传感器、压力传感器等。图5为带有各种传感器件的基底或者盖片。
如图7所示所述微机电系统的平台包括静止偏置单元或者可运动单元，微机电系统的平台具有边框，所述静止偏置单元或者可运动单元投影位置在所述边框内，所述密封空间能够提供容纳下微机电系统平台起始偏置的空间或者运动单元运动所需空间。所述可运动单元部分搭载可以反射镜，微透镜，衍射光栅，热感应器中的至少一种；或者集成反射镜，微透镜，衍射光栅，光度计，加速度计，陀螺仪中的至少一种。在制作静止偏置或者可运动结构未释放前，在其上面集成制作如高吸收介质膜、高吸收黑色金属、高吸收有机物等抗反射层，或者金属微粒。
所述可运动单元部分的驱动结构可以是静电、热电、电磁、压电中的至少一种。热电驱动结构由两层或者多层热膨胀系数不同的材料薄层组成，例如钨/铝，铝/SiO2。所述热电驱动结构包括驱动层和被动层，被动层为两层热膨胀系数不同的薄层材料，驱动层为导电材料。
为了能使本发明的优点和效果得到充分的体现，下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
一个实施例：微机电系统选用平台上集成衍射光栅作为实施对象。此微机电系统上集成的光栅一般用来操控可见光对光进行波段选择，因此需要考虑到微机电系统其它表面材料的反射干扰。因此可以在工艺制作过程中增加一抗反射涂层。同时由于微镜封装的盖片如果为水平结构，光线就会在盖片的上表面反射，因此可以通过改进盖片的形状形成三维结构控制入射光线在盖片上表面的反射。本实施例中的微机电系统平台为电热驱动型，外界温度环境温度会对器件造成影响，所以可以在微镜封装的基底上集成一个温度传感器用来对驱动电压进行温度控制，同时制作线圈射频接收、传送能源。
本实施需要准备好倾斜型状玻璃盖片，其具体的制作工艺如下：
（a）硅模具准备，使用灰度光刻加刻蚀形成倾斜状；
（b）刻蚀通孔，用于暴露焊盘；
（c）平面玻璃与硅通过阳极键合；
（d）加热到玻璃熔融化温度，使玻璃变形并贴附于模具上面；
（e）KOH腐蚀硅模具，释放形成倾斜结构玻璃盖片。
本实施例还需要制作基底。本实施例使用硅作为基底，先硅氧化形成一绝缘层，通过溅射Al并图形化形成射频线圈用于接收能量（如图8），同时贴附温度传感器裸芯片于硅上形成一个完整的基底。
传统的微机电系统平台的一般功能简单，其基本制作流程如下：
清洗烘干后的SOI；（如图3a）
PECVD SiO2并图形化；（如图3b）
蒸发Al，并图形化；（如图3c）
背面硅刻蚀；（如图3d）
正面硅刻蚀。（如图3e）
而本发明需要对此微系统平台针对应用功能和应用场合的不同对结构进行改进，其一典型实施例的基本制作流程如下：
(a)SOI准备；（如图6a）
(b)PECVD SiO2并图形化；（如图6b）
(c)溅射金并图形化；（如图6c）
(d)蒸发Al并图形化；（如图6d）
(e)铂黑溅射并图形化；（如图6e）
(f)背面硅刻蚀；（如图6f）
(g)与底层硅基底的硅硅键合；（如图6g）
(h)正面硅刻蚀，释放平台结构；（如图6h）
(i)与盖片键合。（如图6i）
至此整个圆片级的微镜已经制作完成，而后如图8所示使用激光沿着微镜的中间切割点81切割既可完成制作。
如果微机电系统的外面直接用于体内扫描，可以在封装盖片结构上制作超疏水结构；其超疏水结构的制作使用高透光聚合物涂层浸润烘干或者制作纳米图案。
如果微机电系统平台用于光线反射，可以考虑使用此平台的背面作为反射镜，只需要对上述实施例稍加改进即可。即微机电系统平台释放前与基底键合时，倒置微机电系统平台，选用AuSn既可以把微系统平台的焊盘与基底链接，也可以键合边框与底座。
Claims (13)
1.一种改进的微机电系统平台圆片级封装结构，包括顶层盖片，微机电系统的平台，SOI衬底边框，底层基底，所述顶层盖片、SOI衬底边框和底层基底形成一个密闭空间，其特征在于：所述微机电系统平台为镂空结构，下沉至所述SOI衬底边框表面之下，并可主动或被动地产生位移；所述顶层盖片截面为平面形，园屋顶形，斜坡形，透镜形，圆锥形中的任意一种；所述顶层盖片和／或底层基底上集成了传感器；所述微机电系统平台结构的工艺流程包括以下步骤：(a)SOI 准备；(b)PECVD SiO2 并图形化；(c) 溅射金并图形化；(d) 蒸发Al 并图形化；(e) 聚酰亚胺/ 铂黑溅射并图形化；(f) 背面硅刻蚀；(g) 与硅基底键合；(h) 正面硅刻蚀释放此微机电系统平台结构；(i) 与盖片键合。
2.根据权利要求1所述的一种改进的微机电系统平台圆片级封装结构，其特征在于：在所述顶层盖片结构上制作有超疏水结构，该结构的微机电系统可直接用于体内。
3.根据权利要求2所述的一种改进的微机电系统平台圆片级封装结构，其特征在于：所述超疏水结构的制作使用高透光聚合物涂层浸润烘干或者制作纳米图案。
4.根据权利要求1所述的一种改进的微机电系统平台圆片级封装结构，其特征在于：所述微机电系统平台与顶层盖片和／或底层基底形成电容式传感器。
5.根据权利要求1所述的一种改进的微机电系统平台圆片级封装结构，其特征在于：所述传感器为压力传感器、热量传感器、加速度检测传感器、位移测量传感器中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种改进的微机电系统平台圆片级封装结构，其特征在于：所述底层基底材料为印刷电路板、硅、集成电路裸芯、玻璃、陶瓷中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种改进的微机电系统平台圆片级封装结构，其特征在于：所述微机电系统的平台包括静止偏置单元或者可运动单元，所述微机电系统的平台具有边框，所述静止偏置单元或者可运动单元投影位置在所述边框内，所述密闭空间能够提供容纳下微机电系统平台起始偏置的空间或者运动单元运动所需空间。
8.根据权利要求7所述的一种改进的微机电系统平台圆片级封装结构，其特征在于：所述可运动单元部分搭载反射镜，微透镜，衍射光栅，热感应器中的至少一种；或者集成反射镜，微透镜，衍射光栅，光度计，加速度计，陀螺仪中的至少一种。
9.根据权利要求7所述的一种改进的微机电系统平台圆片级封装结构，其特征在于：所述可运动单元部分的驱动结构可以是静电、热电、电磁、压电中的至少一种。
10.根据权利要求9所述的一种改进的微机电系统平台圆片级封装结构，其特征在于：所述热电驱动结构由两层或者两层以上的热膨胀系数不同的材料薄层组成。
11.根据权利要求9所述的一种改进的微机电系统平台圆片级封装结构，其特征在于：所述热电驱动结构包括驱动层和被动层。
12.根据权利要求11所述的一种改进的微机电系统平台圆片级封装结构，其特征在于：被动层为两层热膨胀系数不同的薄层材料，驱动层为导电材料。
13.根据权利要求7所述的一种改进的微机电系统平台圆片级封装结构，其特征在于：在制作所述静止偏置或者可运动结构未释放前，在其上面集成制作高吸收介质膜、高吸收黑色金属、高吸收有机物等抗反射层，或者金属微粒。
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