CN102431958B - 一种针对玻璃-硅-玻璃三明治结构防水圆片级封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种针对玻璃-硅-玻璃三明治结构防水圆片级封装方法，至少包括在版图设计中通过增、减三种辅助结构实现“三明治”密闭封装结构；低阻硅基芯片单元外围增加硅基围墙结构；每个焊盘引线结构向外延伸一段引线至围墙内侧；围墙外侧四周分别增加一个引线段，其两端分别伸入到彼此邻近围墙的外侧，利用围墙的低阻特性将所有芯片单元的引线焊盘结构电学连接，通过阳极键合，引线与硅基实现欧姆接触，硅基结构与玻璃圆片实现三层结构堆叠；运用划片、裂片等手段拆卸添加的结构。优点：不增加工艺难度与步骤，不破坏器件原有的功能结构，实现信号从键合界面引出，划片不进水，实现三明治结构的圆片级密闭封装，工艺简化、封装成本低、成品率高。

Description

一种针对玻璃-硅-玻璃三明治结构防水圆片级封装方法

技术领域

本发明涉及的是一种新型的针对玻璃-硅-玻璃“三明治”结构防水圆片级封装方法，在器件原有结构的版图上巧妙设计辅助结构的增、减，实现信号从键合界面引出，并防止划片水流渗透破坏MEMS器件的内部可动结构，属于多层MEMS圆片级封装技术领域，广泛应用于含有可动结构的MEMS器件封装或多层堆叠集成。

背景技术

玻璃-硅-玻璃“三明治”结构的圆片级封装技术，主要基于阳极键合技术实现，即硅基分别与上、下两个Pyrex7740玻璃通过静电键合直接封接，不需要任何粘接剂。硅片接正极，玻璃片连负极，在适当的温度、压力作用下，玻璃片与硅片紧密接触的界面将形成牢固化学键，使键合界面具有良好的封装气密性和长期稳定性。该方法适应性强，其键合原理简单，键合强度高，广泛应用于含有可动结构的MEMS器件如MEMS惯性器件、微流体芯片、RF MEMS、光MEMS、MEMS传感器等应用领域。

玻璃-硅-玻璃“三明治”结构中，信号引出是一个重要问题。中间硅基结构往往具有膜、桥、梁等可动结构，需要通过玻璃上的信号引线结构，将可动结构位移产生的电信号引出，为后续的性能测试或与测试电路引线键合集成打下基础。现有的信号线引出方式，或采用上、下圆片制备通孔结构及通孔金属化引出，或从中间的键合界面引出，与工艺难度和封装成本密切相关。

在电信号引出的同时如何避免划片水流冲进去对可动结构造成破坏，最终实现器件3D结构的密闭封装，有待解决。

现有技术的方法是，器件单元结构外围，孤立包围一圈硅基围墙；引线穿透围墙引出信号，该方法无法避免后续划片工艺中水流渗透造成的成品率低下和内部结构沾污，另一种方法是通过玻璃片上制备通孔结构及通孔金属化，从玻璃片上将内部电信号引出到芯片外面。该方法虽也防止划片进水，保护器件内部可动结构，但玻璃片上加工通孔结构并实现通孔的金属化，相对硅通孔工艺来说，工艺难度大，通孔精度控制性差，工艺成本上升；同时硅基与玻璃圆片键合时，外围围墙因加电与玻璃片牢固键合在一起，而器件内部某些孤立硅基结构，可能无法加电，导致与玻璃之间的键合强度弱，或不能键合，影响信号的准确性和引入引出。

本发明在器件原有的结构版图上巧妙设计，通过增、减三种辅助键合结构，实现三层圆片结构的防水密闭封装。器件结构外围增加“低阻硅基围墙”，与硅基结构一起刻蚀成形，可防止划片进水；为满足圆片级阳极键合技术要求，在焊盘玻璃圆片上增加金属引线结构，引线结构彼此没有物理连接；利用围墙的低阻特性，实现围墙内、外引线的电连接和焊盘结构的电联通。通过阳极键合，焊盘引线与低阻硅基实现欧姆接触，实现包含所有孤立的硅基结构与焊盘玻璃圆片全部键合。最后采用划片、裂片等手段去掉围墙、引线结构，暴露出焊盘结构，从而恢复原有器件的结构与性能设计，实现信号可以直接简单地从键合界面引出，而无需在玻璃上打孔。该技术实现方法尚未见相关报道。

发明内容

本发明提供的是一种新型的针对玻璃-硅-玻璃“三明治”结构防水圆片级封装方法，其目的在于克服上述现有技术的问题，通过巧妙设计版图，不增加工艺难度和步骤，不改变器件原有的结构与性能设计，实现信号从键合界面引出的同时防止划片水流渗透到器件内部，具有密闭防水、高可靠性、低成本封装等优点。

本发明的技术解决方案：其结构至少包括在版图设计中通过增、减三种辅助结构实现“三明治”密闭封装结构；   

一、3种辅助键合结构分别是：

1）芯片单元硅基结构外围增加一围墙设计，将芯片单元硅基结构及其引线焊盘结构包围在里面；围墙具有50μm厚度，与芯片单元硅基结构一起刻蚀成形；

2）在焊盘玻璃圆片上，每个焊盘结构向外延伸一段引线，深入到围墙内侧10μm深度，不穿透围墙；

3）围墙外侧的四周分别增加一段金属引线，引线两端分别伸入到彼此邻近围墙的外侧各10μm深度，不穿透围墙，不与围墙内侧的引线物理相连，利用围墙的低阻特性实现内、外引线的电连通；

二、通过阳极键合，引线与芯片单元硅基结构实现欧姆接触，所有芯片单元硅基结构与焊盘玻璃圆片键合，实现三维结构的堆叠与封装；

三、划片，1）在封帽玻璃圆片上沿着芯片单元硅基结构采用划片不划透；2）再从焊盘玻璃圆片上划断三层结构，分割成独立芯片单元；3）最后裂片，对未划透的划片槽进行裂片，连带围墙一起拆卸去掉；

四、器件恢复原有的结构设计。

所述封帽玻璃圆片先与低阻硅片键合，待硅基结构刻蚀释放成形后，再与焊盘玻璃圆片二次阳极键合，完成三维结构封装。

所述的硅基结构单元与玻璃圆片键合包含硅基围墙与玻璃片键合，键合界面没有引线直接穿透围墙，以避免由于引线穿墙引起的无法实现密闭封装而导致后续划片过程中水流渗透破坏内部结构。

本发明的优点：

1、在版图设计阶段，三种辅助结构与器件结构一起设计，无须单独工艺制备，不增加工艺难度和步骤；待圆片二次键合后，通过划片即可拆卸三种辅助结构，恢复器件本身功能，因此三种辅助结构主要用于辅助第二次键合工艺，借助划片工艺高效实现MEMS器件三维封装；

2、硅基围墙具有低阻特性，可以很好地作为围墙内的多个焊盘结构与围墙外侧间的引线之间的过渡性电连接结构，同时围墙具有一定厚度，其键合面与玻璃可牢固键合，不仅防止划片水流冲击，围墙拆卸后即恢复焊盘结构的功能独立性，一举两得；

3、围墙内的多个焊盘结构与围墙外的金属引线分别伸入到围墙内一定深度，不穿透围墙结构，彼此也没有物理连接，这样的设计是保证围墙与玻璃的键合界面没有通往外界的物理贯通结构，防止划片水流冲击内部结构；

4、焊盘玻璃圆片上在邻近围墙外侧之间增加引线结构，在电学上可使所有芯片的焊盘结构实现电联通，辅助所有的硅基结构与焊盘玻璃片全部键合，实现内部信号正确引出，最后划片划断连线，自然拆卸该引线；

5、划片分两步，第一步封帽玻璃采用不划透划片技术，以确保后续裂片的可能；第二步从焊盘玻璃处划透三层结构，分割出芯片单元。随后裂片，去掉引线焊盘上方的部分玻璃和围墙，暴露出引线焊盘结构；

6、硅基围墙有一定厚度（如50μm），即能满足与玻璃片键合所需的一定键合面积与键合强度的要求，又可在裂片时去掉，芯片单元的焊盘结构均恢复到彼此独立状态，不影响原有器件设计功能，灵活实用；

7、本发明中，玻璃片采用表面工艺制备金属引线图形，中间硅基结构采用ICP干法刻蚀技术，可实现结构尺寸与结构深度的精确可控，同时阳极键合的键合机理简单，可操作性强，工艺简化，成本低，可靠性高；

8、本发明充分运用加、减原则，利用版图上设计增加辅助结构实现玻璃-硅-玻璃“三明治”结构的圆片级封装，结构简单，不影响键合界面引出信号，划片不进水，设计巧妙，具有密闭封装、方便划片等特点。

附图说明

附图1中间硅基结构与围墙结构一起刻蚀成形效果图；

附图2焊盘结构与围墙的镜像结构示意图；

附图3-1、附图3-2是焊盘结构向外延伸至围墙内侧的引线结构、围墙外侧间的引线结构与围墙在焊盘玻璃圆片上的镜像结构之间的对准键合示意图；

其中附图3-1是在焊盘结构3周围增加辅助键合结构示意图；

附图3-2是焊盘玻璃圆片glass2与附图1（硅基结构释放的键合圆片）进行结构对准键合示意图；

附图4为芯片硅基结构、围墙在焊盘玻璃圆片上的镜像结构（透明图形表示）与焊盘结构、围墙外侧间的引线之间的对准键合示意图，图下为阵列示意图；

附图5划片步骤示意图；

附图6-1是裂片拆卸围墙的结构示意图；

附图6-2是图6-1的侧视图。

图中的glass1是封帽玻璃圆片(第一次键合片)，glass2是焊盘玻璃圆片(第二次键合片)，Si基是器件的硅基结构圆片，1是围墙结构，1`是围墙结构在焊盘玻璃圆片上的镜像图形（虚线表示，即预与玻璃对准键合的区域），2是芯片单元硅基结构，2`是芯片单元硅基结构在焊盘玻璃圆片上的镜像图形（虚线表示，即预与玻璃对准键合的区域），3是焊盘玻璃圆片glass2上的焊盘结构，4是焊盘结构自带的引线段，引线段4与芯片单元硅基结构2阳极键合形成欧姆接触，5是从焊盘结构向外延长至围墙内侧的引线段，6是邻近围墙外侧之间的引线段，d1是围墙的宽度，d2是引线5深入到围墙内侧的深度，d3是围墙外侧间的引线段6深入到围墙外侧的深度，7是封帽玻璃上不划透的划片位置，8是焊盘玻璃上划断三层结构的划片位置，裂片后恢复原有结构设计的器件外形。

具体实施方式

该版图设计为了防止划片水流进去，排版设计时三个圆片的边缘5mm范围内没有任何图形和结构，从而保证两次阳极键合时圆片边缘都能键合牢固，划片时水不会从三层圆片堆叠的侧面进入到器件的内部。

对照附图1，硅基结构圆片Si的正面结构做好后与封帽玻璃圆片glass1进行第一次阳极键合，此时封帽玻璃圆片glass1可作为器件硅基结构2的支撑衬底。利用套刻工艺将硅片的背面与正面图形套准，随后进行芯片单元硅基结构2与围墙结构1的干法刻蚀与结构释放，这样不需要的硅基被刻蚀掉，芯片单元硅基结构2及包围芯片单元硅基结构２的围墙结构1成形，围墙宽度为d1。同时，芯片单元围墙之间的硅基也被刻蚀掉，主要是为了后续工艺能够暴露出焊盘玻璃圆片glass2上的焊盘结构3。其中，芯片单元硅基结构２、围墙结构１与封帽玻璃圆片glass1通过阳极键合，牢牢粘接在一起。

芯片单元硅基结构2与焊盘玻璃圆片glass2进行第二次阳极键合（焊盘玻璃圆片接负极，硅基圆片接正极，在高温高压下玻璃与硅基的键合表面之间形成牢固的化学键，而第一次阳极键合的封帽玻璃圆片glass1不参与第二次阳极键合，因此不会影响第一次键合的质量），由于围墙与芯片硅基结构之间没有物理连接，且每个围墙之间的硅基也被刻蚀掉，没有物理连接，因此阳极键合中给芯片单元硅基结构2加电，会使得内部没有物理连接的结构无法通电，也就无法完成键合。为了能让所有芯片单元硅基结构2通电，需要借助于其他手段，可利用焊盘玻璃圆片glass2的焊盘结构3自带的引线段4与芯片硅基结构2键合形成欧姆接触，以及围墙外侧间的引线段6通过低阻硅基围墙1与从焊盘结构3延长至围墙内侧的引线段5电连接，实现芯片单元硅基结构连接在一起，最终实现所有芯片单元的硅基结构2电互连。

对照附图2，单个芯片单元硅基结构2在焊盘玻璃圆片glass2衬底上的镜像结构2`与焊盘结构3分布图，可见，围墙结构1将焊盘结构3包围在里面。根据器件的性能设计，焊盘结构自带的引线段４与芯片单元硅基结构2通过阳极键合形成欧姆接触，作为硅基可动结构位移引起电容变化的信号传输线，焊盘结构3主要用于引线键合，实现芯片单元硅基结构2的电信号与外在的信号处理电路相连。焊盘结构3采用溅射Ti/Au工艺，通过剥离或腐蚀等方法制备获得。

对照附图3-1，焊盘玻璃圆片glass2上，在焊盘结构3周围增加辅助键合结构，其中虚线1`表示围墙结构1在焊盘玻璃glass2上的镜像结构（即预对准键合的地方），宽度为d1，并将焊盘结构3包裹在里面。焊盘结构向围墙内侧延伸的引线段5，伸入围墙内的深度为d2，不穿透围墙；邻近围墙结构1外侧之间的引线段6两端分别延长至围墙外侧里面，深入到围墙内的深度为d3，不穿透围墙；同时，从焊盘结构向外延长至围墙内侧的引线段5与邻近围墙外侧间的引线段6不能物理相连，必须交错开来，即围墙结构1与焊盘玻璃圆片glass2的键合界面不能有信号引线的引入引出通道穿过，防止划片水流渗透破坏内部结构。而从焊盘结构延长至围墙内侧的引线段5深入到围墙内侧的深度d2，围墙外侧间的引线段6深入到围墙外侧的深度d3主要是与围墙结构1紧密键合形成欧姆接触。

对照附图3-2，将附图3-1（焊盘玻璃圆片glass2）与附图1（硅基结构释放的键合圆片）进行结构对准键合，可见芯片单元的焊盘结构3向外延长至围墙内侧的引线段5至围墙内侧，围墙结构1外侧之间用围墙外侧间的引线段6连接，这样低阻硅基制备的围墙结构1，成为金属引线5和金属引线段6的过渡电连接结构，实现芯片结构上的所有焊盘结构3电连接一起。划片时再将邻近围墙外侧间的引线段6划断。

对照附图4，将附图3-2进行单元阵列排版，可见，围墙外侧间的引线段6、低阻硅基围墙结构1以及焊盘结构向外延伸的引线段5共同形成电互连结构，将所有芯片的焊盘结构实现电连通，并通过焊盘结构自带的引线段4与焊盘玻璃圆片glass2的阳极键合，实现所有芯片单元硅基结构2、围墙结构1彼此电连接，为密闭封装的实现打下基础。

对照附图5，玻璃-硅-玻璃的层叠式结构通过两次阳极键合工艺实现MEMS器件结构的密闭封装，圆片分两步划片，由于玻璃透明，第一步在封帽玻璃圆片glass1圆片上采取不划断的划片技术，沿着芯片单元硅基结构2的外侧封帽玻璃glass1上不划透的划片位置7，进行深度可控、精确定位、多步径的划片，划片深度的控制精度为±20μm，为了保证划片水流不进去，又方便后续的裂片，如玻璃圆片厚度为500μm，则剩余的深度控制在200μm - 300μm范围内，使剩余的玻璃部分依然为一整体；第二步根据三层圆片的实际总体厚度，从焊盘玻璃圆片glass2圆片上芯片单元之间的焊盘玻璃上划断三层结构的划片位置8采取划断的划片技术，由于有密闭围墙结构的阻隔，划片时水不会进入到器件内部。这样在版图上增加的邻近围墙外侧间的引线段6被划断，实现了芯片分离，其中上、下两个玻璃片结构齐平，焊盘结构3在围墙内，没有暴露出来。

对照附图6-1、附图6-2，针对分离的芯片结构，先将第一次划片带来的水烘干，用一个辅助工具小心用力地沿着封帽玻璃圆片glass1未划透的处轻轻裂片，由于围墙结构设计（如50μm宽），可带着硅基围墙结构一起破坏去掉，从而焊盘结构3暴露出来，向从焊盘结构延长至围墙内侧的引线段5也因此断开彼此电连接，真正恢复器件原有的三层结构设计和信号线正确引出。

该方法利用版图精心设计添加键合用的辅助结构，包括围墙结构1、焊盘结构向外延长至围墙内侧的引线段5、围墙外侧间的引线段6，不仅没有增加任何工艺难度和步骤，还通过划片、裂片等手段巧妙去除辅助结构，最终通过两次阳极键合，实现信号从键合界面引出的三层堆叠封装。

该方法适合于MEMS惯性器件（包括MEMS陀螺仪、加速度计等）、RF MEMS开关、光MEMS器件、微流体芯片等含有可动结构的三明治器件的低成本圆片级封装。

Claims (3)

1.一种针对玻璃-硅-玻璃三明治结构防水圆片级封装方法，其特征是至少包括在版图设计中通过增、减三种辅助结构实现“三明治”密闭封装结构；   

一、3种辅助键合结构分别是：

1）芯片单元低阻硅基结构外围增加一圈围墙设计，将芯片硅基结构及其引线焊盘结构包围在里面；围墙具有50μm厚度，与芯片硅基结构一起刻蚀成形；

2）在焊盘玻璃圆片上，每个焊盘结构向外延伸一段引线，深入到围墙内侧10μm深度，不穿过围墙；

3）围墙外侧的四周分别增加一段金属引线，引线两端分别伸入到彼此邻近围墙的外侧各10μm深度，不穿过围墙，不与围墙内侧的引线物理相连，利用围墙的低阻特性实现内、外引线的电连通；

二、通过阳极键合，引线与硅基结构实现欧姆接触，所有硅基结构单元与焊盘玻璃圆片键合，实现三维结构的堆叠与封装；

三、划片，1）在封帽玻璃圆片上沿着芯片的实际硅基主体结构采用划片不划透；2）再从焊盘玻璃上划断三层结构，分割成独立芯片单元；3）最后裂片，在未划透的划片槽进行裂片，连带围墙一起拆卸去掉；

四、器件恢复原有的结构设计。

2.根据权利要求1所述的一种针对玻璃-硅-玻璃三明治结构防水圆片级封装方法，其特征是所述封帽玻璃圆片先与低阻硅片键合，待硅基结构刻蚀释放成形后，再与焊盘玻璃圆片二次阳极键合，完成三维结构封装。

3.根据权利要求1所述的一种针对玻璃-硅-玻璃三明治结构防水圆片级封装方法，其特征在于，所述的硅基结构单元与焊盘玻璃圆片键合时硅基围墙与玻璃片键合，键合界面没有引线直接穿透围墙，以避免由于引线穿墙引起的无法实现密闭封装而导致后续划片过程中水流渗透破坏内部结构。

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