CN102431959B

CN102431959B - 一种半导体mems芯片封装方法及其封装结构

Info

Publication number: CN102431959B
Application number: CN201110398236.1A
Authority: CN
Inventors: 熊笔锋
Original assignee: YANTAI RAYTRON TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Yantai Rui micro nano technology Limited by Share Ltd
Priority date: 2011-12-05
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2031-12-05
Also published as: CN102431959A

Abstract

本发明所述的一种半导体MEMS芯片封装方法及其封装结构，包括以下步骤：步骤一、将一个半导体MEMS芯片与一个包括电极陶瓷块和墙体的壁型壳体连接为一体；步骤二、将一个光学窗口与步骤一制成的部分密封连接成一个密封腔体。本发明所述的一种半导体MEMS芯片封装方法及其封装结构显著简化了半导体MEMS芯片的封装结构和密封工艺，避免了需要在封装腔体内贴装半导体MEMS芯片工艺制作步骤以及芯片贴装粘接材料长期放气和物质挥发对密封腔体环境的改变，尤其是对高真空腔体的真空度破坏，减少了密封腔体内元件或物质的数量，减小封装结构尺寸，显著降低半导体MEMS芯片的封装成本，提高了封装制造的效率。

Description

一种半导体MEMS芯片封装方法及其封装结构

技术领域

本发明涉及一种半导体封装技术，尤其涉及一种半导体MEMS芯片封装方法，属于芯片封装技术领域。

背景技术

各种半导体MEMS器件产品作为高品质传感器或者探测器在工业传感、图象通信、消费电子、汽车工业、军事工业等领域得到越来越多的应用。半导体MEMS产品制造技术是这种应用的基础，而半导体MEMS芯片封装技术是半导体MEMS传感产品制造中的最关键技术之一。

一般而言，半导体MEMS芯片封装技术采用金属或陶瓷壳体作为密封腔，其典型结构如图1所示，壳体2为一个开口的长方体腔体，其侧壁上制作了陶瓷结构件3，陶瓷结构件3与壳体2之间经过金属陶瓷共烧工艺进行了密封焊接，陶瓷结构件3上制作了金属焊盘31，金属焊盘31与壳体2侧壁外附着在陶瓷结构件3上的金属引线32是电连通的，这样，半导体芯片1经过金丝4与外部形成电连通，实现信号通信与控制，半导体芯片1贴装在热电制冷器（TEC）5上，热电制冷器（TEC）5贴装在壳体2底板上，与外部形成热通路，光学窗口或者盖板6与壳体2之间密封焊接，这样，半导体芯片1就被密封在一个密闭环境中，外部光学信号通过光学窗口6入射到半导体芯片1，对一些半导体MEMS芯片的应用要求而言，光学窗口6与壳体2形成的密封腔体需要保持高真空状态，在产品使用过程中，为了保证高真空长期寿命，需要在腔体内安装吸气剂7来吸附腔体内壁以及内部所有元件释放出来的气体，即使如此，这种高真空状态也不易保持，因此需要对各元件有严格的极低放气率要求，所有的粘接材料，比如半导体芯片1与热电制冷器（TEC）5以及热电制冷器（TEC）5与壳体1底板之间的粘接材料，也需要有严格的长期极低放气率要求，这就使得封装原材料选择要求极其严格、封装结构复杂、体积较大、制作工艺困难、封装成本高昂。

除此之外，还有另外一种与上述结构类似的半导体MEMS芯片封装技术，如图3、图4所示，就是半导体MEMS芯片1封装在一个开口的长方体腔体陶瓷壳体8内，壳体底板周边设有金属化焊盘81，与壳体8底部的金属引线82连通，金属引线82可以是多排，布局在壳体8的底板四周，这种密封的陶瓷壳体已经十分成熟，在封装领域有广泛地应用，半导体MEMS芯片1通过粘接材料直接贴装在陶瓷壳体8腔体内的底板上，用金丝4以及金丝键合工艺实现半导体MEMS芯片1与金属化焊盘81之间的电连通，光学窗口9与壳体8焊接密封，将半导体MEMS芯片1密封在一个密闭腔体中，与上一种结构类似，只是减少了一个热电制冷器，对某些半导体MEMS芯片而言，需要高真空应用环境，因此，腔体内的粘接材料以及各种元件长期放气特性依然造成了保持和控制长期高真空环境的困难，同样，该种封装结构也存在封装材料放气特性要求极严、封装结构复杂、制作工艺困难、成本高昂的缺点。另外，以上两种现有的半导体MEMS封装技术均需要在密封腔体内将芯片贴装一个平面上，这存在着各种材料热膨胀系数失配以及高应力风险，而且粘接工艺难度大，高可靠性粘接材料选择困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体MEMS芯片封装方法，这种方法结构简单、体积小、成本低廉，经过这种方法解决了现有半导体芯片封装技术难以维持高真空的不足。

另外，本发明的另一个目的在于提供一种半导体MEMS芯片封装结构，这种结构简单、体积小、成本低廉，这种结构解决了现有半导体芯片封装技术难以维持高真空的不足。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种半导体MEMS芯片封装方法，包括以下步骤：

步骤一：将一个半导体MEMS芯片与一个包括电极陶瓷块和墙体的壁型壳体连接为一体；

步骤二：将一个光学窗口与步骤一制成的结构密封连接成一个密封腔体。

进一步，本发明所述的半导体MEMS芯片封装方法，步骤一具体为：

a.制备一个半导体MEMS芯片，使所述半导体MEMS芯片包括MEMS结构区、金属化焊盘及密封连接区域三个结构；

b.制备一个壁型壳体，使所述壁型壳体包括电极陶瓷块和墙体两部分，电极陶瓷块镶嵌在墙体中，位于墙体内侧的电极陶瓷块上制作有金属焊盘，墙体外侧的电极陶瓷块上制作有金属引脚，金属焊盘与金属引脚分别电连通；

c. 制备一个光学窗口，使所述光学窗口包括通光区域和连接区域；

d.将壁型壳体安装并密封连接在半导体MEMS芯片上的密封连接区域上；

e.通过金丝将半导体MEMS芯片上的金属焊盘与壁形壳体上的金属焊盘连接起来，实现了半导体MEMS芯片与外部电路的电路的连通；

f.将吸气剂安装在壁型壳体的墙体内侧；

步骤二具体为：

g.将光学窗口与壁型壳体密封连接在一起，半导体MEMS芯片、壁型壳体、光学窗口和吸气剂四部分组成一个密封腔体。

进一步，本发明所述的半导体MEMS芯片封装方法，所述的步骤a、b、c的顺序可以任意互换。

进一步，本发明所述的半导体MEMS芯片封装方法，所述的步骤d、g中的密封连接方式可以采用金属密封焊接工艺。

进一步，本发明所述的半导体MEMS芯片封装方法，所述的步骤d、g中的密封连接方式可以采用通过粘接材料密封粘接工艺。

进一步，本发明所述的半导体MEMS芯片封装方法，所述的步骤e金丝D通过金丝键合方法将半导体MEMS芯片A上的金属焊盘A2与壁形壳体B上的金属焊盘B11连接起来，金丝键合方法是指用金丝作为焊线的一种焊接方法。

根据本发明的另一个目的，提供的一种半导体MEMS芯片封装结构，所述半导体MEMS芯片封装结构由一个半导体MEMS芯片、一个壁型壳体和一个光学窗口三部分组成一个密封腔体，还有一个吸气剂安装在密封腔体内部。

进一步，本发明所述半导体MEMS芯片设有位于半导体MEMS芯片中部的MEMS结构区、位于半导体MEMS芯片边缘呈闭合结构的密封连接区域及位于所述MEMS结构区两侧密封连接区域内部的金属化焊盘，所述壁型壳体包括电极陶瓷块和墙体，电极陶瓷块镶嵌在墙体中，位于墙体内侧的电极陶瓷块上制作有金属焊盘，墙体外侧的电极陶瓷块上制作有金属引脚，金属焊盘与金属引脚分别电连通，所述光学窗口包括位于光学窗口边缘呈闭合结构的连接区域和被连接区域闭合包围在内部的通光区域。

进一步，本发明所述吸气剂置于壁型壳体的墙体内侧。

进一步，本发明所述壁型壳体安装并密封连接在半导体MEMS芯片上的密封连接区域上，所述半导体MEMS芯片上的金属焊盘与壁形壳体上的金属焊盘通过金丝连接。

进一步，本发明所述光学窗口上的连接区域与壁型壳体未与半导体MEMS芯片连接的一面的墙体密封连接在一起。

进一步，本发明所述密封连接方式可以采用金属密封焊接工艺或采用通过粘接材料密封粘接工艺，所述金丝通过金丝键合技术将半导体MEMS芯片上的金属焊盘与壁形壳体上的金属焊盘连接起来。

本发明的有益效果是：

本发明所述的一种半导体MEMS芯片封装方法及其封装结构明显著简化了半导体MEMS芯片的封装结构和密封工艺，避免了需要在封装腔体内贴装半导体MEMS芯片工艺制作步骤以及芯片贴装粘接材料长期放气和物质挥发对密封腔体环境的改变，尤其是对高真空腔体的真空度破坏，减少了密封腔体内元件或物质的数量，减小封装结构尺寸，显著降低半导体MEMS芯片的封装成本，提高了封装制造的效率。

附图说明

图1为现有半导体MEMS芯片封装典型结构示意图；

图2为现有半导体MEMS芯片封装典型结构分解示意图；

图3为现有另一种半导体MEMS芯片封装典型结构示意图；

图4为现有另一种半导体MEMS芯片封装典型结构分解示意图；

图5为本发明所述的一种半导体MEMS芯片封装方法结构示意图；

图6为本发明所述的一种半导体MEMS芯片封装方法结构分解示意图；

图7为本发明所述的一种半导体MEMS芯片封装方法的半导体MEMS芯片的结构示意图；

图8为本发明所述的一种半导体MEMS芯片封装方法的壁型壳体的结构示意图；

图9为本发明所述的一种半导体MEMS芯片封装方法的光学窗口的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明所述的一种半导体MEMS芯片封装方法，步骤如下：首先是制备原料阶段，如图7所示，制备一个半导体MEMS芯片A，使所述半导体MEMS芯片A包括MEMS结构区A1、金属化焊盘A2及密封连接区域A3三个结构，如8所示，制备一个壁型壳体B，使所述壁型壳体B包括电极陶瓷块B1和墙体B2两部分，电极陶瓷块B1镶嵌在墙体B2中，位于墙体B2内侧的电极陶瓷块B1上制作有金属焊盘B11，墙体B2外侧的电极陶瓷块B1上制作有金属引脚B12，金属焊盘B11与金属引脚B12分别电连通，如图9所示，制备一个光学窗口C，使所述光学窗口C包括通光区域C1和连接区域C2。

之后，按照如图6所示，将四个部件按次序连接在一起，将壁型壳体B安装并金属密封焊接在半导体MEMS芯片A上的密封连接区域A3上，金丝D通过金丝键合技术将半导体MEMS芯片A上的金属焊盘A2与壁形壳体B上的金属焊盘B11连接起来，实现了半导体MEMS芯片A与外部电路的电路的连通，将吸气剂E安装在壁型壳体B的墙体B2内侧，将光学窗口C与壁型壳体B密封粘接在一起，半导体MEMS芯片A、壁型壳体B和光学窗口C三部分组成一个密封腔体，如图5所示。

如图5所示，本发明所述的一种半导体MEMS芯片封装结构，所述半导体MEMS芯片封装结构由一个半导体MEMS芯片A、一个壁型壳体B和一个光学窗口C三部分组成一个密封腔体，一个吸气剂E设于密封腔体内，所述吸气剂E安装在壁型壳体B的墙体B2内侧，如图7所示，所述半导体MEMS芯片A设有位于半导体MEMS芯片中部的MEMS结构区A1、位于半导体MEMS芯片边缘呈闭合结构的密封连接区域A3及位于所述MEMS结构区两侧密封连接区域内部的金属化焊盘A2，如图8所示，所述壁型壳体B包括电极陶瓷块B1和墙体B2，电极陶瓷块B1镶嵌在墙体B2中，位于墙体B2内侧的电极陶瓷块B1上制作有金属焊盘B11，墙体B2外侧的电极陶瓷块B1上制作有金属引脚B12，所述金属焊盘B11与金属引脚B12分别电连通，如图9所示，所述光学窗口C包括位于光学窗口边缘呈闭合结构的连接区域C2和被连接区域闭合包围在内部的通光区域C1，如图6所示，所述壁型壳体B安装并通过粘接材料密封粘接工艺密封连接在半导体MEMS芯片A上的密封连接区域A3上，所述半导体MEMS芯片A上的金属焊盘A2与壁形壳体B上的金属焊盘B11使用金丝通过金丝键合技术连接，所述光学窗口C上的连接区域C2与壁型壳体B未与半导体MEMS芯片A连接的一面的墙体B2通过粘接材料密封粘接工艺密封连接在一起。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种半导体MEMS芯片封装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤二：将一个光学窗口与步骤一制成的结构密封连接成一个密封腔体；具体为：将光学窗口与壁型壳体未与半导体MEMS芯片连接的一面密封连接在一起，半导体MEMS芯片、壁型壳体和光学窗口三部分组成一个密封腔体。

2.如权利要求1所述的半导体MEMS芯片封装方法，其特征在于，所述步骤一具体为：

a.制备一个半导体MEMS芯片，使所述半导体MEMS芯片包括位于半导体MEMS芯片中部的MEMS结构区、位于半导体MEMS芯片边缘呈闭合结构的密封连接区域及位于所述MEMS结构区两侧密封连接区域内部的金属焊盘；

c.使用透光密封材料制备一个光学窗口，使所述光学窗口包括位于光学窗口边缘呈闭合结构的连接区域和被连接区域闭合包围在内部的通光区域；

e.通过金丝将半导体MEMS芯片上的金属焊盘与壁形壳体上的金属焊盘连接起来；

f.将吸气剂安装在壁型壳体的墙体内侧。

3.如权利要求2所述的半导体MEMS芯片封装方法，其特征在于，所述的步骤e中通过金丝键合方法将半导体MEMS芯片上的金属焊盘与壁形壳体上的金属焊盘连接起来。

4.如权利要求2所述的半导体MEMS芯片封装方法，其特征在于，所述的步骤a、b、c的顺序可互换。

5.如权利要求1至4任一项所述的半导体MEMS芯片封装方法，其特征在于，所述的步骤一或步骤二中的连接方式为金属密封焊接。

6.如权利要求1至4任一项所述的半导体MEMS芯片封装方法，其特征在于，所述的步骤一或步骤二中的连接方式为通过粘接材料密封粘接。

7.一种半导体MEMS芯片封装结构，包括一个半导体MEMS芯片、一个光学窗口和一个吸气剂，其特征在于，还包括一个壁型壳体，所述半导体MEMS芯片封装结构由一个半导体MEMS芯片、一个光学窗口和一个壁型壳体三部分组成一个密封腔体，所述吸气剂置于该密封腔体内部；所述光学窗口与壁型壳体密封连接在一起，半导体MEMS芯片、壁型壳体、光学窗口和吸气剂四部分组成一个密封腔体。

8.如权利要求7所述的半导体MEMS芯片封装结构，其特征在于，所述半导体MEMS芯片设有位于半导体MEMS芯片中部的MEMS结构区、位于半导体MEMS芯片边缘呈闭合结构的密封连接区域及位于所述MEMS结构区两侧密封连接区域内部的金属化焊盘，所述壁型壳体包括电极陶瓷块和墙体，电极陶瓷块镶嵌在墙体中，位于墙体内侧的电极陶瓷块上制作有金属焊盘，墙体外侧的电极陶瓷块上制作有金属引脚，金属焊盘与金属引脚分别电连通，所述光学窗口包括位于光学窗口边缘呈闭合结构的连接区域和被连接区域闭合包围在内部的通光区域。

9.如权利要求7所述的半导体MEMS芯片封装结构，其特征在于，所述吸气剂置于壁型壳体的墙体内侧。

10.如权利要求8所述的半导体MEMS芯片封装结构，其特征在于，所述壁型壳体安装并密封连接在半导体MEMS芯片上的密封连接区域上，所述半导体MEMS芯片上的金属焊盘与壁形壳体上的金属焊盘通过金丝连接。

11.如权利要求8所述的半导体MEMS芯片封装结构，其特征在于，所述光学窗口上的连接区域与壁型壳体未与半导体MEMS芯片连接的一面的墙体密封连接在一起。

12.如权利要求10所述的半导体MEMS芯片封装结构，其特征在于，所述密封连接方式为金属密封焊接或通过粘接材料密封粘接，所述金丝通过金丝键合方式将半导体MEMS芯片上的金属焊盘与壁形壳体上的金属焊盘连接起来。