CN102583218A

CN102583218A - 基于硅基的气密性封装外壳

Info

Publication number: CN102583218A
Application number: CN2012100569174A
Authority: CN
Inventors: 刘胜; 汪学方; 方靖; 吕植成
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明公开了一种基于硅基的气密性封装外壳结构，该外壳采用单晶硅作为气密性封装材料，用于对MEMS芯片进行气密性封装。外壳包括管座和盖帽，管座为带有凹槽的单晶硅片，凹槽槽底带有通孔，通孔内镀有导电金属材料，通孔作为TSV信号通道，凹槽内用于放置待封装的MEMS芯片，盖帽为单晶硅片，用于与管座键合。盖帽与管座键合可以采用硅-硅直接键合，或者共晶键合的方式。硅作为一种气密性材料，可以用于气密性封装。本发明不需要高温烧结工艺，并且可以降低封装成本。

Description

基于硅基的气密性封装外壳

技术领域

本发明属于MEMS封装技术领域，具体涉及一种基于硅基的气密性封装外壳，用于MEMS芯片的气密性封装。

背景技术

封装技术一直是困扰MEMS器件开发和实用化的关键技术之一，气密性封装尤其困难。然而，许多包含高速运动结构器件的工作特性强烈依赖于密封腔室的真空度，因此，气密性好坏对这类器件的使用性能具有决定性作用。一些特殊用途的MEMS器件，如谐振梁式MEMS器件、微加速度计、微热辐射仪、芯片级原子钟的气体盒等，由于其物理工作原理、稳定运行和低漂移的要求，要求气密性封装。

气密性封装常用的材料是金属封装和陶瓷封装。金属气密性封装中常用的材料是可伐合金。管座、玻璃绝缘子和引线要高温烧结在一起，而且管座和管帽要求表面镀金或者镍，成本较高。

陶瓷封装工艺中要将陶瓷和金属化图形在高温下烧结，工艺温度高，封装成本也相对较高。

硅是一种价格低廉的气密性封装材料。用硅做气密性封装，采用共晶键合的方式封接管座和管帽，封装温度较低，无论从原材料还是工艺上成本都具有优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于硅基的气密性封装外壳结构，它不需要高温烧结工艺，并且可以降低封装成本。

本发明提供的一种基于硅基的气密性封装外壳，其特征在于，该外壳采用单晶硅作为气密性封装材料，用于对MEMS芯片进行气密性封装。

作为上述技术方案的改进，所述外壳包括管座和盖帽，管座为带有凹槽的单晶硅片，凹槽槽底带有通孔，通孔内镀有导电金属材料，通孔作为TSV信号通道，凹槽内用于放置待封装的MEMS芯片，盖帽为单晶硅片，用于与管座键合。

作为上述技术方案的进一步改进，盖帽与管座键合采用硅-硅直接键合，或者共晶键合的方式。

作为上述技术方案的更进一步改进，作为管座的单晶硅厚度为600μm～800μm；凹槽深度为200μm～300μm，凹槽用各向异性湿法腐蚀的方式加工得到，凹槽槽底采用化学机械抛光，通孔采用干法刻蚀的方法得到，通孔直径为10μm～30μm，用做信号传输通道；通孔用甲基硫酸铜电镀体系电镀有金属铜。

作为上述技术方案的再进一步改进，盖帽厚度为500μm～600μm之间。

硅作为一种气密性材料，可以用于气密性封装。本发明与传统的金属或者陶瓷气密性封装相比，有如下优点：

(1)金属或者陶瓷气密性封装要高温烧结，要用到高温烧结炉，成本较高。本发明用硅作为气密性封装的材料，不需要高温烧结工艺，可以降低成本。

(2)金属气密性封装中的管座和盖帽常用可伐合金，价格较高。本发明中采用单晶硅作为管座和盖帽材料，而单晶硅容易获得，成本比金属气密性封装要低。

(3)金属或陶瓷气密性封装工艺较复杂，周期长。本发明中，管座和盖帽的键合采用硅-硅直接键合，或者共晶键合，工艺简单。

附图说明

图2为管座及其附着结构示意图。

图1为硅基气密性封装外壳的结构示意图。

图中代号说明：1管座，2盖帽，3MEMS芯片，4信号通道，5引脚，6芯片与管座键合层，7焊盘(用于引线键合)，8焊盘(用于引脚焊接)，9管座与盖帽键合层

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明采用单晶硅作为气密性封装的管座、盖帽材料，可以实现低成本的MEMS芯片气密性封装，其具体实施方式如下：

如图1所示，管座1为带有凹槽的单晶硅片，凹槽槽底带有通孔。通孔电镀后形成信号通道4。信号通道4两端都有焊盘，在凹槽一侧制作有焊盘7用以与MEMS芯片引线键合，导通信号；在管座底部(管座无凹槽的一侧)，制作有焊盘8。

单晶硅片总体厚度介于600μm～800μm之间；凹槽深度在200μm～300μm之间，凹槽用各向异性湿法腐蚀的方式加工得到，而且凹槽槽底要化学机械抛光，用以将待封装的芯片贴片到管座上；凹槽槽底用干法刻蚀的方法刻蚀有通孔，通孔直径介于10μm～30μm之间，用做信号传输通道；通孔用甲基硫酸铜电镀体系电镀有金属铜；填充之后的通孔，两端都制作有焊盘。用于引线键合的焊盘，其与通孔中的铜接触的是金属钛(用于加强与硅的粘附性)，钛的表面镀有金属铝，铝的表面镀有金。用于焊接引脚的焊盘，其与通孔中的铜接触的是金属钛(用于加强与硅的粘附性)，钛的表面镀有金属铝；硅片带有凹槽结构的一侧表面，要化学机械抛光，用于与盖帽键合(或共晶键合，或硅-硅直接键合)。

如图2所示，管座1、信号通道4、焊盘7、焊盘8都已经完成，然后是将MEMS芯片3贴片到凹槽槽底

MEMS芯片所占面积小于凹槽底部面积，与管座凹槽槽底键合。键合的方法可以是用环氧树脂将MEMS芯片贴在凹槽槽底，也可以是用金-锡焊料焊接到凹槽槽底。

芯片3键合到管座1上之后，要将芯片3与焊盘7进行引线键合，引线键合的材料为金线或者单晶铜线，其直径介于20μm～50μm。

盖帽2为没有凹槽结构的单晶硅片作为，厚度介于500μm～600μm之间，单面化学机械抛光，用以与管座1键合以封装芯片。贴片完成之后，盖帽与管座键合采用硅-硅直接键合，或者共晶键合的方式。至于是否采用真空封装，要视MEMS芯片的具体用途(举例：如果是加速度计，则应采用真空封装；如果是温度测量的MEMS芯片，则不要求真空封装。)

芯片封装完成之后，要将引脚5与焊盘8进行焊接。引脚5材料为金属铜或者金属铝，焊接到管座无凹槽一侧的焊盘8上。

如用单晶硅作为气密性封装材料对MEMS芯片进行气密性封装，均落入本发明的保护范围。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于硅基的气密性封装外壳，其特征在于，该外壳采用单晶硅作为气密性封装材料，用于对MEMS芯片进行气密性封装。

2.根据权利要求1所述的基于硅基的气密性封装外壳，其特征在于，所述外壳包括管座和盖帽，管座为带有凹槽的单晶硅片，凹槽槽底带有通孔，通孔内镀有导电金属材料，通孔作为TSV信号通道，凹槽内用于放置待封装的MEMS芯片，盖帽为单晶硅片，用于与管座键合。

3.根据权利要求2所述的基于硅基的气密性封装外壳，其特征在于，盖帽与管座键合采用硅-硅直接键合，或者共晶键合的方式。

4.根据权利要求2所述的基于硅基的气密性封装外壳，其特征在于，作为管座的单晶硅厚度为600μm～800μm；凹槽深度为200μm～300μm，凹槽用各向异性湿法腐蚀的方式加工得到，凹槽槽底采用化学机械抛光，通孔采用干法刻蚀的方法得到，通孔直径为10μm～30μm，用做信号传输通道；通孔用甲基硫酸铜电镀体系电镀有金属铜。

5.根据权利要求2所述的基于硅基的气密性封装外壳，其特征在于，盖帽厚度为500μm～600μm之间。