CN102923638B - 气密封装组件以及封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气密封装组件以及封装方法，所述气密封装组件包括上板和下板，所述上板的下表面上设置有一第二焊环，所述第一焊环与第二焊环的形状相同，所述下板的上表面进一步设置有至少一个孔洞，所述孔洞用于放置直径大于第一与第二焊环厚度之和的焊球在其开口处。本发明的优点在于，通过采用直径大于上下焊环之和的焊球对上板实施预支撑，并在回流焊中首先将焊球熔化而实现气密，从而避免了使用复杂的夹具；本发明所述技术方案可以实现多个器件同时封帽，而且各个封装壳体可以紧密排列，从而提高炉体的空间利用率，有利于提高生产效率、降低成本。

Description

气密封装组件以及封装方法

技术领域

本发明涉及半导体封装，尤其涉及一种气密封装组件以及封装方法。

背景技术

封装技术的目的和功能是对微电子产品的芯片进行保护，避免外界环境的不利因素如机械损伤、水汽、氧气、腐蚀性离子等对芯片的破坏。同时，封装提供了芯片与外界的电连接以及机械支撑。半导体芯片的封装技术从金属封装、陶瓷封装、塑封、到目前的芯片尺寸封装（CSP）、晶圆级封装（WLP）、3D封装等多种形式，驱动其发展的因素包括成本降低、体积缩小等。

MEMS传感器的封装相比半导体电路封装更加复杂。首先，除了保护和电连接功能之外，MEMS封装还必须提供外界信号到达MEMS芯片的通道。由于MEMS传感器种类繁多，检测的物理和化学量多种多样，其封装形式也必然具有多样性的特点。例如，光学传感器必须具备光线达到传感器的窗口，微流体传感器必须具备与流体样本的通道等等。

另外，不同的传感器往往要求在特定的环境条件下工作。例如，有多种MEMS传感器（红外探测器、陀螺仪、RF-MEMS等）需要工作在真空或特定气氛、气压等条件下。对这些传感器芯片的封装必须采用气密性封装，与外界形成极低的漏气率，以保持封装内部的条件。传统的气密性封装采用金属、陶瓷、玻璃等低漏率外壳，在完成MEMS芯片贴片、键合、烘焙等工艺步骤后，采用平行缝焊、激光焊、储能焊、共晶回流焊等方法进行气密性封帽。如果封装内需要填充惰性气体等特种气体，一般采用在充满该气体的箱体内进行封帽。如果封装内需要形成真空，则往往需要在封帽后通过连接壳体的排气管抽真空、达到要求后再对排气管进行密封。这些封装方法的缺点在于材料成本高、外形体积大、不适合大批量自动化生产等。

业界因此开发了可进行一定规模内批量生产的真空气密封装方法，其主要特点是利用复杂的机械夹具，把封装壳体、盖帽等按上下顺序固定好，相互之间保持预先设定的间距，放置于真空炉体内，按工艺顺序进行烘焙、排气等，再利用夹具的上下移动把盖帽放置到对应的壳体上，然后利用加热装置熔合焊料，把盖帽与壳体封接。该方法可以在炉腔内平行放置多个器件实现同时密封封帽。

为进一步降低封装成本和缩小外形体积，业界开发了晶圆级封装（WLP）技术，其基本方式是利用另一片晶圆按需求制作出包含腔体、焊环、吸气剂、镀膜等结构的盖帽晶圆（LidWafer），利用对准装置将器件晶圆（DeviceWafer）与盖帽晶圆对准。同时利用夹具使两片晶圆之间保持一定的间距空隙，放置于真空炉腔或某种气氛中进行真空排气或气体回填。接下来移开夹具，使两片晶圆贴合，通过加热回流的方法使两片晶圆结合，在每个芯片上形成由盖帽晶圆形成的密封体。WLP封装技术可进一步实现MEMS封装的批量化生产。

上述的封装技术和方法在封帽前都需要特殊的夹具以使盖帽与壳体之间保持一定的间距，以用于真空排气或气体回填的通道。使用复杂的夹具将增加设备成本、占用真空炉体内的有效体积、降低生产效率等，不利于进一步降低MEMS传感器的制造成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种气密封装组件以及封装方法，能够避免使用复杂的夹具，提高炉体的空间利用率，提高生产效率，降低成本。

为了解决上述问题，本发明提供了一种气密封装组件，包括上板和下板，所述下板上表面设置一第一焊环，所述上板的下表面上设置有一第二焊环，所述第一焊环与第二焊环的形状相同，所述下板的上表面进一步设置有至少一个孔洞，所述孔洞用于放置直径大于第一与第二焊环厚度之和的焊球在其开口处。

可选的，所述下板的上表和/或上板的下表面具有一内腔，对应的第一焊环和/或第二焊环环绕所述内腔设置。

可选的，所述孔洞的数目至少为三个，且围绕所述第一焊环设置。

本发明还提供一种气密封装组件，包括上板和下板，所述下板上表面设置一第一焊环，所述上板的下表面上设置有一第二焊环，所述第一焊环与第二焊环的形状相同，进一步包括一过渡环，所述过渡环设置在所述上板和下板之间，所述过渡环的下表面设置有与所述第一焊环形状相同的第三焊环，上表面设置有与所述第二焊环形状相同的第四焊环，所述下板的上表面进一步设置有至少一个孔洞，所述下板上表面的孔洞用于放置直径大于第一与第三焊环厚度之和的焊球在其开口处，所述焊球的共晶温度小于第一焊环和第三焊环的共晶温度，所述孔洞的容积大于等于所述焊球的体积，所述过渡环上设置有至少一个孔洞，所述过渡环的孔洞用于放置直径大于第二与第四焊环厚度之和的焊球在其开口处。

可选的，所述孔洞的数目与位置与所述下板上表面的所述孔洞的数目与位置相同。

可选的，所述上板和下板的表面均为平面结构。

可选的，所述下板进一步为衬底晶圆，所述上板进一步为分立的盖帽。

可选的，所述下板进一步为衬底晶圆，所述上板进一步为盖帽晶圆。

本发明进一步提供了一种采用上述气密封装组件进行封装的方法，包括如下步骤：在所述孔洞的开口处均放置一直径大于第一与第二焊环厚度之和的焊球，所述焊球的共晶温度小于第一焊环和第二焊环的共晶温度；将上板和下板扣合，且第一焊环和第二焊环相互对齐，由于焊球的直径大于第一与第二焊环厚度之和，故第一焊环和第二焊环之间具有一距离；调节环境气压和组分至一预定值；升高温度至大于焊球的共晶温度，且小于第一焊环和第二焊环的共晶温度，使焊球融化后流入下板的孔洞中，第一焊环和第二焊环贴合；升高温度至大于第一焊环和第二焊环的共晶温度，使两者熔合。

可选的，在将上板和下板扣合后，进一步在上板的上表面施加一压力，用以促进第一焊环和第二焊环的熔合。

本发明的优点在于，通过采用直径大于上下焊环之和的焊球对上板实施预支撑，并在回流焊中首先将焊球熔化而实现气密，从而避免了使用复杂的夹具而同样实现上板与下板之间在真空排气或气体回填时保持一定的间距空隙；本发明所述技术方案可以实现多个器件同时封帽，而且各个封装壳体可以紧密排列，从而提高炉体的空间利用率，有利于提高生产效率、降低成本。

附图说明

附图1是本发明所述气密封装组件第一具体实施方式的结构示意图。

附图2是本具体实施方式所述方法的实施步骤示意图。

附图3A和附图3B是附图2所述方法的工艺流程图。

附图4和附图5是附图1和附图2所述具体实施方式的两实施例的示意图。

附图6是本发明所述气密封装组件第二具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的气密封装组件以及封装方法的具体实施方式做详细说明。

附图1是本发明所述气密封装组件第一具体实施方式的结构示意图，包括：下板22和上板21。下板22可以采用金属（Kovar合金、钨铜、不锈钢等）、陶瓷（氧化铝、氮化铝等）等气密性材料制作，并根据需要设置电连接引脚等。上板21也可以是利用上述金属或陶瓷等材料制作的盖板、也可以是玻璃、锗、硅、蓝宝石、石英、硫系玻璃等材料构成的用作窗口的基板。

下板22由侧壁101围拢形成内腔106，用于芯片以及其它元器件的贴片。壳体可以制作成方形、圆形等不同外形。下板22的上表面制作第一焊环104，第一焊环104环绕所述内腔106设置。第一焊环104采用具有相对较高的共晶温度的焊料，第一焊环104在制作过程中包括粘附层、阻挡层、种子层、保护层等金属化工艺以及电镀、图形化工艺。上板21下表面上制作第二焊环105，第二焊环105可以采用与下板22上的第一焊环104一致的材料和结构制作。

下板22的上表面具有孔洞102，孔洞102开口处用来放置焊球103。焊球103并非本组件的一部分，而是在采用本装置实施封装方法的过程中需要采用的材料，为了清楚起见，本具体实施方式中加以图示。焊球103采用具有相对较低共晶温度的材料，焊球103的共晶温度应当小于第一焊环104和第二焊环105的共晶温度，若第一焊环104和第二焊环105采用不同的材料，则焊球103的共晶温度应当小于两共晶温度中的较小者。当焊球103熔化后将流入孔洞102，所以孔洞102的容积最好能够大于焊球103熔化后的体积，防止焊球103熔化后外溢，但由于焊球103熔化后，第一焊环104和第二焊环105随即贴近，故即使有些许外溢，也不会对后续工艺有明显影响。

焊球103放置在孔洞102上方开口处之后的高度应高于第一焊环104与第二焊环105的高度总和，以保证上板21支撑放置在焊球103上之后，上板21与下板22之间保持一定的间距空隙。在回流焊中会首先将焊球103熔化从而实现气密，避免了使用复杂的夹具而同样实现上板21与下板22之间在真空排气或气体回填时保持一定的间距空隙，提高炉体的空间利用率，有利于提高生产效率、降低成本。

本具体实施方式中，下板22为矩形，对应的内腔106开口、第一焊环104以及第二焊环105均为矩形，故可以在下板22的四角制作孔洞102。在其他的具体实施方式中，可以根据下板22以及焊环等的不同形状，设置不同数目和排布的孔洞102。三个或者三个以上的孔洞102以及对应的焊球103可以对上板21形成稳定的支撑；一个或者两个孔洞可能会导致上板21表面的第二焊环105的一部分与下板22的第一焊环104部分接触，但只要第二焊环105和第一焊环104不完全接触，就不会影响到后续对空腔106实施排气或者回填。如果上板21和下板22均为完整的晶圆，并包含有多个阵列设置的内腔106、第一焊环104以及第二焊环105，则即使每个焊环周围仅有一个孔洞102以及焊球103，也足以对上板21整体形成稳定的支撑。另外，业界的技术熟练人员也可以理解，内腔106也可以制作在上板21内；或者上板21与下板22同时具有内腔，在上板21设置内腔的情况下，第二焊环105应当环绕所述内腔106设置。在后续的一具体实施方式中，该空腔也可以是由夹在上板21和下板22之间的过渡环形成的，在此具体实施方式中，上板21和下板22亦可以全部是平面结构，不设置空腔。

接下来结合附图给出本发明所述方法的第一具体实施方式。

附图2所示是本具体实施方式所述方法的实施步骤示意图，包括：步骤S20，在孔洞的开口处均放置一直径大于第一与第二焊环厚度之和的焊球，焊球的共晶温度小于第一焊环和第二焊环的共晶温度；步骤S21，将上板和下板扣合，且第一焊环和第二焊环相互对齐，由于焊球的直径大于第一与第二焊环厚度之和，故第一焊环和第二焊环之间具有一距离；步骤S22，调节环境气压和组分至一预定值；步骤S23，升高温度至大于焊球的共晶温度，且小于第一焊环和第二焊环的共晶温度，使焊球融化后流入下板的孔洞中，第一焊环和第二焊环贴合；步骤S24，升高温度至大于第一焊环和第二焊环的共晶温度，使两者熔合。

请继续参考附图1所示，步骤S20所述是在四个孔洞102的开口处均放置一直径大于第一焊环104与第二焊环105厚度之和的焊球103，所述焊球103的共晶温度小于第一焊环104与第二焊环105的共晶温度。在其他的实施方式中，也可以是更多或者更少的孔洞102以及焊球103。

参考附图3A所示，步骤S21所述是将上板21和下板22扣合，且第一焊环104和第二焊环105相互对齐，由于焊球103的直径大于第一焊环104和第二焊环105厚度之和，故第一焊环104和第二焊环105之间具有一距离。按设计，上板21和下板22对准放置后，第一焊环104和第二焊环105对准，上板21在焊球103的支撑下，与下板22之间形成一定的间距空隙23。

步骤S22，根据所封装的器件的不同性能要求，调节环境气压和组分至一预定值，包括对内腔106实施真空排气或气体回填，以及充入氮气或者氦气等。例如，如果封装的是MEMS红外探测器往往需要形成真空，而某些器件需要填充一定压力的氮气、氦气等。本步骤中间距空隙23成为对内腔106实施真空排气或气体回填的通道。具体是把上述对准放置后的上板21和下板22的组合放置在炉腔内，该炉腔根据需要设置加热、真空排气、或者气体回填等功能。根据需要，炉腔内可以平行放置多个上板21和下板22的组合以实现批量化生产。

步骤S23所述是升高温度至大于焊球103的共晶温度，且小于第一焊环104和第二焊环105的共晶温度，使焊球103融化后流入下板22的孔洞102中，第一焊环104和第二焊环105贴合。亦即当排气或者气体回填等步骤完成后，升温到焊球103的共晶温度并保持一定时间，焊球103熔化后流入孔洞102内，上板21相应的下降，第一焊环104和第二焊环105接触，上板21和下板22之间的间距空隙23消失。本步骤首先将焊球103熔化从而实现气密，避免了使用复杂的夹具而同样实现上板21与下板22之间在真空排气或气体回填时保持一定的间距空隙，提高炉体的空间利用率，有利于提高生产效率、降低成本。

步骤S24所述是升高温度至大于第一焊环104和第二焊环105的共晶温度，使两者熔合。若第一焊环104和第二焊环105采用不同材料，则应大于两者共晶温度的较大者。为了促进两者的熔合可以在上板21上表面施加一压力，例如放置重块等。参考附图3B所示是步骤S24实施完毕后的结构示意图，制造完毕后缓慢降温，第一焊环104和第二焊环105共晶熔合形成气密性的封接环107，上板21和下板22通过封接环107形成气密性的封装结构。

可见，上述工艺实施过程中，并未用到任何特别的夹具以及固定装置，在对准之后，通过焊球103的支撑便可以实现上板21与下板22之间在真空排气或气体回填时保持一定的间距空隙，并在调压完毕后仅通过控制回流焊工艺的温度容易地实现了上板21与下板22之间的气密，故有利于提高生产效率、降低成本。

附图4是上述组件和方法具体实施方式用于盖帽与器件晶圆封接实施例的示意图，包括：器件晶圆42、上板41。器件晶圆42作为下板使用，包含纵横排列的多个MEMS芯片，本示意图仅以其中的一个芯片为例。

在MEMS芯片的四角制作孔洞302，孔洞302上放置焊球303，当焊球303熔化后将流入孔洞302。器件晶圆42的上表面制作第一焊环304，上板41下表面制作第二焊环305，第二焊环305一般采用与器件晶圆42上的第一焊环304一致的材料和结构制作。焊球303放置在孔洞302上方之后的高度应高于第一焊环304与第二焊环305的高度总和，以保证上板41支撑放置在焊球303上之后，上板41与器件晶圆42之间保持一定的间距空隙。

附图4仅画出一个结构单元表示，业内人士可以理解，一个器件晶圆42上的多个MEMS芯片会一一对应地放置不同的上板41。如果器件晶圆42之前已经完成探针电测试，则可选择性地仅在电测试合格的芯片上放置上板41。封接完成后可以采用划片等方法把每个MEMS芯片从器件晶圆42上分离，从而实现了多个器件同时封帽，提高了生产效率。

附图5是上述组件和方法具体实施方式用于晶圆级封接的示意图，包括：器件晶圆32、盖帽晶圆31。器件晶圆32相当于下板，包含纵横排列的多个MEMS芯片，本示意图仅以其中的一个芯片为例。盖帽晶圆31相当于上板，与器件晶圆32上的MEMS芯片对应地制作腔体等结构，盖帽晶圆31的材料可以是玻璃、锗、硅、蓝宝石、石英、硫系玻璃等。

在器件晶圆32的四角制作孔洞202，孔洞202上放置焊球203，当焊球203熔化后将流入孔洞202。器件晶圆32的上表面制作第一焊环204，盖帽晶圆31上制作第二焊环205，第二焊环205一般采用与第一焊环204一致的材料和结构制作。焊球203放置在孔洞202上方之后的高度应高于第一焊环204与第二焊环205的高度总和，以保证盖帽晶圆31支撑放置在焊球203上之后，盖帽晶圆31与器件晶圆32之间保持一定的间距空隙。

附图5仅画出一个结构单元表示，业内人士可以理解，一个器件晶圆32上的多个MEMS芯片会与盖帽晶圆上的第二焊环205一一对应。封接的过程首先是盖帽晶圆31整体对准放置在器件晶圆32上。盖帽晶圆31与器件晶圆32形成气密性的封接后，可以采用划片等方法把盖帽晶圆31和器件晶圆32整体分离出来，从而实现了多个器件同时封帽，提高了生产效率。

附图6是本发明所述气密封装组件第二具体实施方式的结构示意图，一种气密封装组件，包括上板21和下板22，所述下板22上表面设置一第一焊环104，所述上板21的下表面上设置有一第二焊环105，所述第一焊环104与第二焊环105的形状相同，进一步包括一过渡环24，所述过渡环24设置在所述上板21和下板22之间，所述过渡环24的下表面设置有与所述第一焊环104形状相同的第三焊环404，上表面设置有与所述第二焊环105形状相同的第四焊环405。所述下板22的上表面进一步设置有至少一个孔洞102，所述下板22上表面的孔洞102用于放置直径大于第一焊环104与第三焊环404厚度之和的焊球103在其开口处。所述焊球103的共晶温度小于第一焊环104和第三焊环404的共晶温度，所述孔洞102的容积大于等于所述焊球103的体积。所述过渡环24上设置有至少一个孔洞402，所述过渡环24的孔洞402用于放置直径大于第二焊环105与第四焊环405厚度之和的焊球403在其开口处。过渡环24可以采用金属（可伐合金、钨铜、不锈钢等）、陶瓷（氧化铝、氮化铝等）等材料、以及玻璃、硅、蓝宝石、石英等制作。

第四焊环405和第三焊环404采用具有相对较高的共晶温度的焊料，优选与第一焊环104和第二焊环105的材料相同，在制作过程中包括粘附层、阻挡层、种子层、保护层等金属化工艺以及电镀、图形化工艺。焊球403采用具有相对较低共晶温度的材料，焊球403的共晶温度应当小于所有焊环的共晶温度，若焊环采用不同的材料，则焊球403的共晶温度应当小于所有焊环共晶温度中的最小者。当焊球403熔化后将流入孔洞402。优选孔洞402的数目与位置与下板22上表面的孔洞102的数目与位置相同。上述孔洞402可以是贯孔，这样焊球403熔化后进一步流入孔洞102。

在采用过渡环的封装方法中，上板21和过渡环24相互对准后放置在下板22上。第一焊环104与第三焊环404对准，第四焊环405与第二焊环105对准。把上述对准放置后的下板22、过渡环24、上板21的组合放置在炉腔内。当排气或者气体回填等步骤完成后，首先升温到焊球103和焊球403的共晶温度并保持一定时间，焊球103熔化后流入孔洞102内，焊球403熔化后流入孔洞402内。过渡环24相应的下降，第一焊环104与第三焊环404接触，过渡环24与下板22之间的间距空隙消失；上板21相应的下降，第四焊环405与第二焊环105接触，上板21与过渡环24之间的间距空隙消失。接下来升温到第一焊环104、第二焊环105、第三焊环404、第四焊环405的共晶温度并保持一定时间，第二焊环105与第四焊环405熔合、第三焊环404与第一焊环104熔合。为了促进熔合可以在上板21上表面施加一压力，例如放置重块。最后缓慢降温，第二焊环105与第四焊环405共晶熔合形成气密性的封接环，第三焊环404与第一焊环104共晶熔合形成气密性的封接环。上板21、过渡环24、以及下板22通过封接环形成气密性的封接。上述具体实施例的附图中的下板包含一个内腔，但本领域的技术人员可以理解，内腔也可以形成于上板；上板和下板也可以是不具有内腔的平板而利用过渡环结合后形成一个空腔。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种气密封装组件，包括上板和下板，所述下板上表面设置一第一焊环，所述上板的下表面上设置有一第二焊环，所述第一焊环与第二焊环的形状相同，其特征在于：所述下板的上表面进一步设置有至少一个孔洞，所述孔洞用于放置直径大于第一与第二焊环厚度之和的焊球在其开口处，所述焊球的共晶温度小于第一焊环和第二焊环的共晶温度，所述孔洞的容积大于等于所述焊球的体积。

2.根据权利要求1所述的气密封装组件，其特征在于，所述下板的上表和/或上板的下表面具有一内腔，对应的第一焊环和/或第二焊环环绕所述内腔设置。

3.根据权利要求1所述的气密封装组件，其特征在于，所述孔洞的数目至少为三个，且围绕所述第一焊环设置。

4.根据权利要求1所述的气密封装组件，其特征在于，所述下板进一步为衬底晶圆，所述上板进一步为分立的盖帽。

5.根据权利要求1所述的气密封装组件，其特征在于，所述下板进一步为衬底晶圆，所述上板进一步为盖帽晶圆。

6.一种气密封装组件，包括上板和下板，所述下板上表面设置一第一焊环，所述上板的下表面上设置有一第二焊环，所述第一焊环与第二焊环的形状相同，其特征在于，进一步包括一过渡环，所述过渡环设置在所述上板和下板之间，所述过渡环的下表面设置有与所述第一焊环形状相同的第三焊环，上表面设置有与所述第二焊环形状相同的第四焊环，所述下板的上表面进一步设置有至少一个孔洞，所述下板上表面的孔洞用于放置直径大于第一与第三焊环厚度之和的焊球在其开口处，所述焊球的共晶温度小于第一焊环和第三焊环的共晶温度，所述孔洞的容积大于等于所述焊球的体积，所述过渡环上设置有至少一个孔洞，所述过渡环的孔洞用于放置直径大于第二与第四焊环厚度之和的焊球在其开口处。

7.根据权利要求6所述的气密封装组件，其特征在于，所述过渡环的所述孔洞的数目与位置与所述下板上表面的所述孔洞的数目与位置相同。

8.根据权利要求6所述的气密封装组件，其特征在于，所述上板和下板的表面均为平面结构。

9.一种采用权利要求1所述气密封装组件进行封装的方法，其特征在于，包括如下步骤：

在所述孔洞的开口处均放置一直径大于第一与第二焊环厚度之和的焊球，所述焊球的共晶温度小于第一焊环和第二焊环的共晶温度，所述孔洞的容积大于等于所述焊球的体积；

将上板和下板扣合，且第一焊环和第二焊环相互对齐，由于焊球的直径大于第一与第二焊环厚度之和，故第一焊环和第二焊环之间具有一距离；

调节环境气压和组分至一预定值；

升高温度至大于焊球的共晶温度，且小于第一焊环和第二焊环的共晶温度，使焊球融化后流入下板的孔洞中，第一焊环和第二焊环贴合；

升高温度至大于第一焊环和第二焊环的共晶温度，使两者熔合。

10.根据权利要求9所述的封装的方法，其特征在于，在将上板和下板扣合后，进一步在上板的上表面施加一压力，用以促进第一焊环和第二焊环的熔合。