CN103318838A - 一种应用于微机电系统器件的真空封装方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于微机电系统器件的真空封装方法，涉及一种微器件真空封装方法。在玻璃片背面上加工出凹槽、通孔，然后在凹槽上溅射吸气剂薄膜；在SOI或SOG片上加工出梯形槽、谐振结构和微流道；将玻璃片与SOI或SOG片键合在一起形成组合片；在组合片中的通孔侧壁以及孔底未键合硅面处溅射电极和凸点下金属层；将键合后的圆片置于喷射点胶机中，在通孔结构上喷印金属焊球；将喷印有焊球的组合片置于真空键合机中，抽真空并加热，使腔室内气体通过微流道被抽走，焊料回流，并通过键合机对组合片施加压力，键合机上盘采用玻璃盖板，保证焊料不流出通孔外，融化后的焊料挤入到微流道中将通孔结构和微流道密封，实现MEMS器件的真空封装。

Description

一种应用于微机电系统器件的真空封装方法

技术领域

本发明涉及一种微器件真空封装方法，特别是涉及一种采用精密喷射点胶技术的微机电系统（MEMS）器件真空封装方法，可用于谐振式压力传感器、微陀螺仪和MEMS谐振器等需要工作在高气密真空环境下的微小器件。

背景技术

微机电系统（MEMS）技术主要用于制作微传感器、微执行器、微型构件、微光学器件等。随着MEMS技术的快速发展，机械、电子等科研机构和企业研发出了大量MEMS芯片，但大部分难以投入实际生产，其主要原因之一是封装问题尚未得到解决。

MEMS真空封装能显著提高系统性能以及频繁动作的MEMS可动部件的长期可靠性。真空封装使MEMS器件的可动部分工作于真空环境下，能大大提高MEMS器件的品质因子，如MEMS谐振器，在大气环境下的品质因子约为20～400，但当它工作在7.5×10^-8torr的真空环境时，其品质因子可高达50000。

MEMS器件如微陀螺仪、谐振式压力传感器以及MEMS谐振器等都需要真空封装，文献（[1]W.Reinert.High-Vacuum Wafer Bonding Technology[J].Look ahead to the next issue,2005,1:36-37）所述MEMS谐振器正常工作所要求封装的真空度达到7.5×10^-5～7.5×10^-3torr。

MEMS器件的真空封装可以分为器件级封装和圆片级封装。器件级封装技术相对成熟，通常采用陶瓷外壳和金属外壳对单个器件进行封装，但封装过程相对复杂，耗费时间长，封装成本占整个器件成本的50%～80%。故目前发展趋势逐渐转向工艺简单、成本较低的圆片级真空封装技术，其主要包括硅硅熔融键合、阳极键合、金硅共晶键合和有机物键合等。但由于这些键合界面处有缺陷和孔隙致使气体泄露，腔壁材料吸附的气体分子在键合过程中解析放气，以及键合材料本身的微孔渗透等都会使键合后腔室真空度低于正常工作所需的真空度。例如文献（[2]Sung-Hoon Choa.Reliability of MEMS packaging:vacuum maintenance andpackaging induced stress[J].Microsystem technologies,2005,11:1187-1196）所述在微陀螺仪阳极键合封装过程中，封装环境压力为5×10^-5torr，但键合后器件腔室真空度约为7×10^-2torr；文献（[3]B.Lee,S.Seok and K.Chun.A study on wafer level vacuumpackaging for MEMS devices[J].Journal of micromechanics and microengineering,2003,13:663-669）所述在MEMS谐振器阳极键合过程中，所用真空腔的环境压力为5×10^-5torr，但键合后器件腔室所能达到的压力为2torr。这些MEMS器件位于低真空环境下严重影响了其系统性能，故高真空腔室的获得是一个亟待解决的问题。

为此，一种解决方法是在与封装的腔室上预留一个放气孔，利用已有圆片键合技术进行封装。然后将键合组合片置于高温、高真空环境下，微腔室中的气体通过预留的放气孔抽出，使键合腔室的压强与环境相同，最后利用其它工艺（如热压焊）将预留的放气孔封住，使键合腔室内具有极高的真空度以及良好气密性。如Druck公司采用玻璃管对压力传感器进行真空封装就是利用此原理。

中国专利CN102358616A公开一种玻璃管与MEMS芯片气密性烧结装置，它包括主体机座、加热炉体、升降调节件和升降压力调节子柄，截止阀和抽气连接件等。此发明的装置中，采用两个MEMS芯片与玻璃管烧结在一起，玻璃管与抽真空设备相连抽真空，让玻璃管与通过玻璃粉将两个MEMS芯片烧结在一起，形成真空微腔，解决了传统装置中的玻璃浆料烧结产生过程中的有机气体释放，真空微腔中无法排除的问题，其真空度可达5×10^-6Pa，极大地提高了高精度谐振型压力传感器产品的合格率。但接入的玻璃管长度在1cm以上，造成封装后的器件体积严重增加，而且需要火焰融合玻璃、器件支撑夹具等大型设备，且对单个器件逐一封装，严重降低了封装效率。

中国专利CN102530844A公开一种微器件的真空封装方法。采用微加工工艺在下硅片上加工硅岛、可动结构及附属金属电极和引线；采用湿法腐蚀法在上硅片正面加工出梯形通孔，在上硅片背面加工出微流道；采用硅-玻璃阳极键合技术将上硅片与玻璃盖板键合在一起；采用玻璃浆料键合技术实现下硅片与上硅片的键合；将键合后的圆片置于真空键合机中，通过微流道将腔体内气体抽走，激光局部加热技术使玻璃盖板的局部熔化，融化后的玻璃将微流道密封起来，最终实现MEMS器件的晶圆级真空封装。但激光加工局部加热引入热应力会很大程度影响器件性能，限制了该方法的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于微机电系统器件的真空封装方法。

本发明包括以下步骤：

1）在玻璃片背面上加工出凹槽、通孔，然后在凹槽上溅射吸气剂薄膜；

2）在SOI或SOG片上加工出梯形槽、谐振结构和微流道；

3）将玻璃片与SOI或SOG片键合在一起形成组合片；

4）在组合片中的通孔侧壁以及孔底未键合硅面处溅射电极和凸点下金属（UBM）层；

5）将键合后的圆片置于精密喷射点胶机中，在通孔结构上喷印金属焊球；

6）将喷印有焊球的组合片置于真空键合机中，抽真空并加热，使腔室内气体通过微流道被抽走，焊料回流，并通过键合机对组合片施加压力，键合机上盘采用玻璃盖板，保证焊料不流出通孔外，使融化后的焊料被挤入到微流道中将通孔结构和微流道密封，最终实现MEMS器件的真空封装。

在步骤1）中，所述加工可采用微加工工艺，具体方法是通过各向异性湿法腐蚀、喷砂和激光制作，电极金属采用Al或其它与硅热膨胀系数接近的金属，保证与硅能形成欧姆接触；所述玻璃片可采用7740玻璃片。

在步骤2）中，所述加工可采用微加工工艺，所述梯形槽和微流道可采用湿法腐蚀方法制作，所述微流道结构的形状可采用往返折线形式；所述微流道的尺寸可为微米量级，最好为1～3μm。

在步骤3）中，所述键合可采用硅-玻璃阳极键合方法。

在步骤4）中，所述凸点下金属层可采用多层金属膜，所述多层金属膜可由粘附层、阻挡层和焊料浸润层组成，所述粘附层可采用Cr、Ti、V、TiN等金属中的一种，所述阻挡层可采用Ni、Cu、Pd、Pt等金属中的一种，所述浸润层可采用Au、Ag等金属中的一种；所述多层金属膜可采用Ti/Ni/Au组合金属层或Ti/Pt/Ni组合金属层等；所述溅射中的吸气剂可采用Ti或Ti-Zr-V等；所述通孔内的金属焊球通过喷射点胶机喷射获得，通过控制点胶机中的温度和点胶头与基板间距等参数使焊料落入通孔时为固态状；所述通孔可作为封装孔，也可作为真空封装中电极通孔。

在步骤6）中，所述焊料的融化温度大于400℃，但低于玻璃的软化温度；所述焊料可采用Pb-Sn或Au-Sn等熔点在300～400℃的合金焊料。

本发明最关键的是焊料的回流以及微流道的封闭，在真空键合机中，腔体内气体通过微流道被抽走，当腔体真空度达到目标值后，加热升温使焊料融化回流并控制键合机的压力，其中键合机上盘采用玻璃盖板，保证焊料不流出通孔外，并挤入孔内至微流道中，实现封装腔体的密封。

相对于现有的MEMS封装真空度较低和预留孔后采用玻璃管烧结工艺成本高、设备复杂、封装后的器件体积过大和只对单个器件逐一封装等问题，该发明不仅更容易获得较高的真空度，而且工艺同时适用于真空封装与电极孔的通孔互联，简化了工艺，节约了封装成本。整个封装过程所涉及的喷砂或激光打孔、硅-玻璃阳极键合、溅射沉积和精密喷射点胶等技术已经比较成熟，可以保证MEMS器件真空封装的顺利实现。

本发明采用将圆片级或器件级正常封装技术与预留孔后再玻璃烧结的封装技术相结合，提出了一种在晶圆上预留通孔，后用精密喷射点胶技术将焊料球喷射在通孔中，通过微流道将封装腔体内的气体抽走，随后加热使焊球融化回流将通孔和微流道封闭的真空封装方法，最终实现MEMS器件的圆片级真空封装。该封装方法简单有效，成本低，效率高，可获得高真空度，不仅适用于圆片级或器件级真空封装还实现了MEMS器件与外部的电学连接，可以在粘结剂中有机成分完全挥发和键合过程气体释放完抽走后再进行真空封装，使得封装腔体的真空度得以保证，在MEMS器件的真空封装领域具有广阔的前景。

附图说明

图1为在玻璃片1上加工出圆锥通孔11、凹槽12和吸气剂薄膜13的一种实施方案。

图2为在SOI或SOG片2上加工出谐振结构和微流道24的一种实施方案。

图3为玻璃片1与SOI片2键合后组合片3以及溅射Al电极31和UBM层32的示意图。

图4为圆锥通孔上各金属层分布的局部放大图。

图5为用精密喷射点胶机4将焊球5喷射在键合后组合片中圆锥通孔上的示意图。

图6为喷射完焊球的组合片并将玻璃盖板6置于上面的剖面图。

图7为将键合后的组合片放在键合机里加热使焊料回流后填堵通孔和微流道的示意图。

在图1～7中，各标记为：

1玻璃片，2 SOI或SOG片，3组合片，4点胶头，5焊球，6玻璃盖板，7焊料；

11圆锥通孔，12凹槽，13吸气剂薄膜；

21梯形槽，22质量块，23驱动锚点，24微流道，25驱动梳齿对，26谐振梁，27检测梳齿对，28检测锚点；

31 Al电极层，32 UBM金属层。

具体实施方式

参见图1～7，采用各向异性湿法腐蚀工艺在玻璃片1背面加工出凹槽12，用湿法腐蚀、喷砂或激光等微加工工艺在玻璃片的正面加工出圆锥通孔11，后在凹槽上溅射Ti吸气剂薄膜13；

采用各向异性湿法腐蚀工艺在SOI或SOG片2上加工出梯形槽21、刻蚀出质量块22，驱动锚点23，驱动梳齿对25，谐振梁26，检测梳齿对27，检测锚点28和微流道24；

采用硅-玻璃阳极键合技术将玻璃片1与SOI或SOG片2键合在一起形成组合片3；

在组合片3中圆锥通孔侧壁以及孔底未键合硅面处溅射Al电极31和UBM多层金属膜32（Ti/Ni/Au）；

将键合后的组合片置于精密喷射点胶机中，并在圆锥通孔上喷射Pb-Sn或Au-Sn金属焊球5，其中控制点胶头4与圆锥通孔的间距使焊球到达圆锥通孔时接近固态，并保证焊球的一小半渗透进圆锥孔中；

将喷印有焊球的组合片置于真空键合机中，抽真空并加热至一定温度，此时，腔室内气体通过微流道被抽走；当腔体真空度达到目标值后，继续加热到一定温度使焊料7回流，并控制键合机对组合片施加一定压力，其中键合机上盘采用玻璃盖板6（与焊料7的粘附性差，具体参考文献[4]C.Tsou,H.Li and H.Chang.A novel wafer-level hermetic packagingfor MEMS devices[J].IEEE transactions on advanced packaging,2007,30:616-621），保证焊料不流出通孔外，并使融化后的焊料被挤入到微流道中将通孔结构和微流道密封起来，最终实现MEMS器件的真空封装。

Claims (10)

1.一种应用于微机电系统器件的真空封装方法，其特征在于包括以下步骤：

1）在玻璃片背面上加工出凹槽、通孔，然后在凹槽上溅射吸气剂薄膜；

2）在SOI或SOG片上加工出梯形槽、谐振结构和微流道；

3）将玻璃片与SOI或SOG片键合在一起形成组合片；

4）在组合片中的通孔侧壁以及孔底未键合硅面处溅射电极和凸点下金属（UBM）层；

5）将键合后的圆片置于点胶机中，在通孔结构上喷印金属焊球；

6）将喷印有焊球的组合片置于真空键合机中，抽真空并加热，使腔室内气体通过微流道被抽走，焊料回流，并通过键合机对组合片施加压力，键合机上盘采用玻璃盖板，保证焊料不流出通孔外，使融化后的焊料被挤入到微流道中将通孔结构和微流道密封，最终实现MEMS器件的真空封装。

2.如权利要求1所述一种应用于微机电系统器件的真空封装方法，其特征在于在步骤1）中，所述加工采用微加工工艺，具体方法是通过各向异性湿法腐蚀、喷砂和激光制作，电极金属采用Al或其它与硅热膨胀系数接近的金属，保证与硅能形成欧姆接触。

3.如权利要求1所述一种应用于微机电系统器件的真空封装方法，其特征在于在步骤2）中，所述加工采用微加工工艺，所述梯形槽和微流道可采用湿法腐蚀方法制作，所述微流道结构的形状可采用往返折线形式。

4.如权利要求1所述一种应用于微机电系统器件的真空封装方法，其特征在于在步骤2）中，所述微流道的尺寸为微米量级，最好为1～3μm。

5.如权利要求1所述一种应用于微机电系统器件的真空封装方法，其特征在于在步骤3）中，所述键合采用硅-玻璃阳极键合方法。

6.如权利要求1所述一种应用于微机电系统器件的真空封装方法，其特征在于在步骤4）中，所述凸点下金属层采用多层金属膜，所述多层金属膜由粘附层、阻挡层和焊料浸润层组成，所述粘附层可采用Cr、Ti、V、TiN金属中的一种，所述阻挡层可采用Ni、Cu、Pd、Pt金属中的一种，所述浸润层可采用Au、Ag金属中的一种。

7.如权利要求1所述一种应用于微机电系统器件的真空封装方法，其特征在于在步骤4）中，所述多层金属膜采用Ti/Ni/Au组合金属层或Ti/Pt/Ni组合金属层。

8.如权利要求1所述一种应用于微机电系统器件的真空封装方法，其特征在于在步骤4）中，所述溅射中的吸气剂采用Ti或Ti-Zr-V。

9.如权利要求1所述一种应用于微机电系统器件的真空封装方法，其特征在于在步骤4）中，所述通孔内的金属焊球通过喷射点胶机喷射获得，通过控制点胶机中的温度和点胶头与基板间距等参数使焊料落入通孔时为固态状。

10.如权利要求1所述一种应用于微机电系统器件的真空封装方法，其特征在于在步骤6）中，所述焊料的融化温度大于400℃，但低于玻璃的软化温度；所述焊料可采用Pb-Sn或Au-Sn熔点在300～400℃的合金焊料。

Images