CN103818874A - Mems结构与处理电路集成系统的新型封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及MEMS结构与处理电路集成系统的新型封装方法，该方法包括：（1）MEMS圆片上每个基底单元预留多个电路芯片放置区域，将电路芯片放置在MEMS圆片上，形成MEMS结构与处理电路的集成；（2）利用垂直互联技术，采用硅作为盖板，盖板上带有垂直通孔，通孔内部填充导电材料，形成结构的输入和输出端口；（3）盖板键合面有多个槽，用于提供MEMS器件工作所需的真空气密环境和电路所需的空间，盖板槽内部的吸气剂薄膜，用于维持真空度；（4）将盖板与MEMS圆片进行圆片键合，实现圆片级真空集成封装，该方法不仅工艺简单，适用范围广，效果显著，而且能够避免由于热膨胀系数带来的热应力，显著提高器件的温度系数。

Description

MEMS结构与处理电路集成系统的新型封装方法

技术领域

本发明涉及系统集成的圆片级真空封装方法，尤其是涉及MEMS结构与处理电路集成系统的新型封装方法。

背景技术

MEMS是微机械电子系统的缩写，MEMS结构与处理电路实现系统集成是MEMS领域的发展目标。目前，国外已有利用MEMS结构与COMS电路集成在一个芯片的MEMS器件，但这种工艺非常复杂，并且仅限于一些特定的敏感结构和电路，如硅微麦克风等采用面硅工艺的MEMS系统，不具有普遍的应用。此外，实现MEMS结构与处理电路的集成还可以通过器件级集成封装，即将MEMS芯片与处理电路共同封装在一个管壳中，这种方法集成密度不高，易受外界干扰，器件尺寸大，尤其不适合微弱信号的检测。

圆片级封装是封装技术取得革命性突破的标志，它以圆片为加工对象，在圆片上同时对众多芯片进行封装、老化、测试，最后切割成单个器件。圆片级封装使封装尺寸减小至IC芯片的尺寸，生产成本大幅度下降。MEMS器件普遍带有可动结构，这些可动结构比较脆弱，极易受到划片和封装过程中的颗粒、水汽、机械等因素的影响，从而造成结构毁坏或性能下降。此外，对于MEMS开关、陀螺、加速度计、谐振器等MEMS器件需要在真空气密性环境中工作，因此密封腔内的气体环境显得尤为重要。比如在一个标准大气压下,受空气阻尼影响,MEMS陀螺的驱动模态和敏感模态品质因数非常低（Q值一般小于500）。因此硅微MEMS陀螺需要真空气密性封装以维持稳定的谐振频率和气体阻尼系数。

解决可动结构划片的同时满足真空封装的要求，最好的方法就是采用MEMS圆片级键合，在前工艺将可动结构密封在腔体中，彻底避免水汽和颗粒的影响，降低器件真空封装成本。目前使用较多的是利用阳极键合工艺，将玻璃作为密封盖板。一方面由于玻璃与硅的热膨胀系数不一致，导致器件的温度漂移较大，严重影响器件性能，另一方面阳极键合工艺不能实现MEMS芯片与CMOS电路的集成。采用硅作为盖板能够避免由于热膨胀系数的差异导致的温度漂移，提高器件温度系数，同时采用硅-金属-硅键合不需加高电压，支持MEMS芯片与CMOS电路集成。此外按照圆片级封装概念，现阶段国内仅实现了圆片级键合技术，不能等同于圆片级封装，因为圆片级封装的标志是芯片一旦切割下来就能正常使用，而不需额外的键合引线。国内有在硅上做孔并用填充凸点的方法来实现圆片级气密封装，但此方法首先将硅盖板减薄至120μm-160μm，然后开孔，工艺复杂，成品率低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供MEMS结构与处理电路集成系统的新型封装方法，该方法不仅工艺简单，适用范围广，效果显著，而且能够避免由于热膨胀系数带来的热应力，显著提高器件的温度系数，且适用于MEMS开关、陀螺、加速度计、谐振器等需要真空密闭封装的器件。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

MEMS结构与处理电路集成系统的新型封装方法，包括如下步骤：

步骤（一）、MEMS圆片基底包括N个基底单元，在每个基底单元上加工出MEMS结构、第一焊盘、第二焊盘和键合区，同时形成一个或多个电路预留区，MEMS圆片基底上共形成M个电路预留区；

步骤（二）、在MEMS圆片的电路预留区的第二焊盘上植球，并将M个电路芯片分别倒装在MEMS圆片的M个电路预留区；

步骤（三）、制作硅盖板，在硅盖板上形成封装MEMS结构的N个第一浅槽、封装电路芯片的M个第二浅槽和金属键合区；

步骤（四）、将MEMS圆片基底与硅盖板进行圆片键合；

步骤（五）、在键合后的硅盖板上形成金属连线，得到封装后的圆片；

步骤（六）、将圆片切割成N个与MEMS圆片基底上的N个基底单元相对应的芯片单元，每个芯片单元包括一个MEMS结构、一个或多个电路芯片；

其中N、M均为正整数，且M≥N。

在上述MEMS结构与处理电路集成系统的新型封装方法中，步骤（一）中的第一焊盘、第二焊盘和键合区为采用相同金属形成的单层金属薄膜，或不同金属形成的多层金属薄膜，所述金属薄膜为金、钛、钨、锡、铬或镍。

在上述MEMS结构与处理电路集成系统的新型封装方法中，步骤（三）中制作硅盖板的具体方法如下：

（1）在硅盖板上制作若干个通孔；

（2）在通孔的侧壁和硅盖板的表面形成SiO₂或Si₃N₄绝缘层；

（3）在通孔内填充导电材料；

（4）在硅盖板的键合面上形成N个第一浅槽和M个第二浅槽；

（5）在每个第一浅槽的底部形成吸气剂层；

（6）在硅盖板的键合面上除第一浅槽和第二浅槽的区域上形成金属键合区。

在上述MEMS结构与处理电路集成系统的新型封装方法中，步骤（6）中形成金属键合区为采用相同金属形成的单层金属薄膜，或采用不同金属形成的多层金属薄膜，所述金属薄膜为金、钛、钨、锡、铬或镍；金属薄膜的总厚度为0.2μm至5μm。

在上述MEMS结构与处理电路集成系统的新型封装方法中，步骤（五）中形成的金属连线为采用相同金属形成的单层金属薄膜，或采用不同金属形成的多层金属薄膜，所述金属薄膜为金、钛、钨、铂、铬、银、铝、钼、铜或镍；金属薄膜的总厚度为0.1μm至10μm。

在上述MEMS结构与处理电路集成系统的新型封装方法中，硅盖板的厚度为100μm～800μm，第一浅槽和第二浅槽的深度为10μm～300μm。

在上述MEMS结构与处理电路集成系统的新型封装方法中，硅盖板为双面抛光硅片，为电阻率大于1Ω·cm的P型或N型硅片。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

（1）本发明通过在MEMS圆片上预留出电路芯片的位置，可以将多个电路通过倒装方式，集成在MEMS圆片上，实现系统集成，改变了通过前工艺或者器件级封装集成MEMS结构与处理电路，具有工艺简单，适用范围广，效果显著的特点。

（2）本发明采用多腔体硅盖板，将集成了电路芯片的MEMS圆片进行圆片级真空封装，对于MEMS开关、陀螺、加速度计、谐振器等硅微MEMS器件而言，不仅能够集成多种电路，而且能够避免由于热膨胀系数带来的热应力，显著提高器件的温度系数。

（3）本发明采用硅-金属-硅键合方式，键合过程没有电场，不仅可动结构在键合过程中不会发生偏移，有效提高器件的成品率，而且适用于MEMS芯片与CMOS电路集成，能够实现微系统集成。

（4）本发明的封装结构采用了硅通孔互联（TSV）技术，通过硅盖板的金属电极将MEMS可动结构电极从真空密封腔体中引出；由于采用硅通孔填充工艺，MEMS芯片封装时能够采用倒装芯片技术，不需引线键合，从而实现小尺寸封装，满足对封装尺寸要求高的特定需求，并且与其它芯片的互连比较灵活，具有低成本、高可靠性、电性能好、可返修、设计灵活等特点。

（5）本发明采用真空环境中的圆片键合方式，结合吸气剂的使用，能够保证密闭腔体的长期真空稳定性，同时可将硅微MEMS可动结构密封在硅盖板形成的空腔内，提高器件性能和长期可靠性。

（6）本发明适用于MEMS开关、RF MEMS、微型耦合器、陀螺、加速度计、谐振器等需要真空密闭封装、温度系数要求高且系统集成度高的MEMS器件，降低了工艺难度，可以实现批量生产，适用范围广，具有较强的实用性。

（7）本发明MEMS结构和电路的电极通过通孔引到硅盖板表面，从而实现圆片级封装，MEMS结构、电路之间的互连比较灵活，并且系统集成度显著提高，同时避免了MEMS圆片在切割时颗粒对可动结构的沾污，器件温度系数较好，成品率增加装。

附图说明

图1为本发明中封装前的MEMS圆片分布示意图；

图2A为本发明封装前的MEMS圆片上单个MEMS结构俯视图。

图2B为本发明封装前的MEMS圆片上单个MEMS结构的剖视图;

图3为本发明封装前的电路芯片的俯视图。

图4为本发明MEMS圆片上电路预留区植球的剖视图

图5为本发明电路芯片倒装在MEMS圆片上的剖视图。

图6A为本发明封装前多腔体带有通孔的硅盖板俯视图。

图6B为本发明封装前多腔体带有通孔的硅盖板过通孔的剖视图。

图7为本发明硅盖板上制作出通孔的剖视图。

图8为本发明硅盖板的通孔内部填充有导电材料的剖视图。

图9为本发明硅盖板上制作出浅槽的剖视图。

图10为本发明硅盖板与MEMS圆片完成圆片键合的剖视图。

图11为本发明硅盖板与MEMS圆片完成封装的剖视图。

图12为本发明硅盖板与MEMS圆片完成封装的圆片示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明MEMS结构与处理电路集成系统的新型封装方法具体包括如下步骤：

步骤（一）、MEMS圆片上形成电路预留区205

如图1所示为本发明中封装前的MEMS圆片分布示意图，由图可知MEMS圆片上包括N个基底单元。如图2A所示为本发明封装前的MEMS圆片上单个MEMS结构俯视图，图2B为本发明封装前的MEMS圆片上单个MEMS结构的剖视图。在MEMS圆片基底201的每个基底单元上采用MEMS工艺加工出MEMS结构202、利用金属薄膜淀积工艺在基底表面形成金属薄膜层，然后再利用光刻和刻蚀工艺制作第一焊盘203、第二焊盘203’和键合区204，同时形成一个或多个电路预留区205，MEMS圆片基底201上共形成M个电路预留区205，其中M≥N，即每个MEMS基底单元可以包括一个MEMS结构202、一个或多个电路预留区205，当包括一个电路预留区205时，M=N，当包括多个电路预留区205时，M＞N，且第二焊盘203’也为多个，本发明图2A、2B中给出了每个基底单元包括一个电路预留区205的图示。

第一焊盘203、第二焊盘203’和键合区204为采用相同金属形成的单层金属薄膜，或不同金属形成的多层金属薄膜，金属薄膜可以为金、钛、钨、锡、铬或镍。金属薄膜厚度0.2μm至2μm。

步骤（二）、电路芯片301倒装在MEMS圆片的电路预留区205

如图4所示为本发明MEMS圆片上电路预留区植球的剖视图，图5为本发明电路芯片倒装在MEMS圆片上的剖视图，在MEMS圆片的每个电路预留区205的第二焊盘203’上植球206，并将M个电路芯片301的正面朝下，对应好第二焊盘203’位置后，通过倒装焊技术将电路芯片301分别放置在MEMS圆片的每个电路预留区205上。图3为本发明封装前的电路芯片的俯视图。

步骤（三）、制作硅盖板101

如图6A为本发明封装前多腔体带有通孔的硅盖板俯视图、图6B为本发明封装前多腔体带有通孔的硅盖板过通孔的剖视图、图7为本发明硅盖板上制作出通孔的剖视图、图8为本发明硅盖板的通孔内部填充有导电材料的剖视图、图9为本发明硅盖板上制作出浅槽的剖视图。

（1）在硅盖板101上利用干法刻蚀工艺或者喷砂工艺或者激光工艺或者超声工艺制作出若干个通孔102；

（2）在通孔102的侧壁和硅盖板101的表面，利用薄膜淀积工艺形成SiO₂或Si₃N₄绝缘层103；

（3）利用电镀技术在在通孔102内填充导电材料104；并利用抛光技术将硅盖板圆片表面抛光；

（4）在硅盖板101的键合面上，利用干法刻蚀工艺或者喷砂工艺形成N个第一浅槽105和M个第二浅槽106，浅槽用于提供MEMS器件工作所需的真空气密环境和电路所需的空间；

（5）利用薄膜淀积工艺在每个第一浅槽105的底部形成吸气剂层108；吸气剂层108用于吸附残留气体，维持真空度；

（6）利用金属薄膜淀积工艺在硅盖板101的绝缘层103的表面上形成金属薄膜层，然后再利用光刻和刻蚀工艺，在硅盖板101的键合面上除第一浅槽105和第二浅槽106的区域上形成金属键合区107。

形成金属键合区107为采用相同金属形成的单层金属薄膜，或采用不同金属形成的多层金属薄膜，所述金属薄膜为金、钛、钨、锡、铬或镍；金属薄膜的总厚度为0.2μm至5μm。

MEMS圆片预留区205可以是平面或槽，当为槽时与硅盖板101的槽制作可采用TMAH、KOH、NaOH、ICP刻蚀或者深反应离子刻蚀技术。

步骤（四）、硅盖板101与MEMS圆片201键合

如图10所示为本发明硅盖板与MEMS圆片完成圆片键合的剖视图，将集成了处理电路芯片301的MEMS圆片基底201与硅盖板101在真空（100mBar到1E-6mBar）的环境中进行硅-金属-硅键合，形成键合片，并激活吸气剂。采用硅通孔互联（TSV）技术，通过硅盖板101的金属电极104将MEMS结构的焊盘从真空密封腔体中引出。

步骤（五）、硅盖板表面形成金属连线402

在键合后的硅盖板101上形成金属连线402，得到封装后的圆片401；如图11所示为本发明硅盖板与MEMS圆片完成封装的剖视图，利用金属薄膜淀积工艺在硅盖板101表面形成金属薄膜层，然后再利用光刻和刻蚀工艺制作出金属连线402，形成的金属连线402为采用相同金属形成的单层金属薄膜，或采用不同金属形成的多层金属薄膜，金属薄膜为金、钛、钨、铂、铬、银、铝、钼、铜或镍；金属薄膜的总厚度为0.1μm至10μm。

步骤（六）、划片

如图12所示为本发明硅盖板与MEMS圆片完成封装的圆片示意图，MEMS圆片401上排列着N个芯片单元404，沿着划片道403切割即可将MEMS结构202与电路芯片301集成在一起的芯片单元404释放出来，形成MEMS集成封装系统，N个芯片单元404与图1中MEMS圆片基底201上的N个基底单元相对应，每个芯片单元404包括一个MEMS结构202、一个或多个电路芯片301。

本发明硅盖板101的厚度为100ìm～800ìm，第一浅槽105和第二浅槽106的深度为10ìm～300ìm。硅盖板101为双面抛光硅片，为电阻率大于1Ω·cm的P型或N型硅片。

为了简化附图，本发明图2～图11给出的是单个MEMS基底单元的图示。

本发明将MEMS可动结构与多种电路集成在一个芯片上，实现微系统集成，同时可将硅微MEMS可动结构密封在硅盖板形成的空腔内，提高器件性能和长期可靠性。MEMS结构和电路的电极通过通孔引到硅盖板表面，从而实现圆片级封装，MEMS结构、电路之间的互连比较灵活，并且系统集成度显著提高，同时避免了MEMS圆片在切割时颗粒对可动结构的沾污，器件温度系数较好，成品率增加。系统芯片能够采用倒装封装技术，不需引线键合，从而实现小尺寸封装。本发明能够满足RF MEMS、陀螺、加速度计、微型耦合器、谐振器等多种MEMS系统集成的要求，降低了工艺难度，可以实现批量生产。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.MEMS结构与处理电路集成系统的新型封装方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤（一）、MEMS圆片基底（201）包括N个基底单元，在每个基底单元上加工出MEMS结构（202）、第一焊盘（203）、第二焊盘（203’）和键合区（204），同时形成一个或多个电路预留区（205），MEMS圆片基底（201）上共形成M个电路预留区（205）；

步骤（二）、在MEMS圆片的电路预留区（205）的第二焊盘（203’）上植球（206），并将M个电路芯片（301）分别倒装在MEMS圆片的M个电路预留区（205）；

步骤（三）、制作硅盖板（101），在硅盖板（101）上形成封装MEMS结构（202）的N个第一浅槽（105）、封装电路芯片（301）的M个第二浅槽（106）和金属键合区（107）；

步骤（四）、将MEMS圆片基底（201）与硅盖板（101）进行圆片键合；

步骤（五）、在键合后的硅盖板（101）上形成金属连线（402），得到封装后的圆片（401）；

步骤（六）、将圆片（401）切割成N个与MEMS圆片基底（201）上的N个基底单元相对应的芯片单元（404），每个芯片单元（404）包括一个MEMS结构（202）、一个或多个电路芯片（301）；

其中N、M均为正整数，且M≥N。

2.根据权利要求1所述的MEMS结构与处理电路集成系统的新型封装方法，其特征在于：所述步骤（一）中的第一焊盘（203）、第二焊盘（203’）和键合区（204）为采用相同金属形成的单层金属薄膜，或不同金属形成的多层金属薄膜，所述金属薄膜为金、钛、钨、锡、铬或镍。

3.根据权利要求1所述的MEMS结构与处理电路集成系统的新型封装方法，其特征在于：所述步骤（三）中制作硅盖板（101）的具体方法如下：

（1）在硅盖板（101）上制作若干个通孔（102）；

（2）在通孔（102）的侧壁和硅盖板（101）的表面形成SiO2或Si3N4绝缘层（103）；

（3）在通孔（102）内填充导电材料（104）；

（4）在硅盖板（101）的键合面上形成N个第一浅槽（105）和M个第二浅槽（106）；

（5）在每个第一浅槽（105）的底部形成吸气剂层（108）；

（6）在硅盖板（101）的键合面上除第一浅槽（105）和第二浅槽（106）的区域上形成金属键合区（107）。

4.根据权利要求3所述的MEMS结构与处理电路集成系统的新型封装方法，其特征在于：所述步骤（6）中形成金属键合区（107）为采用相同金属形成的单层金属薄膜，或采用不同金属形成的多层金属薄膜，所述金属薄膜为金、钛、钨、锡、铬或镍；金属薄膜的总厚度为0.2μm至5μm。

5.根据权利要求1所述的MEMS结构与处理电路集成系统的新型封装方法，其特征在于：所述步骤（五）中形成的金属连线（402）为采用相同金属形成的单层金属薄膜，或采用不同金属形成的多层金属薄膜，所述金属薄膜为金、钛、钨、铂、铬、银、铝、钼、铜或镍；金属薄膜的总厚度为0.1μm至10μm。

6.根据权利要求1所述的MEMS结构与处理电路集成系统的新型封装方法，其特征在于：所述硅盖板（101）的厚度为100μm～800μm，第一浅槽（105）和第二浅槽（106）的深度为10μm～300μm。

7.根据权利要求1所述的MEMS结构与处理电路集成系统的新型封装方法，其特征在于：所述硅盖板（101）为双面抛光硅片，为电阻率大于1Ω·cm的P型或N型硅片。

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