CN103910325B - 一种可实现键合间隙精确可控的高可靠性的mems封装结构及封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及MEMS器件封装领域，具体涉及一种通过玻璃浆料键合实现的微机电系统（MEMS）器件的封装结构及封装方法。在盖帽硅晶圆片上紧邻玻璃浆料密封环的两侧设置微凹凼，在内侧微凹凼里侧设置微阻挡凸台的微复合结构，通过微阻挡凸台的精确高度控制键合间隙；多余的具有流动性的熔融浆料在延展过程中会垂直流入微凹凼中，有效地解决了多余浆料的处理问题；降低残余应力对键合强度和气密性的影响。本发明的方法在丝网印刷前，在盖帽晶圆片上刻蚀出微凹凼；在带有微凹凼的盖帽晶圆片上刻蚀出微阻挡凸台；通过丝网印刷机的精密定位，将玻璃浆料精确地印刷两侧微凹凼之间；制作复合键合结构的盖帽晶圆片与带有可动结构的硅基底进行真空键合。

Description

一种可实现键合间隙精确可控的高可靠性的MEMS封装结构及封装方法

技术领域

本发明涉及MEMS器件封装领域，具体涉及一种通过玻璃浆料键合实现的微机电系统（MEMS）器件的封装结构及封装方法。

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。真空封装对许多MEMS（微机电系统）器件而言是必不可少的，它不仅保护器件免受外部机械损坏从而保证器件的长期稳定性和可靠性，同时降低了空气阻尼对器件中的可动结构产生的能量耗散，提高了器件的性能。封装工艺通常作为MEMS器件制备的后端工序，在封装温度、封接界面的几何形貌、器件结构与外部电路的电互联等方面都对封装工艺提出了诸多要求或限制。正因为如此，在应用于MEMS器件的众多真空封装技术中，玻璃浆料键合技术由于其具有的对表面粗糙度要求较低、材料兼容性好、不需要额外的电绝缘等优点，成为MEMS器件真空封装技术的首选。当前，研究玻璃浆料键合结构和工艺流程的合理设计、掌握玻璃浆料键合技术对MEMS真空封装器件的稳定性的影响因素和规律成为提高气密性和键合强度从而推动玻璃浆料键合技术产业化应用的关键。

键合结构和工艺流程的不合理设计导致的残余应力过于集中、多余浆料大范围扩展和玻璃浆料中间层厚度无法精确控制三大问题是制约通过玻璃浆料键合进行真空封装的MEMS器件可靠性的直接原因。因此，必须在分析固有残余应力分布规律以及工艺参数对残余应力的影响机制的基础上，合理设计玻璃浆料的键合结构和工艺流程，实现残余应力的调控、多余浆料的处理和键合间隙的精密可控，从而提高键合工艺的可靠性。

现有技术中还没有一个通过键合结构的优化和关键工艺参数的调整的有效的技术方案，来同时解决残余应力、多余浆料以及键合间隙可控这三个问题，这也是行业亟待解决的难题。

发明内容

解决上述技术问题，本发明提供了一种可实现键合间隙精确可控的高可靠性的MEMS封装结构，在盖帽硅晶圆片上紧邻玻璃浆料密封环的两侧设置微凹凼，在内侧微凹凼里侧设置微阻挡凸台的微复合结构，通过微阻挡凸台的精确高度控制键合间隙；多余的具有流动性的熔融浆料在延展过程中会垂直流入微凹凼中，有效地解决了多余浆料的处理问题；同时，键合界面处的微阻挡凸台和微凹凼也是应力调控微结构，通过精心优化微复合结构，解决残余应力在键合界面处集中的问题，实现残余应力的调控，降低残余应力对键合强度和气密性的影响。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种可实现键合间隙精确可控的高可靠性的MEMS封装结构，包括相配适的硅基底和硅盖帽晶圆片，所述硅基底上设有凹腔，凹腔上设有可动微结构及附属引线，所述硅盖帽晶圆片上开设有封闭的外侧微凹凼和内侧微凹凼，所述硅盖帽晶圆片上以所述外侧微凹凼和内侧微凹凼为界分为外部区域、中部区域和内部区域，所述中部区域上设有玻璃浆料密封环，所述内部区域上设有微阻挡凸台，当硅基底和硅盖帽晶圆片配合时，所述玻璃浆料密封环与该硅基底紧密贴合，且所述玻璃浆料密封环在硅基底的投影位于该凹腔外，所述微阻挡凸台在硅基底的投影位于该凹腔内。

进一步的，所述外侧微凹凼和内侧微凹凼均为矩形封闭结构。

进一步的，所述玻璃浆料密封环也为矩形封闭环。

进一步的 ，所述外侧微凹凼和内侧微凹凼的宽度均为100~150μm，所述外侧微凹凼和内侧微凹凼的深度均为30~45μm。

进一步的，所述微阻挡凸台的高度为8~12μm，宽度为50μm。

进一步的，所述玻璃浆料密封环的高度和宽度分别为8~12μm和200~300 μm，且该玻璃浆料密封环与外侧微凹凼最近边缘之间的距离为80~120μm，且该玻璃浆料密封环与内侧微凹凼最近边缘之间的距离为80~120μm。

本发明还提供了一种制作上述的可实现键合间隙精确可控的高可靠性的MEMS封装结构的MEMS封装方法，包括以下步骤：

步骤1：在硅基底上设置凹腔，并在凹腔上制作可动微结构及附属引线，

步骤2：在硅盖帽晶圆片制作封闭的外侧微凹凼和内侧微凹凼，用所述外侧微凹凼和内侧微凹凼将硅盖帽晶圆片界定出外部区域、中部区域和内部区域，

步骤3：在硅盖帽晶圆片的中部区域上淀积玻璃浆料密封环，在所述内部区域上制作微阻挡凸台，形成具有微外侧凹凼、玻璃浆料、内侧微凹凼和微阻挡凸台的微复合结构，

步骤4：将制作硅基底与微复合结构的盖帽晶圆片在键合机中进行精确对准，将所述玻璃浆料密封环与该硅基底紧密贴合，并加温加压进行玻璃浆料密封性键合。

进一步的，所述外侧微凹凼和内侧微凹凼均为矩形封闭结构。

进一步的，所述玻璃浆料密封环也为矩形封闭环。

进一步的，所述外侧微凹凼和内侧微凹凼的宽度均为100~150μm，所述外侧微凹凼和内侧微凹凼的高度均为30~45μm。

进一步的，所述微阻挡凸台的高度和宽度分别为8~12μm和50μm。

进一步的，所述玻璃浆料密封环的高度和宽度分别为8~12μm和200~300 μm，且该玻璃浆料密封环与外侧微凹凼最近边缘之间的距离为80~120μm，且该玻璃浆料密封环与内侧微凹凼最近边缘之间的距离为80~120μm。

进一步的，所述盖帽晶圆片上的外侧微凹凼和内侧微凹凼是通过ICP刻蚀工艺加工而成。

进一步的，所述盖帽晶圆片上的微阻挡凸台是通过ICP刻蚀工艺加工而成。

本发明通过采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明的封装结构的有益效果是：在硅盖帽晶圆片上设置微外侧凹凼、玻璃浆料、内侧微凹凼和微阻挡凸台，形成具有微外侧凹凼、玻璃浆料、内侧微凹凼和微阻挡凸台的微复合结构，通过玻璃浆料两侧的微凹凼来承接键合过程中外扩的残余浆料，避免残余浆料对可动结构产生污染，能够在键合时实现键合间隙的精确控制；通过微阻挡凸台的精确高度控制玻璃浆料键合中间层的高度，实现密闭空间的可控性，能够有效防止多余玻璃浆料对微腔内部可控结构的污染，提高玻璃浆料键合实现的MEMS器件封装的可靠性度；由微凹凼、玻璃浆料层和微阻挡凸台组成的微复合结构能够极大降低玻璃浆料层的残余热应力，提高通过玻璃浆料键合实现的MEMS器件封装的可靠性和稳定性，能够有效降低玻璃浆料键合由于浆料与硅之间的热膨胀系数的不匹配引入的残余热应力从而增大MEMS器件的稳定性；

2、本发明的封装方法的有益效果是：本发明                                                在丝网印刷前，在盖帽晶圆片上刻蚀出微凹凼；在带有微凹凼的盖帽晶圆片上刻蚀出微阻挡凸台；通过丝网印刷机的精密定位，将玻璃浆料精确地印刷两侧微凹凼之间；制作有微凹凼（外侧）——玻璃浆料密封环（中间）——微凹凼（内侧）——微阻挡凸台（里侧）复合键合结构的盖帽晶圆片与带有可动结构的硅基底进行真空键合。

附图说明

图1为本发明的实施例的在硅基底结构示意图；

图2为本发明的实施例的硅基底和盖帽晶圆片键合的结构示意图；

图3为图2的剖视图；

图4为最大热应力随着玻璃浆料宽度的变化趋势；

图5为最大热应力随着凹凼深度和宽度的变化趋势；

图6为最大热应力随着凹凼深度和玻璃浆料宽度的变化趋势；

图7为最大热应力随着凸台宽度的变化趋势。

简单符号说明

   101硅基底    102可动结构（悬臂梁）    103附属引线    201硅盖帽晶圆片    202外侧微凹凼    203 内侧微凹凼    204 玻璃浆（密封）料环    205 微阻挡凸台。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

作为一个具体的实施例，如图1至图3所示，本发明的一种可实现键合间隙精确可控的高可靠性的MEMS封装结构，包括相配适的硅基底和硅盖帽晶圆片，所述硅基底101上设有凹腔，凹腔上设有可动微结构102及附属引线103， 可动微结构102是通过光刻、刻蚀、扩散等微加工工艺制作的，附属引线103为金属（Al）引线103，其为可动微结构102与外部环境提供电气连接。

所述硅盖帽晶圆片201上开设有封闭的外侧微凹凼202和内侧微凹凼203，所述外侧微凹凼202和内侧微凹凼203均为矩形封闭结构，外侧的微凹凼202和内侧的微凹凼203是通过ICP刻蚀等工艺制作的，外侧的微凹凼202和内侧的微凹凼203的深度和宽度通过优化使得硅基底-玻璃浆料-硅盖帽层三层键合结构的热应力达到最小，具体的，所述外侧微凹凼和内侧微凹凼的宽度b1为100~150μm，所述外侧微凹凼和内侧微凹凼的高度h3为30~45μm。

所述硅盖帽晶圆片201上以所述外侧微凹凼202和内侧微凹凼203为界分为外部区域、中部区域和内部区域，所述中部区域上设有玻璃浆料密封环，所述玻璃浆料密封环也为矩形封闭环，所述内部区域上设有微阻挡凸台，微阻挡凸台205是通过ICP刻蚀等工艺制作的，其高度b4由键合间隙决定，典型值为8~12μm，最优值为10μm；其宽度通过优化使得硅基底-玻璃浆料-硅盖帽层三层键合结构的热应力达到最小。所述微阻挡凸台205的高度h1和宽度b4分别为10μm和50μm。

当硅基底101和硅盖帽晶圆片201配合时，所述玻璃浆料密封环204与该硅基底紧密贴合，且所述玻璃浆料密封环在硅基底的投影位于该凹腔外，所述微阻挡凸台在硅基底的投影位于该凹腔内。玻璃浆料密封环204是通过精密丝网印刷工艺制得的，通过对准精确地淀积外侧微凹凼202与内侧微凹凼203之间，玻璃浆料选择Ferro公司的FX-11036浆料所述玻璃浆料密封环204的高度h1和宽度b3分别为8~12μm和200~300 μm，且该玻璃浆料密封环与两侧微凹凼最近边缘之间的距离b2为80~120μm。

本实施例（1）在硅盖帽晶圆片201上设置微外侧凹凼、玻璃浆料、内侧微凹凼和微阻挡凸台，形成具有微外侧凹凼、玻璃浆料、内侧微凹凼和微阻挡凸台的微复合结构，通过玻璃浆料两侧的微凹凼来承接键合过程中外扩的残余浆料，避免残余浆料对可动结构产生污染，能够在键合时实现键合间隙的精确控制；通过微阻挡凸台的精确高度控制玻璃浆料键合中间层的高度，实现密闭空间的可控性，能够有效防止多余玻璃浆料对微腔内部可控结构的污染，提高玻璃浆料键合实现的MEMS器件封装的可靠性度；由微凹凼、玻璃浆料层和微阻挡凸台组成的微复合结构能够极大降低玻璃浆料层的残余热应力，提高通过玻璃浆料键合实现的MEMS器件封装的可靠性和稳定性，能够有效降低玻璃浆料键合由于浆料与硅之间的热膨胀系数的不匹配引入的残余热应力从而增大MEMS器件的稳定性；

(2)本实施例通过在盖帽硅晶圆片上设置内侧和外侧微凹凼，能够用于承载多余浆料的空间，其是通过硅微加工技术制作而成；

（3）本实施例通过在盖帽晶圆片上设置微阻挡凸台，能够用于精确控制玻璃浆料键合间隙和防止多余浆料对预封装的可动结构的污染，其是通过硅微加工工艺制作而成；

（4）本实施例通过精密丝网印刷在制作有内外微凹凼和微阻挡凸台的盖帽硅晶圆片的中部区域沉积玻璃浆料密封环，能够将玻璃浆料密封环精确沉积在两侧微凹凼之间的空间中；

（5）本实施例根据玻璃浆料高度的典型值为10 μm的控制要求，确定为阻挡凸台的高度为10 μm。在此基础上，通过调整玻璃浆料环的宽度、微凹凼的宽度和深度、微阻挡凸台的宽度来调控残余热应力。

没有微凹凼和微阻挡凸台时，最大热应力随着玻璃浆料宽度的变化趋势如附图4所示，兼顾玻璃浆料的丝网印刷工艺对线宽的要求，可确定玻璃浆料线宽的优化尺寸范围为200~300 μm。

再次，确定微凹凼的宽度。遵循由浅入深的原则，只在玻璃浆料环的外侧设有微凹凼和里侧设有微阻挡凸台(称为单凹凼微复合结构)，得到最大热应力随着微凹凼的宽度和深度的变化趋势如附图5所示，可以得出，当凹凼宽度为450 μm，凹凼深度为20 μm时，玻璃浆料环的热应力最小，但凹凼宽度过大会导致封装尺寸太大。当凹凼宽度为100 μm，凹凼深度为30 μm时，玻璃浆料环的热应力值比较小；凹凼宽度为150 μm，随着凹凼深度的变化，其热应力变化比较平稳。由此，确定微凹凼的宽度范围为100~150 μm。

确定凹凼的深度。在以上尺寸和结构的基础上，增加了玻璃浆料内侧的微凹凼，构成双凹凼微复合结构。附图5为热应力随着玻璃浆料环的宽度以及两侧凹凼宽度的变化趋势，由图可知，与单凹凼微结构相比，双凹凼微结构可以将热应力减小2个数量级；，随着玻璃浆料环宽度的增大，同一凹凼深度下热应力增大了；同一玻璃浆料环宽度下，随着两侧微凹凼深度的增加，最大热应力也呈现出增大的趋势；微凹凼深度在30~45μm时，最大热应力较小。

 确定微阻挡凸台的宽度。附图7为热应力随着微阻挡凸台的宽度的变化趋势，由此可知，微阻挡凸台宽度的优化取值为50μm。

考虑到对准的精确性和丝网印刷等工艺的可控性和可操作性，玻璃浆料环边缘与两侧微凹凼之间的间距定为80~120 μm。

本发明还提供了一种利用制作上述的可实现键合间隙精确可控的高可靠性的MEMS封装结构进行MEMS封装的方法，包括以下步骤：

步骤1：在硅基底上设置凹腔，并在凹腔上制作可动微结构及附属引线，

步骤2：在硅盖帽晶圆片制作封闭的外侧微凹凼和内侧微凹凼，用所述外侧微凹凼和内侧微凹凼将硅盖帽晶圆片界定出外部区域、中部区域和内部区域，所述外侧微凹凼和内侧微凹凼均为矩形封闭结构。所述盖帽晶圆片上的外侧微凹凼和内侧微凹凼是通过ICP刻蚀等工艺加工而成。所述外侧微凹凼和内侧微凹凼的宽度均为100~150μm，所述外侧微凹凼和内侧微凹凼的深度均为30~45μm。

步骤3：在硅盖帽晶圆片的中部区域上淀积玻璃浆料密封环，所述玻璃浆料密封环也为矩形封闭环，所述玻璃浆料密封环的高度和宽度分别为8~12μm和200~300 μm，且该玻璃浆料密封环与外侧微凹凼最近边缘之间的距离为80~120μm，且该玻璃浆料密封环与内侧微凹凼最近边缘之间的距离为80~120μm，在所述内部区域上制作微阻挡凸台，所述微阻挡凸台的高度和宽度分别为8~12μm和50μm。形成具有微外侧凹凼、玻璃浆料、内侧微凹凼和微阻挡凸台的微复合结构，所述盖帽晶圆片上的微阻挡凸台是通过ICP刻蚀等工艺加工而成。

步骤4：将硅盖帽晶圆硅片201与承载着MEMS微结构的硅基底101经对准键合，将所述玻璃浆料密封环与该硅基底紧密贴合，在约440 ℃的键合温度和约1000 mBar的键合压力下熔化并湿润键合区的表面，然后逐渐冷却实现气密性的圆片级键合。键合间隙由微阻挡凸台205的高度精确控制，多余浆料在键合过程中扩展流入两侧的微凹凼202、203中。同时，金属（Al）引线103穿过玻璃浆料键合中间层，实现密闭微腔中的MEMS结构与外部环境之间的电气连接。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可实现键合间隙精确可控的高可靠性的MEMS封装结构，其特征在于：包括相配适的硅基底和硅盖帽晶圆片，所述硅基底上设有凹腔，凹腔上设有可动微结构，所述硅盖帽晶圆片上开设有封闭的外侧微凹凼和内侧微凹凼，所述硅盖帽晶圆片上以所述外侧微凹凼和内侧微凹凼为界分为外部区域、中部区域和内部区域，所述中部区域上设有玻璃浆料密封环，所述内部区域上设有微阻挡凸台，当硅基底和硅盖帽晶圆片配合时，所述玻璃浆料密封环与该硅基底紧密贴合，且所述玻璃浆料密封环在硅基底的投影位于该凹腔外，所述微阻挡凸台在硅基底的投影位于该凹腔内。

2.根据权利要求1所述的一种可实现键合间隙精确可控的高可靠性的MEMS封装结构，其特征在于：所述外侧微凹凼和内侧微凹凼的宽度均为100~150μm，所述外侧微凹凼和内侧微凹凼的深度均为30~45μm。

3.根据权利要求1所述的一种可实现键合间隙精确可控的高可靠性的MEMS封装结构，其特征在于：所述微阻挡凸台的高度和宽度分别为8~12μm和50μm。

4.根据权利要求1所述的一种可实现键合间隙精确可控的高可靠性的MEMS封装结构，其特征在于：所述玻璃浆料密封环的高度和宽度分别为8~12μm和200~300 μm，且该玻璃浆料密封环与外侧微凹凼最近边缘之间的距离为80~120μm，且该玻璃浆料密封环与内侧微凹凼最近边缘之间的距离为80~120μm。

5.一种制作上述权利要求1至4任一项可实现键合间隙精确可控的高可靠性的MEMS封装结构的MEMS封装方法，包括以下步骤：

步骤1：在硅基底上设置凹腔，并在凹腔上制作可动微结构及附属引线，

步骤2：在硅盖帽晶圆片制作封闭的外侧微凹凼和内侧微凹凼，用所述外侧微凹凼和内侧微凹凼将硅盖帽晶圆片界定出外部区域、中部区域和内部区域，

步骤3：在硅盖帽晶圆片的中部区域上淀积玻璃浆料密封环，在所述内部区域上制作微阻挡凸台，形成具有微外侧凹凼、玻璃浆料、内侧微凹凼和微阻挡凸台的微复合结构，

步骤4：将制作硅基底与微复合结构的盖帽晶圆片在键合机中进行精确对准，将所述玻璃浆料密封环与该硅基底紧密贴合，并加温加压进行玻璃浆料密封性键合。

6.根据权利要求5所述的封装方法，其特征在于：所述外侧微凹凼和内侧微凹凼的宽度均为100~150μm，所述外侧微凹凼和内侧微凹凼的深度均为30~45μm。

7.根据权利要求5所述的封装方法，其特征在于：所述微阻挡凸台的高度和宽度分别为8~12μm和50μm。

8.根据权利要求5所述的封装方法，其特征在于：所述玻璃浆料密封环的高度和宽度分别为8~12μm和200~300 μm，且该玻璃浆料密封环与外侧微凹凼最近边缘之间的距离为80~120μm，且该玻璃浆料密封环与内侧微凹凼最近边缘之间的距离为80~120μm。