CN103985650A - 封装模具及封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种封装模具及封装方法，所述封装模具包括模具主体，所述模具主体包括沿所述模具主体的轴向依次设置的第一容纳部及第二容纳部，所述第一容纳部用于容纳一第一外部基板，所述第二容纳部用于容纳一第二外部基板，所述第一容纳部的内侧侧壁设置有第一限位面，以在水平方向限位所述第一外部基板，所述第二容纳部的内侧侧壁设置有第二限位面，以在水平方向限位所述第二外部基板，本发明的优点是，将第一外部基板与第二外部基板装入第一容纳部及第二容纳部后，第一外部基板及第二外部基板的相对位置按照封装要求确定，不需要再使用其他装置将第一外部基板与第二外部基板对准，免除了现有封装设备对准功能，降低成本，提高封装效率。

Description

封装模具及封装方法

技术领域

本发明涉及真空封装技术领域，尤其涉及一种封装模具及封装方法。

背景技术

目前，在真空封装方法中，晶圆对晶圆（Wafer-to-Wafer）的整片所有芯片（Die）同时完成封装，封装速率高。但整片晶圆本身的平整度以及晶圆不同区域焊环的均匀性对键合质量影响很大（晶圆尺寸越大，影响越明显）。且整片封装不具备选择性（所有芯片不论好坏都同时封装），从而在很大程度上造成盖板晶圆（Lid）的浪费。 

芯片对晶圆（Chip-to-Wafer）键合质量只与单个芯片（Die）局部平整度和单个焊环均匀性有关（不受整片平整度和均匀性影响），从而成品率大幅提升；而且可只选择好的芯片进行封装，从而大大减少盖板晶圆的用量。但对设备要求高，需要可以步进局部加热加压的功能。 

芯片对芯片（Chip-to-Chip）具备芯片对晶圆键合的优势。如果能在模具设计上，在对准、支撑等方面降低对设备的要求，将对真空封装技术带来有利的效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种封装模具及封装方法，它能够免除现有的封装设备的对准功能，降低成本，提高封装效率。

为了解决上述问题，本发明提供了一种封装模具，包括模具主体，所述模具主体包括沿所述模具主体的轴向依次设置的第一容纳部及第二容纳部，所述第一容纳部用于容纳一第一外部基板，所述第二容纳部用于容纳一第二外部基板，所述第一容纳部的内侧侧壁设置有第一限位面，以在水平方向限位所述第一外部基板，所述第二容纳部的内侧侧壁设置有第二限位面，以在水平方向限位所述第二外部基板。

进一步，所述封装模具还包括插入所述第二容纳部的一个或多个热双金属弹片及设置于所述第二容纳部边缘的凹腔，所述热双金属弹片用于隔离所述第一外部基板与所述第二外部基板，所述凹腔用于容纳受热后的热双金属弹片。 

进一步，通过调节热双金属弹片的高度来调节所述第一外部基板与所述第二外部基板之间的距离。

进一步，所述封装模具还包括一个或多个凹槽，所述凹槽与所述第二容纳部连通，用于放置所述热双金属弹片。

进一步，所述热双金属弹片通过设置在所述模具主体外侧侧壁的螺栓固定。

进一步，所述第一外部基板的焊环的高度与所述第二外部基板的焊环的高度之和设定为第一高度之和，所述第一高度之和与所述第一外部基板的高度之和小于所述第一容纳部的高度与所述热双金属弹片的高度之和。

进一步，所述第一高度之和与所述第一外部基板的高度之和大于所述第一容纳部的高度。

进一步，所述第一限位面为设置在第一容纳部的内侧侧壁的凸起面，所述第二限位面为设置在第二容纳部的内侧侧壁的凸起面。

一种采用上述的封装模具的封装方法，包括如下步骤：将第一外部基板载入所述第一容纳部，所述第一限位面在水平方向限位所述第一外部基板；将所述第二外部基板载入所述第二容纳部，所述第二限位面在水平方向限位所述第二外部基板，所述第一外部基板的焊环与所述第二外部基板的焊环对准；将所述第一外部基板与所述第二外部基板键合。

进一步， 抽真空后，实施加热，使所述热双金属弹片变形弹出，以使所述第一外部基板的焊环与所述第二外部基板的焊环接触。

本发明的一个优点在于，采用第一限位面及第二限位面来确定第一外部基板及第二外部基板的相对位置，使得在将第一外部基板与第二外部基板装入第一容纳部及第二容纳部后，第一外部基板及第二外部基板的相对位置就按照封装的要求确定，不需要再使用其他装置将第一外部基板与第二外部基板对准，免除了现有的封装设备的对准功能，降低成本，提高封装效率。

本发明的另一优点在于，采用热双金属弹片来实现第一外部基板与第二外部基板抽真空时的隔离，免除了现有的封装设备的抽真空时的隔离功能，大大降低了成本，提高了封装效率。

附图说明

图1为本发明封装模具未装配热双金属弹片的结构示意图；

图2为本发明封装模具装配热双金属弹片的结构示意图；

图3为第一外部封装基板的结构示意图；

图4为第二外部封装基板的结构示意图；

图5为本发明封装模具的热双金属弹片受热变形的结构示意图；

图6为第一外部基板装入本发明封装模具的结构示意图；

图7为第一外部基板与第二外部基板均装入本发明封装模具的结构示意图；

图8为加热前第一外部基板、第二外部基板和热双金属弹片之间的位置关系示意图；

图9为加热后第一外部基板、第二外部基板和热双金属弹片之间的位置关系示意图；

图10为加热后第一外部基板、第二外部基板及封装模具之间的位置关系示意图；

图11为本发明封装方法的步骤示意图；

图12A~图12D为本发明封装方法的工艺流程图。

附图标记分别为：

1、模具主体；2、第一容纳部；3、第二容纳部；4、第一限位面；5、第二限位面；6、热双金属弹片；7、凹腔；8、凹槽；9、螺栓；30、第一外部基板；31、第一外部基板的衬底；32、第一外部基板的焊环；40、第二外部基板；41、第二外部基板的衬底；42、第二外部基板的焊环；43、吸气剂；S110~S114、步骤序号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的封装模具及封装方法的具体实施方式做详细说明。

参见图1及图2，本发明封装模具包括模具主体1，所述模具主体1包括沿所述模具主体1的轴向依次设置的第一容纳部2及第二容纳部3。所述第一容纳部2用于容纳一第一外部基板30（标示在图3中），所述第二容纳部3用于容纳一第二外部基板40（标示在图4中）。在本具体实施方式中，所述第一外部基板30为MEMS器件基板，所述第二外部基板40为封盖，本发明封装模具用于将MEMS器件基板与封盖封装。

所述第一容纳部2的内侧侧壁设置有第一限位面4，以在水平方向限位所述第一外部基板30。即将所述第一外部基板30置于所述第一容纳部2中，所述第一限位面4限制所述第一外部基板30在水平方向的移动，以使得在水平方向上所述第一外部基板30只能在公差允许的范围内小幅度移动，从而定位所述第一外部基板30。所述第二容纳部3的内侧侧壁设置有第二限位面5，以在水平方向限位所述第二外部基板40。即将所述第二外部基板40置于所述第二容纳部3中，所述第二限位面5限制所述第二外部基板40在水平方向的移动，以使得在水平方向上所述第二外部基板40只能在公差允许的范围内小幅度移动，从而定位所述第二外部基板40。

进一步，所述第一限位面4为设置在第一容纳部2的内侧侧壁的凸起面。其优点在于，第一限位面4并没有占用所述第一容纳部2的全部的内侧侧壁，仅为设置在第一容纳部2内侧侧壁的部分凸起面，在相邻的第一限位面4之间具有间隔的空隙，便于第一外部基板30的装卸，且节约封装模具制造成本。所述第一限位面4可以任意设置在第一容纳部2的四角或者中间部位，对此，本发明并不加以限制。优选地，为了平衡定位第一外部基板30，所述第一限位面4对称设置。在本具体实施方式中，设置在第一容纳部2的上部和下部的第一限位面4为凸起面，设置在第一容纳部2的侧面的第一限位面4占用所述第一容纳部2的整个内侧侧壁，且第一限位面4对称设置。

进一步，所述第二限位面5为设置在第二容纳部3的内侧侧壁的凸起面。其优点在于，第二限位面5并没有占用所述第二容纳部3的全部的内侧侧壁，仅为设置在第二容纳部3内侧侧壁的部分凸起面，在相邻的第二限位面5之间具有间隔的空隙，便于第二外部基板40的装卸，且节约封装模具制造成本。所述第二限位面5可以任意设置在第二容纳部3的四角或者中间部位，对此，本发明并不加以限制。优选地，为了平衡定位第二外部基板40，所述第二限位面5对称设置。在本具体实施方式中，设置在第二容纳部3的上部、下部及侧面的第二限位面5均为凸起面，且所述第二限位面5对称设置。

进一步，在本具体实施方式中，所述第一限位面4、第二限位面5和模具主体1为整体结构，对尺寸确定且单一的第一外部基板30和第二外部基板40，整体结构因减少了装配误差，对准精度更高。在本发明其他具体实施方式中，所述第一限位面4、第二限位面5和模具主体1为分体结构，所述第一限位面4及第二限位面5可拆卸地安装在所述模具主体1上。优选地，可根据第一外部基板30及第二外部基板40的尺寸来定制所述第一限位面4及第二限位面5的大小，以适应不同尺寸的第一外部基板30及第二外部基板40。 

参见图3，在本具体实施方式中，所述第一外部基板30为MEMS器件基板。所述第一外部基板30包括衬底31、器件（附图中未标示）及焊环32。将所述第一外部基板30放置在所述第一容纳部2中时，所述第一限位面4限制所述衬底31在水平方向的移动幅度。

参见图4，在本具体实施方式中，所述第二外部基板40为封盖。所述第二外部基板40包括衬底41、焊环42及吸气剂43。将所述第二外部基板40放置在所述第二容纳部3中时，所述第二限位面5限制所述衬底41在水平方向的移动幅度。对于吸气剂43的容纳位置，可以通过对第二外部基板40进行深刻蚀形成腔以容纳所述吸气剂43，还可以加高焊环32及焊环42中金属结构的高度形成腔以容纳吸气剂43。在本具体实施方式中，加高焊环32及焊环42中金属结构的高度形成腔以容纳吸气剂43。

本发明封装模具采用第一限位面4及第二限位面5来确定第一外部基板30及第二外部基板40的相对位置，使得在将第一外部基板30与第二外部基板40装入第一容纳部及第二容纳部后，第一外部基板30及第二外部基板40的相对位置就按照封装的要求确定，不需要再使用其他装置将第一外部基板30与第二外部基板40对准。本发明封装模具免除了现有的封装设备的对准功能，降低成本，提高封装效率。

进一步，继续参见图1及图2，所述封装模具还包括插入所述第二容纳部3的一个或多个热双金属弹片6和设置于所述第二容纳部3边缘的凹腔7。所述热双金属弹片6支撑所述第二外部基板40，以隔离所述第一外部基板30与所述第二外部基板40。所述凹腔7用于容纳受热后的热双金属弹片6。

所述封装模具还包括一个或多个凹槽8，所述凹槽8与所述第二容纳部3连通，用于放置所述热双金属弹片6。所述热双金属弹片6通过设置在所述模具主体1外侧侧壁的螺栓9固定。所述热双金属弹片6通过所述凹槽8插入所述第二容纳部3中，所述热双金属弹片6的一部分暴露在所述第二容纳部3中。当所述热双金属弹片6受热，则所述热双金属弹片6会发生弹性形变，所述热双金属弹片6弹入所述凹腔7中，如图5所示。

参见图6，将所述第一外部基板30装入所述封装模具的示意图。所述第一外部基板30的衬底31与所述第一限位面4接触，所述第一限位面4限制所述衬底31在水平方向的移动。所述焊环32朝向所述第二容纳部3。

参见图7，将所述第二外部基板40装入图6所述的封装模具的示意图。所述第二外部基板40的衬底41与所述第二限位面5接触，所述第二限位面5限制所述衬底41在水平方向的移动。所述焊环42朝向所述第一容纳部2。

所述热双金属弹片6支撑所述第二外部基板40。参见图8所示，图8中将第一容纳部2及其周围的模具主体1去除，以清楚说明热双金属弹片6与第一外部基板30及第二外部基板40的相对位置关系。所述热双金属弹片6的一侧面与所述第二外部基板40接触，另一侧面与模具主体1接触，用于支撑所述第二外部基板40，以隔离所述第一外部基板30与所述第二外部基板40，使所述第一外部基板的焊环32与所述第二外部基板的焊环42彼此不接触。优选地，可以通过调节热双金属弹片6的高度来调节所述第一外部基板30与所述第二外部基板40之间的距离，以使所述第一外部基板30与所述第二外部基板40之间的距离满足后续抽真空的需求。

在所述热双金属弹片6受热后，热双金属弹片6发生弹性形变，从所述第二外部基板40与模具主体1之间脱离，如图9及图10所示，热双金属弹片6从所述第二外部基板40与模具主体1之间脱离后，弹入所述凹腔7中，所述第一外部基板的焊环32与所述第二外部基板的焊环42彼此接触。

进一步，所述第一外部基板的焊环32的高度与所述第二外部基板的焊环42的高度之和设定为第一高度之和，所述第一高度之和与所述第一外部基板30的高度之和小于所述第一容纳部2的高度与所述热双金属弹片6的高度之和，以保证在键合前所述焊环32与焊环42之间保留间隙，利于抽真空。又进一步，所述第一高度之和与所述第一外部基板30的高度之和大于所述第一容纳部2的高度，以保证键合时焊环32与焊环42之间能充分接触。

所述热双金属弹片6可选用现有技术中的产品，例如，被动层材料采用Ni含量为34~50%的Fe-Ni合金，主动层则采用黄铜、镍、Fe-Ni-Cr、Fe-Ni-Mn或Mn-Ni-Cu合金等。

本发明采用热双金属弹片6来实现第一外部基板30与第二外部基板40抽真空时的隔离，免除了现有的封装设备的抽真空时的隔离功能，大大降低了成本，提高了封装效率。

本发明还提供一种采用上述的封装模具的封装方法，参见图11，所述封装方法包括如下步骤：步骤S110，将第一外部基板载入所述第一容纳部，所述第一限位面在水平方向限位所述第一外部基板；步骤S111，将所述第二外部基板载入所述第二容纳部，所述第二限位面在水平方向限位所述第二外部基板，所述第一外部基板的焊环与所述第二外部基板的焊环对准；步骤S112，抽真空，使所述封装模具处于真空环境中；步骤S113，加热所述封装模具，以使所述热双金属弹片产生弹性形变；步骤S114，将所述第一外部基板与所述第二外部基板键合。

图12A~图12D为本发明封装方法的工艺流程图。

参见图12A及步骤S110，将第一外部基板30载入所述第一容纳部2，所述第一限位面4在水平方向限位所述第一外部基板30。在本具体实施方式中，所述第一外部基板30为MEMS器件基板。所述第一限位面4限制所述第一外部基板30在水平方向的移动，以使得在水平方向上所述第一外部基板30只能在公差允许的范围内小幅度移动，从而定位所述第一外部基板30。

参见图12B及步骤S111，将所述第二外部基板40载入所述第二容纳部3，所述第二限位面5在水平方向限位所述第二外部基板40。在本具体实施方式中，所述第二外部基板40为封盖。

所述第二限位面5限制所述第二外部基板40在水平方向的移动，以使得在水平方向上所述第二外部基板40只能在公差允许的范围内小幅度移动，从而定位所述第二外部基板40。所述第一外部基板的焊环32与所述第二外部基板的焊环42对准。

所述热双金属弹片6的一侧面与所述第二外部基板40接触，另一侧面与模具主体1接触，用于支撑所述第二外部基板40，以隔离所述第一外部基板30与所述第二外部基板40，使所述第一外部基板的焊环32与所述第二外部基板的焊环42彼此不接触。

参见步骤S112，抽真空，使所述封装模具处于真空环境中。

参见图12C及步骤S113，加热所述封装模具，以使所述热双金属弹片6产生弹性形变。所述热双金属弹片6受热后产生弹性形变，弹入所述凹腔7中。所述第一外部基板30及第二外部基板40之间失去了热双金属弹片6的隔离。在外部施加的压力及自身重力的作用下，所述第二外部基板40沿所述第二限位面5下降直至所述焊环42与所述焊环32接触。

参见图12D及步骤S114，将所述第一外部基板30与所述第二外部基板40键合。所述键合方法为本领域的常规技术，在此不赘述。

键合完成后，降温，待完全冷却后，卸下热双金属弹片6，取出封装好的样品。

下面提供本发明封装方法的一个实施例。

1）将热双金属弹片6通过螺栓9固定于模具主体1的凹槽8中，通过选择热双金属弹片6的高度来调整第一外部基板的焊环32与第二外部基板的焊环42之间所需的间隙。为起到平衡支撑的作用，热双金属弹片6、螺栓9、凹槽8和凹腔7至少为相匹配的四组。

2）选取测试合格的完成所有工艺的第一外部基板30（包括器件的制作、焊环32的制作、划片和释放）和第二外部基板40（包括焊环42的制作、吸气剂43的制作和划片）。 

3）将封装模具放在真空键合设备的匀热板上，并将第一外部基板30水平载入第一容纳部2，且第一限位面4限位所述第一外部基板30，使其在水平方向只能在公差允许的范围内极小幅移动；第一外部基板30底部则直接与匀热板接触，便于加热。

4）将第二外部基板40水平载入第二容纳部3，并置于热双金属弹片6上；且第二限位面5限位所述第二外部基板40，使其在水平方向只能在公差允许的范围内极小幅移动。本实施例中，第一限位面4的左右未挖空，前后的中间区域已挖空，第二限位面5的前后左右的中间区域皆已挖空。此时，由于热双金属弹片6的存在，焊环32和焊环42之间保留着抽真空所需的间隙。

5）依据计算所需键合压力，将相应的质量块压在第二外部基板40表面。 若键合设备具备加压功能，亦可利用键合设备的该功能来加压。

6）抽真空。 

7）加热使热双金属弹片6变形而弹出，进入凹腔7。在质量块或键合设备产生的压力下，第二外部基板40沿着第二限位面5下降，直至焊环32和焊环42接触。

8）依据键合工艺要求，设定升温保温曲线，并在压块的恒定压力或键合设备设定的压力下完成焊环32和焊环42之间的键合，实现真空封装，之后再降温。 

9）待完全冷却后， 卸下热双金属弹片6，并取出封装好的样片。

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)

1.一种封装模具，包括模具主体，所述模具主体包括沿所述模具主体的轴向依次设置的第一容纳部及第二容纳部，所述第一容纳部用于容纳一第一外部基板，所述第二容纳部用于容纳一第二外部基板，其特征在于，所述第一容纳部的内侧侧壁设置有第一限位面，以在水平方向限位所述第一外部基板，所述第二容纳部的内侧侧壁设置有第二限位面，以在水平方向限位所述第二外部基板。

2.根据权利要求1所述的封装模具，其特征在于，所述封装模具还包括插入所述第二容纳部的一个或多个热双金属弹片及设置于所述第二容纳部边缘的凹腔，所述热双金属弹片用于将所述第一外部基板与所述第二外部基板隔离，所述凹腔用于容纳受热后的热双金属弹片。

3.根据权利要求2所述的封装模具，其特征在于，通过调节热双金属弹片的高度来调节所述第一外部基板与所述第二外部基板之间的距离。

4.根据权利要求2所述的封装模具，其特征在于，所述封装模具还包括一个或多个凹槽，每一所述凹槽与所述第二容纳部连通，用于放置所述热双金属弹片。

5.根据权利要求2所述的封装模具，其特征在于，所述热双金属弹片通过设置在所述模具主体外侧侧壁的螺栓固定。

6.根据权利要求2所述的封装模具，其特征在于，所述第一外部基板的焊环的高度与所述第二外部基板的焊环的高度之和设定为第一高度之和，所述第一高度之和与所述第一外部基板的高度之和小于所述第一容纳部的高度与所述热双金属弹片的高度之和。

7.根据权利要求1所述的封装模具，其特征在于，所述第一外部基板的焊环的高度与所述第二外部基板的焊环的高度之和设定为第一高度之和，所述第一高度之和与所述第一外部基板的高度之和大于所述第一容纳部的高度。

8.根据权利要求1所述的封装模具，其特征在于，所述第一限位面为设置在第一容纳部的内侧侧壁的凸起面，所述第二限位面为设置在第二容纳部的内侧侧壁的凸起面。

9.一种采用权利要求1所述的封装模具的封装方法，其特征在于，包括如下步骤： 将第一外部基板载入所述第一容纳部，所述第一限位面在水平方向限位所述第一外部基板； 将所述第二外部基板载入所述第二容纳部，所述第二限位面在水平方向限位所述第二外部基板，所述第一外部基板的焊环与所述第二外部基板的焊环对准； 将所述第一外部基板与所述第二外部基板键合。

10.根据权利要求9所述的封装方法，其特征在于，所述封装模具还包括插入所述第二容纳部的一个或多个热双金属弹片及设置于所述第二容纳部边缘的凹腔，所述热双金属弹片支撑所述第二外部基板，以隔离所述第一外部基板与所述第二外部基板，所述凹腔用于容纳受热后的热双金属弹片；所述键合步骤进一步包括如下步骤： 抽真空后，实施加热，使所述热双金属弹片变形弹出，以使所述第一外部基板的焊环与所述第二外部基板的焊环接触。