CN104445046B - 新型晶圆级mems芯片封装结构及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型晶圆级MEMS芯片封装结构及其封装方法，该封装结构包括MEMS芯片和覆盖硅板，MEMS芯片的正面与覆盖硅板的正面用一密封圈和间隔排布的若干个用于电连接MEMS芯片的PIN脚的金属凸点键合连接；覆盖硅板的背面设有布线电路，覆盖硅板的周边设有与金属凸点对应的导电通孔，且导电通孔位于密封圈和金属凸点之间，导电通孔电连接金属凸点和布线电路。本发明封装结构将封装过程巧妙的移植到覆盖硅板上，避免了在MEMS芯片背面进行加工，从而使得可操作空间更大，使得更加复杂的MEMS芯片能够得到稳定地电性能导通并且可以方便快捷地封装。
Description
技术领域
本发明涉及半导体MEMS芯片晶圆级封装领域，尤其涉及一种具有导电通孔、内凹和再布线电路的硅覆盖板的新型晶圆级MEMS芯片封装结构及其封装方法。
背景技术
MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)芯片封装，是一种新的封装领域，其芯片主要应用于传感器。目前，在MEMS芯片封装过程中，普遍的结构是采用玻璃或者硅作为覆盖板，在MEMS芯片背面进行研磨，打孔，制作线路，植球等封装流程，但是由于MEMS芯片内部含有腔体，对于MEMS芯片研磨后的高度有一定的限制，这样在后续的封装过程中，MEMS芯片背面的可操作空间有限，使得这样的封装结构仅限于线路较少，功能简单的芯片。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种新型晶圆级MEMS芯片封装结构及其封装方法，该封装结构由一块带有导电通孔和再布线电路的硅覆盖板和MEMS芯片键合而成，连接方式是采用金属凸点和密封圈通过回流焊工艺进行焊接。这种封装结构将封装过程移植到覆盖硅板上，因此，能够使可封装空间变大，从而能够应用于线路更多更复杂的芯片。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种新型晶圆级MEMS芯片封装结构，包括MEMS芯片和覆盖硅板，所述MEMS芯片的正面与所述覆盖硅板的正面用一密封圈和间隔排布的若干个用于电连接所述MEMS芯片的PIN脚的金属凸点键合连接；所述覆盖硅板的背面设有布线电路，所述覆盖硅板的周边设有与所述金属凸点对应的导电通孔，且所述导电通孔位于所述密封圈和所述金属凸点之间，所述导电通孔电连接所述金属凸点和所述布线电路。
作为本发明的进一步改进，所述MEMS芯片的正面与所述覆盖硅板的正面用一密封圈和间隔排布的若干个用于电连接所述MEMS芯片的PIN脚的金属凸点键合连接的结构是：所述MEMS芯片的正面中部具有空腔，所述MEMS芯片的正面周边排布有若干个PIN脚，所述MEMS芯片的正面除空腔和PIN脚以外的区域上覆盖有一层第一绝缘层，所述第一绝缘层上设有位于所述空腔周边的具有设定宽度和设定高度的第一密封圈，每个所述PIN脚上制作有第一金属凸点；所述覆盖硅板的正面对应位置上设有具有设定宽度和设定高度的第二密封圈，所述覆盖硅板的正面对应位置上制作有第二金属凸点，所述第一密封圈与所述第二密封圈之间键合密封连接，所述第一金属凸点与所述第二金属凸点之间键合电连接。
作为本发明的进一步改进，所述导电通孔包括在所述覆盖硅板上形成的开孔和依次覆盖在所述开孔的孔壁上的一层第二绝缘层和一层金属层，所述第二绝缘层和所述金属层延伸至所述覆盖硅板的正面和背面；所述金属层延伸至所述覆盖硅板的背面上的部分形成所述布线电路；所述金属层延伸至所述覆盖硅板的正面上的部分与所述第二金属凸点电导通；覆盖所述金属层后的所述开孔内填充有有机绝缘材料。
作为本发明的进一步改进，所述金属层延伸至所述覆盖硅板的背面上的部分上植有若干个用于与外界电连接的球；所述覆盖硅板的背面上除所述球以外的区域行覆盖有一层第三绝缘层；所述第一密封圈与所述第一金属凸点之间，以及所述第二密封圈与所述第二金属凸点之间填充有底部填充胶。
作为本发明的进一步改进，所述金属层为单层金属或多层金属，所述金属层为单层金属时，其材质为铝或铜；所述金属层为多层金属时，其中的第一层金属的材质为钛、铝和铜中的一种或至少两种的合金，覆盖于该第一层金属之上的第二层金属的材质为镍、金、银、钛、钴和铜中的一种或至少两种的合金。
作为本发明的进一步改进，所述第一金属凸点和所述第二金属凸点的材质为铜、锡、金、银、镍和铝中的一种或至少两种的合金；所述第一密封圈和所述第二密封圈的材质为具有设定强度的金属，该金属为铜或金。
作为本发明的进一步改进，所述覆盖硅板的正面中部内缩形成一内凹1，所述内凹位于所述第二密封圈内，且所述内凹沿所述导电通孔轴向的截面为梯形或矩形或半圆形。
作为本发明的进一步改进，所述内凹与所述空腔形成一腔体，所述腔体内为真空或充入有设定压力的气体9；所述腔体内充入所述气体时，所述气体为氮气、氦气、六氟化硫和硅烷中的至少一种。
一种新型晶圆级MEMS芯片封装结构的封装方法，包括如下步骤：
a、提供一个MEMS芯片，所述MEMS芯片的正面中部具有空腔，所述MEMS芯片的正面周边排布有若干个PIN脚，所述MEMS芯片的正面除空腔和PIN脚以外的区域上覆盖有一层第一绝缘层，所述第一绝缘层上设有位于所述空腔周边的具有设定宽度和设定高度的第一密封圈，所述PIN脚上制作有第一金属凸点；
b、提供一个用于覆盖所述MEMS芯片的覆盖硅板，在所述覆盖硅板的背面上覆盖光刻胶，并使其图案化，依据光刻胶图案在所述覆盖硅板上蚀刻出若干个连通所述覆盖硅板正面和背面的开孔；
c、在步骤b形成的开孔的孔壁上覆盖一层第二绝缘层，并且延伸至所述覆盖硅板的正面和背面；
d、在步骤c形成的第二绝缘层上面覆盖一层金属层，并且将所述金属层位于所述覆盖硅板背面上的部分进行图案化处理；
e、用有机绝缘材料将步骤d覆盖金属层后的开孔进行填充，形成导电通孔；
f、在步骤c形成的金属层位于所述覆盖硅板背面上的部分上覆盖一层第三绝缘层，并露出部分金属层；
g、在步骤c形成的金属层位于所述覆盖硅板正面上的部分上制作与所述第一金属凸点相对应的第二金属凸点；
h、在步骤b形成的开孔的周围制作具有设定宽度和高度的与所述第一密封圈相对应的第二密封圈；
i、将所述MEMS芯片与所述覆盖硅片进行键合连接，通过回流焊工艺将所述第一金属凸点与所述第二金属凸点，以及所述第一密封圈与所述第二密封圈进行焊接；
j、在步骤f露出的部分金属层上，进行植球；
作为本发明的进一步改进，还包括在所述覆盖硅板的正面蚀刻出具有设定体积内凹的步骤。
本发明的有益效果是：本发明提供一种新型晶圆级MEMS芯片封装结构及其封装方法，通过覆盖硅板正面上的第二金属凸点与MEMS芯片正面上的第一金属凸点的键合连接，以及覆盖硅板正面上的第二密封圈与MEMS芯片正面上的第一密封圈的键合密封连接，实现覆盖硅板与MEMS芯片的键合封装，同时通过在覆盖硅板背面形成布线电路，在覆盖硅板上形成电连接该布线电路和第二金属凸点的导电通孔，实现电连接覆盖硅板上的布线电路与MEMS芯片上的PIN脚的目的，此外，在覆盖硅板的背面形成内凹，在MEMS芯片与覆盖硅板键合连接时，该内凹与MEMS芯片具有的空气形成一密闭腔体，从而保证腔体内部的气体不会对外泄露。由上可知，本发明避免了在MEMS芯片背面进行加工，而在覆盖硅板背面进行开孔，布置线路，开内凹，键合，植球，从而使得可操作空间更大，使得更加复杂的MEMS芯片能够得到稳定地电性能导通并且可以方便快捷地封装。
附图说明
图1为本发明中MEMS芯片截面结构示意图；
图2为本发明中覆盖硅板截面结构示意图；
图3为图2中箭头S指向的正视图；
图4为本发明覆盖硅板与MEMS芯片键合连接后的截面结构示意图；
图5为本发明晶圆级MEMS芯片封装结构的工艺流程图。
结合附图，作以下说明：
A——MEMS芯片B——覆盖硅板
1——内凹2——开孔
3——第二绝缘层4——金属层
5——球6——第一金属凸点
6′——第二金属凸点7——PIN脚
8——有机绝缘材料9——气体
10——第一密封圈10′——第二密封圈
11——第三绝缘层12——空腔
13——第一绝缘层
具体实施方式
如图4所示，一种新型晶圆级MEMS芯片封装结构，包括MEMS芯片A和覆盖硅板B。
参见图1，所述MEMS芯片的正面中部具有空腔12，所述MEMS芯片的正面周边排布有若干个PIN脚7，所述MEMS芯片的正面除空腔和PIN脚以外的区域上覆盖有一层第一绝缘层13，该第一绝缘层用来隔离MEMS芯片上的硅，防止短路，第一绝缘层的材料可以是无机非金属材料，如二氧化硅，也可以是高分子绝缘材料，如光刻胶等。所述第一绝缘层上设有位于所述空腔周边的具有设定宽度和设定高度的第一密封圈10，每个所述PIN脚上制作有第一金属凸点6；通常该第一密封圈宽度在10μm以上，该第一密封圈与边缘的第一金属凸点要隔开一定的距离，具体宽度根据MEMS芯片大小而制定。
参见图2，所述覆盖硅板B的正面对应第一密封圈10的位置上设有具有设定宽度和设定高度的第二密封圈10′，所述覆盖硅板的正面对应第一金属凸点6位置上制作有第二金属凸点6′，所述覆盖硅板的背面设有布线电路，所述覆盖硅板的周边设有与所述第一金属凸点对应的导电通孔，且所述导电通孔位于所述密封圈和所述金属凸点之间，所述导电通孔电连接所述金属凸点和所述布线电路。
优选的，所述导电通孔包括在所述覆盖硅板上形成的开孔2和依次覆盖在所述开孔的孔壁上的一层第二绝缘层3和一层金属层4，所述第二绝缘层和所述金属层延伸至所述覆盖硅板的正面和背面；所述金属层延伸至所述覆盖硅板的背面上的部分形成所述布线电路；所述金属层延伸至所述覆盖硅板的正面上的部分与所述第二金属凸点电导通；覆盖所述金属层后的所述开孔内填充有有机绝缘材料8，以此保护开孔的孔壁上的金属层4不被氧化腐蚀。
优选的，所述金属层延伸至所述覆盖硅板的背面上的部分上植有若干个用于与外界电连接的球5；所述覆盖硅板的背面上除所述球以外的区域行覆盖有一层第三绝缘层11。上述结构中，通过植球作为后续整个MEMS芯片封装完成之后与外界连接的电信号窗口，实现布线电路与外界的电连接。上述结构中通过在金属层上覆盖一层第三绝缘层以防止金属层被氧化腐蚀而造成短路或者断路。
优选的，所述导电通孔的形状为上下开口直径相等的直孔或上下开口不等的斜孔，且所述导电通孔的径向截面为圆形或方形或椭圆形。
优选的，所述金属层为单层金属，所述金属层的材质为铝或铜。
优选的，所述金属层为多层金属，其中，第一层金属的材质为钛、铝和铜中的一种或至少两种的合金，覆盖于第一层金属之上的第二层金属的材质为镍、金、银、钛、钴和铜中的一种或至少两种的合金。
优选的，所述第一金属凸点和所述第二金属凸点的材质为铜、锡、金、银、镍和铝中的一种或至少两种的合金。
优选的，所述第一密封圈和所述第二密封圈的材质为具有设定强度的金属，该金属为铜或金。
优选的，所述第一密封圈与所述第一金属凸点之间，以及所述第二密封圈与所述第二金属凸点之间填充有底部填充胶。
优选的，所述覆盖硅板的正面中部内缩形成一内凹1，所述内凹位于所述第二密封圈内，且所述内凹沿所述导电通孔轴向的截面为梯形或矩形或半圆形。
优选的，所述内凹与所述空腔形成一腔体，所述腔体内为真空或充入有设定压力的气体9。
优选的，所述内凹与所述空腔形成一腔体，所述腔体内充入有设定压力的气体，所述气体为氮气、氦气、六氟化硫和硅烷中的至少一种。
参见图3，所述MEMS芯片的正面与所述覆盖硅板的正面键合连接时，所述第一密封圈与所述第二密封圈之间键合密封连接，所述第一金属凸点与所述第二金属凸点之间键合电连接。
参见图5，一种新型晶圆级MEMS芯片封装结构的封装方法，包括如下步骤：
a、提供一个MEMS芯片，所述MEMS芯片的正面中部具有空腔，所述MEMS芯片的正面周边排布有若干个PIN脚，所述MEMS芯片的正面除空腔和PIN脚以外的区域上覆盖有一层第一绝缘层，所述第一绝缘层上设有位于所述空腔周边的具有设定宽度和设定高度的第一密封圈，所述PIN脚上制作有第一金属凸点；
b、提供一个用于覆盖所述MEMS芯片的覆盖硅板，在所述覆盖硅板的背面上覆盖光刻胶，并使其图案化，依据光刻胶图案在所述覆盖硅板上蚀刻出若干个连通所述覆盖硅板正面和背面的开孔；
c、在步骤b形成的开孔的孔壁上覆盖一层第二绝缘层，并且延伸至所述覆盖硅板的正面和背面；
d、在步骤c形成的第二绝缘层上面覆盖一层金属层，并且将所述金属层位于所述覆盖硅板背面上的部分进行图案化处理；
e、用有机绝缘材料将步骤d覆盖金属层后的开孔进行填充，形成导电通孔；
f、在步骤c形成的金属层位于所述覆盖硅板背面上的部分上覆盖一层第三绝缘层，并露出部分金属层；
g、在步骤c形成的金属层位于所述覆盖硅板正面上的部分上制作与所述第一金属凸点相对应的第二金属凸点；
h、在步骤b形成的开孔的周围制作具有设定宽度和高度的与所述第一密封圈相对应的第二密封圈；
i、将所述MEMS芯片与所述覆盖硅片进行键合连接，通过回流焊工艺将所述第一金属凸点与所述第二金属凸点，以及所述第一密封圈与所述第二密封圈进行焊接。
J、在步骤f露出的部分金属层上，进行植球。
优选的，还包括在所述覆盖硅板的正面蚀刻出具有设定体积内凹的步骤。
参见图5，该工艺流程主要有覆盖硅板蚀刻出开孔、第二绝缘层制作、再布线电路制作、化学镀或电镀、第二金属凸点和第二密封圈制作、内凹刻蚀、覆盖硅板与MEMS芯片键合和植球等。
综上，本发明提供一种新型晶圆级MEMS芯片封装结构及其封装方法，通过覆盖硅板正面上的第二金属凸点与MEMS芯片正面上的第一金属凸点的键合连接，以及覆盖硅板正面上的第二密封圈与MEMS芯片正面上的第一密封圈的键合密封连接，实现覆盖硅板与MEMS芯片的键合封装。同时通过在覆盖硅板背面形成布线电路，在覆盖硅板上形成电连接该布线电路和第二金属凸点的导电通孔，实现电连接覆盖硅板上的布线电路与MEMS芯片上的PIN脚的目的，此外，在覆盖硅板的背面形成内凹，在MEMS芯片与覆盖硅板键合连接时，该内凹与MEMS芯片具有的空气形成一密闭腔体，从而保证腔体内部的气体不会对外泄露。由上可知，本发明避免了在MEMS芯片背面进行加工，而在覆盖硅板背面进行开孔，布置线路，开内凹，键合，植球，从而使得可操作空间更大，使得更加复杂的MEMS芯片能够得到稳定地电性能导通并且可以方便快捷地封装。
以上实施例是参照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明。本发明所述的新型晶圆级MEMS封装结构适用于所有MEMS芯片的封装。本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，或者将其运用于不同MEMS芯片的封装结构，但不背离本发明的实质的情况下，都落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种晶圆级MEMS芯片封装结构，其特征在于：包括MEMS芯片(A)和覆盖硅板(B)，所述MEMS芯片的正面与所述覆盖硅板的正面用一密封圈和间隔排布的若干个用于电连接所述MEMS芯片的PIN脚的金属凸点键合连接；所述覆盖硅板的背面设有布线电路，所述覆盖硅板的周边设有与所述金属凸点对应的导电通孔，且所述导电通孔位于所述密封圈和所述金属凸点之间，所述导电通孔电连接所述金属凸点和所述布线电路；所述MEMS芯片的正面与所述覆盖硅板的正面用一密封圈和间隔排布的若干个用于电连接所述MEMS芯片的PIN脚的金属凸点键合连接的结构是：所述MEMS芯片的正面中部具有空腔(12)，所述MEMS芯片的正面周边排布有若干个PIN脚(7)，所述MEMS芯片的正面除空腔和PIN脚以外的区域上覆盖有一层第一绝缘层(13)，所述第一绝缘层上设有位于所述空腔周边的具有设定宽度和设定高度的第一密封圈(10)，每个所述PIN脚上制作有第一金属凸点(6)；所述覆盖硅板的正面对应位置上设有具有设定宽度和设定高度的第二密封圈(10′)，所述覆盖硅板的正面对应位置上制作有第二金属凸点(6′)，所述第一密封圈与所述第二密封圈之间键合密封连接，所述第一金属凸点与所述第二金属凸点之间键合电连接。
2.根据权利要求1所述的晶圆级MEMS芯片封装结构，其特征在于：所述导电通孔包括在所述覆盖硅板上形成的开孔(2)和依次覆盖在所述开孔的孔壁上的一层第二绝缘层(3)和一层金属层(4)，所述第二绝缘层和所述金属层延伸至所述覆盖硅板的正面和背面；所述金属层延伸至所述覆盖硅板的背面上的部分形成所述布线电路；所述金属层延伸至所述覆盖硅板的正面上的部分与所述第二金属凸点电导通；覆盖所述金属层后的所述开孔内填充有有机绝缘材料(8)。
3.根据权利要求2所述的晶圆级MEMS芯片封装结构，其特征在于：所述金属层延伸至所述覆盖硅板的背面上的部分上植有若干个用于与外界电连接的球(5)；所述覆盖硅板的背面上除所述球以外的区域行覆盖有一层第三绝缘层(11)；所述第一密封圈与所述第一金属凸点之间，以及所述第二密封圈与所述第二金属凸点之间填充有底部填充胶。
4.根据权利要求2所述的晶圆级MEMS芯片封装结构，其特征在于：所述金属层为单层金属或多层金属，所述金属层为单层金属时，其材质为铝或铜；所述金属层为多层金属时，其中的第一层金属的材质为钛、铝和铜中的一种或至少两种的合金，覆盖于该第一层金属之上的第二层金属的材质为镍、金、银、钛、钴和铜中的一种或至少两种的合金。
5.根据权利要求1所述的晶圆级MEMS芯片封装结构，其特征在于：所述第一金属凸点和所述第二金属凸点的材质为铜、锡、金、银、镍和铝中的一种或至少两种的合金；所述第一密封圈和所述第二密封圈的材质为具有设定强度的金属，该金属为铜或金。
6.根据权利要求1所述的晶圆级MEMS芯片封装结构，其特征在于：所述覆盖硅板的正面中部内缩形成一内凹(1)，所述内凹位于所述第二密封圈内，且所述内凹沿所述导电通孔轴向的截面为梯形或矩形或半圆形。
7.根据权利要求6所述的晶圆级MEMS芯片封装结构，其特征在于：所述内凹与所述空腔形成一腔体，所述腔体内为真空或充入有设定压力的气体(9)；所述腔体内充入所述气体时，所述气体为氮气、氦气、六氟化硫和硅烷中的至少一种。
8.一种晶圆级MEMS芯片封装结构的封装方法，其特征在于：包括如下步骤：
a、提供一个MEMS芯片，所述MEMS芯片的正面中部具有空腔，所述MEMS芯片的正面周边排布有若干个PIN脚，所述MEMS芯片的正面除空腔和PIN脚以外的区域上覆盖有一层第一绝缘层，所述第一绝缘层上设有位于所述空腔周边的具有设定宽度和设定高度的第一密封圈，所述PIN脚上制作有第一金属凸点；
b、提供一个用于覆盖所述MEMS芯片的覆盖硅板，在所述覆盖硅板的背面上覆盖光刻胶，并使其图案化，依据光刻胶图案在所述覆盖硅板上蚀刻出若干个连通所述覆盖硅板正面和背面的开孔；
c、在步骤b形成的开孔的孔壁上覆盖一层第二绝缘层，并且延伸至所述覆盖硅板的正面和背面；
d、在步骤c形成的第二绝缘层上面覆盖一层金属层，并且将所述金属层位于所述覆盖硅板背面上的部分进行图案化处理；
e、用有机绝缘材料将步骤d覆盖金属层后的开孔进行填充，形成导电通孔；
f、在步骤c形成的金属层位于所述覆盖硅板背面上的部分上覆盖一层第三绝缘层，并露出部分金属层；
g、在步骤c形成的金属层位于所述覆盖硅板正面上的部分上制作与所述第一金属凸点相对应的第二金属凸点；
h、在步骤b形成的开孔的周围制作具有设定宽度和高度的与所述第一密封圈相对应的第二密封圈；
i、将所述MEMS芯片与所述覆盖硅板进行键合连接，通过回流焊工艺将所述第一金属凸点与所述第二金属凸点，以及所述第一密封圈与所述第二密封圈进行焊接；
j、在步骤f露出的部分金属层上，进行植球。
9.根据权利要求8所述的晶圆级MEMS芯片封装结构的封装方法，其特征在于：还包括在所述覆盖硅板的正面蚀刻出具有设定体积的内凹的步骤。
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