CN105241455B - 基于TSV技术的μPNT微尺度立体堆叠方法 - Google Patents

基于TSV技术的μPNT微尺度立体堆叠方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微型定位‑导航‑授时系统（μPNT）的微装配技术，具体是一种基于TSV技术的μPNT微尺度立体堆叠方法。本发明解决了现有采用SOG技术的微型定位‑导航‑授时系统微装配方法加工难度过大、成品率过低、体积过大、适用范围受限、装配精度过低的问题。基于TSV技术的μPNT微尺度立体堆叠方法，该方法是采用如下步骤实现的：a.选取一个玻璃层，并在玻璃层的上表面溅射金属引线层；b.选取一个硅层，并将硅层的下表面与玻璃层的上表面键合在一起；c.重复进行步骤a‑b，由此得到若干个SOG；d.在各个SOG的硅层上刻蚀形成上下贯通的TSV。本发明适用于微型定位‑导航‑授时系统的微装配。

Description

基于TSV技术的μPNT微尺度立体堆叠方法
技术领域
本发明涉及微型定位-导航-授时系统（μPNT）的微装配技术，具体是一种基于TSV技术的μPNT微尺度立体堆叠方法。
背景技术
微型定位-导航-授时系统（μPNT）由三轴微机械加速度计、三轴微机械陀螺仪和一个微型时钟组成，其可提供高精度的位置、姿态和时钟信息，并可在短时间内替代卫星导航系统（如卫星导航无法覆盖或失效）完成载体的导航工作。在现有技术条件下，微型定位-导航-授时系统的微装配方法主要包括以下几种：一、美国德雷柏实验室的R. Lutwak在论文《Micro-technology for Positioning, Navigation, and Timing Towards PNTEverywhere and Always》中提及了美国佐治亚理工学院研制的芯片级硅基的授时和惯性测量单元（TIMU）。此种方法存在的问题是：由于其完全在单片硅上实现，导致其加工难度过大、成品率过低。二、美国密歇根州立大学的W. Zhu等人在论文《A Batch-Mode Assemblyand Packaging Technology for 3-Axis Tri-Fold Inertial Measurement Units》中提出了采用正交折叠式方法进行器件的集成。此种方法存在的问题是：其一，由于其需要三个平面完全正交，且芯片贴合时需要保持与平面平行，导致其加工难度过大。其二，由于其引线需要占用大量空间，导致其体积过大。三、美国密歇根州立大学的Z. Cao等人在论文《Fabrication of Multi-Layer Vertically Stacked Fused Silica Microsystems》中提出了基于熔融石英的多层堆叠技术：通过在各石英片上进行金属溅射，然后加工成具体结构，最后通过溅射金属的焊接将不同石英片叠加连接，其结构为13mm3，采用6层结构叠加。此种方法存在的问题是：由于其仅仅适用于对非导电材料进行加工，导致其适用范围受限。四、美国加州大学欧文（Irvine）分校的S.A.玻璃层的加工：Zotov等人在论文《Chip-ScaleIMU Using Folded-MEMS Approach》和论文《Folded MEMS Pyramid InertialMeasurement Unit》中提出了将单个MEMS陀螺和加速度计进行3D装配。此种方法存在的问题是：由于其器件均分布在装配框架外侧，导致其装配精度过低、体积过大。此外，目前很多机构提出的微机械结构均采用SOG技术，但目前并未见采用SOG技术后的相关集成方法。基于此，有必要发明一种全新的微型定位-导航-授时系统微装配方法，以解决现有采用SOG技术的微型定位-导航-授时系统微装配方法存在的问题。
发明内容
本发明为了解决现有采用SOG技术的微型定位-导航-授时系统微装配方法加工难度过大、成品率过低、体积过大、适用范围受限、装配精度过低的问题，提供了一种基于TSV技术的μPNT微尺度立体堆叠方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：基于TSV技术的μPNT微尺度立体堆叠方法，该方法是采用如下步骤实现的：
a.选取一个玻璃层，并在玻璃层的上表面溅射金属引线层；然后，在玻璃层的下表面开设凹槽，并在玻璃层上钻设上下贯通的配合通孔；
b.选取一个硅层，并将硅层的下表面与玻璃层的上表面键合在一起；然后，在硅层上刻蚀形成硅结构，并保证硅结构与金属引线层连接；然后，在硅层上刻蚀形成绝缘间隙；硅层和玻璃层由此共同构成一个SOG；
c.重复进行步骤a-b，由此得到若干个SOG；然后，将各个SOG自上而下键合在一起，并保证相邻两个SOG中位置靠上的SOG的凹槽与位置靠下的SOG的硅结构正对；
d.沿着各个SOG的配合通孔在各个SOG的硅层上刻蚀形成上下贯通的TSV，并保证TSV与其中一个SOG的金属引线层连接，同时保证不同的TSV之间通过绝缘间隙隔绝开来；然后，向TSV内灌注金属填充物。
与现有采用SOG技术的微型定位-导航-授时系统微装配方法相比，本发明所述的基于TSV技术的μPNT微尺度立体堆叠方法基于硅穿孔（TSV）技术实现了硅-玻璃（SOG）晶圆级立体堆叠，因此其具备如下优点：一、 与第一种方法相比，本发明所述的基于TSV技术的μPNT微尺度立体堆叠方法无需在单片硅上实现，因此其加工难度更小、成品率更高。二、与第二种方法相比，本发明所述的基于TSV技术的μPNT微尺度立体堆叠方法一方面无需三个平面完全正交，另一方面其引线只需占用极小空间，因此其加工难度更小、体积更小。三、与第三种方法相比，本发明所述的基于TSV技术的μPNT微尺度立体堆叠方法完全适用于对导电材料进行加工，因此其适用范围不再受限。四、与第四种方法相比，本发明所述的基于TSV技术的μPNT微尺度立体堆叠方法彻底改变了器件分布形式，因此其装配精度更高、体积更小。
本发明有效解决了现有采用SOG技术的微型定位-导航-授时系统微装配方法加工难度过大、成品率过低、体积过大、适用范围受限、装配精度过低的问题，适用于微型定位-导航-授时系统的微装配。
附图说明
图1是本发明的步骤a的示意图。
图2是本发明的步骤b的示意图。
图3是本发明的步骤c的示意图。
图4是本发明的步骤d的示意图。
图中：1-玻璃层，2-金属引线层，3-凹槽，4-硅层，5-硅结构，6-金属填充物，7-配合通孔，8-绝缘间隙。
具体实施方式
基于TSV技术的μPNT微尺度立体堆叠方法，该方法是采用如下步骤实现的：
a.选取一个玻璃层1，并在玻璃层1的上表面溅射金属引线层2；然后，在玻璃层1的下表面开设凹槽3，并在玻璃层1上钻设上下贯通的配合通孔7；
b.选取一个硅层4，并将硅层4的下表面与玻璃层1的上表面键合在一起；然后，在硅层4上刻蚀形成硅结构5，并保证硅结构5与金属引线层2连接；然后，在硅层4上刻蚀形成绝缘间隙8；硅层4和玻璃层1由此共同构成一个SOG；
c.重复进行步骤a-b，由此得到若干个SOG；然后，将各个SOG自上而下键合在一起，并保证相邻两个SOG中位置靠上的SOG的凹槽3与位置靠下的SOG的硅结构5正对；
d.沿着各个SOG的配合通孔7在各个SOG的硅层4上刻蚀形成上下贯通的TSV，并保证TSV与其中一个SOG的金属引线层2连接，同时保证不同的TSV之间通过绝缘间隙8隔绝开来；然后，向TSV内灌注金属填充物6。
所述步骤a-d中，SOG的个数根据实际需求而定；各个SOG的工艺相容；同一个SOG上可刻蚀形成多种硅结构5。
具体实施时，采用本发明所述的基于TSV技术的μPNT微尺度立体堆叠方法微装配成的微型定位-导航-授时系统可封装在一个芯片内，为了保证较高的品质因数也可采用真空封装。

Claims (2)

1.一种基于TSV技术的μPNT微尺度立体堆叠方法，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
a.选取一个玻璃层（1），并在玻璃层（1）的上表面溅射金属引线层（2）；然后，在玻璃层（1）的下表面开设凹槽（3），并在玻璃层（1）上钻设上下贯通的配合通孔（7）；
b.选取一个硅层（4），并将硅层（4）的下表面与玻璃层（1）的上表面键合在一起；然后，在硅层（4）上刻蚀形成硅结构（5），并保证硅结构（5）与金属引线层（2）连接；然后，在硅层（4）上刻蚀形成绝缘间隙（8）；硅层（4）和玻璃层（1）由此共同构成一个SOG；
c.重复进行步骤a-b，由此得到若干个SOG；然后，将各个SOG自上而下键合在一起，并保证相邻两个SOG中位置靠上的SOG的凹槽（3）与位置靠下的SOG的硅结构（5）正对；
d.沿着各个SOG的配合通孔（7）在各个SOG的硅层（4）上刻蚀形成上下贯通的TSV，并保证TSV与其中一个SOG的金属引线层（2）连接，同时保证不同的TSV之间通过绝缘间隙（8）隔绝开来；然后，向TSV内灌注金属填充物（6）。
2.根据权利要求1所述的基于TSV技术的μPNT微尺度立体堆叠方法，其特征在于：所述步骤a-d中，SOG的个数根据实际需求而定；各个SOG的工艺相容；同一个SOG上可刻蚀形成多种硅结构（5）。
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