CN105347292A - 可缓解盖板应力的mems封装结构及其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可缓解盖板应力的MEMS封装结构及其封装方法，包括MEMS芯片、盖板和电导通结构，MEMS芯片具有功能区和位于功能区周边的若干焊垫；盖板第一表面具有空腔，盖板第二表面上形成有若干凹槽及至少一开口，盖板的第一表面与MEMS芯片的功能面键合在一起，使空腔罩住MEMS芯片的功能区；电导通结构形成于盖板的第二表面上，其电性通过开口引至MEMS芯片的焊垫上。本发明通过将盖板设计成一表面上具有空腔，另一表面上刻出若干凹槽的结构，可以缓解盖板与MEMS芯片键合时，由于空腔导致的盖板应力，以削减翘曲度，提高盖板与MEMS芯片的键合效果。还可以缓解盖板与电路板(功能基板)键合时的焊接应力，以提高MEMS芯片的封装可靠性。

Description

可缓解盖板应力的MEMS封装结构及其封装方法

技术领域

本发明涉及MEMS芯片的晶圆级封装，尤其涉及一种可缓解盖板应力的MEMS封装结构及其封装方法。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)芯片，如加速度计，在封装过程中，为了保证其功能区精密组件的正常工作，降低外界环境对功能区的不利影响，通常使用一带空腔的盖板，键合到MEMS芯片的功能面上，为其组件营造密封环境。

然而，仅一表面有空腔的盖板为不对称结构，很容易导致盖板有翘曲，而键合工艺对翘曲有较严的管控，因此翘曲严重的盖板易产生边缘未键合上等异常，以致带来芯片可靠性的问题。此外，MEMS芯片对应力比较敏感，在封装过程中，还需要考量芯片最终焊接到功能板上的应力分布问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种可缓解盖板应力的MEMS封装结构及其封装方法，通过将MEMS封装结构的盖板设计成一表面上具有空腔，另一表面上刻出若干凹槽的结构，可以缓解盖板与MEMS芯片键合时，由于空腔导致的盖板应力，以削减翘曲度，提高盖板与MEMS芯片的键合效果。还可以缓解盖板与电路板(功能基板)键合时的焊接应力，以提高MEMS芯片的封装可靠性。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种可缓解盖板应力的MEMS封装结构，包括：

MEMS芯片，所述MEMS芯片具有功能区和位于功能区周边的若干焊垫；

盖板，所述盖板具有第一表面和与其相对的第二表面，所述第一表面具有空腔，所述第二表面上形成有若干凹槽，所述盖板上还形成有贯通的至少一开口，所述盖板的第一表面与所述MEMS芯片的功能面键合在一起，使所述空腔罩住所述MEMS芯片的功能区；

电导通结构，形成于所述盖板的第二表面上，其电性通过所述开口引至所述MEMS芯片的焊垫上。

进一步的，若干所述凹槽的横截面形状包括方形、三角形、多边形、圆形、椭圆形、菱形和不规则图形中的一种或多种。

进一步的，所述凹槽横截面形状的外接圆直径范围为2～5μm；所述凹槽的深度为1～10μm。

进一步的，若干所述凹槽整体所占面积大于所述盖板表面面积的1/3。

进一步的，所述MEMS芯片的功能面与所述盖板的第一表面通过一密封圈和若干第一焊接部进行键合连接，使键合后的密封圈密封环绕所述MEMS芯片的功能区，且所述电导通结构引至所述盖板第一表面后通过所述第一焊接部电连接所述MEMS芯片的焊垫。

进一步的，所述MEMS芯片的功能面除功能区和焊垫以外的区域上覆盖有一层绝缘层，所述绝缘层上设有环绕所述功能区的具有设定宽度和设定高度的密封圈连接点，每个所述焊垫上制作有微凸点连接点；所述盖板的第一表面对应位置上设有具有设定宽度和设定高度的密封圈，所述盖板的第一表面对应位置上制作有焊料微凸点，且该焊料微凸点与引至所述盖板的第一表面的电导通结构电连接，所述密封圈与所述密封圈连接点之间键合密封连接，所述焊料微凸点与所述微凸点连接点之间键合电连接。

进一步的，所述密封圈的外边缘延伸并靠近所述MEMS芯片的边缘，并与所述MEMS芯片的边缘相隔一第一距离；所述焊料微凸点内嵌在所述密封圈中，并与所述密封圈之间相隔一隔离间隙。

进一步的，所述电导通结构包括：

钝化层，覆盖在所述盖板的第二表面上、所述凹槽内及所述开口的侧壁上；

金属线路，形成于所述钝化层上，且其电性通过所述开口引至所述MEMS芯片的焊垫上；

保护层，形成于所述盖板第二表面的金属线路上及所述开口内的金属线路上；所述保护层上形成有电连接所述金属线路的若干第二焊接部；

另设有电路板，所述电路板与所述第二焊接部电连接。

一种可缓解盖板应力的MEMS封装结构的封装方法，包括如下步骤：

A、提供一包括若干MEMS芯片的晶圆，每个MEMS芯片具有功能区和位于功能区周边的若干焊垫；提供一晶圆大小的盖板，该盖板具有第一表面和与其相对的第二表面；

B、在所述盖板的第二表面上形成若干贯通所述盖板的开口；

C、在所述盖板的第二表面上形成若干凹槽；

D、在所述盖板上制作对应每个MEMS芯片的电导通结构，该电导通结构使盖板第二表面的电性通过开口延伸到盖板第一表面；

E、在所述盖板第一表面上制作正对每个MEMS芯片的功能区的空腔；

F、键合所述盖板第一表面与所述晶圆的功能面，并使每个MEMS芯片的焊垫与引至盖板第一表面的电导通结构电性连接；

G、在所述盖板第二表面的电导通结构上制作若干第二焊接部，切割盖板及晶圆，形成单颗MEMS封装结构。

进一步的，电导通结构的制作包括如下步骤：

a、在盖板第二表面及开口内壁铺设一层钝化层；

b、在所述钝化层上铺设金属线路，所述金属线路由盖板第二表面经所述开口引至盖板的第一表面，与其对应的MEMS芯片焊垫电性相连；

c、在所述盖板上及所述开口内铺设保护层，该保护层覆盖住金属线路，并在盖板第二表面的金属线路上预设第二焊接部的位置留开口，制作与所述金属线路电连接的第二焊接部。

本发明的有益效果是：本发明提供一种可缓解盖板应力的MEMS封装结构及其封装方法，该MEMS封装结构的盖板第一表面上设有空腔，该盖板的第二表面上刻有若干凹槽，盖板第一表面与MEMS芯片的功能面键合，空腔与MEMS芯片功能区形成密闭空间；盖板上设有贯通的开口，并在盖板的第二表面上形成有电导通结构，将MEMS芯片功能面的焊垫的电性由盖板第一表面引至第二表面上，在电导通结构上设置第二焊接部，比如焊球，通过焊球可连接电路板。上述结构中，通过将MEMS封装结构的盖板设计成一表面上具有空腔，另一表面上刻出若干凹槽的结构，可以缓解盖板与MEMS芯片键合时，由于空腔导致的盖板应力，以削减翘曲度，提高盖板与MEMS芯片的键合效果。且该若干凹槽，还可以缓解盖板与电路板(功能基板)键合时的焊接应力，以提高MEMS芯片的封装可靠性。较佳的，MEMS芯片的功能面与盖板的第一表面的键合连接通过一密封圈和若干第一焊接部实现，密封圈密封环绕MEMS芯片的功能区，为功能区的功能组件提供密封的工作空间，第一焊接部电连接引至盖板第一表面的电导通结构与MEMS芯片的焊垫，以将MEMS芯片的焊垫的电性引至盖板的第二表面。更佳的，密封圈的外边缘延伸并靠近MEMS芯片的边缘，并与MEMS芯片的边缘相隔一第一距离；第一焊接部(焊料微凸点)内嵌在密封圈中，并与密封圈之间相隔一隔离间隙。这样，密封圈的宽度得到增大，增加了密封圈与MEMS芯片及盖板的黏结面积，从而加强了黏结力，保证了密封能力，并提高抗气压能力，增加可靠性。

附图说明

图1为本发明MEMS封装结构一实施例的剖视图；

图2为图1中盖板的剖视图；

图3为图2中在A处放大结构示意图；

图4为本发明中盖板第二表面凹槽的俯视图；

图5为本发明MEMS封装结构另一实施例的剖视图；

结合附图，作以下说明：

1-MEMS芯片101-功能区

102-焊垫2-盖板

201-第一表面202-第二表面

203-空腔204-凹槽

205-开口3-密封圈

4-第一焊接部5-钝化层

6-金属线路7-保护层

8-第二焊接部9-电路板

具体实施方式

为使本发明的技术方案能够更加易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。为方便说明，实施例附图的结构中各组成部分未按正常比例缩放，故不代表实施例中各结构的实际相对大小。其中所说的结构或面的上面或上侧，包含中间还有其他层的情况。

如图1、图2、图3和图4所示，一种可缓解盖板应力的MEMS封装结构，包括：

一MEMS芯片1，所述MEMS芯片具有功能区101和位于功能区周边的若干焊垫102；

一盖板2，所述盖板具有第一表面201和与其相对的第二表面202，所述第一表面具有空腔203，所述第二表面上形成有若干凹槽204，所述盖板上还形成有贯通的至少一开口205，所述盖板的第一表面与所述MEMS芯片的功能面键合在一起，使所述空腔罩住所述MEMS芯片的功能区；

一电导通结构，形成于所述盖板的第二表面上，其电性通过所述开口引至所述MEMS芯片的焊垫上。所述电导通结构包括：

一钝化层5，覆盖在所述盖板的第二表面上、所述凹槽内及所述开口的侧壁上；

一金属线路6，形成于所述钝化层上，且其电性通过所述开口引至所述MEMS芯片的焊垫上；

一层保护层7，形成于所述盖板第二表面的金属线路上及所述开口内的金属线路上；所述保护层上形成有电连接所述金属线路的若干第二焊接部8；

另设有电路板9，所述电路板与所述第二焊接部电连接。

上述结构中，通过在盖板一表面上形成空腔，该空腔键合后，罩在MEMS芯片的功能区的上方，可为功能区的功能组件提供密封的工作空间。通过在盖板的另一表面上刻出若干凹槽的结构，可以缓解盖板与MEMS芯片键合时，由于空腔导致的盖板应力，以削减翘曲度，提高盖板与MEMS芯片的键合效果。且该若干凹槽，还可以缓解盖板与电路板(功能基板)键合时的焊接应力，以提高MEMS芯片的封装可靠性。

盖板第一表面的若干凹槽，其横截面形状类型无特殊要求，优选的，若干所述凹槽的横截面形状包括方形、三角形、多边形、圆形、椭圆形、菱形和不规则图形中的一种或多种。参见图4，凹槽的横截面形状为方形，更优的，所述凹槽横截面形状的外接圆直径范围为2～5μm；所述凹槽的深度为1～10μm。

优选的，若干所述凹槽整体所占面积大于所述盖板表面面积的1/3。由于凹槽的数量众多，可分布于非金属线路和非开口的位置，以有效分散盖板上应力。

盖板的第一表面与MEMS芯片的功能面键合在一起的方式很多，可以采用常用支撑围堰的形式。优选的，所述MEMS芯片的功能面与所述盖板的第一表面通过一密封圈3和若干第一焊接部4进行键合连接，使键合后的密封圈密封环绕所述MEMS芯片的功能区，且所述电导通结构引至所述盖板第一表面后通过所述第一焊接部电连接所述MEMS芯片的焊垫。其中，密封圈密封环绕MEMS芯片的功能区，为功能区的功能组件提供密封的工作空间，第一焊接部电连接引至盖板第一表面的电导通结构与MEMS芯片的焊垫，以将MEMS芯片的焊垫的电性引至盖板的第二表面。

该第一焊接部可以为焊球，如锡球，可以为焊料微凸点，或者直接为UBM，或为铜柱，作为一种优选实施例，可采用焊料微凸点。具体实施结构为：所述MEMS芯片的功能面除功能区和焊垫以外的区域上覆盖有一层绝缘层，所述绝缘层上设有环绕所述功能区的具有设定宽度和设定高度的密封圈连接点，每个所述焊垫上制作有微凸点连接点；所述盖板的第一表面对应位置上设有具有设定宽度和设定高度的密封圈，所述盖板的第一表面对应位置上制作有焊料微凸点，且该焊料微凸点与引至所述盖板的第一表面的电导通结构电连接，所述密封圈与所述密封圈连接点之间键合密封连接，所述焊料微凸点与所述微凸点连接点之间键合电连接。上述结构中，绝缘层用来隔离MEMS芯片上的硅，防止短路，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。本实施例中，通常将密封圈的宽度设计在10μm以上，且该密封圈与边缘的焊料微凸点隔开一定的距离，具体宽度根据MEMS芯片大小而制定。优选的，密封圈与焊料微凸点之间填充有底部填充胶。

更优的，参见图5，所述密封圈的外边缘延伸并靠近所述MEMS芯片的边缘，并与所述MEMS芯片的边缘相隔一第一距离；所述焊料微凸点内嵌在所述密封圈中，并与所述密封圈之间相隔一隔离间隙。这样，密封圈的宽度得到增大，增加了密封圈与MEMS芯片及盖板的黏结面积，从而加强了黏结力，保证了密封能力，并提高抗气压能力，增加可靠性。

本实施例中，开口的形状为直孔，盖板第一表面的第一焊接部为焊料微凸点，第二表面的第二焊接部为焊球。金属线路通过直孔将盖板第一表面的焊料微凸点的电性引到第二表面的焊球上。焊料微凸点与MEMS芯片的焊垫键合而电性连通，从而将MEMS芯片的电性引到盖板的第二表面。

本发明实施例可缓解盖板应力的MEMS封装结构的封装方法，包括如下步骤：

A、提供一包括若干MEMS芯片的晶圆，每个MEMS芯片具有功能区和位于功能区周边的若干焊垫；提供一晶圆大小的盖板，该盖板具有第一表面和与其相对的第二表面；

B、在所述盖板的第二表面上形成若干贯通所述盖板的开口；

C、在所述盖板的第二表面上形成若干凹槽；这里可以使用光刻工艺及刻蚀工艺，先刻蚀凹槽，亦可以先刻蚀开口；

D、在所述盖板上制作对应每个MEMS芯片的电导通结构，该电导通结构使盖板第二表面的电性通过开口延伸到盖板第一表面；

E、在所述盖板第一表面上制作正对每个MEMS芯片的功能区的空腔；

F、键合所述盖板第一表面与所述晶圆的功能面，并使每个MEMS芯片的焊垫与引至盖板第一表面的电导通结构电性连接；

G、在所述盖板第二表面的电导通结构上制作若干第二焊接部，切割盖板及晶圆，形成单颗MEMS封装结构。

优选的，电导通结构的制作包括如下步骤：

a、在盖板第二表面及开口内壁铺设一层钝化层；

b、在所述钝化层上铺设金属线路，所述金属线路由盖板第二表面经所述开口引至盖板的第一表面，与其对应的MEMS芯片焊垫电性相连；

c、在所述盖板上及所述开口内铺设保护层，该保护层覆盖住金属线路，并在盖板第二表面的金属线路上预设第二焊接部的位置留开口，制作与所述金属线路电连接的第二焊接部。

优选的，在盖板第二表面、开口侧壁击凹槽内覆盖一层钝化层，在钝化层上制作第一金属线路，第一金属线路从盖板的第二表面延伸到开口底部，在第一金属线路及开口内壁覆盖或填充保护层，并在第一金属线路预设第一焊接部的位置的保护层上做开口；在盖板第二表面的背面做减薄，并暴露开口底部的金属线路，形成第一表面，在第一表面覆盖绝缘层，绝缘层暴露开口底部的第一金属线路，并在绝缘层上制作第二金属线路及密封圈种子层，第二金属线路连接绝缘层暴露的第一金属线路；在第二金属线路上长第二焊接部，同时在密封圈种子层上长密封圈，该第二焊接部与密封圈具有相同的设定高度。

可选的，开口的类型包括直孔或斜孔，参见图1和图4，开口为直孔。

综上，本发明提供一种可缓解盖板应力的MEMS封装结构及其封装方法，通过将MEMS封装结构的盖板设计成一表面上具有空腔，另一表面上刻出若干凹槽的结构，可以缓解盖板与MEMS芯片键合时，由于空腔导致的盖板应力，以削减翘曲度，提高盖板与MEMS芯片的键合效果。且该若干凹槽，还可以缓解盖板与电路板(功能基板)键合时的焊接应力，以提高MEMS芯片的封装可靠性。较佳的，密封圈的外边缘延伸并靠近MEMS芯片的边缘，并与MEMS芯片的边缘相隔一第一距离；第一焊接部(焊料微凸点)内嵌在密封圈中，并与密封圈之间相隔一隔离间隙。这样，密封圈的宽度得到增大，增加了密封圈与MEMS芯片及盖板的黏结面积，从而加强了黏结力，保证了密封能力，并提高抗气压能力，增加可靠性。

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 (10)

1.一种可缓解盖板应力的MEMS封装结构，其特征在于：包括：

MEMS芯片(1)，所述MEMS芯片具有功能区(101)和位于功能区周边的若干焊垫(102)；

盖板(2)，所述盖板具有第一表面(201)和与其相对的第二表面(202)，所述第一表面具有空腔(203)，所述第二表面上形成有若干凹槽(204)，所述盖板上还形成有贯通的至少一开口(205)，所述盖板的第一表面与所述MEMS芯片的功能面键合在一起，使所述空腔罩住所述MEMS芯片的功能区；

电导通结构，形成于所述盖板的第二表面上，其电性通过所述开口引至所述MEMS芯片的焊垫上。

2.根据权利要求1所述的可缓解盖板应力的MEMS封装结构，其特征在于：若干所述凹槽的横截面形状包括方形、三角形、多边形、圆形、椭圆形、菱形和不规则图形中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的可缓解盖板应力的MEMS封装结构，其特征在于：所述凹槽横截面形状的外接圆直径范围为2～5μm；所述凹槽的深度为1～10μm。

4.根据权利要求1所述的可缓解盖板应力的MEMS封装结构，其特征在于：若干所述凹槽整体所占面积大于所述盖板表面面积的1/3。

5.根据权利要求1所述的可缓解盖板应力的MEMS封装结构，其特征在于：所述MEMS芯片的功能面与所述盖板的第一表面通过一密封圈(3)和若干第一焊接部(4)进行键合连接，使键合后的密封圈密封环绕所述MEMS芯片的功能区，且所述电导通结构引至所述盖板第一表面后通过所述第一焊接部电连接所述MEMS芯片的焊垫。

6.根据权利要求5所述的可缓解盖板应力的MEMS封装结构，其特征在于：所述MEMS芯片的功能面除功能区和焊垫以外的区域上覆盖有一层绝缘层，所述绝缘层上设有环绕所述功能区的具有设定宽度和设定高度的密封圈连接点，每个所述焊垫上制作有微凸点连接点；所述盖板的第一表面对应位置上设有具有设定宽度和设定高度的密封圈，所述盖板的第一表面对应位置上制作有焊料微凸点，且该焊料微凸点与引至所述盖板的第一表面的电导通结构电连接，所述密封圈与所述密封圈连接点之间键合密封连接，所述焊料微凸点与所述微凸点连接点之间键合电连接。

7.根据权利要求6所述的可缓解盖板应力的MEMS封装结构，其特征在于：所述密封圈的外边缘延伸并靠近所述MEMS芯片的边缘，并与所述MEMS芯片的边缘相隔一第一距离；所述焊料微凸点内嵌在所述密封圈中，并与所述密封圈之间相隔一隔离间隙。

8.根据权利要求1所述的可缓解盖板应力的MEMS封装结构，其特征在于：所述电导通结构包括：

钝化层(5)，覆盖在所述盖板的第二表面上、所述凹槽内及所述开口的侧壁上；

金属线路(6)，形成于所述钝化层上，且其电性通过所述开口引至所述MEMS芯片的焊垫上；

保护层(7)，形成于所述盖板第二表面的金属线路上及所述开口内的金属线路上；所述保护层上形成有电连接所述金属线路的若干第二焊接部(8)；

另设有电路板(9)，所述电路板与所述第二焊接部电连接。

9.一种可缓解盖板应力的MEMS封装结构的封装方法，其特征在于：包括如下步骤：

A、提供一包括若干MEMS芯片的晶圆，每个MEMS芯片具有功能区和位于功能区周边的若干焊垫；提供一晶圆大小的盖板，该盖板具有第一表面和与其相对的第二表面；

B、在所述盖板的第二表面上形成若干贯通所述盖板的开口；

C、在所述盖板的第二表面上形成若干凹槽；

D、在所述盖板上制作对应每个MEMS芯片的电导通结构，该电导通结构使盖板第二表面的电性通过开口延伸到盖板第一表面；

E、在所述盖板第一表面上制作正对每个MEMS芯片的功能区的空腔；

F、键合所述盖板第一表面与所述晶圆的功能面，并使每个MEMS芯片的焊垫与引至盖板第一表面的电导通结构电性连接；

G、在所述盖板第二表面的电导通结构上制作若干第二焊接部，切割盖板及晶圆，形成单颗MEMS封装结构。

10.根据权利要求9所述的可缓解盖板应力的MEMS封装结构的封装方法，其特征在于：电导通结构的制作包括如下步骤：

a、在盖板第二表面及开口内壁铺设一层钝化层；

b、在所述钝化层上铺设金属线路，所述金属线路由盖板第二表面经所述开口引至盖板的第一表面，与其对应的MEMS芯片焊垫电性相连；

c、在所述盖板上及所述开口内铺设保护层，该保护层覆盖住金属线路，并在盖板第二表面的金属线路上预设第二焊接部的位置留开口，制作与所述金属线路电连接的第二焊接部。