CN105439073A - Mems芯片封装结构及晶圆级封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS芯片封装结构及晶圆级封装方法，该封装结构包括MEMS芯片，MEMS芯片功能面上有微凸点连接部和密封圈连接部，微凸点连接部与MEMS芯片的焊垫电性相连；盖板，其第一表面制作有微凸点与密封圈，该盖板通过微凸点及密封圈与MEMS芯片对应位置的微凸点连接部及密封圈连接部键合，键合密封圈环绕MEMS芯片的功能区，且密封圈外边缘延伸到MEMS芯片的边缘，并与MEMS边缘有第一距离，微凸点内嵌在密封圈中，并与密封圈之间有一隔离间隙。本发明密封圈由芯片功能区的边缘延伸至芯片边缘附近，并与位于其内的微凸点隔离的结构，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。
Description
技术领域
本发明涉及芯片的晶圆级封装技术领域，尤其涉及一种MEMS芯片封装结构及晶圆级封装方法。
背景技术
MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)芯片封装结构，目前普遍的结构及制作方法是采用玻璃或硅作为盖板，将盖板与MEMS芯片键合后，然后在MEMS芯片背面进行研磨，刻硅，制作线路，长锡球等封装工艺。该方法大多制程都在MEMS芯片上，不可避免会导致应力积累等问题，为了减小应力对MEMS芯片的影响，通常采用先制作一表面具有微凸点的盖板，微凸点连接金属线路，金属线路通过盖板上的导通孔延伸到盖板的另一表面，这样通过微凸点与MEMS芯片的焊垫的键合，将可将芯片电性引到盖板的另一表面。但如此设计，需要在芯片功能区周围另设密封圈以保证芯片功能区的气密性，现有技术中，通常将密封圈与边缘的微凸点隔开一定的距离，具体宽度根据MEMS芯片大小而制定，或者在密封圈与微凸点之间填充有底部填充胶。但是，这种结构的键合有待进一步改进，以满足对密封圈的密封性，抗气压能力，黏结性和可靠性提出的更高要求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种MEMS芯片封装结构及晶圆级封装方法，通过将密封圈的宽度增大，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，并提高了抗气压能力，增加了可靠性。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种MEMS芯片封装结构，包括：
MEMS芯片，所述MEMS芯片的功能面具有功能区和位于功能区周边的若干焊垫，所述焊垫与功能区电性相连；所述MEMS芯片的功能面上制作有微凸点连接部和密封圈连接部，所述微凸点连接部与所述焊垫电性相连；
盖板，所述盖板具有第一表面和与其相对的第二表面，所述第一表面制作有微凸点和密封圈，所述盖板通过所述微凸点及密封圈与所述MEMS芯片对应位置的微凸点连接部及密封圈连接部键合，形成键合凸点及键合密封圈；
该键合密封圈密封环绕所述MEMS芯片的功能区，且键合密封圈外边缘延伸并靠近所述MEMS芯片的边缘，并与所述MEMS芯片的边缘相距一第一距离，并使所述键合凸点及所述焊垫内嵌在所述键合密封圈中，并与所述键合密封圈之间有一隔离间隙。
进一步的，所述盖板的第一表面对应MEMS芯片功能区的位置形成一空腔，且所述空腔位于所述键合密封圈内。
进一步的，所述键合密封圈与键合凸点的材料相同，均为金属材料，且所述键合密封圈的高度与所述键合凸点的高度相同。
进一步的，所述键合密封圈为圆环或圆角方环或圆角多边环或不规则形状的环形。
进一步的，所述第一距离范围为1～1000μm。
进一步的，所述隔离间隙的宽度范围为10～50μm。
进一步的，还包括，
导通孔，贯通所述盖板；
绝缘层，铺设于所述导通孔侧壁及盖板的第一表面和第二表面；
金属布线层，铺设于所述绝缘层上，并通过所述导通孔连接所述盖板第一表面上的键合微凸点与第二表面预设焊球位置的焊盘；
保护层，形成于所述盖板第二表面的金属布线层上及所述导通孔内的金属布线层上；所述保护层上形成有电连接所述金属布线层的若干焊接部。
进一步的，所述盖板的第二表面上形成有若干凹槽。
一种MEMS芯片晶圆级封装方法，包括以下步骤：
A.提供一具有若干MEMS芯片的晶圆，所述MEMS芯片的功能面具有功能区和位于功能区周边的若干焊垫，所述焊垫与所述功能区电性相连，相邻MEMS芯片之间具有切割道；
B.提供一盖板，所述盖板具有对应每个MEMS芯片的若干单元，每个单元上制作有导通孔，所述导通孔侧壁及盖板第一表面和第二表面上铺有绝缘层；绝缘层表面铺有金属布线层，所述金属布线层通过所述导通孔将盖板的第一表面的电性引至第二表面，所述导通孔内空隙由金属或聚合物填充；
C.在盖板每个单元上预设密封圈的位置形成一与金属布线层材质相同的金属圈，相邻金属圈之间有一大于晶圆的切割道的间隙；所述导通孔、所述第一表面上的金属布线层位于所述金属圈内，并与所述金属圈之间有一隔离间隙；
D.在第一表面的金属布线层上预设微凸点的位置生长金属形成微凸点，在金属圈上生长金属形成密封圈；
E.在晶圆上分别设置对应微凸点的微凸点连接部和对应密封圈的密封圈连接部；
F.通过微凸点及密封圈与微凸点连接部及密封圈连接部的键合，形成键合凸点及键合密封圈，将所述盖板和所述晶圆键合在一起。
G.切割盖板及晶圆，形成单颗MEMS晶圆级封装结构。
进一步的，所述微凸点和所述密封圈通过电镀或化镀方式形成。
本发明的有益效果是：本发明提供一种MEMS芯片封装结构及晶圆级封装方法，其中，MEMS芯片的功能面与盖板的第一表面的键合连接通过键合密封圈和若干键合凸点实现，键合密封圈密封环绕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，键合凸点电连接引至盖板第一表面的金属布线层与MEMS芯片的焊垫，以将MEMS芯片的焊垫的电性通过导通孔引至盖板的第二表面。特别的，键合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；键合凸点、导通孔及引至盖板第一表面的金属布线层均内嵌在键合密封圈中，并与键合密封圈之间相隔一隔离间隙。这样，密封圈的宽度得到了增大，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。较佳的，MEMS晶圆级封装结构中盖板第一表面上设有空腔，盖板第一表面与MEMS芯片的功能面键合时，空腔与MEMS芯片功能区形成密闭空间；盖板的第二表面上刻有若干凹槽，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。
附图说明
图1为本发明一实施例MEMS芯片晶圆级封装结构剖面图；
图2为本发明中MEMS芯片剖面透视图；
图3为本发明中盖板第一表面的俯视图；
图4为图3中A-A向剖面透视图；
图5为图4中B处放大结构示意图；
图6为本发明另一实施例MEMS芯片晶圆级封装结构剖面图；
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-导通孔
205-凹槽3-微凸点连接部
4-密封圈连接部5-微凸点
6-密封圈7-键合凸点
8-键合密封圈9-第一距离
10-隔离间隙11-绝缘层
12-金属布线层13-保护层
14-焊接部
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、图4和图5所示，一种MEMS芯片封装结构，包括：
一MEMS芯片1，所述MEMS芯片的功能面具有功能区101和位于功能区周边的若干焊垫102，所述焊垫与功能区电性相连，作为芯片功能区与外界的连通的窗口；所述MEMS芯片的功能面上制作有微凸点连接部3和密封圈连接部4，如图2所示，该微凸点连接部与MEMS芯片的焊垫电性相连，本实施例中该功能区的器件可以为悬臂梁结构。
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，所述第一表面制作有微凸点5和密封圈6，所述盖板通过所述微凸点及密封圈与所述MEMS芯片对应位置的微凸点连接部及密封圈连接部键合，形成键合凸点7及键合密封圈8；
该键合密封圈密封环绕所述MEMS芯片的功能区，且键合密封圈外边缘延伸并靠近所述MEMS芯片的边缘，并与所述MEMS芯片的边缘相距一第一距离9，并使所述键合凸点及所述焊垫内嵌在所述键合密封圈中，并与所述键合密封圈之间有一隔离间隙10；
一导通孔204，贯通所述盖板；本实施例中，导通孔的形状为直孔。金属线路通过直孔将盖板第一表面的键合凸点的电性引到第二表面的焊球上。键合凸点与MEMS芯片的焊垫电性连通，从而将MEMS芯片的电性引到盖板的第二表面。
一绝缘层11，铺设于所述导通孔侧壁及盖板的第一表面和第二表面；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。
一金属布线层12，铺设于所述绝缘层上，并通过所述导通孔连接所述盖板第一表面上的键合微凸点与第二表面预设焊球位置的焊盘；
一保护层13，形成于所述盖板第二表面的金属布线层上及所述导通孔内的金属布线层上；所述保护层上形成有电连接所述金属布线层的若干焊接部14。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，本实施例中焊接部为焊球。金属布线层的上表面覆盖的保护层，其材料可以为高分子聚合物、氧化硅、氮化硅等，起绝缘和保护金属线路的作用。
上述结构中，MEMS芯片的功能面与盖板的第一表面的键合连接通过键合密封圈和若干键合凸点实现，键合密封圈密封环绕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，键合凸点电连接引至盖板第一表面的金属布线层与MEMS芯片的焊垫，以将MEMS芯片的焊垫的电性通过导通孔引至盖板的第二表面。特别的，键合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；键合凸点、导通孔及引至盖板第一表面的金属布线层均内嵌在键合密封圈中，并与键合密封圈之间相隔一隔离间隙。这样，密封圈的宽度得到了增大，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。
优选的，所述盖板的第一表面对应MEMS芯片功能区的位置形成一空腔203，且所述空腔位于所述键合密封圈内。这样，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，为MEMS芯片功能区的器件提供工作空间和/或工作环境。
优选的，所述键合密封圈与键合凸点的材料相同，均为金属材料，且所述键合密封圈的高度与所述键合凸点的高度相同。该金属材料可以单层金属，如铜；还可以是多层金属，如钛、铜、镍、金、锡、银的至少两种的组合，具有一定的强度。
优选的，所述键合密封圈为圆环或圆角方环或圆角多边环或不规则形状的环形，密封圈不同位置处的宽度相同或不同。
优选的，所述第一距离范围为1～1000μm；以避免晶圆级封装切割形成单颗封装芯片时，切割密封圈，增加切割负担，及应力等。
优选的，所述隔离间隙的宽度范围为10～50μm，以避免电性连通。
优选的，如图6所示，所述盖板的第二表面上形成有若干凹槽205。这样，通过在盖板的第二表面上刻出若干凹槽，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，其形状包括方形、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。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。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导通孔的位置，以有效分散盖板上应力。
优选的，盖板的材料为硅材料，热膨胀系数低，导热效果好，制程成本低。
本发明实施例MEMS芯片的晶圆级封装方法，包括以下步骤：
A.提供一具有若干MEMS芯片的晶圆，所述MEMS芯片的功能面具有功能区和位于功能区周边的若干焊垫，所述焊垫与所述功能区电性相连，如图2所示，相邻MEMS芯片之间具有切割道；
B.参见图3、图4和图5，提供一盖板，所述盖板具有对应若干MEMS芯片的若干单元，每个单元上制作有导通孔，所述导通孔侧壁及盖板第一表面和第二表面上铺有绝缘层；绝缘层表面铺有金属布线层，所述金属布线层通过所述导通孔将盖板的第一表面的电性引至第二表面，所述导通孔内空隙由金属或聚合物填充；
C.在盖板每个单元上预设密封圈的位置形成一与金属布线层材质相同的金属圈，相邻金属圈之间有一大于晶圆的切割道的间隙；所述导通孔、所述第一表面上的金属布线层位于所述金属圈内，并与所述金属圈之间有一隔离间隙；
D.在第一表面的金属布线层上预设微凸点的位置生长金属形成微凸点，在金属圈上生长金属形成密封圈；
E.在晶圆上分别设置对应微凸点的微凸点连接部和对应密封圈的密封圈连接部；
F.通过微凸点及密封圈与微凸点连接部及密封圈连接部的键合，形成键合凸点及键合密封圈，将所述盖板和所述晶圆键合在一起。
G.切割盖板及晶圆，形成单颗MEMS晶圆级封装结构。
优选的，所述微凸点和所述密封圈通过电镀或化镀方式形成。
优选的，在盖板第二表面的绝缘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导通孔底部，在第一金属线路及导通孔内壁覆盖或填充保护层，并在第一金属线路预设微凸点的位置的保护层上做开口；在盖板第二表面的背面做减薄，并暴露导通孔底部的金属线路，形成第一表面，在第一表面覆盖绝缘层，绝缘层暴露导通孔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微凸点，同时在密封圈种子层上长密封圈，该微凸点与密封圈具有相同的设定高度。
综上，本发明提供一种MEMS芯片晶圆级封装结构及其制作方法，通过将密封圈的宽度增大，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，并提高了抗气压能力，增加了可靠性。较佳的，盖板的第二表面上刻有若干凹槽，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。
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晶圆级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MEMS芯片封装结构，其特征在于：包括：
MEMS芯片(1)，所述MEMS芯片的功能面具有功能区(101)和位于功能区周边的若干焊垫(102)，所述焊垫与功能区电性相连；所述MEMS芯片的功能面上制作有微凸点连接部(3)和密封圈连接部(4)，所述微凸点连接部与所述焊垫电性相连；
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)，所述第一表面制作有微凸点(5)和密封圈(6)，所述盖板通过所述微凸点及密封圈与所述MEMS芯片对应位置的微凸点连接部及密封圈连接部键合，形成键合凸点(7)及键合密封圈(8)；
该键合密封圈密封环绕所述MEMS芯片的功能区，且键合密封圈外边缘延伸并靠近所述MEMS芯片的边缘，并与所述MEMS芯片的边缘相距一第一距离(9)，并使所述键合凸点及所述焊垫内嵌在所述键合密封圈中，并与所述键合密封圈之间有一隔离间隙(10)。
2.根据权利要求1所述的MEMS芯片封装结构，其特征在于：所述盖板的第一表面对应MEMS芯片功能区的位置形成一空腔(203)，且所述空腔位于所述键合密封圈内。
3.根据权利要求1所述的MEMS芯片封装结构，其特征在于：所述键合密封圈与键合凸点的材料相同，均为金属材料，且所述键合密封圈的高度与所述键合凸点的高度相同。
4.根据权利要求1所述的MEMS芯片封装结构，其特征在于：所述键合密封圈为圆环或圆角方环或圆角多边环或不规则形状的环形。
5.根据权利要求1所述的MEMS芯片封装结构，其特征在于：所述第一距离范围为1～1000μm。
6.根据权利要求1所述的MEMS芯片封装结构，其特征在于：所述隔离间隙的宽度范围为10～50μm。
7.根据权利要求1所述的MEMS芯片封装结构，其特征在于：还包括，
导通孔(204)，贯通所述盖板；
绝缘层(11)，铺设于所述导通孔侧壁及盖板的第一表面和第二表面；
金属布线层(12)，铺设于所述绝缘层上，并通过所述导通孔连接所述盖板第一表面上的键合微凸点与第二表面预设焊球位置的焊盘；
保护层(13)，形成于所述盖板第二表面的金属布线层上及所述导通孔内的金属布线层上；所述保护层上形成有电连接所述金属布线层的若干焊接部(14)。
8.根据权利要求1所述的MEMS芯片封装结构，其特征在于：所述盖板的第二表面上形成有若干凹槽(205)。
9.一种MEMS芯片晶圆级封装方法，其特征在于：包括以下步骤：
A.提供一具有若干MEMS芯片的晶圆，所述MEMS芯片的功能面具有功能区和位于功能区周边的若干焊垫，所述焊垫与所述功能区电性相连，相邻MEMS芯片之间具有切割道；
B.提供一盖板，所述盖板具有对应每个MEMS芯片的若干单元，每个单元上制作有导通孔，所述导通孔侧壁及盖板第一表面和第二表面上铺有绝缘层；绝缘层表面铺有金属布线层，所述金属布线层通过所述导通孔将盖板的第一表面的电性引至第二表面，所述导通孔内空隙由金属或聚合物填充；
C.在盖板每个单元上预设密封圈的位置形成一与金属布线层材质相同的金属圈，相邻金属圈之间有一大于晶圆的切割道的间隙；所述导通孔、所述第一表面上的金属布线层位于所述金属圈内，并与所述金属圈之间有一隔离间隙；
D.在第一表面的金属布线层上预设微凸点的位置生长金属形成微凸点，在金属圈上生长金属形成密封圈；
E.在晶圆上分别设置对应微凸点的微凸点连接部和对应密封圈的密封圈连接部；
F.通过微凸点及密封圈与微凸点连接部及密封圈连接部的键合，形成键合凸点及键合密封圈，将所述盖板和所述晶圆键合在一起。
G.切割盖板及晶圆，形成单颗MEMS晶圆级封装结构。
10.根据权利要求9所述MEMS芯片晶圆级封装方法，其特征在于，所述微凸点和所述密封圈通过电镀或化镀方式形成。
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