CN105565248A - 带腔体器件的气密封装结构和制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带腔体的气密封装结构及其制造方法。所述气密封装结构包括：键合层，其包括黏合剂密封结构和金属密封结构；第一基板，其包括第一表面、与第一表面相对的第二表面；第二基板，其包括第一表面、与第一表面相对的第二表面，第一基板的第一表面与第二基板的第一表面通过所述键合层键合在一起；和腔体，其位于第一基板和第二基板之间且被所述黏合剂密封结构和所述金属密封结构分别围绕密封。与现有技术相比，本发明中的带腔体器件的气密封装结构和制造方法，在获得较高的腔体气体压力的同时，可以实现良好的气密性能，且适用范围广。

Description

带腔体器件的气密封装结构和制造方法

【技术领域】

本发明涉及半导体封装技术领域，特别涉及带腔体器件的气密封装结构和制造方法。

【背景技术】

很多微机电系统MEMS(Micro-ElectroMechanicalSystem)器件均有可动部件，需要封装提供腔体(Cavity)对其进行保护或腔体本身为功能实现的一部分。为了保持腔体内的气体环境，这样就需要一个盖子(Cap)和基片来形成键合(bonding)，常见的键合方式有直接键合(directwaferbonding)、阳极键合(anodicbonding)、黏合剂键合(adhesivebonding)、金属键合、玻璃焊料键合等。各种键合方式中，键合剂键合和金属键合得以广泛应用，其它键合方式则由于工艺温度过高、表面粗糙度要求、材料特性等原因限制了其适用范围。

黏合剂键合适合于低工艺温度要求的器件，但其键合本身的气密能力有限，无法保证器件长期寿命中的腔内气体压力和纯度。金属键合虽然可以提供良好的气密性，但其工艺温度相对较高，在键合时会导致气体逃逸后腔体内压力不足，影响器件的性能。

因为，有必要提出一种改进的方案来克服上述问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种带腔体器件的气密封装结构和制造方法，其可以在获得较高的腔体气体压力的同时，实现良好的气密性能。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，本发明提供一种带腔体的气密封装结构，其包括：键合层，其包括黏合剂密封结构和金属密封结构；第一基板，其包括第一表面、与第一表面相对的第二表面；第二基板，其包括第一表面、与第一表面相对的第二表面，第一基板的第一表面与第二基板的第一表面通过所述键合层键合在一起；和，腔体，其位于第一基板和第二基板之间且被所述黏合剂密封结构和所述金属密封结构分别围绕密封。

进一步的，所述黏合剂密封结构包括一圈或多圈，所述金属密封结构包括一圈或多圈，每圈黏合剂密封结构围绕所述腔体，每圈金属密封结构密封围绕所述腔体，所述黏合剂密封结构的键合温度低于所述金属密封结构的键合温度。

进一步的，所述第一基板的第一表面形成有凹槽，所述第二基板的第一表面形成有对应的凹槽，第一基板的凹槽和第二基板对应的凹槽扣合，以形成所述腔体；所述第一基板的第一表面形成有凹槽，第一基板的凹槽和第二基板的部分第一表面扣合，以形成所述腔体；或所述第二基板的第一表面形成有凹槽，第二基板的凹槽和第一基板的部分第一表面扣合，以形成所述腔体。

进一步的，所述腔体包括沿第一表面间隔分布的多个腔体单元；所述黏合剂密封结构中有部分位于相邻两个腔体单元之间，以隔绝相邻两个腔体单元间的气体流通。

进一步的，所述腔体内填充的气体为六氟化硫、二氧化碳、氙气、2,3,3,3-四氟丙烯、HFC-125、丙烷中的至少一种；所述腔体内的压力为1bar-10bar。

进一步的，所述第一基板和第二基板的本体材料包括Glass、Si、Ge、GaAs、InP、GaN、Al₂O₃、Cu、Al和KOVAR中的至少一种；所述金属密封结构的共晶键合材料包括金-锡、铜-锡、金-硅、金-铟、金-锗、铝-锗、铅-锡和锡-银-铜中的至少一种；

所述黏合剂密封结构的材料包含环氧树脂、氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、阻焊膜、聚酰亚胺、苯并环丁烯(BCB)、聚对二甲苯、聚萘、碳氟化合物和丙烯酸酯中的至少一种。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种带腔体的气密封装结构的制造方法，其包括：提供第一基板和第二基板，每个基板都包括第一表面、与第一表面对应的第二表面和形成于该基板的第一表面上的键合部，所述键合部包括黏合剂密封部和金属密封部；对齐第一基板和第二基板，使第一基板的第一表面上的黏合剂密封部和金属密封部分别与第二基板的第一表面上的对应的黏合剂密封部和金属密封部对齐；在对齐第一基板和第二基板后，将温度控制在金属共晶点温度以下进行黏合剂键合，使得第一基板上的黏合剂密封部和第二基板上的黏合剂密封部键合形成黏合剂密封结构；在完成黏合剂键合后，将将温度升高至金属共晶点温度以上进行金属键合，使得第一基板上的金属密封部和第二基板上的金属密封部键合形成金属密封结构，其中在第一基板的第一表面和第二基板的第一表面之间形成腔体，所述黏合剂密封结构和所述金属密封结构分别密封围绕所述腔体。

进一步的，所述黏合剂密封结构包括一圈或多圈，所述金属密封结构包括一圈或多圈，每圈黏合剂密封结构围绕所述腔体，每圈金属密封结构密封围绕所述腔体，所述黏合剂键合需要的温度低于所述金属键合需要的温度。

进一步的，所述腔体包括沿第一表面间隔分布的多个腔体单元，所述黏合剂密封结构中有部分位于相邻两个腔体单元之间，以隔绝相邻两个腔体单元间的气体流通。

进一步的，在所述提供第一基板和第二基板步骤中，所述第一基板的第一表面形成有凹槽，所述第二基板的第一表面形成有对应的凹槽，在对齐第一基板和第二基板步骤中，第一基板的凹槽和第二基板对应的凹槽扣合在一起形成所述腔体；或在所述提供第一基板和第二基板步骤中，所述第一基板的第一表面形成有凹槽；在对齐第一基板和第二基板步骤中，第一基板的凹槽和第二基板的部分第一表面扣合在一起形成所述腔体。

现有技术相比，本发明中气密封装结构的键合层包括密封围绕所述腔体的黏合剂密封结构和金属密封结构，在制造时，先完成黏合剂键合形成黏合剂密封结构，实现所述腔体内气体的临时密封，获得所需腔内气压；接下来完成金属键合形成金属密封结构，以实现提供良好的气密性。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明中的气密封装结构的制造方法在一个实施例中的流程示意图；

图2为本发明在一个实施例中提供的第一基板和第二基板的部分纵剖面图；

图3为图2提供的第一基板和第二基板的部分俯视图；

图4为图2中的第一基板和第二基板对齐和键合后形成的气密封装结构的部分纵剖面图；

图5为本发明中的气密封装结构在第二个实施例中的部分纵向剖面图；

图6为本发明中的气密封装结构在第三个实施例中的部分纵向剖面图；

图7为本发明中的气密封装结构在第四个实施例中的部分纵向剖面图；

图8为本发明中的气密封装结构在第五个实施例中的部分纵向剖面图。

【具体实施方式】

本发明的详细描述主要通过程序、步骤、逻辑块、过程或其他象征性的描述来直接或间接地模拟本发明技术方案的运作。为透彻的理解本发明，在接下来的描述中陈述了很多特定细节。而在没有这些特定细节时，本发明则可能仍可实现。所属领域内的技术人员使用此处的这些描述和陈述向所属领域内的其他技术人员有效的介绍他们的工作本质。换句话说，为避免混淆本发明的目的，由于熟知的方法和程序已经容易理解，因此它们并未被详细描述。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。所属领域内的普通技术人员所熟知的是，本发明中的相连、连接或相接等表示直接或间接电性连接。

请参考图1所示，其为本发明中的气密封装结构的制造方法100在一个实施例中的流程示意图。所述制造方法100包括如下步骤。

步骤110、如图2和图3所示，提供第一基板210和第二基板220(或称为基板210和盖板220)。其中，图2为本发明在一个实施例中提供的第一基板和第二基板的部分纵剖面图；图3为本发明在一个实施例中，提供的第一基板和第二基板的部分俯视图。

在图2和图3所示的实施例中，所述第一基板210包括第一表面212、与第一表面212对应的第二表面214和位于第一基板212的第一表面的凹槽216，在第一基板210的第一表面上形成有键合部，所述键合部包括沿第一表面形成的黏合剂密封部231和金属密封部241。金属密封部241位于黏合剂密封部231外侧，黏合剂密封部231位于凹槽216外侧。所述第二基板220包括第一表面222、与第一表面222对应的第二表面224和位于第二基板222的第一表面的凹槽226，在第二基板220的第一表面上形成有键合部，所述键合部包括沿第一表面形成的黏合剂密封部232和金属密封部242。金属密封部242位于黏合剂密封部232外侧，所述黏合剂密封部232位于凹槽226外侧。

步骤120、请参考图3和4所示，对齐第一基板210和第二基板220，使第一基板210的第一表面上的黏合剂密封部231和金属密封部241分别与第二基板220的第一表面上的对应的黏合剂密封部232和金属密封部242对齐。

在第一基板210的第一表面和第二基板220的第一表面之间形成腔体250。图4为在一个实施例中对齐并键合第一基板210和第二基板220后的气密封装结构的部分纵剖面图，在图4中，所述第一基板210上的黏合剂密封结构231与第二基板220上的黏合剂密封结构232对齐；所述第一基板210上的金属密封部241与第二基板220上的金属密封部242对齐，第一基板210的第一表面的凹槽216和第二基板220的第一表面的凹槽226扣合，以形成腔体250。

步骤130，填充加压气体。在一个实施例中，对齐的第一基板210和第二基板220被放置于一个键合设备的键合腔体内，在所述键合腔体内填充加压气体，所述填充的气体可以为六氟化硫、二氧化碳、氙气、2,3,3,3-四氟丙烯和丙烷中的至少一种，这样使得腔体250内的气体也为六氟化硫、二氧化碳、氙气、2,3,3,3-四氟丙烯和丙烷中的至少一种；所述填充的气体的压力可以为1bar-10bar，这样使得腔体250内的压力也为1bar-10bar。

步骤140，将温度控制在金属共晶点温度以下进行黏合剂键合，以使第一基板210第一表面的黏合剂密封部231和第二基板230第一表面的黏合剂密封部232结合在一起形成黏合剂密封结构230，实现腔体250内气体的临时密封，这样腔体250内的气体尚未逃逸，从而可以获得较高的充气压力。

步骤150、在完成黏合剂键合后，将温度升高至金属共晶点温度以上，进行金属键合，以实现第一基板210上的金属密封部241和第二基板230的金属密封部242结合在一起形成金属密封结构240，以获得更好的气密封装。这样，所述空腔250被所述黏合剂密封结构230和所述金属密封结构240分别围绕密封，提高了密封度，克服了现有技术中的问题。

步骤140和150的键合步骤，可以在同一键合设备中完成，也可以在不同的键合设备中完成。

如图4所示的，所述黏合剂密封结构230较所述金属密封240结构更靠近所述腔体250。从上文可知，所述黏合剂密封结构230的键合温度低于所述金属密封结构240的键合温度。

在一个实施例中，本发明中的第一基板210和第二基板220的本体材料包括Glass、Si、Ge、GaAs、InP、GaN、Al₂O₃、Cu、Al和KOVAR(铁镍钴合金)中的至少一种；所述金属密封结构240的共晶键合材料包括金-锡、铜-锡、金-硅、金-铟、金-锗、铝-锗、铅-锡、锡-银-铜中的至少一种；黏合剂密封结构230的材料包括环氧树脂、氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、阻焊膜、聚酰亚胺、苯并环丁烯(BCB)、聚对二甲苯、聚萘、碳氟化合物和丙烯酸酯中的至少一种；所述第一基板210和第二基板220均可包括至少一个MEMS电路或IC电路，所述腔体250可以对MEMS电路进行保护或腔体本身为MEMS电路或IC电路的功能实现的一部分。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种气密封装结构。

请参考图4所示，本发明中的气密封装结构包括第一基板210、与第一基板210键合的第二基板220、键合层和腔体250。所述第一基板210包括第一表面212、与第一表面212相对的第二表面214；所述第二基板220包括第一表面222、与该第一表面222相对的第二表面224；所述腔体250形成于第一基板210的第一表面212和第二基板230的第一表面232之间；所述键合层夹于第一基板210的第一表面212和第二基板220的第一表面222之间，所述键合层包括位于密封围绕所述腔体250的黏合剂密封结构230和金属密封结构240，以密封所述腔体250。

首先、介绍本发明中键合层图案中的黏合剂密封结构230和金属密封结构240的排布规则。在图4所述的实施例中，所述黏合剂密封结构230包括有一圈，金属密封结构240包括有一圈，所述金属密封结构240位于黏合剂密封结构230的外侧。若所述金属密封结构240和黏合剂密封结构230均为多圈，则多圈金属密封结构240和多圈黏合剂密封结构230之间可以沿第一表面同类依次排列；或多圈金属密封结构240和多圈黏合剂密封结构230之间可以沿第一表面异类交替排列。如图5所示，其为本发明中的气密封装结构在第二个实施例中的部分纵向剖面图，其与图4的区别在于，在图5中所述金属密封结构240为两圈和所述黏合剂密封结构230为两圈，金属密封结构240的两圈和黏合剂密封结构230的两圈异类交替排列。

接着介绍本发明中的腔体250的结构，其包括如下三种情况。

第一种情况，如图4所示，所述第一基板210的第一表面上形成凹槽216，所述第二基板220的第一表面上形成有对应的凹槽226，第一基板210和第二基板220对齐时，使第一凹槽216和第二凹槽226扣合在一起形成所述腔体250。对应的，在本发明中的气密封装结构的制造方法中，在所述提供第一基板210和第二基板220的步骤110中，所述第一基板210的第一表面形成有凹槽216，所述第二基板220的第一表面形成有对应的凹槽226；在对齐第一基板210和第二基板220的步骤120中，第一基板210的凹槽216和第二基板220对应的凹槽226扣合在一起形成所述腔体250。

第二种情况，如图6所示，其为本发明中的气密封装结构在第三个实施例中的部分纵向剖面图，图6与图4的区别在于，所述第一基板210的第一表面上形成凹槽216，所述第二基板220的第一表面未形成有对应的凹槽226，第一基板210和第二基板对齐220时，使第二基板220的部分第一表面与所述第一基板210的第一凹槽216扣合，以形成所述腔体250。对应的，在本发明中的气密封装结构的制造方法中，在所述提供第一基板210和第二基板220的步骤110中，所述第一基板210的第一表面形成有凹槽216；在对齐第一基板210和第二基板220的步骤120中，第一基板210的凹槽216和第二基板220的部分第一表面扣合形成所述腔体250。

第三种情况，如图7所示，其为本发明中的气密封装结构在第四个实施例中的部分纵向剖面图，图7与图4的区别在于，所述第二基板220的第一表面上形成凹槽226，所述第一基板210的第一表面未形成有对应的凹槽216，第一基板210和第二基板220对齐时，使第一基板210的部分第一表面与所述第二基板220的凹槽226扣合，以形成所述腔体250。对应的，在本发明中的气密封装结构的制造方法与第二种情况的制造方法类似，在此不再赘述。

请参考图8所示，其为本发明中的气密封装结构在第五个实施例中的部分纵向剖面图，其与图4的区别在于，所述腔体250包括沿第一表面间隔分别的多个腔体单元252、254；此实施例中，所述黏合剂密封结构230中有部分位于相邻两个腔体单252和254元之间，以隔绝相邻两个腔体单元252和254间的气体流通。

综上所述，本发明中的气密封装结构的键合层包括位于所述腔体250外侧的黏合剂密封结构230和金属密封结构240，在制造时，先完成黏合剂键合形成黏合剂密封结构，实现所述腔体内气体的临时密封，获得所需腔内气压；接下来完成金属键合形成金属密封结构，以实现提供良好的气密性。与现有技术相比，本发明中的带腔体MEMS器件的气密封装结构和制造方法，在获得较高的腔体气体压力的同时，可以实现良好的气密性能，且适用范围广。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (14)

1.一种带腔体的气密封装结构，其特征在于，其包括：

键合层，其包括黏合剂密封结构和金属密封结构；

第一基板，其包括第一表面、与第一表面相对的第二表面；

第二基板，其包括第一表面、与第一表面相对的第二表面，第一基板的第一表面与第二基板的第一表面通过所述键合层键合在一起；和

腔体，其位于第一基板和第二基板之间且被所述黏合剂密封结构和所述金属密封结构分别围绕密封。

2.根据权利要求1所述的带腔体的气密封装结构，其特征在于，所述黏合剂密封结构包括一圈或多圈，所述金属密封结构包括一圈或多圈，每圈黏合剂密封结构围绕所述腔体，每圈金属密封结构密封围绕所述腔体，所述黏合剂密封结构的键合温度低于所述金属密封结构的键合温度。

3.根据权利要求1所述的带腔体的气密封装结构，其特征在于，

所述第一基板的第一表面形成有凹槽，所述第二基板的第一表面形成有对应的凹槽，第一基板的凹槽和第二基板对应的凹槽扣合，以形成所述腔体；

所述第一基板的第一表面形成有凹槽，第一基板的凹槽和第二基板的部分第一表面扣合，以形成所述腔体；或

所述第二基板的第一表面形成有凹槽，第二基板的凹槽和第一基板的部分第一表面扣合，以形成所述腔体。

4.根据权利要求1所述的带腔体的气密封装结构，其特征在于，所述腔体包括沿第一表面间隔分布的多个腔体单元；所述黏合剂密封结构中有部分位于相邻两个腔体单元之间，以隔绝相邻两个腔体单元间的气体流通。

5.根据权利要求1所述的带腔体的气密封装结构，其特征在于，所述腔体内填充的气体为六氟化硫、二氧化碳、氙气、2,3,3,3-四氟丙烯、HFC-125、丙烷中的至少一种；所述腔体内的压力为1bar-10bar。

6.根据权利要求1所述的带腔体的气密封装结构，其特征在于，

所述第一基板和第二基板的本体材料包括Glass、Si、Ge、GaAs、InP、GaN、Al₂O₃、Cu、Al和KOVAR中的至少一种；

所述金属密封结构的共晶键合材料包括金-锡、铜-锡、金-硅、金-铟、金-锗、铝-锗、铅-锡和锡-银-铜中的至少一种；

所述黏合剂密封结构的材料包含环氧树脂、氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、阻焊膜、聚酰亚胺、苯并环丁烯(BCB)、聚对二甲苯、聚萘、碳氟化合物和丙烯酸酯中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的带腔体的气密封装结构，其特征在于，

第一基板和第二基板均可包括至少一个MEMS电路或IC电路，所述腔体对MEMS电路进行保护或所述腔体本身为MEMS电路或IC电路的功能实现的一部分。

8.一种带腔体的气密封装结构的制造方法，其特征在于，其包括：

提供第一基板和第二基板，每个基板都包括第一表面、与第一表面对应的第二表面和形成于该基板的第一表面上的键合部，所述键合部包括黏合剂密封部和金属密封部；

对齐第一基板和第二基板，使第一基板的第一表面上的黏合剂密封部和金属密封部分别与第二基板的第一表面上的对应的黏合剂密封部和金属密封部对齐；

在对齐第一基板和第二基板后，将温度控制在金属共晶点温度以下进行黏合剂键合，使得第一基板上的黏合剂密封部和第二基板上的黏合剂密封部键合形成黏合剂密封结构；

在完成黏合剂键合后，将将温度升高至金属共晶点温度以上进行金属键合，使得第一基板上的金属密封部和第二基板上的金属密封部键合形成金属密封结构，其中在第一基板的第一表面和第二基板的第一表面之间形成腔体，所述黏合剂密封结构和所述金属密封结构分别密封围绕所述腔体。

9.根据权利要求8所述的带腔体的气密封装结构的制造方法，其特征在于，所述黏合剂密封结构包括一圈或多圈，所述金属密封结构包括一圈或多圈，每圈黏合剂密封结构围绕所述腔体，每圈金属密封结构密封围绕所述腔体，所述黏合剂键合需要的温度低于所述金属键合需要的温度。

10.根据权利要求8所述的带腔体的气密封装结构的制造方法，其特征在于，其还包括：

在对齐第一基板和第二基板后，且在进行黏合剂键合前，填充加压气体，所述腔体内的气体为六氟化硫、二氧化碳、氙气、2,3,3,3-四氟丙烯和丙烷中的至少一种；所述腔体内的压力为1bar-10bar。

11.根据权利要求10所述的带腔体的气密封装结构的制造方法，其特征在于，所述腔体包括沿第一表面间隔分布的多个腔体单元，所述黏合剂密封结构中有部分位于相邻两个腔体单元之间，以隔绝相邻两个腔体单元间的气体流通。

12.根据权利要求8所述的带腔体的气密封装结构的制造方法，其特征在于，

在所述提供第一基板和第二基板步骤中，所述第一基板的第一表面形成有凹槽，所述第二基板的第一表面形成有对应的凹槽，在对齐第一基板和第二基板步骤中，第一基板的凹槽和第二基板对应的凹槽扣合在一起形成所述腔体；或

在所述提供第一基板和第二基板步骤中，所述第一基板的第一表面形成有凹槽；在对齐第一基板和第二基板步骤中，第一基板的凹槽和第二基板的部分第一表面扣合在一起形成所述腔体。

13.根据权利要求8所述的带腔体的气密封装结构的制造方法，其特征在于，

所述第一基板和第二基板的本体材料包括Glass、Si、Ge、GaAs、InP、GaN、Al₂O₃、Cu、Al和KOVAR中的至少一种；

所述金属密封结构的共晶键合材料包括金-锡、铜-锡、金-硅、金-铟、金-锗、铝-锗、铅-锡和锡-银-铜中的至少一种；

所述黏合剂密封结构的材料包含环氧树脂、氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、阻焊膜、聚酰亚胺、苯并环丁烯(BCB)、聚对二甲苯、聚萘、碳氟化合物和丙烯酸酯中的至少一种。

14.根据权利要求8所述的带腔体的气密封装结构的制造方法，其特征在于，

第一基板和第二基板均可包括至少一个MEMS电路或IC电路，所述腔体对MEMS电路进行保护或腔体本身为MEMS电路或IC电路的功能实现的一部分。