CN105668501B - 具有多功能盖板的芯片级封装的mems芯片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片，包括盖板、MEMS结构层和底板衬底，盖板包括盖板衬底、上盖板绝缘层、第一金属层图形、金属间绝缘层和第二金属层图形，金属间绝缘层有通孔，第二金属层填充到通孔中，盖板通过密封环与MEMS结构层和上底板绝缘层键合，第一压焊块位于MEMS信号导出部上表面。本MEMS芯片通过第一压焊块与第二压焊块之间键合的金属线将MEMS结构的电信号引导到盖板上，再在盖板上完成交叉布线；同时，可以利用盖板上的第一金属层图形和第二金属层图形制作恒温加热器和检漏用热对流加速度计，本发明的制造方法不需要MEMS结构层与底板间的电连接，不需要通过TSV电连接MEMS结构与盖板，不需要在MEMS结构层或底板上交叉布线，流程短、成本低、成品率高。

Description

具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片及其制造方法
技术领域
本发明涉及MEMS芯片的制造领域，特别涉及一种具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片，本发明还涉及这种具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片及其制造方法。
背景技术
MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是微机电系统的缩写，MEMS芯片制造技术利用微细加工技术，特别是半导体圆片制造技术，制造出各种微型机械结构，结合专用控制集成电路(ASIC)，组成智能化的微传感器、微执行器、微光学器件等MEMS元器件。MEMS元器件具有体积小、成本低、可靠性高、抗恶劣环境能力强、功耗低、智能化程度高、易校准、易集成的优点，被广泛应用于消费类电子产品(如手机、平板电脑、玩具、数码相机、游戏机、空中鼠标、遥控器、GPS等)、国防工业(如智能炸弹、导弹、航空航天、航海、潜水、无人飞机等)以及工业类产品(如汽车、通讯、机器人、智能交通、工业自动化、环境监测、平台稳定控制、现代化农业、安全监控等)中。MEMS元器件是物联网技术的基石，是工业现代化的核心元器件。
MEMS芯片，特别是高性能的MEMS芯片的制造工艺很难与普通的CMOS集成电路制造工艺兼容，而且比普通CMOS集成电路制造工艺成本高，利用尽量多的普通CMOS集成电路的制造工艺步骤来制造MEMS芯片，可以降低成本，提高成品率。早期的高性能MEMS芯片是不用圆片级封装技术的，也就是说MEMS结构是暴露在外的，需要通过金属或陶瓷封装将其密封保护，但这种方法封装成本高，成品率底。所以现在的高性能MEMS芯片，特别是MEMS加速度计和陀螺仪，一般都通过MEMS圆片与盖板圆片键合，再切割成芯片的方法制造芯片级封装的MEMS芯片，一般的MEMS芯片级封装的盖板只起到一个密封的作用。芯片级封装的MEMS器件信号通常通过芯片底板或芯片的MEMS层引出，再连接到ASIC芯片(专用集成电路，Application specific Integrated Circuit)上，也就是说MEMS芯片的信号线的交叉布线是通过底板或MEMS层实现的。MEMS器件的性能随温度变化而变化，例如高性能MEMS陀螺仪，在-40℃到+85℃的工作温度范围内的零偏值比标定温度(通常25℃)下的零偏值大几倍到几十倍，这主要是温度变化引起的各种材料体积变化不均匀而产生应力，从而导致MEMS陀螺仪的零偏值漂移；最好解决方法之一是恒定MEMS陀螺仪芯片的温度，由于芯片级制冷不容易实现，而加热很容易，所以一般通过加热控制芯片温度在最高工作温度附近，以提高MEMS陀螺仪芯片在全工作温度范围内的性能。美国专利(专利号为：US2015/0115377)描述了一种MEMS芯片加热的方法及其制造工艺，其盖板只起到密封和加热的作用。另外，高性能MEMS器件价格昂贵，可靠性要求十分严格，定期检测封装管壳的气密性是十分有效的可靠性监控方法，美国专利(专利号为：US8011226)描述了利用热对流加速度计原理检测密封腔体内气压变化的方法，使用到一个独立的MEMS加速度计器件。
综上所述，现有的MEMS芯片级封装技术中没有一种盖板可同时提供气密性封装、信号线交叉布线、芯片加热、实时检漏多种功能。因此需要提供一种多功能的MEMS圆片级封装盖板以简化高性能MEMS芯片的设计和加工工艺，适应多品种小批量的特点，提高成品率，同时改进产品长期使用的稳定性，保证产品应用过程中的可靠性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有多功能盖板的MEMS芯片，该MEMS芯片通过外部金属线将MEMS结构的电信号引到盖板上面的金属层中，再在盖板上完成交叉布线；同时，利用盖板上的第一金属层图形和第二金属层图形制作恒温加热器和检漏用热对流加速度计；此方法制造流程短，成本低，设计灵活，制造出的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片成品率高。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片，包括盖板、MEMS结构层和至少有一个下凹腔的底板衬底，底板衬底上有上底板绝缘层，所述的MEMS结构层包括MEMS结构、空隙和MEMS信号导出部，所述的盖板包括盖板衬底，盖板衬底上表面覆盖有上盖板绝缘层，上盖板绝缘层上有第一金属层图形，金属间绝缘层覆盖在上盖板绝缘层和第一金属层图形上，金属间绝缘层中开有通孔，第二金属层图形分布在金属间绝缘层上并填充在通孔中，从而将第一金属层图形与第二金属层图形电连接，第二金属层图形的一部分还作为第二压焊块；盖板衬底下表面具有密封环，盖板通过密封环与MEMS结构层和上底板绝缘层键合，底板衬底、上底板绝缘层、密封环和盖板衬底共同围成密封腔，MEMS结构位于所述的密封腔中，MEMS信号导出部固定在上底板绝缘层上，第一压焊块位于MEMS信号导出部上表面，第一压焊块上方无盖板和密封环覆盖。
本发明的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的MEMS结构与底板衬底和盖板都没有直接的电连接，后续封装时，可在在第一压焊块与第二压焊块之间连接金属线，将本发明的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片与ASIC芯片并排粘贴在管壳中，管壳盖板通过密封材料固定在管壳上，围成一个气密性空腔，MEMS结构的电信号通过信号导出部传输到第一压焊块上，再通过键合在第一压焊块和第二压焊块间的金属线传输到位于盖板上的第二压焊块上，然后根据逻辑需要通过第一金属层图形和第二金属层图形交叉布线，将MEMS结构的电信号传输到位于盖板另一边的第二压焊块上，再通过键合在第二压焊块和AISC压焊块间的金属线将信号传输到ASIC芯片中，经ASIC处理后经过键合在ASIC压焊块和管壳压焊块间的金属线传输到管壳上。在该种封装形式下，本发明的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的盖板不仅参与围成密封腔，为MEMS结构提供可以自由活动的空间，同时还提供信号线的交叉连线。
所述的第一金属层图形的材料是重掺杂多晶硅、硅化物、铂、钨、钼、钛或两种以上的组合；第二金属层图形的材料是铝、金、铂或铜，即第一金属层图形的材料和第二金属层图形的材料不同，利用它们不同的Seebeck系数，本发明的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的盖板还可以作为恒温加热器，给MEMS芯片恒温加热：第一金属层图形作为恒温加热电阻，恒温加热电阻均匀分布在盖板上，后续封装时，恒温加热电阻的一端连接到第七ASIC压焊块上，另一端连接到第四ASIC压焊块上，由ASIC芯片控制流过恒温加热电阻的功率，为达到恒温加热的目的，必须有一个热敏电阻来反馈温度信号，热敏电阻也用第一金属层图形制作，热敏电阻的电信号连接到第一ASIC压焊块上，恒温加热电阻的加热温度由热敏电阻感应，热敏电阻将感应到的信号输送到ASIC芯片中，ASIC芯片经计算后控制恒温加热电阻的功率，达到温度恒定的目的。
在盖板上挖有检漏空腔，热对流加速度计的热电偶正极位于检漏空腔中央，与盖板衬底无接触，加热电阻位于检漏空腔中央，与盖板衬底无接触，所述的热电偶从下到上依次由上盖板绝缘层、第一金属层图形、金属间绝缘层和第二金属层图形组成，热电偶的厚度为2～10μm，所述的加热电阻从下到上依次由上盖板绝缘层、第一金属层图形和金属间绝缘层组成，由于第一金属层图形和第二金属层图形选用的材料不同，利用它们不同的Seebeck系数组成至少二个热电偶，此二个热电偶的一端相对放置于热对流加速度计的加热电阻的两侧，且位于检漏空腔中，作为热对流加速度计的热端，另一端位于盖板衬底上作为冷端，在二次封装后检漏空腔与封装管壳及管壳盖板围成一个密封腔，连同第一金属层图形组成的热对流加速度计的加热电阻组成一个热对流加速度计，利用热对流加速度计在不同气压中的灵敏度不同的原理，实现对二次封装实时检漏的功能。
总之，本发明的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的盖板除了与底板围成一个密封空腔为MEMS结构提供一个可活动的空间外，同时还提供信号线的交叉连线、芯片恒温加热、实时检漏多种功能而且长期使用的稳定性好，应用过程中的可靠性强。
本发明还提供了具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的制造方法，包括以下步骤：
(1)底板圆片制作：在底板衬底上表面生长上底板绝缘层，下表面生长下底板绝缘层，在上底板绝缘层上涂光刻胶，经过曝光、显影形成光刻胶图形，然后蚀刻无光刻胶保护的上底板绝缘层和部分底板衬底，最后除去光刻胶，形成下凹腔，所述的下凹腔深度为5～30μm，即完成底板圆片的制作；
(2)MEMS结构圆片制作：将单晶硅圆片键合到底板圆片上表面上，磨削单晶硅圆片到厚度为20～100μm，形成SOI圆片，磨削后的单晶硅圆片作为MEMS结构层；在MEMS结构层上淀积金属层，蚀刻金属层，形成第一压焊块；然后再蚀刻MEMS结构层，形成MEMS结构、空隙和MEMS信号导出部，所述的第一压焊块位于MEMS信号导出部上方，第一压焊块的材料是铝、金、铂或铜，完成MEMS结构圆片的制作；
(3)盖板圆片形成：在盖板衬底上表面生长上盖板绝缘层，下表面生长下盖板绝缘层，上盖板绝缘层上淀积第一金属层，图形化第一金属层形成第一金属层图形；再在上盖板绝缘层和第一金属层图形上淀积金属间绝缘层，蚀刻金属间绝缘层形成通孔，然后在金属间绝缘层上淀积第二金属层，同时，通孔内也被第二金属层填充，图形化第二金属层形成第二压焊块和第二金属层图形；最后除去下盖板绝缘层，在盖板衬底下表面印刷并预烧结形成玻璃浆料环，即完成盖板圆片的制作；
(4)具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS圆片形成：将盖板圆片的密封环与MEMS结构圆片的MEMS信号导出部键合，形成具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS圆片。
(5)具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片形成：切割具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS圆片的盖板圆片，露出第一压焊块，再切割具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS圆片的MEMS结构圆片，得到具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片。
本发明的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的制造方法，利用低温玻璃浆料作为密封环材料，既可以填充各个MEMS信号导出部之间的空隙达到密封作用，不需要将密封面制作得平整，又可以提供MEMS结构与盖板之间的空间以容纳MEMS结构自由运动，而无需在盖板上制作上凹腔，减少了掩模数量，提高成品率，降低成本；在盖板衬底上制作第一金属层图形和第二金属层图形，进行交叉布线，利用普通封装技术的金属线键合工艺，将MEMS信号连接到盖板上，然后从盖板连接到ASIC芯片上，不需在底板或盖板的内侧制作复杂的金属布线将MEMS信号引出，不需金属-硅键合，大大简化了制造流程，降低了工艺复杂度，提高了成品率。
第一金属层的材料是重掺杂多晶硅、硅化物、铂、钨、钼、钛或两种以上的组合；金属间绝缘层的材料是PECVD生长的SiO2、氮化硅或它们的组合，金属间绝缘层的厚度为0.5～3μm；第二金属层的材料是铝、金、铂或铜，无需增加额外步骤的情况下，利用盖板上的第一金属层图形制作恒温加热电阻和热敏电阻，为MEMS芯片提供一个恒温工作环境，提高了MEMS器件的性能。
为保护第二金属层图形在蚀刻除去下盖板绝缘层时不被划伤或腐蚀，步骤(3)中还在金属间绝缘层和第二金属层图形上制作保护层，然后再在盖板圆片与MEMS结构圆片键合后将所述的保护层除去，所述的保护层的材料是聚酰亚胺、光刻胶或PECVD SiN。
作为本发明的一个实施例，在步骤(4)形成的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS圆片的盖板圆片上蚀刻出检漏空腔，检漏空腔上方设置热对流加速度计的热电偶和加热电阻，使热对流加速度计的加热电阻和热电偶正极悬置在检漏空腔上方，用于检漏时在热电偶的正负极产生温度梯度。所述的检漏空腔通过各向异性蚀刻金属间绝缘层和上盖板绝缘层、各向同性深Si蚀刻盖板衬底形成；所述的热电偶从下到上依次由上盖板绝缘层、第一金属层图形、金属间绝缘层和第二金属层图形组成，热电偶的厚度为2～10μm，所述的加热电阻从下到上依次由上盖板绝缘层、第一金属层图形和金属间绝缘层组成。只增加了一块掩模板和相应的工序，就同时制作一个热对流加速度计，用于实时监测二次封装后的管壳内的气压是否有变化，判断管壳是否漏气，保证产品可靠性。
本发明的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的制造方法工艺简单、流片速度快、成本低，而且制作的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片性能高、可靠性好，适用于高性能、小批量的MEMS器件的制造。
本发明的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的制造方法不需要MEMS结构层与底板衬底间存在电连接，不需要通过TSV(硅通孔，Through Silicon Via)电连接MEMS结构与盖板，也不需要在MEMS结构层上或底板衬底上进行交叉布线，而是通过后续封装时形成的第一压焊块与第二压焊块间的金属线将MEMS结构的电信号引导到盖板上，再在盖板上完成交叉布线；还可以利用盖板上的第一金属层图形制作恒温加热器；同时利用盖板上的第一金属层图形和第二金属层图形制作检漏用热对流加速度计，制造流程短、成本低、设计灵活。本发明的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的盖板除了围成密封腔为MEMS结构提供可活动的空间外，还提供了MEMS信号的交叉连线、MEMS芯片的恒温加热电阻和检漏用的热对流加速度计，MEMS芯片成品率高。
附图说明
图1是在底板衬底上生长底板绝缘层的示意图。
图2是底板圆片的示意图。
图3是在底板圆片上键合单晶硅圆片后的示意图。
图4是SOI圆片的示意图。
图5是形成第一压焊块后的SOI圆片示意图。
图6是MEMS结构圆片的示意图。
图7是在盖板衬底上生长盖板绝缘层的示意图。
图8是在上盖板绝缘层上形成第一金属层图形的示意图。
图9是在金属间绝缘层形成通孔的示意图。
图10是在金属间绝缘层上形成第二金属层图形的示意图。
图11是盖板圆片的示意图。
图12是实施例一的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS圆片的示意图。
图13是实施例一的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的示意图。
图14是实施例一的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片后续封装打线后的示意图。
图15是实施例一封装后的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的示意图。
图16是实施例一封装后的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的成品示意图。
图17是实施例一、实施例二的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的俯视图。
图18是实施例三的检漏用MEMS圆片的示意图。
图19是实施例三的检漏用MEMS芯片的俯视图。
图20是图19的A-A剖视图。
图21是图19的B-B剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
本实施例的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片5，如图13所示，包括盖板30、MEMS结构层22和至少有一个下凹腔13的底板衬底11，盖板30的面积小于底板衬底11的面积，底板衬底11的材料为<100>晶向的重掺杂单晶硅，下凹腔13的深度在5～30μm，底板衬底11上有上底板绝缘层12a，上底板绝缘层12a的材料是二氧化硅，厚度为0.5～3μm，上底板绝缘层12a用于键合MEMS结构层22、提供机械支撑以及电隔离；MEMS结构层22的材料为<100>晶向的重掺杂单晶硅，MEMS结构层22包括MEMS结构22a、空隙22b和MEMS信号导出部22c，MEMS结构层22的厚度为2～100μm；盖板30包括盖板衬底31，盖板衬底31的材料是<100>晶向的重掺杂单晶硅，盖板衬底31上表面覆盖有上盖板绝缘层32a，上盖板绝缘层32a的材料是二氧化硅，厚度为0.5～3μm，上盖板绝缘层32a用于电隔离第一金属层图形33和盖板衬底31，上盖板绝缘层32a上有第一金属层图形33，第一金属层图形33的材料是铂、重掺杂多晶硅、硅化物、钨、钼、钛等，也可以是它们的组合；金属间绝缘层34覆盖在上盖板绝缘层32a和第一金属层图形33上，金属间绝缘层34的材料是PECVD生长的SiO2、氮化硅，也可以是它们的组合，厚度为0.5～3μm，金属间绝缘层34中开有通孔34a，第二金属层图形35分布在金属间绝缘层34上并填充在通孔34a中，从而将第一金属层图形33与第二金属层图形35电连接，第二金属层图形35的材料是铝、金、铂、铜等，其Seebeck系数与第一金属层图形33不同；第二金属层图形35的一部分还作为第二压焊块35a，用于将MEMS信号传输到盖板30上；盖板衬底31下表面具有密封环37a，盖板30通过密封环37a与MEMS结构层22和上底板绝缘层12a键合，密封环37a的材料是低温玻璃浆料，键合后MEMS结构层22与盖板衬底31的间距为5～10μm，底板衬底11、上底板绝缘层12a、密封环37a和盖板衬底31共同围成密封腔41，MEMS结构22a位于所述的密封腔41中，MEMS信号导出部22c固定在上底板绝缘层12a上，第一压焊块23位于MEMS信号导出部22c上表面，第一压焊块23的材料可以是铝、金、铂、铜等，第一压焊块23上方无盖板30和密封环37a覆盖。
本实施例的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片5的制造方法，包括以下步骤：
(1)底板圆片1制作：取材料为<100>晶向的重掺杂单晶硅的双面抛光圆片作为底板衬底11，通过热氧化工艺在底板衬底11的上表面11a生长上底板绝缘层12a，在底板衬底11的下表面11b下生长下底板绝缘层12b，其材料均为二氧化硅，厚度一般在0.5～3μm，如图1所示，上底板绝缘层12a用于键合MEMS结构层22、提供机械支撑以及电隔离，下底板绝缘层12b用于在随后的加工工序中保护底板衬底11；
在底板衬底11的上表面进行光刻，即涂光刻胶、曝光、显影，形成光刻胶图形，然后先后蚀刻无光刻胶保护的上底板绝缘层12a和部分底板衬底11，除去光刻胶形成下凹腔13，下凹腔的深度在5～30μm，就完成底板圆片1的制作，如图2所示。
(2)MEMS结构圆片2制作：利用Si-SiO2键合工艺将双面抛光圆片21与底板圆片1的上表面键合，双面抛光圆片21的材料为<100>晶向的重掺杂单晶硅，作为MEMS结构材料，厚度在300～800μm，见图3，双面抛光圆21与底板Si衬底11间无电连接；
研磨并抛光键合后的双面抛光圆片21至MEMS结构层22所需的厚度，通常在2～100μm，形成MEMS结构层22，见图4；
在MEMS结构层22上淀积金属层，通过光刻工序形成光刻胶图形，干法或湿法蚀刻金属层，除去光刻胶，形成第一压焊块23，见图5，也可以通过掩模溅射或Lift-off(剥离)工艺制作第一压焊块23，第一压焊块23的材料可以是铝、金、铂、铜等；
在制作有第一压焊块23的MEMS结构层22上通过光刻工序形成光刻胶图形，用深Si蚀刻工艺蚀刻MEMS结构层22，除去光刻胶，形成MEMS结构22a、空隙22b、及MEMS信号导出部22c，完成MEMS结构圆片2的制作，见图6，第一压焊块23位于MEMS信号导出部22c上，实际上所有信号导出部22c与MEMS结构22a间均有电连接。
(3)盖板圆片3形成：取一个<100>晶向的重掺杂单晶硅的双面抛光圆片作为盖板衬底31通过热氧化工艺在盖板衬底31的上表面31a和下表面31b生长上盖板绝缘层32a和下盖板绝缘层32b，其材料均为二氧化硅，厚度一般在0.5～3μm，上盖板绝缘层32a用于电隔离第一金属层图形33和盖板衬底31，下盖板绝缘层32b用于在随后的加工工序中保护盖板衬底31，见图7；
在盖板衬底31的上盖板绝缘层32a上淀积第一金属层，通过光刻工序形成光刻胶图形，干法或湿法蚀刻第一金属层，除去光刻胶，形成第一金属层图形33，见图8，也可以通过掩模溅射或Lift-off(剥离)工艺制作第一金属层图形33；由于第一金属层图形33同时用作导线、加热电阻、热敏电阻、热电偶，其材料可以是铂、重掺杂多晶硅、硅化物、钨、钼、钛等，也可以是它们的组合；
在上盖板绝缘层32a和第一金属层图形33上淀积金属间绝缘层34，其材料可以是PECVD生长的SiO2、氮化硅，也可以是它们的组合，一般在0.5～3μm，通过光刻工艺形成光刻胶图形，干法蚀刻金属间绝缘层34直到露出第一金属层图形33，除去光刻胶，在金属间绝缘层34中形成通孔34a，见图9，为第一金属层图形33和第二金属层图形35提供电连接通道；
在金属间绝缘层34上淀积第二金属层，在此过程中通孔34a被第二金属层填满，通过光刻、蚀刻工序，形成第二金属层图形35，见图10，这样，第一金属层图形33与第二金属层图形35间便有了电连接，部分第二金属层图形35还作为第二压焊块35a，第二金属层图形35的材料可以是铝、金、铂、铜等，其Seebeck系数与第一金属层图形33不同；为保护第二金属层图形35在随后的工序中不被划伤或腐蚀，在金属间绝缘层34和第二金属层图形35上制作一层保护层36，材料可以是聚酰亚胺、光刻胶、PECVD SiN等。
将下盖板绝缘层32b通过干法或湿法蚀刻工艺除去，由于有保护层36的保护，第二金属层图形35和金属间绝缘层34不会被腐蚀；在盖板衬底31下表面31b通过丝网印刷工艺制作并预烧结形成玻璃浆料环37，制作成盖板圆片3，见图11。
(4)具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS圆片4形成：将盖板圆片3的下表面对准MEMS结构圆片2的上表面进行键合，然后通过干法蚀刻方法除去保护层36，形成具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS圆片4，见图12，在此过程中，玻璃浆料环37在压力下填充到空隙22b中以及相应的MEMS信号导出部22c上，作为密封环37a，由于密封环37a的材料是低温玻璃浆料，根据其型号不同，键合条件不同，键合后MEMS结构层22与盖板衬底31的间距一般在5～10μm，这样，盖板衬底31、底板衬底11、MEMS信号导出部22c和密封环37a就组成了一个密封腔41，为MEMS结构22a提供了一个可自由活动的空间。
(5)形成具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片5：控制切割深度，将具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS圆片4的盖板圆片3切割成一个个独立的MEMS芯片盖板30，露出第一压焊块23，然后再切割MEMS结构圆片2，将具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS圆片4分割为一个个具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片5，见图13。
后续封装：
在具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片5的第一压焊块23与第二压焊块35a间通过普通封装工艺键合金属线51，见图14，这样，MEMS结构22a的信号就通过MEMS信号导出部22c、第一压焊块23、金属线51和第二压焊块35a传输到盖板30上。
具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片5需要由ASIC芯片6来调试其参数、处理其信号，两者通过二次封装制作成最终产品，如图15所示，具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片5与ASIC芯片6被粘贴在封装载体的管壳7中，具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片5通过键合金属线75的方法与ASIC芯片6电连接，同样，ASIC芯片6的信号通过金属线75连接到管壳压焊块71上，由于管壳压焊块71与管壳焊脚72有相应的电连接，这样，MEMS信号就经ASIC芯片6处理后传输到管壳焊脚72上，具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片5、ASIC芯片6和金属线75均位于管壳空腔73中，金属线75弧线最高处不高于管壳密封面74高度。
在键合好金属线75后，管壳7需要密封，以保护内部的芯片、压焊块和金属线，如图16所示，在管壳密封面74上盖上管壳盖板76，他们之间通过密封材料77粘合在一起，密封材料77可以是低温玻璃焊料，也可以是金属焊料，这样芯片、压焊块和金属线均被密封在管壳7、密封材料77与管壳盖板76围成的密封腔中，完成二次封装，形成最终成品；在本实施例中，密封腔41内气压低于环境气压，接近真空，以提高高性能MEMS产品的可靠性。
图17进一步说明了本实施例的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片5的原理，从俯视图看，盖板30面积小于底板10面积，露出MEMS信号导出部22c和第一压焊块23，金属线75连接位于盖板30上的第二压焊块35a和位于MEMS信号导出部22c上的相应的第一压焊块23，第二压焊块35a通过通孔34a(图17中被第二金属层图形35遮盖)连接第一金属层图形33，再连接到位于ASIC芯片6一侧的第一ASIC压焊块601上，实现交叉布线；ASIC芯片6与具有多功能盖板的MEMS芯片5通过相近一侧的第二ASIC压焊块602与第二压焊块35a，以及两者之间的金属线75电连接，由第一压焊块23a导出的MEMS信号连接到第十ASIC压焊块610上，由第一压焊块23b导出的MEMS信号连接到第一ASIC压焊块601上。
本实施例的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片5利用玻璃浆料环37作为密封环37a，既可以填充各个MEMS信号导出部22c之间的空隙22b达到密封作用，不需要将密封面制作得平整，又可以提供MEMS结构22a与盖板衬底31之间的空间以容纳MEMS结构22a自由运动，而无需在盖板30上制作上凹腔，减少了掩模数量，提高成品率，降低成本；在盖板衬底31上制作第一金属层图形33和第二金属层图形35，进行交叉布线，利用普通封装技术的金属线键合工艺，将MEMS信号连接到盖板30上，然后从盖板30连接到ASIC芯片上，不需在底板10或盖板30的内侧制作复杂的金属布线以将MEMS信号引出，不需金属-硅键合，大大简化了制造流程，降低了工艺复杂度，提高了成品率。
本实施例的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片5也可以直接与管壳压焊块71通过键合金属线实现电连接。
实施例二
本实施例的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片5的盖板30作为恒温加热器，给MEMS芯片恒温加热：第一金属层图形33作为恒温加热电阻33a，恒温加热电阻33a均匀分布在盖板30上，后续封装时，恒温加热电阻33a的一端连接到第七ASIC压焊块607上，另一端连接到第四ASIC压焊块604上，如图17所示，由ASIC芯片6控制流过恒温加热电阻33a的功率，为达到恒温加热的目的，必须有一个热敏电阻来反馈温度信号，热敏电阻也用第一金属层图形33制作，热敏电阻的电信号连接到第一ASIC压焊块601上，恒温加热电阻33a的加热温度由热敏电阻感应，热敏电阻将感应到的信号输送到ASIC芯片6中，ASIC芯片6经计算后控制恒温加热电阻33a的功率，达到温度恒定的目的。
实施例三
为在盖板30上制作检漏用的热对流加速度计，在图12所示的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS圆片4的盖板圆片3上通过光刻形成加速度计图形、各向异性蚀刻金属间绝缘层34和上盖板绝缘层32a、各向同性深Si蚀刻盖板衬底31、去胶，在盖板圆片3的热对流加速度计区81上挖出检漏空腔82，制作成检漏用MEMS圆片；在保护热对流加速度计区81的情况下，通过与实施例1相似的方法将检漏用MEMS圆片切割成多个检漏用MEMS芯片8，见图18。
图19中热对流加速度计区81位于盖板30的中央位置，目的是为了方便检漏用MEMS圆片切割成检漏用MEMS芯片8时对热对流加速度计的保护，第一热电偶正极83a和第二热电偶正极83c被对称地置于热对流加速度计加热电阻84的两侧，并且他们都悬置于检漏空腔82上方，ASIC芯片6通过第五ASIC压焊块605、第六ASIC压焊块606控制加热电阻84上的功率，第一热电偶负极83b和第二热电偶负极83d被对称地置于非检漏区，也就是说被置于盖板衬底31上，由于Si的热传导系数为150W/M·K，比空气的热传导系数(2.6×10-2W/M·K)大得多，所以第一热电偶的负极83c和第二热电偶的负极83d的温度基本相等，加热电阻84对热对流加速度计区81局部的气体进行加热，引起气体对流，从而加热第一热电偶正极83a和第二热电偶正极83c，第一热电偶正极83a的信号连接到第八ASIC压焊块608上，第一热电偶负极83b的信号连接到第九ASIC压焊块609上，两者之间的温度差△Tab经第二热电偶转化为电信号Sab，第二热电偶正极83c的信号连接到第三ASIC压焊块603上，第二热电偶负极83d的信号连接到第二ASIC压焊块602上，两者之间的温度差△Tcd经第二热电偶转化为电信号Scd，当在图19中沿B-B方向施加一定量的加速度时，Sab-Scd就会有一个对应的差值△S，在一定环境温度，一定加热电阻84功率下，并且气压P0一定时，△S为一定值△S0，当环境温度、加热电阻84功率相同，但气压变为P1，相应地，两个热电偶间的电信号差值变为△S1，它们之间有以下关系：
△S0/△S1＝(P0/P1)2
通过定期检测△S，并与出厂校准时测得的△S0比较，就可以在使用过程中实时监控二次封装管壳空腔内的气压，判断二次封装是否漏气，以保证成品的可靠性。
检漏用热对流加速度计的结构可从图19的A-A的剖示图20进一步说明，热对流加速度计的热电偶位于检漏空腔82中央，与盖板衬底31无直接接触，以减少热量损失，它从下到上依次由上盖板绝缘层32a、第一金属层图形33、金属间绝缘层34、第二金属层图形35组成，总厚度在2～10μm，用于感应热电偶周围的气体温度；上盖板绝缘层32a的作用是为热电偶提供机械支撑，金属间绝缘层34的作用是电隔离第一金属层图形33和第二金属层图形35；热电偶不限于一组，可以由多组串联而成。
检漏用热对流加速度计的结构也可从图19的沿B-B的剖示图21进一步说明，热对流加速度计的加热电阻84于检漏空腔82中央，与盖板衬底31无直接接触，以减少热量损失，它从下到上依次由上盖板绝缘层32a、第一金属层图形33、金属间绝缘层34组成，用于加热周围的气体，引起气体热对流；上盖板绝缘层32a和金属间绝缘层34的作用是为加热电阻84提供机械支撑，以及保护用作加热电阻84的第一金属层图形33不接触周围气体以免被氧化；加热电阻84不限于一组，可以由二组或多组并联而成，以达成沿B-B方向的加热功率对称的目的；热电偶的正极83a和83c的位置就是图21中通孔34a的位置，对称放置于加热电阻84两侧，与加热电阻84通过上盖板绝缘层32a和金属间绝缘层34机械连接以保证机械强度，上盖板绝缘层32a是不良热导体，其热导率比金属和硅的热导率小二个数量级以上，所以第一热电偶正极83a和第二热电偶正极83c的温度要比加热电阻84的温度低得多。
热电偶与加热电阻84也可无机械连接，这样可以提高热对流加速度计的灵敏度。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片，包括盖板、MEMS结构层和至少有一个下凹腔的底板衬底，底板衬底上有上底板绝缘层，所述的MEMS结构层包括MEMS结构、空隙和MEMS信号导出部，所述的盖板包括盖板衬底，盖板衬底上表面覆盖有上盖板绝缘层，上盖板绝缘层上有第一金属层图形，金属间绝缘层覆盖在上盖板绝缘层和第一金属层图形上，金属间绝缘层中开有通孔，第二金属层图形分布在金属间绝缘层上并填充在通孔中，从而将第一金属层图形与第二金属层图形电连接，第二金属层图形的一部分还作为第二压焊块；盖板衬底下表面具有密封环，盖板通过密封环与MEMS结构层和上底板绝缘层键合，底板衬底、上底板绝缘层、密封环和盖板衬底共同围成密封腔，MEMS结构位于所述的密封腔中，MEMS信号导出部固定在上底板绝缘层上，第一压焊块位于MEMS信号导出部上表面，第一压焊块上方无盖板和密封环覆盖；
所述的第一金属层图形的材料是重掺杂多晶硅、硅化物、铂、钨、钼、钛或两种以上的组合，第二金属层图形的材料是铝、金、铂或铜，且第一金属层图形的材料与第二金属层图形的材料的Seebeck系数不同，其特征在于：
所述的盖板上挖有检漏空腔，热对流加速度计的热电偶正极位于检漏空腔中央，与盖板衬底无接触，加热电阻位于检漏空腔中央，与盖板衬底无接触，所述的热电偶从下到上依次由上盖板绝缘层、第一金属层图形、金属间绝缘层和第二金属层图形组成，热电偶的厚度为2～10 μm，所述的加热电阻从下到上依次由上盖板绝缘层、第一金属层图形和金属间绝缘层组成。
2.具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）底板圆片制作：在底板衬底上表面生长上底板绝缘层，同时下表面生长下底板绝缘层，光刻上底板绝缘层和部分底板衬底，形成下凹腔，完成底板圆片的制作，所述的底板衬底的材料是重掺杂单晶硅；
（2）MEMS结构圆片制作：将重掺杂单晶硅圆片键合到底板圆片上表面上，磨削单晶硅圆片到厚度为20～100 μm，形成SOI圆片，磨削后的单晶硅圆片作为MEMS结构层；在MEMS结构层上淀积金属层，蚀刻金属层，形成第一压焊块；然后再蚀刻MEMS结构层，形成MEMS结构、空隙和MEMS信号导出部，所述的第一压焊块位于MEMS信号导出部上方，完成MEMS结构圆片的制作；
（3）盖板圆片形成：在盖板衬底上表面生长上盖板绝缘层，同时下表面生长下盖板绝缘层，上盖板绝缘层上淀积第一金属层，图形化第一金属层形成第一金属层图形；再在上盖板绝缘层和第一金属层图形上淀积金属间绝缘层，蚀刻金属间绝缘层形成通孔，然后在金属间绝缘层上淀积第二金属层，同时，通孔内也被第二金属层填充，图形化第二金属层形成第二压焊块和第二金属层图形；最后除去下盖板绝缘层，并在盖板衬底下表面印刷并预烧结形成玻璃浆料环，即完成盖板圆片的制作，所述的盖板衬底的材料是重掺杂单晶硅；
（4）具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS圆片形成：将盖板圆片的密封环与MEMS结构圆片的MEMS信号导出部键合，形成具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS圆片；
（5）具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片形成：切割具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS圆片的盖板圆片，露出第一压焊块，再切割具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS圆片的MEMS结构圆片，得到具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片。
3.如权利要求2所述的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的制造方法，其特征在于：所述的第一压焊块的材料是铝、金、铂或铜；第一金属层的材料是重掺杂多晶硅、硅化物、铂、钨、钼、钛或两种以上的组合；金属间绝缘层的材料是PECVD生长的SiO2、氮化硅或它们的组合，金属间绝缘层的厚度为0.5～3 μm；第二金属层的材料是铝、金、铂或铜，第二金属层材料的Seebeck系数与第一金属层材料的seebeck系数不同。
4.如权利要求2或3所述的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的制造方法，其特征在于：步骤（3）中还在第二金属层上制作保护层，然后在盖板圆片与MEMS结构圆片键合后将所述的保护层除去，所述的保护层的材料是聚酰亚胺、光刻胶或PECVD SiN。
5.如权利要求3所述的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的制造方法，其特征在于：在步骤（4）形成的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS圆片的盖板圆片上蚀刻出检漏空腔，所述的检漏空腔上方设置热对流加速度计的热电偶和加热电阻。
6.如权利要求5所述的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的制造方法，其特征在于：所述的检漏空腔通过各向异性蚀刻金属间绝缘层和上盖板绝缘层、各向同性深Si蚀刻盖板衬底形成。
7.如权利要求5所述的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的制造方法，其特征在于：所述的热电偶从下到上依次由上盖板绝缘层、第一金属层图形、金属间绝缘层和第二金属层图形组成，热电偶的厚度为2～10 μm，所述的加热电阻从下到上依次由上盖板绝缘层、第一金属层图形和金属间绝缘层组成。
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