CN105858588A - 一种封装结构及其应用 - Google Patents

Abstract

一种封装结构，包括：封装盖片，配置为覆盖欲封装的器件；封装环，设置在封装盖片欲进行封装的一侧，用于实现欲封装的器件的气密性封装；平面引线和/或垂直引线，用于实现欲封装的器件内外电学互连：当设置平面引线时，平面引线设置在封装环与封装盖片之间，且平面引线和封装环之间设置有平面绝缘层；当设置垂直引线时，垂直引线设置为贯穿所述封装盖片。本发明公开的封装结构电学损耗低，能有效抑制寄生效应对射频微弱信号的干扰，实现各种RF MEMS器件的圆片级或芯片级真空封装。

Description

一种封装结构及其应用

技术领域

本发明涉及射频微机电(RF MEMS)技术领域，进一步的本发明涉及一种真空封装结构，以及一种应用该封装结构进行射频微机电器件封装的方法。

背景技术

现代无线通信系统朝着小尺寸、低成本、高频率、高性能方向发展，要求可与IC电路集成的RF MEMS器件取代传统的片外分离单元，如谐振器、滤波器、耦合器等。RF MEMS器件一般是由亚微米级的可动结构组成，容易受环境中颗粒物、水汽等干扰，影响其稳定性以及使用寿命。另外，RF MEMS器件的振动部分质量较小，空气阻尼对其性能影响明显，采用真空封装可以有效降低机械可动结构的空气阻尼，提高器件的品质因子，从而提高器件的性能、降低功耗。因此，真空封装不仅是提高RF MEMS器件性能的关键，而且决定RF MEMS器件的可靠性、长期稳定性、使用寿命。此外，RF MEMS器件的封装还需要考虑外界电磁场和封装引入的寄生效应对器件性能的影响。

目前用于RF MEMS器件的真空封装方法主要包括外延薄膜和键合两种工艺。斯坦福大学Rob N.Candler等人采用外延高掺杂多晶硅薄膜的方法实现RF MEMS器件的真空封装。该方法能大幅减小器件的尺寸，但真空密封工艺复杂，去除牺牲层困难，而且工艺成本高。基于键合工艺的封装方法具有工艺简单、成本低等优点，广泛应用于RF MEMS器件的真空封装。RF MEMS器件的封装技术中需要考虑器件内外的电学互连方式，主要有平面引线和垂直引线两种，平面引线方式具有工艺简单、成本低等优点，垂直引线方式可以有效减小封装后器件尺寸。

另外，在RF MEMS器件工作时，外界电磁场会影响器件的频率稳定性能，产生较大的噪声；封装结构引入的寄生效应，如馈通电容等，使得输入、输出端口之间存在较大耦合噪声，影响其频谱性能。因此，对于RF MEMS器件的封装，还需要抑制外界电磁场和封装结构引入的寄生效应对器件性能的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低电学损耗真空封装结构及其应用，克服以上所述至少一种技术问题。

根据本发明的一方面，提供一种封装结构，包括：

封装盖片，配置为覆盖欲封装的器件；

封装环，设置在封装盖片欲进行封装的一侧，用于实现欲封装的器件的气密性封装；

平面引线和/或垂直引线，用于实现欲封装的器件内外电学互连：当设置平面引线时，平面引线设置在封装环与封装盖片之间，且平面引线和封装环之间设置有平面绝缘层；当设置垂直引线时，垂直引线设置为贯穿所述封装盖片。

优选的，所述平面引线包括平面输出引线和平面输入引线，所述封装结构还包括焊盘，平面输出引线和平面输入引线连接至焊盘上再和欲封装的器件互连。

优选的，所述平面输入引线和平面输出引线分别设定为地线、信号线和地线的交替排布方式。

优选的，所述封装盖片在欲进行封装的一侧中部向内开设一盖片腔室，所述盖片腔室内壁覆盖有电磁屏蔽层。

优选的，所述垂直引线的外围设置有侧壁绝缘层，绝缘层材料为氧化硅、氮化硅或玻璃。

优选的，所述垂直引线的外围低阻基片接地或引线间距大于800μm，以减小馈通噪声干扰。

优选的，所述垂直引线的材料为金属或低阻硅。

优选的，所述封装环或焊盘的材料结构为金属中间层，金属中间层由单层金属或多层复合金属构成。

优选的，所述金属为金、铜、金锡合金、铜锡合金或银铟合金。

根据本发明的另一方面，还提供一种应用以上所述的封装结构进行射频微机电器件封装的方法，包括将所述封装环和焊盘与所述射频微机电器件的外围区域和所述垂直引线或平面引线的一端通过一次真空键合进行封装的步骤。

从上述技术方案可以看出，本发明的有益效果在于：

1、本发明提出的低电学损耗平面引线真空封装结构，工艺制作简单，通过引入平面引线、封装环接地、电磁屏蔽层、真空密封材料等，实现RF MEMS器件的低损耗、低成本、高真空封装；

2、本发明提出的低电学损耗垂直引线真空封装结构，通过将垂直引线外围低阻硅接地或者增加输入、输出引线间距的方法抑制耦合噪声，实现RF MEMS器件的低损耗、小尺寸、高真空封装；

3、本发明提出的真空键合方法简单、可靠，不仅能用于圆片级封装，降低器件封装和制作成本；而且适用于小芯片的快速封装，降低研发周期。

附图说明

图1为本发明实施例一的封装盖片横截面示意图；

图2为本发明实施例一的封装盖片的俯视示意图；

图3为本发明实施例二的封装盖片横截面示意图；

图4为本发明实施例二的封装盖片的俯视示意图；

图5为本发明实施例三的封装盖片横截面示意图；

图6为本发明实施例三的封装盖片的俯视示意图；

图7为本发明实施例三提出的封装盖片与RF MEMS器件封装后的横截面示意图。

附图标记说明：

1是绝缘基片；2是盖片腔室；3是平面引线；4是电磁屏蔽层；5是平面绝缘层；6是封装环；7是焊盘；8是地线；9是低阻基片；10是侧壁绝缘层；11是垂直引线；12是表面金属层；13是RF MEMS器件。

具体实施方式

本发明的基本构思在于，提供一种低电学损耗真空封装结构，包括封装盖片和封装环；以及平面引线和/或垂直引线，用于实现欲封装的器件内外电学互连，并通过多种设置减少馈通噪声或电容干扰。

对于平面引线的设置，目的在于利用平面引线实现封装后器件的内外电学互连，采用剥离金属工艺或金属干法/湿法刻蚀工艺对其图形化，该引线工艺制作简单，成本低。低损耗的平面引线位于绝缘基片表面，用于实现封装后RF MEMS器件的内外电学互连，平面引线和金属封装环重叠区域用平面绝缘层隔离，实现气密性键合后的电学信号引出。

其中，封装结构中还包括焊盘，封装环和焊盘分别用于RF MEMS器件的气密性封装和内外电学互连，其中间层材料为单层或多层复合金属、金属-硅等，可以采用剥离或刻蚀工艺使其图形化。

其中，低损耗平面引线用于实现封装后器件内外电学互连，材料可以是金、银、钨等低损耗金属。封装盖片采用绝缘基片，可以为玻璃，低温共烧陶瓷等，以减小射频信号传输过程中引起的损耗。绝缘基片在欲进行封装的一侧中部向内开设一盖片腔室，所述盖片腔室内壁覆盖有电磁屏蔽层，用于抑制外界电磁场对器件的干扰，其材料以及工艺与平面引线相同，可以采用金、银、钨等低损耗金属。

其中，平面引线包括输入、输出引线，输入、输出引线设计成地-信号-地(GSG)的间隔排列结构利于降低信号的干扰。

其中，平面绝缘层位于平面引线与封装环的重叠区域，用于实现电学隔离，材料可以是采用化学气相沉积制作的氧化硅、氮化硅等，平面绝缘层图形化方法可以采用湿法、干法或干湿法结合的工艺。

其中，封装环连接至地线是用于抑制输入、输出端口的耦合噪声，使得馈通信号进入地线，减小输入、输出端口间耦合噪声对射频信号的干扰。

其中，封装环和焊盘的材料为金属、金属-硅等中间层。金属中间层可以由单层金属或多层复合金属构成，如金、铜、金锡、铜锡、银铟等；金属-硅中间层可以是金-硅、镍-硅、铂-硅等。封装环和焊盘分别位于器件外围区域和引线一端，通过一次键合，既能实现RF MEMS器件的气密性封装，又能使器件内外电学互连。

对于垂直引线的设置，其贯穿所述封装盖片，目的在于利用垂直引线实现封装后器件的内外电学互连。采用低损耗的垂直引线结构，实现气密性封装后的电学信号引出。同时通过馈通噪声接地或者减小馈通电容的方法，实现RF MEMS器件的低寄生、小尺寸封装。垂直引线材料可以是金属或者低阻硅等低电阻率、低损耗材料。

当采用垂直引线外围基片接地结构以减小馈通时，封装盖片采用低阻基片9，材料为低阻硅；当采用垂直引线间距大于800μm的结构以减小馈通时，封装盖片采用绝缘基片1，材料为玻璃，低温共烧陶瓷等。

垂直引线封装结构中的寄生优化方法有两种，以下分别介绍这两种盖片结构设计和工艺制作(与平面引线相同之处按照以上所介绍的设置，以下不再赘述)：

其中使馈通噪声接地的方式有：利用垂直引线实现封装后器件的内外电学互连，材料可以是金属、低阻硅等；垂直引线与低阻基片之间通过侧壁绝缘层实现电学隔离，侧壁绝缘层材料可以是玻璃、氧化硅等；输入、输出端口外围包裹的低阻硅连接至地线，使得馈通噪声进入地线。

其中，封装盖片进一步的工艺可以是深硅刻蚀、玻璃与硅阳极键合、玻璃高温回流、双面化学机械研磨，也可以是深硅刻蚀(激光打孔)、淀积平面绝缘层、淀积种子层、电镀金属、化学机械研磨；垂直引线的表面金属层用于压焊或者射频探针测试，材料可以是金、银、钨等低损耗金属，采用剥离或刻蚀工艺对其图形化；封装环和焊盘采用中间层键合方法，通过一次键合，既能实现RF MEMS器件的气密性封装，又能实现器件内外电学互连。

其中，为减小馈通电容，与上述方法不同之处在于：封装盖片采用绝缘基片，以使垂直引线间相互绝缘；需要增大输入、输出端口间距(大于800μm)，使得馈通电容最小化，消除输入、输出端口间馈通噪声对器件的干扰；垂直引线与焊盘间通过平面引线实现互连。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

实施例一

请参阅图1和图2所示，本实施例提供的一种平面引线真空封装结构，以金-锡中间层键合为例，具体工艺流程如下：

(1)平面引线封装盖片采用的绝缘基片1，如玻璃，低温共烧陶瓷等，其厚度为300-600μm；

(2)以铬-金为掩膜，氢氟酸缓冲液为蚀刻液，在绝缘基片表面腐蚀10-50μm深的盖片腔室2；

(3)采用剥离金属工艺，在绝缘基片表面制作平面引线3和电磁屏蔽层(4)，其材料为铬-金，尺寸厚度为0.1-1μm。平面引线设计成地-信号-地(GSG)结构利于降低信号的干扰，电磁屏蔽层用于抑制外界电磁场对器件的干扰；

(4)采用等离子体增强化学气相沉积氧化硅工艺，在绝缘基片表面淀积0.2-2μm厚的氧化硅，作为平面引线封装环与平面引线间的平面绝缘层5。再以光刻胶为掩膜，氢氟酸缓冲液为蚀刻液，对平面绝缘层进行图形化；

(5)采用剥离金属工艺，在绝缘基片表面制作封装环6和焊盘7，材料为金-锡复合金属，厚度为2-10μm。平面引线封装环与平面引线中的地线相连，用于抑制输入、输出端口间耦合噪声对射频信号的干扰。

实施例二

请参阅图3和图4所示，本实施例提供的一种垂直引线真空封装结构，减小寄生效应的方法为馈通噪声接地，垂直引线材料为低阻硅，以金-锡中间层键合为例，具体工艺流程如下：

(1)采用低阻基片9作为封装盖片，其厚度为500-1000μm；

(2)利用氧化硅作为掩膜，采用深反应离子刻蚀硅工艺，刻蚀硅深度为350-500μm；

(3)将低阻基片与Pyrex7740玻璃阳极键合，再在高温下进行玻璃回流。采用化学机械研磨工艺，对基片进行双面研磨、抛光，最终得到的低阻基片厚度～330μm。垂直引线11材料为低阻硅，垂直引线与低阻基片间以侧壁绝缘层10实现电学隔离，绝缘材料为Pyrex7740玻璃；

(4)采用反应离子刻蚀工艺，在低阻基片表面刻蚀10-50μm深的盖片腔室2；

(5)采用剥离金属工艺，在垂直引线表面制作表面金属层12，其材料为铬-金，尺寸厚度为0.1-1μm；

(6)采用剥离金属工艺，在低阻基片表面制作封装环6、焊盘7以及电磁屏蔽层4，材料为金-锡复合金属，厚度为2-10μm。包裹垂直引线的外围低阻硅均接地8，使得馈通噪声进入地线，实现封装后射频信号的高保真输出。

实施例三

请参阅图5、图6和图7所示，本实施例提供的一种垂直引线真空封装结构及其应用，减小寄生效应的方法为增大输入、输出端口间距，垂直引线材料为铜，以金-锡中间层键合为例，具体工艺流程如下：

(1)采用绝缘基片1作为封装盖片，如玻璃，低温共烧陶瓷等，其厚度为300-600μm；

(2)输入、输出端口间距设置为800μm，使得馈通电容最小化，消除输入、输出端口间馈通噪声对器件的干扰；

(3)采用激光打孔工艺，在绝缘基片上形成贯穿该基片的通孔；

(4)采用电镀铜工艺，在通孔内部形成垂直引线11。再采用化学机械研磨工艺，对基片进行双面研磨、抛光；

(5)采用反应离子刻蚀工艺，在绝缘基片表面刻蚀5-10μm深的盖片腔室(2)；

(6)采用剥离金属工艺，在垂直引线表面制作表面金属层12，其材料为铬-金，尺寸厚度为0.1-1μm。

(7)采用剥离金属工艺，在绝缘基片表面制作平面引线3和电磁屏蔽层(4)，其材料为铬-金，尺寸厚度为0.1-1μm。平面引线用于实现垂直引线与焊盘7间互连。

(8)采用剥离金属工艺，在绝缘基片表面制作封装环6和焊盘7，材料为金-锡复合金属，厚度为2-10μm。

(9)待键合的晶片置于真空环境，在一定压力、310℃温度下键合，完成RF MEMS器件13和绝缘基片的真空气密性键合。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种封装结构，其特征在于包括：

封装盖片，配置为覆盖欲封装的器件；

封装环，设置在封装盖片欲进行封装的一侧，用于实现欲封装的器件的气密性封装；

平面引线和/或垂直引线，用于实现欲封装的器件内外电学互连：当设置平面引线时，平面引线设置在封装环与封装盖片之间，且平面引线和封装环之间设置有平面绝缘层；当设置垂直引线时，垂直引线设置为贯穿所述封装盖片。

2.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述平面引线包括平面输出引线和平面输入引线，所述封装结构还包括焊盘，平面输出引线和平面输入引线连接至焊盘上再和欲封装的器件互连。

3.根据权利要求2所述的封装结构，其特征在于，所述平面输入引线和平面输出引线分别设定为地线、信号线和地线的交替排布方式。

4.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述封装盖片在欲进行封装的一侧中部向内开设一盖片腔室，所述盖片腔室内壁覆盖有电磁屏蔽层。

5.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述垂直引线的外围设置有侧壁绝缘层，绝缘层材料为氧化硅、氮化硅或玻璃。

6.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述垂直引线的外围低阻基片接地或引线间距大于800μm，以减小馈通噪声干扰。

7.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述垂直引线的材料为金属或低阻硅。

8.根据权利要求2所述的封装结构，其特征在于，所述封装环或焊盘的材料结构为金属中间层，金属中间层由单层金属或多层复合金属构成。

9.根据权利要求8所述的封装结构，其特征在于，所述金属为金、铜、金锡合金、铜锡合金或银铟合金。

10.一种应用权利要求2或3、5-9任一所述的封装结构进行射频微机电器件封装的方法，包括将所述封装环和焊盘与所述射频微机电器件的外围区域和所述垂直引线或平面引线的一端通过一次真空键合进行封装的步骤。