CN106744656A - 一种微机电系统器件封装方法及结构 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种微机电系统器件封装方法及结构。所述方法包括：在MEMS晶圆上形成器件结构，第一密封圈以及与多个金属焊盘；在盖帽的第一表面形成凹槽和多个直孔；在盖帽的第一表面形成多条第一金属导线和第二密封圈；多条第一金属导线的第一端分别延伸至多个直孔底面，多条第一金属导线的第二端以及第二密封圈位于第一表面的非凹槽区域；第二密封圈环绕凹槽和第一金属导线的第二端，并与第一密封圈对应设置；将第一金属导线的第二端与金属焊盘键合；将第一密封圈与第二密封圈相连接以密封盖帽和MEMS晶圆；刻蚀盖帽的第二表面以裸露出第一金属导线的第一端。本发明实施例提供了一种在保证气密性的同时，提高MEMS器件性能的封装方案。

Description

一种微机电系统器件封装方法及结构

技术领域

本发明实施例涉及半导体封装技术，尤其涉及一种微机电系统器件封装方法及结构。

背景技术

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。

在消费电子、智能终端和可穿戴产品等领域应用中，要求MEMS传感器的尺寸和成本进一步降低的同时提高集成度和性能。由于大部分MEMS器件都有气密性要求，现有技术中，通常封装之后，在MEMS功能衬底一侧或者在盖帽进行深孔刻蚀和形成绝缘层等真空高温处理，以将MEMS传感器的焊盘引出。但由于密封后存在空腔，有很大爆硅风险，并且容易损伤MEMS传感器的结构及性能。

发明内容

本发明提供一种微机电系统器件封装方法及结构，以提供一种在保证气密性的同时，提高MEMS器件性能的封装方案。

第一方面，本发明实施例提供了一种微机电系统器件封装方法，所述方法包括：

在MEMS晶圆上形成器件结构，第一密封圈以及与所述器件结构电连接的多个金属焊盘，所述第一密封圈环绕所述器件结构和所述金属焊盘；

在盖帽的第一表面形成凹槽和多个直孔，所述凹槽与所述器件结构对应设置；

在所述盖帽的第一表面形成多条第一金属导线和第二密封圈；所述多条第一金属导线的第一端分别延伸至所述多个直孔底面，所述多条第一金属导线的第二端以及所述第二密封圈位于所述第一表面的非凹槽区域；所述第二密封圈环绕所述凹槽和所述第一金属导线的第二端，并与所述第一密封圈对应设置；

将所述MEMS晶圆与所述盖帽相对放置，并将所述第一金属导线的第二端与所述金属焊盘键合，以实现线路连接；

将所述第一密封圈与所述第二密封圈相连接以密封所述盖帽和所述MEMS晶圆；

刻蚀所述盖帽的第二表面以裸露出所述第一金属导线的第一端。

第二方面，本发明实施例还提供了一种微机电系统器件封装结构，所述结构包括：

相对设置的盖帽和微机电系统MEMS晶圆；

所述MEMS晶圆上形成有器件结构、第一密封圈以及与所述器件结构电连接的多个金属焊盘；所述第一密封圈环绕所述器件结构和所述金属焊盘；

所述盖帽的第一表面形成有凹槽、多个直孔、多条第一金属导线和第二密封层；所述多条第一金属导线的第一端分别通过所述多个直孔贯穿至所述盖帽的第二表面，所述多条第一金属导线的第二端以及所述第二密封圈位于所述第一表面的非凹槽区域；所述第二密封圈环绕所述凹槽和所述第一金属导线的第二端，并与所述第一密封圈对应设置；所述凹槽与所述器件结构对应设置；

所述第一金属导线的第二端与所述金属焊盘键合，以实现线路连接；所述第一密封圈与所述第二密封圈相连接以密封所述盖帽和所述MEMS晶圆。

本发明实施例通过在MEMS晶圆与盖帽密封之前，在盖帽上形成多个直孔和第一金属导线，通过所述第一金属导线将MEMS晶圆上的金属焊盘引出至封装结构外部，避免了密封后进行真空高温制程，降低了爆硅风险，并且避免了损伤MEMS晶圆上的器件结构和金属焊盘，提供了一种在保证气密性的同时，提高MEMS器件性能的封装方案。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种微机电系统器件封装方法的流程图；

图2是本发明实施例中的一种MEMS晶圆的结构示意图；

图3是本发明实施例中的一种盖帽的结构示意图；

图4是本发明实施例中的又一种盖帽的结构示意图；

图5是本发明实施例中的MEMS晶圆与盖帽键合结构示意图；

图6是本发明实施例中的一种MEMS器件封装结构示意图；

图7是本发明实施例中的又一种MEMS器件封装结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本发明实施例中的一种微机电系统器件封装方法的流程图，本实施例提供了一种微机电系统器件封装方法，参考图1，所述方法具体包括如下步骤：

步骤100、在MEMS晶圆上形成器件结构，第二密封圈以及与所述器件结构电连接的多个金属焊盘。

图2是本发明实施例中的一种MEMS晶圆的结构示意图，参考图2，第一密封圈120环绕器件结构110和金属焊盘130。

其中，第一密封圈120设置于MEMS晶圆10的边缘位置，用于对MEMS晶圆10上的器件结构110和金属焊盘130进行密封，其形状可以根据MEMS晶圆10的形状进行设定，示例性的可以为圆形或矩形等。

步骤200、在盖帽的第一表面形成凹槽和多个直孔。

图3是本发明实施例中的一种盖帽的结构示意图，参考图3，凹槽210与器件结构110对应设置。凹槽210的尺寸可以根据器件结构110的尺寸进行设置，并不做具体限定。盖帽20可以采用硅材料，可以采用干法刻蚀或湿法腐蚀形成凹槽210和多个直孔220。具体的，本实施例中，在密封之前，在盖帽20上形成直孔220，不会损伤MEMS晶圆10上的器件结构110和金属焊盘130，降低了爆硅风险，并且可以降低封装结构的内应力。

步骤300、在盖帽20的第一表面21形成多条第一金属导线和第二密封圈。

图4是本发明实施例中的又一种盖帽的结构示意图，参考图4，多条第一金属导线230的第一端231分别延伸至多个直孔220底面，多条第一金属导线230的第二端232以及第二密封圈240位于第一表面21的非凹槽区域；第二密封圈240环绕凹槽210和第一金属导线230的第二端232，并与第一密封圈120对应设置。

具体的，第二密封圈240的形状与第一密封圈120相同，第二密封圈240与第一密封去120配合对MEMS晶圆10上的器件结构110和金属焊盘130进行密封。第一金属导线230用于将MEMS晶圆10上的金属焊盘130引至封装结构外部，以实现密封后MEMS晶圆10上的器件结构110与外部器件的电连接。另外，第一金属导线230通过盖帽20上的直孔220引出金属焊盘130，而直孔220的内径可以做的很小，因此金属焊盘130可以做的很小，可以可有效减小封装尺寸。

可选的，在盖帽20的第一表面21形成多条第一金属导线230和第二密封圈240包括：

通过化学气相沉积工艺在多个直孔220表面及盖帽20的第一表面21形成第一绝缘层250；在第一绝缘层250上形成多条第一金属导线230和第二密封圈240。

具体的，若盖帽20采用半导体硅材料，其会影响第一金属导线230与金属焊盘130的电连接，从而影响整个封装结构的电性能。通过在多个直孔220表面及盖帽20的第一表面21形成第一绝缘层250，保证了整个封装结构具有稳定的电性能。另外，本实施例的方法，在密封之前形成第一绝缘层250和第一金属导线230，使得化学气相沉等工艺可以采用更高的温度，形成的第一绝缘层250以及第一金属导线230等性能更稳定，从而保证了封装结构的电性能和稳定性好更好。

步骤400、将MEMS晶圆10与盖帽20相对放置，并将第一金属导线230的第二端232与金属焊盘130键合，以实现线路连接。

图5是本发明实施例中的MEMS晶圆与盖帽键合结构示意，参考图5，第一金属导线230的第二端232与金属焊盘130电连接，将金属焊盘130引出，使得MEMS晶圆130上的器件结构110可以与外部器件的电连接。具体的，可以采用金属共晶键合对第一金属导线230的第二端232与金属焊盘130。

步骤500、将第一密封圈120与第二密封圈240相连接以密封盖帽20和MEMS晶圆10。

具体的，通过将第一密封圈120与第二密封圈240相连接使盖帽10与MEMS晶圆20形成密封腔体，保持封装结构的气密性。

可选的，第一密封圈120与第二密封圈240可以为金属层，通过金属共晶键合将第一密封圈120和第二密封圈240键合，以密封盖帽10和MEMS晶圆20。

具体的，第一密封圈120与第二密封圈240可以为金属层，第二密封圈240可以与第一金属导线230在同一工艺步骤中形成，第一密封圈120可以与金属焊盘130在同一工艺步骤中形成，节省了工艺步骤。

可选的，第一密封圈120与第二密封圈240为胶层，通过粘结第一密封圈120和第二密封圈240密封盖帽10和MEMS晶圆20。

具体的，第一密封圈120与第二密封圈240采用胶层，降低了密封工艺难度及工艺成本。

步骤600、刻蚀盖帽20的第二表面以裸露出第一金属导线230的第一端231。

图6是本发明实施例中的一种MEMS器件封装结构示意图，参考图6，可选的，采用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺刻蚀盖帽20的第二表面22以裸露出第一金属导线230的第一端231。

其中，参考图6，第二表面22与第一表面21为盖帽20相对的两个平面。具体的，由于键合工艺的要求，盖帽20和MEMS晶圆的厚度须大于100-200微米，因此盖帽20与MEMS晶圆10可以采用较大的初始厚度，在键合完成之后，再减薄到要求的尺寸。另外，若直孔220的深度过大，对工艺要求较高，通过在键合后再减薄，使得直孔220的深度无需过深，降低了工艺难度。

具体的，若直孔220的深度略小于盖帽20的厚度，即键合后第一金属导线230的第一端231与盖帽20的第二平面22的距离较小，可以直接刻蚀第二表面22，以裸露出第一金属导线230的第一端231。若距离较大，可选的，可以打磨盖帽20的第二表面22以减薄盖帽20的厚度，然后再进行刻蚀。

图7是本发明实施例中的又一种MEMS器件封装结构示意图，参考图7，可选的，刻蚀盖帽20的第二表面22以裸露出第一金属导线230的第一端231以后，还包括：

在盖帽20的第二表面22形成第二绝缘层260；

在第二绝缘层260上形成铜柱280，其中，铜柱280与第一金属导线230的第一端231电连接。

其中，第二绝缘层260可以为绝缘胶层，通过设置铜柱231，便于封装结构与外部电子器件连接。具体的，还可以在第二绝缘层260上设置焊球，若MEMS器件结构的封装尺寸较小，则可以采用铜柱280，若MEMS器件结构的封装尺寸较大，则可以采用焊球。需要说明的是，图7中仅示出了设置铜柱280的情况，并未示出设置焊球的情况，并非对本发明的限定。

可选的，参考图7，在第二绝缘层260上形成铜柱280之前还包括：在第二绝缘层260上形成再布线层270，铜柱280通过再布线层270与第一金属导线230的第一端231电连接。

具体的，通过设置再布线层270，使得铜柱280的位置排布更加灵活，可以使得封装结构的外观更美观，铜柱280的排布更便于封装结构与外部器件连接。

本实施例通过在MEMS晶圆与盖帽密封之前，在盖帽上形成多个直孔和第一金属导线，通过所述第一金属导线将MEMS晶圆上的金属焊盘引出至封装结构外部，避免了密封后进行真空高温制程，降低了爆硅风险，并且避免了损伤MEMS晶圆上的器件结构和金属焊盘，提供了一种在保证气密性的同时，提高MEMS器件性能的封装方案。

本实施例还提供了一种微机电系统器件封装结构，参考图6，所述微机电系统器件封装结构可以包括：

相对设置的盖帽20和微机电系统MEMS晶圆10；

MEMS晶圆10上形成有器件结构110，第一密封圈120以及与器件结构110电连接的多个金属焊盘130；第一密封圈120环绕器件结构110和金属焊盘130；

盖帽20的第一表面21形成有凹槽210、多个直孔220、多条第一金属导线230和第二密封层240；多条第一金属导线230的第一端231分别通过多个直孔220贯穿至盖帽20的第二表面22，多条第一金属导线230的第二端232以及第二密封圈240位于第一表面21的非凹槽210区域；第二密封圈240环绕凹槽210和第一金属导线230的第二端232，并与第一密封圈120对应设置；凹槽210与器件结构110对应设置；

第一金属导线230的第二端232与金属焊盘230键合，以实现线路连接；第一密封圈120与第二密封圈240相连接以密封盖帽20和MEMS晶圆10。

可选的，第一密封圈120与第二密封圈240为金属层，通过金属共晶键合将第一密封圈120和第二密封圈240键合，以密封盖帽20和MEMS晶圆10。

可选的，第一密封圈120与第二密封圈240为胶层，通过粘结第一密封圈120和第二密封圈密240封盖帽20和MEMS晶圆10。

可选的，参考图6，若盖帽20采用硅材料，多个直孔220表面及盖帽20的第一表面21上还可以设置第一绝缘层250，多条第一金属导线230和第二密封圈240形成与第一绝缘层250上。

可选的，参考图7，盖帽20的第二表面22上形成有第二绝缘层260，第二绝缘层260上形成有铜柱280；其中，铜柱280与第一金属导线230的第一端231电连接。

可选的，参考图7，在第二绝缘层260上还可以设置再布线层270，铜柱280通过再布线层270与第一金属导线230的第一端231电连接。

本实施例提供的微机电系统器件封装结构，与本发明任意实施例所提供的微机电系统器件封装方法属于同一发明构思，具备执行相应的有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明任意实施例提供的微机电系统器件封装方法。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (12)

1.一种微机电系统器件封装方法，其特征在于，包括：

在微机电系统MEMS晶圆上形成器件结构，第一密封圈以及与所述器件结构电连接的多个金属焊盘，所述第一密封圈环绕所述器件结构和所述金属焊盘；

在盖帽的第一表面形成凹槽和多个直孔，所述凹槽与所述器件结构对应设置；

在所述盖帽的第一表面形成多条第一金属导线和第二密封圈；所述多条第一金属导线的第一端分别延伸至所述多个直孔底面，所述多条第一金属导线的第二端以及所述第二密封圈位于所述第一表面的非凹槽区域；所述第二密封圈环绕所述凹槽和所述第一金属导线的第二端，并与所述第一密封圈对应设置；

将所述MEMS晶圆与所述盖帽相对放置，并将所述第一金属导线的第二端与所述金属焊盘键合，以实现线路连接；

将所述第一密封圈与所述第二密封圈相连接以密封所述盖帽和所述MEMS晶圆；

刻蚀所述盖帽的第二表面以裸露出所述第一金属导线的第一端。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述第一密封圈与所述第二密封圈相连接以密封所述盖帽和所述MEMS晶圆包括：

所述第一密封圈与所述第二密封圈为金属层，通过金属共晶键合将所述第一密封圈和所述第二密封圈键合，以密封所述盖帽和所述MEMS晶圆。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述第一密封圈与所述第二密封圈相连接以密封所述盖帽和所述MEMS晶圆包括：

所述第一密封圈与所述第二密封圈为胶层，通过粘结所述第一密封圈和所述第二密封圈密封所述盖帽和所述MEMS晶圆。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述盖帽的第一表面形成多条第一金属导线和第二密封圈包括：

通过化学气相沉积工艺在所述多个直孔表面及所述盖帽的第一表面形成第一绝缘层；

在所述第一绝缘层上形成多条第一金属导线和第二密封圈。

5.根据权利要求1述的方法，其特征在于，刻蚀所述盖帽的第二表面以裸露出所述第一金属导线的第一端之后，还包括：

在所述盖帽的第二表面形成第二绝缘层；

在所述第二绝缘层上形成铜柱，其中，所述铜柱与所述第一金属导线的第一端电连接。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述第二绝缘层上形成铜柱之前还包括：

在所述第二绝缘层上形成再布线层，所述铜柱通过所述再布线层与所述第一金属导线的第一端电连接。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，刻蚀所述盖帽的第二表面以裸露出所述第一金属导线的第一端包括：

采用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺刻蚀所述盖帽的第二表面以裸露出所述第一金属导线的第一端。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，刻蚀所述盖帽的第二表面以裸露出所述第一金属导线的第一端之前还包括：

打磨所述盖帽的第二表面以减薄所述盖帽的厚度。

9.一种微机电系统器件封装结构，其特征在于，包括：

相对设置的盖帽和微机电系统MEMS晶圆；

所述MEMS晶圆上形成有器件结构、第一密封圈以及与所述器件结构电连接的多个金属焊盘；所述第一密封圈环绕所述器件结构和所述金属焊盘；

所述盖帽的第一表面形成有凹槽、多个直孔、多条第一金属导线和第二密封层；所述多条第一金属导线的第一端分别通过所述多个直孔贯穿至所述盖帽的第二表面，所述多条第一金属导线的第二端以及所述第二密封圈位于所述第一表面的非凹槽区域；所述第二密封圈环绕所述凹槽和所述第一金属导线的第二端，并与所述第一密封圈对应设置；所述凹槽与所述器件结构对应设置；

所述第一金属导线的第二端与所述金属焊盘键合，以实现线路连接；所述第一密封圈与所述第二密封圈相连接以密封所述盖帽和所述MEMS晶圆。

10.根据权利要求9述的结构，其特征在于：

所述盖帽的第二表面形成有第二绝缘层，所述第二绝缘层上形成有铜柱；其中，所述铜柱与所述第一金属导线的第一端电连接。

11.根据权利要求9所述的结构，其特征在于：

所述第一密封圈与所述第二密封圈为金属层，通过金属共晶键合将所述第一密封圈和所述第二密封圈键合，以密封所述盖帽和所述MEMS晶圆。

12.根据权利要求9所述的结构，其特征在于：

所述第一密封圈与所述第二密封圈为胶层，通过粘结所述第一密封圈和所述第二密封圈密封所述盖帽和所述MEMS晶圆。