CN107188110B - 一种圆片级真空封装结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种圆片级真空封装结构及其制作方法,涉及微电子机械系统与圆片级封装技术领域;包括第一圆片和第二圆片,第一圆片上设有空腔,第一圆片下部设有键合区,第一圆片与第二圆片通过键合区进行圆片键合;第二圆片上设有待封装的器件;第一圆片上设有排气通孔,排气通孔与空腔相靠近;方法简单,通过在空腔邻近区域制备排气通孔,可以在很短的时间内,使空腔内的真空达到或接近键合设备腔室的真空。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS(微电子机械系统)与圆片级封装技术领域。
背景技术
MEMS产品器件除了具有一定的电子性能特征外,更具有机械结构部件特征,其工作原理经常涉及到机械部件的运动,因此对于MEMS产品器件,封装技术是非常重要的。一方面封装可使产品避免受到灰尘、潮气等影响,另一方面,通过封装,在封装内部形成真空或一定气压的空气,对减小和控制可动结构的气体运动阻尼,是保证器件性能的必需工艺。对绝对压力传感器等器件,其内部也必须是真空状态,以准确测量外部的气压。目前多种多样的MEMS器件,以及部分微电子、光电子器件,都需要真空封装。器件的封装成本最多已经占到了产品总成本的95%,目前滞后的封装技术与高昂的封装成本严重制约了MEMS器件的产业化发展,优化加工技术方法、降低封装成本与真空封装技术是本发明的主要目的,对实现器件的真空或气密封装有重要意义。
圆片级封装技术是一种低成本和批量化的技术解决途径,圆片级封装是采用圆片键合技术,将MEMS器件封装在腔体内部的技术方法,因此具有批量的优点。多数情况下,圆片级封装形成的器件,可以直接应用,不需要每个器件再单独进行封装。
圆片级封装技术,利用一个制备有空腔的圆片,和另一个制备有器件的圆片,通过圆片键合技术结合在一起,同时完成了对圆片上所有器件的封装。然后可以通过切割等工艺,将圆片上的器件分割成一个个独立的器件。实现圆片键合的工艺技术,有很多种,包括阳极键合(硅-玻璃键合)、硅熔融键合、Glass frit键合、共晶键合、聚合物键合等;其中有些是圆片直接键合在一起,有些圆片键合工艺,需要在圆片表面待建合的区域制备金属或非金属薄膜,用来完成圆片键合。
圆片键合技术来实现器件的真空气密封装时,通常包含三个主要步骤。一是将需要键合的圆片,进行精密的对位操作,对位精度通常可达到几个微米或更小;二是将对位好的两个圆片放入键合设备内,键合设备的工作腔室抽真空,此时圆片处于真空环境下,彼此间的气体会排出,使内部的空腔形成真空;三是通过加热、加压等措施,完成圆片键合,使圆片界面处需要键合的区域形成气密的结合,则空腔形成真空气密封装。
在上述的圆片键合技术的第二步骤,为了顺利排出气体,圆片彼此间有一定的间隙,该间隙通常在100微米到1000微米的范围内。该间隙过大,会影响到圆片的对位精度。该间隙过小,则严重影响到了圆片彼此间的空隙和空腔处真空的形成。这主要是因为高真空下,气体分子彼此碰撞的平均自由程,大大增加了。在一个大气压760托时,分子平均自由程约为0.65微米;气压为1托时,分子平均自由程约为50微米;气压为1×10-3托时,分子平均自由程约为50000微米。目前进行的圆片键合,直径通常为100厘米、150厘米、200厘米、300厘米。当圆片间距为数百微米时,在真空环境下,分子运动的平均自由程,远远大于圆片间的间隙,空腔内的气体分子难以通过圆片间的间隙排出,即使通过几十分钟或更长的时间,也难以在圆片彼此的空间内部形成良好的真空。圆片空腔内的真空,通常比所处设备腔室的真空,要低一个数量级或两个数量级,而且工艺时间很长。如图2所示,第一圆片和第二圆片内部的空腔内,难以形成良好的真空。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足,提供一种圆片级真空封装结构及其制作方法,方法简单,通过在空腔邻近区域制备排气通孔,可以在很短的时间内,使空腔内的真空达到或接近键合设备腔室的真空。
为解决上述技术问题,本发明所采取的技术方案是:包括第一圆片和第二圆片,第一圆片上设有空腔,第一圆片下部设有键合区,第一圆片与第二圆片通过键合区进行圆片键合;第二圆片上设有待封装的器件;所述第一圆片上的空腔旁边设有排气通孔。
作为优选,排气通孔竖直贯穿第一圆片。
作为优选,排气通孔制作在器件彼此间的划片道内。
作为优选,排气通孔直径为10微米-1毫米。
进一步的,一种圆片级真空封装结构的制作方法,包括步骤
a:通孔制备:在已经制备了空腔的待键合的第一圆片上制备出排气通孔;
b: 圆片对位:将待键合的圆片,进行表面清洁等处理,接着进行精确的圆片对位,使第一圆片和第二圆片上的图形,能够精确的对准在一起;
c:真空制备:圆片放入键合设备内,抽取真空;
d:圆片键合:将圆片键合在一起。
作为优选,排气通孔制备是通过光刻和刻蚀工艺制备的。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于:本发明方法简单,通过在空腔附近设置排气通孔,在圆片键合制备真空时,可经过很短的路径将圆片键合时的气体分子排出,可以在很短的时间内,解决了气体难以排出的问题,使空腔内的真空达到或接近键合设备腔室的真空,然后进行圆片键合,完成键合后,圆片间形成了密封的真空空腔,有利于封装在内部的器件的正常工作,提高了工作效率,保证了产品质量。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图;
图2是待键合的圆片的结构示意图;
图3是本发明制备方法a步骤的结构示意图;
图4是本发明制备方法d步骤的结构示意图;
图5是本发明中器件与排气通孔的一个实施例的结构示意图。
图中:1、第一圆片;2、第二圆片;3、键合区;4、空腔;5、排气通孔;6、器件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
由于MEMS器件通常含有可动部件,需要制造密闭环境来对其进行封装,以保证可动部件获得足够的活动空间,并提供机械保护盒环境维持,圆片上的空腔为可动部件提供活动空间,空腔为真空环境。
如图1-5所示,为本发明一种圆片级真空封装结构及其制作方法的一个实施例。
实施例1:
圆片级真空封装结构包括第一圆片1和第二圆片2,第一圆片1上设有空腔4,第一圆片1下部设有键合区3,第一圆片1与第二圆片2通过键合区3进行圆片键合;第二圆片2上设有待封装的器件6;所述第一圆片上的空腔旁边设有排气通孔。
排气通孔5在第一圆片1内,从圆片底部穿过圆片顶部,排气通孔5设置在空腔4旁边,通过在空腔4邻近区域制备排气通孔5,气体分子能经过很短的路径到达排气通孔5,气体分子能在很短的时间内排出,并且空腔4可以在很短的时间使真空达到或接近键合设备腔室的真空,键合完成后,产品质量得到保证;键合圆片的直径越大,圆片间隙越小,本技术的优势越明显。排气通孔5的个数不定,可以几个空腔4共用一个排气通孔5。
进一步的,一种圆片级真空封装结构的制作方法,包括步骤
a:通孔制备:在已经制备了空腔的待键合的第一圆片1上制备出排气通孔5;通孔刻蚀,常见的工艺为干法等离子深刻蚀工艺,或溶液通孔腐蚀工艺。
b: 圆片对位:将待键合的圆片,进行表面清洁等处理,接着进行精确的圆片对位,使第一圆片1和第二圆片2上的图形,能够精确的对准在一起;
c:真空制备:圆片放入键合设备内,抽取真空。键合设备工作腔室形成真空,圆片内部的空腔,通过排气通孔,排出了气体,也形成了真空;通过排气通孔能将空腔内的气体分子迅速顺利排出;
d:圆片键合:第一圆片1内部的空腔,已通过排气通孔5,形成了真空;然后通过加热加压等手段,将圆片键合在一起,同时将空腔进行了气密封闭。对硅玻璃键合,还需要施加一定的电压电流。在此步骤中,在圆片键合的同时,形成了密闭的真空空腔。
作为优选,排气通孔5制备是通过光刻和刻蚀工艺制备的。
实施例2:
圆片级真空封装结构和制备方法都与实施例1中的相同。
作为优选,排气通孔5竖直贯穿第一圆片1,排气通孔5可以是圆柱形,也可以是锥形,但是不限于这几种形状,锥形能使气体分子排出顺畅,并且排出速度快。
作为优选,排气通孔5制作在器件彼此间的划片道内,不占用圆片表面用来进行器件分布的有效面积;另外,排气通孔5也可以制作在器件6上,排气通孔5的数量随着器件6大小而改变,器件6越小,排气通孔5越稀疏,这样能保证气体分子顺利排出的同时还能保证器件6的坚固稳定,不易损坏;反之,当器件6越大时,需要设置的排气通孔5越多,这样能保证气体分子能尽快顺利排出,由于器件6较大,所以也不会影响到器件6的坚固度,器件6不会容易损坏。
作为优选,排气通孔5直径为10微米-1毫米。
实施例3:
当空腔内存在吸气剂时,本技术能够和吸气剂技术兼容。
圆片级真空封装结构与实施例1中的结构相同,另外的在空腔内设有吸气剂,通过空腔4内的吸气剂,吸附腔体内陆续产生的微量气体分子,使空腔4长期维持在真空气氛下。
一种圆片级真空封装结构的制作方法,包括步骤
a:通孔制备:在已经制备了空腔4且空腔4内设有吸气剂的待键合的圆片上制备出排气通孔5;
b: 圆片对位:将待键合的圆片,进行表面清洁等处理,接着进行精确的圆片对位,使第一圆片和第二圆片上的图形,能够精确的对准在一起;
c:真空制备:圆片放入键合设备内,抽取真空;
d:圆片键合:将圆片键合在一起。
作为优选,刻蚀工艺和湿法腐蚀工艺制备排气通孔,具体的,排气通孔制备通过光刻和刻蚀工艺制备的。
本方法可适用于常见的多种圆片键合工艺技术,包括但不限于共晶键合、热压键合、直接键合、瞬态液相键合、粘接键合等,但是不限于这几种技术。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种圆片级真空封装结构,其特征在于包括第一圆片(1)和第二圆片(2),所述第一圆片(1)上设有空腔(4),第一圆片(1)下部设有键合区(3),第一圆片(1)与第二圆片(2)通过键合区(3)进行圆片键合;所述第二圆片(2)上设有待封装的器件(6);所述第一圆片(1)上的空腔(4)旁边设有排气通孔;所述排气通孔(5)制作在器件彼此间的划片道内。
2.根据权利要求1所述的一种圆片级真空封装结构,其特征在于所述排气通孔(5)竖直贯穿第一圆片(1)。
3.根据权利要求1所述的一种圆片级真空封装结构,其特征在于所述排气通孔(5)直径为10微米-1毫米。
4.一种如权利要求书1所述的圆片级真空封装结构的制作方法,其特征在于,包括步骤
a:通孔制备:在已经制备了空腔(4)的待键合的第一圆片上制备出排气通孔(5);
b:圆片对位:将待键合的圆片,进行表面清洁等处理,接着进行精确的圆片对位,使第一圆片(1)和第二圆片(2)上的图形,能够精确的对准在一起;
c:真空制备:圆片放入键合设备内,抽取真空;
d:圆片键合:将圆片键合在一起。
5.根据权利要求4所述的圆片级真空封装结构的制作方法,其特征在于所述排气通孔(5)制备是通过光刻和刻蚀工艺制备的。
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