CN107244647A - 一种圆片级封装结构以及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆片级封装结构以及制造方法，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，第一圆片和第二圆片通过键合区键合，第一圆片上设有空腔；第一圆片上设有与每个空腔都相连通的若干个排气通孔，排气通孔端部设有自封闭结构，自封闭结构不堵塞排气通孔；方法简单，空腔上设置排气通孔，利用排气通孔将空腔内的气体分子迅速排出，使空腔内的真空达到或接近键合设备腔室的真空，键合完毕后能将排气通孔封闭形成真空的空腔。

Description

一种圆片级封装结构以及制造方法

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（微电子机械系统）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器件的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区域的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，圆片直径通常为100厘米、150厘米、200厘米、300厘米。当圆片间距为数百微米时，在高真空环境下，分子运动的平均自由程，远远大于圆片间的间隙，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。考虑到圆片通常具有形变，实际工艺过程中，圆片表面间的间隙更小，或彼此接触而没有间隙，则圆片彼此的空间内，更难以形成良好的真空。如图1所示，圆片1和圆片2内部的空腔内，如空腔3、空腔4等，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，提供一种圆片级封装结构以及制造方法，方法简单，空腔上设置排气通孔，利用排气通孔将空腔内的气体分子迅速排出，使空腔内的真空达到或接近键合设备腔室的真空，键合完毕后能将排气通孔封闭形成真空的空腔。

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，第一圆片和第二圆片通过键合区键合，第一圆片上设有空腔，第二圆片上设有待封装器件；第一圆片上设有与空腔相连通的排气通孔，排气通孔端部设有自封闭结构。

作为优选，自封闭结构为熔融物质。

作为优选，自封闭结构设置在空腔内且在排气通孔下端部。

作为优选，自封闭结构设置在第一圆片上部的凹腔内，且自封闭结构设置在排气通孔上端部。

作为优选，排气通孔个数与空腔个数相同，一个空腔设有一个排气通孔，排气通孔下端部与空腔顶端相连通。

作为优选，排气通孔为竖向穿透第一圆片的通孔。

作为优选，排气通孔直径为10微米-1毫米。

进一步的，一种圆片级封装结构的制备方法，包括：

a:排气通孔制备：在制备好空腔的待键合第一圆片上制备与空腔相连通的排气通孔；

b: 自封闭结构制备：在排气通孔端部制备自封闭结构；

c：圆片对位：将待键合的第一圆片和第二圆片进行表面清洁后进行精确的圆片对位；

d: 抽取真空：将第一圆片和第二圆片放入键合设备中抽取真空；

e:圆片键合：将第一圆片和第二圆片键合在一起，并同时使自封闭结构封闭排气通孔。

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：本发明结构简单，方法简便，每个空腔上设置排气通孔，利用排气通孔将空腔内的气体分子迅速排出，使空腔内的真空达到或接近键合设备腔室的真空，键合时能通过加热等手段使自封闭结构融化，进而将排气通孔封闭形成真空的空腔。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图；

图2是本发明另一个实施例的结构示意图；

图3是步骤a中待键合的圆片的结构示意图；

图4是步骤e的结构示意图。

图中：1、第一圆片；2、第二圆片；3、空腔；4、键合区；5、排气通孔；6、自封闭结构。

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。

实施例1：

如图1所示，为本发明一种圆片级封装结构以及制造方法的一个实施例，包括第一圆片1和第二圆片2，第一圆片1和第二圆片2通过键合区4键合，第一圆片1上设有空腔3，第二圆片2上设有待封装器件；第一圆片1上设有与空腔3相连通的排气通孔5，排气通孔5端部设有自封闭结构6。自封闭结构6不堵塞排气通孔5是为了能将气体分子顺利排出，当键合过程将排气通孔5用自封闭结构6封闭。

第一圆片1上设有空腔3，在键合时，空腔3内的气体分子不易通过圆片间隙排出，导致空腔3内难以形成真空环境，在本实施例中，圆片键合时，在制备真空时，圆片彼此间隙可以为零，确保对圆片彼此对位精度的影响为最低，在空腔3上设有排气通孔5，通过排气通孔5能将空腔3内的气体分子在很短的时间内排出，使空腔3内的真空达到或接近键合设备腔室的真空；排气通孔5端部的自封闭结构6在圆片键合时能融化，将排气通孔5密封，使空腔3达到真空环境，结构简单，方法简便，节省了键合的时间，同时能将空腔3内的气体分子完全排除，保证了产品的质量。

排气通孔5可以是一个排气孔串联着与所有空腔3相连接；也可以是几个排气通孔5，每个排气通孔5连通几个空腔3，最佳的是一个排气通孔5连接一个空腔3；键合圆片的直径越大，圆片间隙越小，本技术的优势越明显。

进一步的，一种圆片级封装结构的制备方法，包括：

a:排气通孔5制备：在制备好空腔3的待键合第一圆片1上通过光刻和刻蚀等工艺，制备与空腔3相连通的排气通孔5,最佳的是一个空腔3设置一个排气通孔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，如图1和图3所示；

b: 自封闭结构制备：在排气通孔5端部制备自封闭结构6；通过光刻和淀积等手段，在排气通孔5端部制备可熔融的金属；或通过丝网印刷等手段，在排气通孔5端部制备玻璃浆料等非金属的可熔融物质；

c：圆片对位：将待键合的第一圆片1和第二圆片2进行表面清洁后进行精确的圆片对位，使两个圆片上的图形，能够精确的对准在一起；

d: 抽取真空：将第一圆片1和第二圆片2放入键合设备中抽取真空；键合设备工作腔室形成真空，第一圆片1内部的空腔3，通过排气通孔5，排出了气体分子，也形成了真空；

e:圆片键合：通过加热加压等手段，将第一圆片1和第二圆片2键合在一起，对硅玻璃键合，还需要施加一定的电压电流；并同时使自封闭结构封闭排气通孔5，通过加热，使分布在排气通孔5端部的可熔融物质熔化，在表面张力作用下，收缩而封闭排气通孔；冷却后圆片键合完成，此时排气通孔5也形成了气密性的闭合，如图4所示。

实施例2：

圆片级封装结构以及制造方法都与实施例1中的相同，进一步的：

作为优选，自封闭结构6为熔融物质，在圆片键合时，通过加热，使熔融物质融合，在表面张力作用下，形成一个类似球形的闭合体，冷却后凝固，密封了排气通孔5。熔融物质为金属熔融物或非金属熔融物，金属熔融物是通过光刻和电镀等手段在排气通孔端部制备的；或通过丝网印刷等手段，在排气通孔5端部制备玻璃浆料等非金属熔融物质；金属熔融物可以是GeAl合金（熔点约450摄氏度）、CuSn合金（熔点约270摄氏度）、InSn合金（熔点约120摄氏度）等。通过加热使排气通孔5端部熔融物质融化，在表面张力的作用下，收缩而封闭了排气通孔5，简单易行。

如图1所示，作为优选，自封闭结构6设置在空腔3内且在排气通孔5下端部，自封闭结构6不封闭排气通孔5，第一圆片1上端部不用做改变，方法简单。

如图2所示，作为优选，自封闭结构6设置在第一圆片1上部的凹腔内，且自封闭结构6设置在排气通孔5上端部；圆片键合时需要进行加热加压，为了避免压力板对圆片表面施加压力时，影响到可熔融物质，此处将可熔融物质，制备到了凹腔内。

作为优选，排气通孔5个数与空腔3个数相同，一个空腔3设有一个排气通孔5，每个空腔3都设有一个排气通孔5，既可以保证空腔3内气体分子能顺利排出，排净，同时也能保证气体分子能快速排出，提高了工作效率，保证了产品质量。

作为优选，排气通孔5为竖向穿透第一圆片1的通孔，排气通孔5下端部与空腔3顶端相连通竖向通孔，可以保证排气通孔5的排气口与空腔3的距离是最短的，保证气体分子顺利迅速排出，排气通孔5可以是圆柱形，也可以是锥形等结构。

作为优选，排气通孔5直径为10微米-1毫米。

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3：

当空腔3内存在吸气剂时，自封闭结构6设置在第一圆片1上部的凹腔内，且自封闭结构6设置在排气通孔5上端部。其他结构与实施例2种结构相同。

进一步的，一种圆片级封装结构的制备方法，包括：

a:排气通孔5制备：在制备好空腔3且空腔3内设有吸气剂的待键合第一圆片1上制备与空腔3相连通的排气通孔5；

b: 自封闭结构制备：在排气通孔5端部制备自封闭结构6；通过光刻和淀积等手段，在排气通孔端部制备可熔融的金属；或通过丝网印刷等手段，在排气通孔5端部制备玻璃浆料等非金属的可熔融物质；

c：圆片对位：将待键合的第一圆片1和第二圆片2进行表面清洁后进行精确的圆片对位，使两个圆片上的图形，能够精确的对准在一起；

d: 抽取真空：将第一圆片1和第二圆片2放入键合设备中抽取真空；键合设备工作腔室形成真空，第一圆片1内部的空腔，通过排气通孔，排出了气体分子，也形成了真空；

e:圆片键合：通过加热加压等手段，将第一圆片1和第二圆片2键合在一起，对硅玻璃键合，还需要施加一定的电压电流；并同时使自封闭结构6封闭排气通孔5，通过加热，使分布在排气通孔5端部的可熔融物质熔化，在表面张力作用下，收缩而封闭排气通孔5；冷却后圆片键合完成，此时排气通孔5也形成了气密性的闭合。

圆片键合时，在制备真空时，圆片彼此间隙可以为零，确保对圆片彼此对位精度的影响为最低。通过排气通孔5，可以在很短的时间内，使空腔3内的真空达到或接近键合设备腔室的真空。然后在圆片键合时，通过加热，使熔融物质融合，在表面张力作用下，形成一个类似球形的闭合体，冷却后凝固，密封了通孔。

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 (9)

1.一种圆片级封装结构，其包括第一圆片（1）和第二圆片（2），第一圆片（1）和第二圆片（2）通过键合区（4）键合，第一圆片（1）上设有空腔（3），第二圆片（2）上设有待封装器件；其特征在于：所述第一圆片（1）上设有与空腔（3）相连通的排气通孔（5），排气通孔（5）端部设有自封闭结构（6）。

2.根据权利要求１所述的一种圆片级封装结构，其特征在于所述自封闭结构（6）为熔融物质。

3.根据权利要求１所述的一种圆片级封装结构，其特征在于所述自封闭结构（6）设置在空腔（3）内且在排气通孔（5）下端部。

4.根据权利要求１所述的一种圆片级封装结构，其特征在于所述自封闭结构（6）设置在第一圆片（1）上部的凹腔内，且自封闭结构（6）设置在排气通孔（5）上端部。

5.根据权利要求2所述的一种圆片级封装结构，其特征在于所述排气通孔（5）个数与空腔（3）个数相同，一个空腔（3）设有一个排气通孔（5）。

6.根据权利要求１所述的一种圆片级封装结构，其特征在于所述排气通孔（5）为竖向穿透第一圆片（1）的通孔，排气通孔（5）下端部与空腔（3）顶端相连通。

7.根据权利要求１所述的一种圆片级封装结构，其特征在于所述排气通孔（5）直径为10微米-1毫米。

8.根据权利要求１-7任意一项所述的一种圆片级封装结构的制备方法，其特征在于包括：

a:排气通孔（5）制备：在制备好空腔（3）的待键合第一圆片（1）上制备与空腔（3）相连通的排气通孔（5）；

b: 自封闭结构制备：在排气通孔（5）端部制备自封闭结构（6）；

c：圆片对位：将待键合的第一圆片（1）和第二圆片（2）进行表面清洁后进行精确的圆片对位；

d: 抽取真空：将第一圆片（1）和第二圆片（2）放入键合设备中抽取真空；

e:圆片键合：将第一圆片（1）和第二圆片（2）键合在一起，并同时使自封闭结构（6）封闭排气通孔（5）。

9.根据权利要求8所述的一种圆片级封装结构的制备方法，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。