CN107572474B - 一种封装间距可高精度控制的mems封装结构的封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种封装间距可高精度控制的MEMS封装结构及封装方法，包括：硅基底、限位装置、第一封装环、上盖帽以及第二封装环，限位装置的高度大于第一封装环和第二封装环的高度之和；限位装置和第一封装环设置在硅基底上，第二封装环设置在上盖帽上，第一封装环与第二封装环的位置相对应；限位装置与上盖帽制备封装环的一面接触，第一封装环上承载有流动性的封装焊料，以使第一封装环与第二封装环在流动性的封装焊料的作用下进行键合封装；限位装置的熔点高于焊料以及焊料与第一封装环、第二封装环所形成的合金的熔点，以使第一封装环与第二封装环进行键合封装时，限位装置保持固态，固定封装间距。本发明通过限位装置实现封装间距的高精度控制。

Description

一种封装间距可高精度控制的MEMS封装结构的封装方法

技术领域

本发明属于微电子器件封装技术领域，更具体地，涉及一种封装间距可高精度控制的MEMS封装结构的封装方法。

背景技术

微机电系统(MEMS)是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，最早的微机电器件可追朔至1966年。在经过了半个多世纪的发展之后，MEMS的市场不断增长，前景令人鼓舞，但是“封装”这个MEMS工艺的一直存在各种各样的问题。从事MEMS器件研发的学术机构大多忽略封装，而从事封装技术研究的单位提出的方法又无法做到对所有的器件兼容。拥有自己产品的商业集团处于成本的考虑，都对这样的困难和挑战保持了沉默。大量的产品构想陷入困境甚至失败，很大的原因就是没有找到有效并且合适的封装方法。在当今大多数MEMS产品的生产环节中，封装、组合、测试以及调试依然是最昂贵的部分之一，其成本最高可达总成本的95％，可见封装的发展和应用将决定一个MEMS产品的成败，MEMS封装也是一种极度复杂且涉及多种学科以及工艺的过程。

现阶段电容位移传感技术在MEMS领域被广泛地应用。一般说来，在消费类电子领域，由于检测精度要求不高，对封装间距高精度控制的需求不明显。但是在精密测量领域，由于测量的本来就是一些小量，所以对封装也有具体的高精度的要求。例如美国航天局计划发射的洞察号火星探测器中就携带了由英国帝国理工大学研制的高性能微振仪。该微振仪由一个高性能的MEMS加速度计构成，它在其工作频段的分辨率优于2ng/√Hz(参考文献：W.T.Pike et al.，A self-levelling nano-g silicon seismometer，IEEE Sensor 2014，pp.1599-1602)。它的电容位移传感是通过检验质量上的电容极板与上盖帽上的电容极板，通过变面积的方式实现。要使该器件能够实现高精度的测量就必须对封装提出高指标的要求。该小组是通过严格的计算封装焊料的体积实现间距的精确可控，由于该器件并没有要求气密或者真空封装，所以是采用的焊点的方式实现的键合，整个键合面较小，且焊料的控制依靠手工操作。如果键合面积一旦发生变化，整个计算就必须重复，如果键合面积过大手工放置焊料的方法将不再适用，所以该方法缺少普适性。

公开号为CN 103910325A的中国专利公开报道了一种可实现键合间隙精确控制的封装方法。该封装方法通过在被封装单元硅基与盖帽硅基间加入微阻挡凸台，利用微阻挡凸台的高度实现键合间隙的精确控制，最后通过玻璃浆料键合完成封装。此方法所运用的微阻挡凸台为通过对盖帽硅基结构干法刻蚀制备而得，如果盖帽结构为玻璃片，这种间隙精确控制的封装方法就会完全的失效，因此无法做到对所有的器件兼容。这种方法仅仅局限于运用玻璃浆料封装，对其他键合方法无法有效地兼容，并且需要在封装区域分多次干法刻蚀制备内侧凹凼、外侧凹凼以及微阻挡凸台，工艺较为复杂。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种封装间距可高精度控制的MEMS封装结构的封装方法，旨在解决当键合材料具有一定流动性时，封装间距无法控制的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种封装间距可高精度控制的MEMS封装结构，包括：硅基底、限位装置、第一封装环、上盖帽以及第二封装环，所述限位装置的高度大于所述第一封装环和所述第二封装环的高度之和；

所述限位装置和第一封装环设置在所述硅基底上，所述第二封装环设置在所述上盖帽上，所述第一封装环与所述第二封装环的位置相对应；

所述限位装置与所述上盖帽的下端接触，所述第一封装环上承载有流动性的封装焊料，以使所述第一封装环与所述第二封装环在所述流动性的封装焊料的作用下进行键合封装；

所述限位装置的熔点焊料以及焊料与第一封装环、第二封装环所形成的合金的熔点，以使所述第一封装环与所述第二封装环进行键合封装时，所述限位装置保持固态，固定硅基底与上盖帽之间的间距。

本发明通过在硅基底上制备高熔点金属限位装置，此限位装置在进行键合时不会发生流动，从而能够有效的抑制流动性键合材料容易受到外界干扰，无法精确控制封装间距的问题。

可选地，该MEMS封装结构还包括：位于所述上盖帽和硅基底之间的被封装结构；所述被封装结构用于测试所述硅基底的加速度；

所述被封装结构包括：第一金属板和第二金属板，所述第一金属板设置在所述硅基底上，所述第二金属板设置在所述上盖帽上，所述第一金属板和所述第二金属板的位置相对应，所述第一金属板和所述第二金属板的高度之和低于所述第一封装环和所述第二封装环的高度之和；

所述第一金属板和所述第二金属板位于所述第一封装环、所述第二封装环以及硅基底所包围的区域内部，所述第一封装环和所述第二封装环位于限位装置和硅基底所包围的区域内部，所述限位装置分别设置在所述硅基地的外围；

所述硅基底的中间部分分为：硅结构弹簧和检验质量，所述硅结构弹簧分别与所述检验质量弹性相连，所述检验质量通过所述硅结构弹簧与所述硅基底外部区域相连，以使得所述检验质量能够在外界有信号时自由运动。

需要说明的是，本发明提供的MEMS封装结构所适用的被封装结构并不限于本发明所给出的示例，凡是利用本发明所给出的限位装置的方式进行的MEMS封装改进，皆应属于本发明的保护范围。

可以理解的是，本发明所提供的限位装置等各个器件的数量可根据实际需要进行选择，还可包括更多或更少的器件，本发明实施例将不对此做任何限定。

可选地，该MEMS封装结构还包括：下盖帽；所述下盖帽用于固定所述硅基底的外部区域，以固定所述MEMS封装结构；所述下盖帽还用于避免所述MEMS封装结构直接暴露在外而受损害。

可选地，所述硅基底和下盖帽可通过SOI硅基底替代。

第二方面，本发明提供一种基于上述第一方面所述的MEMS封装结构的封装方法，包括以下步骤：

(1)利用刻蚀或者剥离的方法在硅基底表面制备金属种子层，所述金属种子层所在位置对应所述限位装置、第一封装环以及第一金属板所在位置，所述金属种子层用于将所述限位装置、第一封装环以及第一金属板固定在所述硅基底上；

(2)利用光刻对准技术，在金属种子层上制备图形化的光刻胶掩膜，电镀时该光刻胶掩膜被用作限制电镀位置的倒模，通过在所述的金属种子层上分别电镀得到所述限位装置、第一封装环以及第一金属板；

(3)进行电镀，利用不同电镀时间控制不同功能区域电镀的厚度，从而实现三维电镀，分别得到所需高度的限位装置、第一封装环以及第一金属板，所述第一封装环的高度大于所述第一金属板的高度；

(4)电镀完成后，去除所述光刻胶掩膜，得到设置在所述硅基底上端的限位装置、第一封装环以及第一金属板。

可选地，该封装方法还包括以下步骤：

(5)将封装焊料制备于所述第一封装环上；

(6)在上盖帽的下端参照所述步骤(1)至步骤(4)制备出与所述第一封装环和第一金属板位置相对应的第二封装环和第二金属板；

(7)利用对准装置将所述上盖帽与硅基底进行对准，并通过加热加压的方式进行回流焊，所述上盖帽与硅基底间的间距为所述限位装置的高度。

可选地，所述步骤(1)进一步包括如下步骤：

(1-1)采用热蒸发的方式先后在所述硅基底上沉积铬膜和金膜；

(1-2)在所述金膜上制备图形化的光刻胶掩膜，所述光刻胶掩膜的布局与所述限位装置、第一封装环以及第一金属板的位置相关；

(1-3)湿法刻蚀去除多余的铬和金，剥离光刻胶掩膜，最外层的金属层为电镀时与电极接触点，最外层以外的金属层为电镀时所需的金属种子层。

可选地，所述步骤(2)进一步包括如下步骤：

(2-1)将所述硅基底置于匀胶机转盘上，将光刻胶倒于硅片表面；

(2-2)烘干所述硅基底表面的光刻胶；

(2-3)将步骤(2-2)得到的硅基底置于对准光刻机中，安装光刻掩模，并进行光刻；

(2-4)配置显影液与水的混合液，将步骤(2-3)得到的硅基底置于混合溶液中显影，随后将所述硅基底取出，并用去离子水清洗后用氮气枪吹干，最终得到图形化的光刻胶掩膜。

可选地，所述步骤(3)进一步包括如下步骤：

将所述步骤(2)得到的硅基底置于电镀液中开始电镀，分别电镀出所需高度的限位装置、第一封装环以及第一金属板，从而实现三维电镀。

可选地，通过控制电镀时间以控制电镀出的限位装置、第一封装环或第一金属板的厚度。

本发明所构思的技术方案与现有的技术相比，具有以下有益效果：

1、可在微机械制造过程中，通过相关工艺自然形成限位装置，无需外界添加任何限位措施，且可与CMOS与MEMS制造工艺完美兼容，可以实现工业化，实现产量的提升。

2、所选限位装置材料为微机械制造工艺中常用材料，这些材料与传感单元的电极制作材料相同，不会因为热膨胀系数不匹配引入新的残余热应力。

3、可采用一次性三维电镀的方法，仅仅依靠不同区域间间隙的变化实现不同的电镀厚度，实现限位装置的制备，简化制作步骤，降低成本，提高产量。

4、对于限位装置制备的基底不仅仅局限于硅基，其他一切能够进行微机械加工的基底均可依据本发明的方式进行加工限位装置，具有普适性。

5、有效地解决了高精度测量器件封装中选择具有流动性键合材料时间距难以精确控制的难题，将人工手动控制变为可以依赖机械控制的方法，大大降低了制作难度，并有效提升了产量。

附图说明

图1是本发明实施例的三层封装结构示意图；

图2是本发明实施例的利用SOI硅片的双层封装结构示意图；

图3是本发明实施例电镀三维结构后电容位移检测极板、封装环、限位装置结构示意图；

图4是本发明实施例一次性三维电镀加工方法示意图；

图5是本发明实施例一次性三维电镀加工方法流程示意图，其中，(a)为硅基底以及金属种子层，(b)为在硅基底上制作电镀倒模，(c)为最外层种子层开始电镀，(d)为实现第一次跨接中间种子层开始电镀，(e)为实现第二次跨接最内部种子层开始电镀，(f)为去掉硅基底上的电镀倒模，(g)为在封装还上植入锡焊料，(h)为封装后示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，1为被封装单元基底，2为下盖帽单元，3为上盖帽单元，11为硅结构弹簧，12为检验质量，13为第一金属极板，14为第一封装环，15为封装焊料，16为封装限位装置，17为金属种子层，18为电镀倒模，19为金属种子层间隙，20为电镀金属层，31为第二金属极板，32为第二封装环，101为SOI硅基底。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明通过键合的方法实现高精度MEMS传感器件的高精度封装；具体地提供了一种可以依靠为机械加工的办法，可工业化生产的，可实现封装间距可高精度控制的MEMS封装结构及封装方法，其目的在于解决某些高精度测量器件中某些需要封装间距精确控制的器件。该封装结构与封装方法适用的键合工艺为键合材料具有一定流动性(例如回流焊与共晶键合等)，这种流动性的键合材料易受到外界振动或者压力的干扰，当干扰作用于封装结构上时，流动性的键合材料受到挤压产生流动，从而无法精确控制封装间距的情况。

精确地控制封装间距是MEMS器件获得高精度测量结构充要条件，封装间距的控制是提高测量精度最直接的手段，而且在某些高精度测量中空气阻尼的作用会严重影响器件的工作，如果实际加工中无法获得在设计中的封装间距的话，那么空气阻尼的作用就会凸显，从而影响整个器件的性能。本发明利用三维电镀工艺，在原有的基底结构上利用此电镀技术在器件上制备高熔点金属限位装置，此限位装置在进行键合时不会发生流动，从而能够有效的抑制流动性键合材料容易受到外界干扰，无法精确控制封装间距的问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的方案是，通过三维制造的方法在封装功能区域制作限位装置，其特征在于：包含被封装单元的硅基底(或者玻璃基底)，封装盖帽硅基(或者玻璃片)，所述被封装单元包含可移动单元或者需要封装保护的传感单元，所述盖帽单元可以是上盖帽，也可以是上下盖帽，所述盖帽单元可根据被封装单元的具体需要选择是否制备空腔，需要制备空腔的可采用湿法或者干法刻蚀制备，所述被封装单元或者封装盖帽上除了包含常见的封装单元以及检测单元外，还同时制备用于封装间距高精度控制的限位装置。

在一个具体的示例中，本发明提供的MEMS封装结构包括：硅基底、限位装置、第一封装环、上盖帽以及第二封装环，限位装置的高度大于第一封装环和第二封装环的高度之和。限位装置和第一封装环设置在硅基底上端，第二封装环设置在上盖帽下端，第一封装环与第二封装环的位置相对应；限位装置与上盖帽的下端接触，第一封装环上承载有流动性的封装焊料，以使第一封装环与第二封装环在流动性的封装焊料的作用下进行键合封装；限位装置的熔点高于第一封装环的熔点和第二封装环的熔点，以使第一封装环与第二封装环进行键合封装时，限位装置保持固态，固定硅基底与上盖帽之间的间距。

本发明通过在硅基底上制备高熔点金属限位装置，此限位装置在进行键合时不会发生流动，从而能够有效的抑制流动性键合材料容易受到外界干扰，无法精确控制封装间距的问题。

可选地，该MEMS封装结构还包括：位于上盖帽和硅基底之间的被封装结构；被封装结构用于测试硅基底的加速度。被封装结构包括：第一金属板和第二金属板，第一金属板设置在硅基底上，第二金属板设置在上盖帽上，第一金属板和第二金属板的位置相对应，第一金属板和第二金属板的高度之和低于第一封装环和第二封装环的高度之和；第一金属板和第二金属板位于第一封装环、第二封装环以及硅基底所包围的区域内部，第一封装环和第二封装环位于限位装置和硅基底所包围的区域内部，限位装置设置在硅基地的外围；硅基底的中间部分分为：硅结构弹簧和检验质量，硅结构弹簧分别与检验质量弹性相连，检验质量通过硅结构弹簧与硅基底外部区域相连，以使得所述检验质量能够在外界有信号时自由运动；第一金属板设置在检验质量的上端，当检验质量自由运动时，第一金属板和第二金属板之间的感应电容发生变化，以通过确定第一金属板和第二金属板之间的感应电容测试外界信号。

可选地，该MEMS封装结构还包括：下盖帽；下盖帽用于固定硅基底的外部区域，以固定限位装置和第一封装环的位置，硅基底的外部区域承载限位装置和第一封装环；下盖帽还用于避免所述MEMS封装结构直接暴露在外而受损害。

优选地，封装限位装置的制备方法，包括如下步骤：利用刻蚀或者剥离的方法在硅片表面制备金属种子层；利用光刻对准技术，在种子层上制备图形化的光刻胶掩膜，电镀时该光刻胶掩膜被用作限制电镀位置的倒模；进行电镀，利用不同电镀时间控制不同功能区域电镀的厚度，从而实现三维电镀；电镀完成后，去除光刻胶掩膜；根据实际需要利用刻蚀方法去除某些部位的种子层。

优选地，限位装置的位置应在封装环附近，限位装置的电镀厚度可根据器件本身需要选择不同的电镀时间制备，厚度可从几微米至百微米量级。

优选地，限位装置的制备通过电镀的方法实现。实现方式可以是一次性三维电镀，也可以是通过多次电镀实现三维结构。

优选地，选择一次性三维电镀时，主要实现方法是利用各个功能区域间种子层之间的空隙控制不同功能区电镀的厚度，从而实现三维电镀。

优选地，选择多次电镀时实现三维结构时，主要实现方法是利用光刻胶掩膜或者是其他材料掩膜定义不同的电镀区域，通过多次电镀的方法实现不同功能区电镀厚度的不同，从而实现三维结构。

优选地，整个封装方案为：在被封装硅基上制作被封装单元，并制备相关传感单元的引线，封装环等；在盖帽单元上制备封装所需的封装环等封装必须的功能区域；运用电镀的方法制备封装限位装置；在封装环、接触点、支撑部位以及其他需要键合的区域内的金属上制备键合材料；将被封装硅基预盖帽硅基进行精确对准，然后置于封装条件下，并加温加压实现键合封装。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

作为具体的实施例，如图1与图2所示，本发明实现的一种封装间距可高精度控制的MEMS封装结构，包括：包含被封装器件的硅基底1，下盖帽2、上盖帽3、硅基底1包括硅基底中间部分和外围部分，中间部分包括硅结构弹簧11和检验质量12，外围部分即为实心的硅基底，检验质量12上设有(但不局限于)第一金属极板13，硅基底的外围部分设有第一封装环14、焊料15以及限位装置16，其中11-13为被封装单元的机械结构以及检测单元，主要用于对加速度的高精度测量。14-16为封装结构，主要作为配合上盖帽上的封装结构用作最后封装用。

上盖帽3包含第二金属极板32、第二封装环31。限位装置16的位置应在封装环14与31附近，根据实际器件的需要确定限位装置的高度，限位装置的厚度由电镀的厚度决定，电镀厚度可从几微米至百微米量级。电镀的材料可以为金或者铜等，或与传感单元金属电极制作金属相同可以进行电镀的其他金属材料。键合时限位装置处于被封装单元的基底与上盖帽基底之间，因为此结构为熔点较高的金属，在键合时不会处于液态，所以能够较好的保持形态用于封装限位。该方法可适用于带有下盖帽2的三层结构与利用SOI硅基底101的双层结构。

其中，SOI硅基底101由下盖帽2和硅基底1两部分组成。

如图3所示，限位装置设置于被封装器件的硅基底为例，所述3D电镀后结构包括检测单元、封装环以及限位装置。其中限位装置的高度为封装所需精确控制的间距。在封装过程中，此装置与上盖帽接触并以此限位，利用电镀厚度的精确制备控制封装间距。封装环的高度比限位装置略低，后期具有流动性的封装焊料将至于封装环上，与上盖帽封装环进行键合封装。检测单元的金属极板位于最内部，其电镀高度原则上不应高于限位装置。

如图4所示，一次性三维电镀加工检测单元、封装环以及限位装置的结构中包含金属种子层17、电镀倒模18以及金属种子层间隙19。电镀电极首先置于金属种子层的某一区域，经过一定的电镀时间，该区域的电镀厚度首先增加，只要电镀时间足够长，该区域的电镀层能够跨越金属种子层间隙使其他金属种子层区域导通并开始电镀，从而得到三维电镀结构。

本方案采用锡球焊料作为键合材料，通过加以一定温度以及压力的方法，当封装完成后产生金锡合金，最后冷却后完成封装。以下为本发明给出的一个具体的封装方法实施例：

实施例1

本发明提供的一种封装间距可高精度控制的MEMS封装方法，包括如下步骤：

(1)利用刻蚀或者剥离的方法在硅基底表面制备零散的金属种子层，所述金属种子层所在位置对应所述限位装置、第一封装环以及第一金属板所在位置，所述金属种子层用于将所述限位装置、第一封装环以及第一金属板固定在所述硅基底上端。

例如，可在硅基底1上通过沉积、刻蚀或者剥离的工艺制备为器件所需的金属种子层17(Cr/Au)，硅片厚度为500μm(如图5(a))。

进一步地，步骤(1)包括如下步骤：

(1-1)采用热蒸发的方式先后在所述硅基底1上端沉积铬膜和金膜；

例如，铬膜厚度为50nm，金膜厚度为250nm。

(1-2)在所述金膜上制备图形化的光刻胶掩膜，所述光刻胶掩膜的布局与所述限位装置16、第一封装环14以及第一金属板13的位置相关。

(1-3)湿法刻蚀去除多余的铬和金，剥离光刻胶掩膜，最外层的金属层为电镀时与电极接触点，最外层以外的金属层为电镀时所需的金属种子层。

(2)利用光刻对准技术，在金属种子层17上制备图形化的光刻胶掩膜，电镀时该光刻胶掩膜被用作限制电镀位置的倒模18(如图5(b))，通过在所述零散的金属种子层上分别电镀得到所述限位装置16、第一封装环14以及第一金属板13。

进一步地，步骤(2)进一步包括如下步骤：

(2-1)将所述硅基底1置于匀胶机转盘上，将光刻胶倒于硅片表面。

其中，光刻胶可以为Az9260，可以匀胶机的转速为1500r/min，开始旋转，旋转120s后停止。

(2-2)烘干所述硅基底1表面的光刻胶。

例如，将匀胶完成的硅片置于加热台上，用120℃的温度前烘3min。

(2-3)将步骤(2-2)得到的硅基底1置于对准光刻机中，安装光刻掩模，并进行光刻。

(2-4)配置显影液与水的混合液，将步骤(2-3)得到的硅基底1置于混合溶液中显影，随后将所述硅基底1取出，并用去离子水清洗后用氮气枪吹干，最终得到图形化的光刻胶掩膜。

例如，配置体积比为1:4的Az400k显影液与水的混合液，将完成光刻的硅片置于混合溶液中显影8分钟。

(3)进行电镀，利用不同电镀时间控制不同功能区域电镀的厚度，从而实现三维电镀，分别得到所需高度的限位装置16、第一封装环14以及第一金属板13，所述第一封装环14的高度大于所述第一金属板13的高度。

例如，将硅基底1置于电镀液中开始电镀，最开始阶段，最外层金属种子层与电极接通开始电镀(如图5(c))，此区域为封装时限位装置。经过一定电镀时间后封装限位装置与封装环间的金属种子层间隙被填满，封装环开始电镀(如图5(d))。再经过一定电镀时间后封装环与检测单元金属极板间的金属种子层间隙被填满，检测电极开始电镀(如图5(e))。

(4)电镀完成后，去除所述光刻胶掩膜，得到设置在所述硅基底1上端的限位装置16、第一封装环14以及第一金属板13(如图5(f))。

(5)将封装焊料(焊锡球)制备于所述第一封装环14上(图5(g))。

(6)在上盖帽的下端参照所述步骤(1)至步骤(4)制备出与所述第一封装环和第一金属板位置相对应的第二封装环和第二金属板。

(7)在对准装置将所述上盖帽3的下端与硅基底1的上端对准，并通过加热加压的方式进行回流焊(如图5(h))，所述上盖帽3与硅基底1间的间距为所述限位装置16的高度。上盖帽与硅基底间的间距为封装限位装置的厚度，通过电镀时间对此装置厚度的控制最终实现封装间距的精确控制。

需要说明的是，如图5(a)至图5(h)所示，电镀金属层20在不同位置和不同高度，则在电镀结束后将分别对应限位装置16、第一封装环14以及第一金属板13。

传统的封装方法没有引入封装限位装置，在键合时结构的最高点为锡焊料，当加热键合时锡焊料会发生融化，此时如果外界产生任何振动或者压力，则会转化为压力直接作用于液态的焊料上，因此锡焊料的形貌很难控制，封装间距基本不可控，完全处于随机状态，并且严重时会发生溢出的情况。本发明的封装方法，在封装结构中引入了限位装置，在键合时结构的最高点为限位装置的顶点，在此情况下当加热键合时锡焊料会发生融化时，限位装置依然保持固态，不会因为外界影响而产生任何形貌上的变化，封装间距即为限位装置的高度，通过电镀的方式能够精确控制此限位装置的高度，从而实现间距的精确控制。并且此限位装置的制备是通过三维电镀完成，不会增加任何工艺步骤，且与微机械加工工艺完全兼容，不会引入工艺兼容性的问题，能够在微机械器件的封装中得到广泛的应用。

本发明公开了一种间距可高精度控制的MEMS封装方法，该封装方法主要适用于因为在封装键合过程中使用具有一定流动性的键合材料(例如回流焊与共晶键合等)，而无法精确控制封装间距的情况。在盖帽或者可移动单元硅片(或者玻璃片)上，通过热蒸发(或者溅射)的方法制备金属种子层，种子层上不同的区域通过一些事先预留的间隙分割开来。运用电镀的方法在制备好种子层的硅片上进行三维电镀，制备出用于封装间距控制的限位装置，通过电镀厚度的控制，在封装时通过这些限位装置精确控制封装间距。

本发明有效地解决了使用具有一定流动性的键合材料时封装间距无法高精度控制的问题。并且因为运用的三维电镀技术，限位装置电镀、电容检测极板电镀、保护装置电镀以及封装环电镀可一次性完成，完美地解决了工艺兼容性的问题。

本领域的技术人员容易理解，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 (8)

1.一种MEMS封装结构的封装方法，所述MEMS封装结构包括：硅基底、限位装置、第一封装环、上盖帽、第二封装环以及被封装结构，所述限位装置的高度大于所述第一封装环和所述第二封装环的高度之和；所述限位装置和第一封装环设置在所述硅基底上，所述第二封装环设置在所述上盖帽上，所述第一封装环与所述第二封装环的位置相对应；所述限位装置与所述上盖帽制备封装环的一面接触，所述第一封装环上承载有流动性的封装焊料，以使所述第一封装环与所述第二封装环在所述流动性的封装焊料的作用下进行键合封装；所述限位装置的熔点高于焊料以及焊料与第一封装环、第二封装环所形成的合金的熔点，以使所述第一封装环与所述第二封装环进行键合封装时，所述限位装置保持固态，固定所述硅基底与上盖帽之间的间距；被封装结构位于所述上盖帽和硅基底之间，包括：第一金属板和第二金属板，所述第一金属板设置在所述硅基底上，所述第二金属板设置在所述上盖帽上，所述第一金属板和所述第二金属板的位置相对应，所述第一金属板和所述第二金属板的高度之和低于所述第一封装环和所述第二封装环的高度之和；所述第一金属板和所述第二金属板位于所述第一封装环、所述第二封装环以及硅基底所包围的区域内部，所述第一封装环和所述第二封装环位于限位装置和硅基底所包围的区域内部，所述限位装置设置在所述硅基底的外围；所述硅基底的中间部分分为：硅结构弹簧和检验质量，所述硅结构弹簧与所述检验质量弹性相连，所述检验质量通过所述硅结构弹簧与所述硅基底外部区域相连，以使得所述检验质量能够在外界有信号时自由运动；其特征在于，所述封装方法包括以下步骤：

(1)利用刻蚀或者剥离的方法在硅基底表面制备金属种子层，所述金属种子层所在位置对应所述限位装置、第一封装环以及第一金属板所在位置，所述金属种子层用于将所述限位装置、第一封装环以及第一金属板电镀；

(2)利用光刻对准技术，在金属种子层上制备图形化的光刻胶掩膜，电镀时该光刻胶掩膜被用作限制电镀位置的倒模，通过在所述的金属种子层上分别电镀得到所述限位装置、第一封装环以及第一金属板；

(3)进行电镀，利用不同电镀时间控制不同功能区域电镀的厚度，从而实现三维电镀，分别得到所需高度的限位装置、第一封装环以及第一金属板，所述第一封装环的高度大于所述第一金属板的高度；

(4)电镀完成后，去除所述光刻胶掩膜，得到设置在所述硅基底上端的限位装置、第一封装环以及第一金属板。

2.根据权利要求1所述的MEMS封装结构的封装方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

(5)将封装焊料制备于所述第一封装环上；

(6)在上盖帽上参照所述步骤(1)至步骤(4)制备出与所述第一封装环和第一金属板位置相对应的第二封装环和第二金属板；

(7)利用对准装置将所述上盖帽与硅基底进行对准，并通过加热加压的方式进行回流焊，所述上盖帽与硅基底间的间距为所述限位装置的高度。

3.根据权利要求1所述的MEMS封装结构的封装方法，其特征在于，所述步骤(1)进一步包括如下步骤：

(1-1)采用热蒸发或者溅射镀膜的方式先后在所述硅基底上端沉积铬膜和金膜；

(1-2)在所述金膜上制备图形化的光刻胶掩膜，所述光刻胶掩膜的布局与所述限位装置、第一封装环以及第一金属板的位置相关；

(1-3)湿法刻蚀去除多余的铬和金，剥离光刻胶掩膜，最外层的金属层为电镀时与电极接触点，最外层以外的金属层为电镀时所需的金属种子层。

4.根据权利要求1所述的MEMS封装结构的封装方法，其特征在于，所述步骤(2)进一步包括如下步骤：

(2-1)将所述硅基底置于匀胶机转盘上，将光刻胶倒于硅片表面；

(2-2)烘干所述硅基底表面的光刻胶；

(2-3)将步骤(2-2)得到的硅基底置于对准光刻机中，安装光刻掩模，并进行光刻；

(2-4)配置显影液与水的混合液，将步骤(2-3)得到的硅基底置于混合溶液中显影，随后将所述硅基底取出，并用去离子水清洗后用氮气枪吹干，最终得到图形化的光刻胶掩膜。

5.根据权利要求1所述的MEMS封装结构的封装方法，其特征在于，所述步骤(3)进一步包括如下步骤：

将所述步骤(2)得到的硅基底置于电镀液中开始电镀，分别电镀出所需高度的限位装置、第一封装环以及第一金属板，从而实现三维电镀。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的MEMS封装结构的封装方法，其特征在于，通过控制电镀时间以控制电镀出的限位装置、第一封装环或第一金属板的厚度。

7.根据权利要求1所述的MEMS封装结构的封装方法，其特征在于，所述MEMS封装结构还包括：下盖帽；所述下盖帽用于固定所述硅基底的外部区域，以固定所述MEMS封装结构；所述下盖帽还用于避免所述MEMS封装结构直接暴露在外而受损害。

8.根据权利要求1所述的MEMS封装结构的封装方法，其特征在于，所述硅基底和下盖帽通过SOI硅基底替代。