CN107640738A - 一种用于射频mems开关的封装方法 - Google Patents

Abstract

一种射频MEMS开关的封装方法，主要步骤为金属层的制作、封装帽的制作、金属键合和划片。所述封装帽本体为具有内凹腔结构的立方体结构，在封装帽本体的内凹腔壁上粘附金薄膜，可以防止微波信号以辐射的形式泄露，同时起到微波屏蔽的作用，在封装键合时，将衬底所在的晶圆放置在封装帽所在的晶圆上，两个晶圆通过对准标记相互对准，再升高加工温度，融化金属层，形成的合金键合层具有较高的键合强度，可以防止开关在划片时封装帽被划开，本发明采用的是晶圆级封装，需要通过划片将晶圆切割制成单颗组件，封装帽所在的晶圆在加工过程中进行双面光刻，便于划片，提高成品率。

Description

一种用于射频MEMS开关的封装方法

技术领域

本发明涉及射频MEMS技术领域，具体涉及一种用于射频MEMS开关的封装方法。

背景技术

MEMS封装通常分为圆片级封装、器件级封装和系统级封装三个层次。圆片级封装是指MEMS结构和电路的制作、封装都在硅圆片上进行，封装完成后再进行切割，形成单个的芯片，而且封装效率高。目前封装已成为制约MEMS走向产业化的一个重要原因之一。事实上只有已封装的MEMS器件才能成为产品，才能投入使用，否则只能停留在实验室阶段。封装技术中主要的关键技术有键合技术和封装硅帽制造技术。

键合技术是半导体制造过程中一种不可或缺的技术，绝大多数电子产品的材料、结构间机械及元器件的连接都会用到键合技术。它是把两片完整的圆片，包括裸片及已经制备好的器件，通过直接或间接的方法形成良好接触的一种半导体制造技术。圆片级键合是一种把大尺寸圆片材料一次性集成在一起的新兴微电子制造技术，在IC、微机电系统(MEMS)和封装中的应用日益广泛。圆片级键合方法包括黏着键合、共晶键合、玻璃浆料键合、热压键合、阳极键合、直接键合等。

现行的射频MEMS开关通常采用BCB键合，热压键合、玻璃浆料键合等键合方式；其存在的主要问题有:1.键合强度过低，划片时封装帽容易被划开；2.键合温度过高，开关性能下降；3.工艺兼容性差，不利于批量化生产等问题。

本发明所提出的金属共晶键合具有熔点较低，键合强度较高，工艺兼容性好的优点，进而增强射频MEMS开关的封装气密性；防止进行的划片、裂片工艺对射频MEMS开关内部易碎结构和敏感结构的破坏，从而提高封装成品率和可靠性。

传统射频MEMS开关所使用的封装帽通常为硅基封装帽，虽然起到了气密性，但是无法阻止外界的射频信号干扰射频MEMS开关，也无法阻止射频信号以辐射的形式散失。

本发明中的封装帽应用在所述射频MEMS开关上，金薄膜可以防止通过射频MEMS开关的微波信号以辐射的形式消耗，起到微波屏蔽的作用，有助于开关微波性能的提升；所述缺口宽度与所述射频MEMS开关的波导宽度一样，允许外界通过微波传输线，将信号输入所述封装帽内的射频MEMS开关上，并输出相应的信号，还可防止通过射频MEMS开关的微波信号以辐射的形式消耗，起到微波屏蔽的作用，有助于开关微波性能的提升。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种高键合强度的射频MEMS开关的键合方法。

本发明的具体技术方案如下：一种高键合强度的射频MEMS开关的键合方法，所述键合方法包括以下步骤：

1、制作下金属层：在衬底上围绕所述射频MEMS开关设置一层中空方形氮化硅隔离层，在氮化硅隔离层的上方设置金属层；

2、制作封装帽：所述封装帽为一具有内凹腔结构的立方体结构，在所述封装帽的开口侧面溅射金属层，封装帽的凹腔上部边缘处设置一层金属层；

所述金薄膜在所述封装帽本体相对的侧壁上开设缺口，所述缺口用于将所述射频MEMS开关的信号线传递至所述封装帽外。

进一步地，所述金薄膜用于溅射工艺粘附在所述封装帽本体内壁上。

进一步地，所述金薄膜采用材料包括但不限于金、锡、铜。

进一步地，所述封装帽本体采用材料包括但不限于玻璃、多晶硅和高阻硅。

进一步地，所述缺口为一矩形缺口，所述金薄膜在所述封装帽本体内侧壁的位置处开设至少两个矩形缺口，所述矩形缺口对称分布设置在所述封装帽本体的侧壁上。

进一步地，所述矩形缺口与所述射频MEMS开关的微波传输线的线宽相互一致。

进一步地，所述封装帽所在的晶圆需要进行双面光刻，由于硅片的透明度低，需要通过双面光刻在晶圆的外表面将封装帽图形化，方便划片，防止在划片时破坏封装帽，提高成品率。所述双面光刻有利于CMOS电路与MEMS电路的单片集成。

3、金-锡键合：在所述射频MEMS开关封装键合时，将所述封装帽所在的晶圆放置于所述衬底所在的晶圆上，两个晶圆通过对准标记相互对准，再升高加工温度，融化金属层，形成合金键合层。

进一步地，所述步骤1中的金属层厚度为3μm。

进一步地，所述步骤2的金属层厚度为2μm。

进一步地，所述封装帽包括封装帽本体、金薄膜；

所述封装帽本体为具有内凹腔结构的立方体，所述封装帽本体的内表面溅射所述金薄膜。

进一步地，所述步骤3中的晶圆尺寸包括但不限于2寸、4寸、6寸。

进一步地，所述步骤3中金属共晶键合的键合温度为250-300℃。

4、划片：本发明采用的是晶圆级封装，需要通过划片将晶圆切割制成单颗组件。封装帽所在的晶圆在加工过程中进行双面光刻，划片时根据晶圆上表面的光刻图形进行切割。

本发明的有益之处：本发明采用的封装帽本体为具有内凹腔结构的立方体结构，在封装帽本体的内凹腔壁上粘附金薄膜，可以防止微波信号以辐射的形式泄露，同时起到微波屏蔽的作用，提升开关的微波性能。本发明所述射频MEMS开关的键合方法，所述键合层分为两层,第一层为隔离层，可选用氮化硅等绝缘材料，将射频MEMS上的信号线与金属键合层隔离开。第二层为Au-Sn键合层，其作用是将封装帽与衬底相连接，通过其较高的键合强度，防止封装好的晶圆级射频MEMS开关在划片时封装帽被划开，来实射频MEMS开关的成品率的提升。

附图说明

图1为所述衬底的整体结构示意图；

图2为所述封装帽的整体结构示意图；

图3为所述射频MEMS开关的侧视图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组合或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，本发明实施例的描述过程中，所有图中的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等器件位置关系，均以图1为标准。

以下通过结合说明书附图及具体实施例对本发明做进一步解释。

本发明的目的在于提供了一种高键合强度的射频MEMS开关的键合方法。所述键合方法包括以下步骤：

1、制作锡金属层2：如图1所示，在衬底3上固定设置氮化硅隔离层1，在氮化硅隔离层1的上方设置一锡金属层2，所述锡金属层2粘附在所述衬底3上，所述锡金属层2厚度为2μm；

氮化硅隔离层1用于将射频MEMS上的信号线与Au-Sn键合层隔离开，防止微波传输线短路；

2、制作封装帽4：如图2所示，所述封装帽包括封装帽本体1、金薄膜2，所述封装帽本体1为具有一内凹腔结构的立方体，所述封装帽本体1的内表面粘附所述金薄膜2，所述金薄膜2采用金、锡、铜等材料，所述金薄膜2用于防止通过射频MEMS开关的微波信号以辐射的形式消耗，起到微波屏蔽的作用，有助于开关微波性能的提升。

具体为，所述封装帽本体1为玻璃、多晶硅和高阻硅等，此类材料方便加工价格低廉，保证了封装时的成品率以及封装成本，所述金薄膜2在所述封装帽本体1内表面的侧壁的位置处开设两个缺口3，所述缺口3对称分布设置在所述封装帽本体1的侧壁上，在该缺口3处没有粘附所述金薄膜2，所述缺口3为一矩形缺口3，所述矩形缺口3与所述射频MEMS开关的微波传输线的线宽是相互匹配的，用于所述射频MEMS开关将信号传输至外界。

进一步地，所述金薄膜2与所述封装帽本体1内表面粘附方式为溅射方式，具体为，所述金薄膜2可同时对所述封装帽本体1内壁的顶部、及四周进行溅射，并保持金膜层的厚度为0.8-2.5μm。使得所述金膜层可均匀平整的粘附在所述封装帽本体1的内壁上，从而形成一屏蔽空间。

所述金薄膜2可采用金、锡、铜等材料。

所述封装帽在加工过程中，需要双面光刻。

工作过程：所述封装帽应用在所述射频MEMS开关上，所述金薄膜2可以防止通过射频MEMS开关的微波信号以辐射的形式泄露，起到微波屏蔽的作用，有助于开关微波性能的提升；

所述缺口3宽度与所述射频MEMS开关的波导宽度一样，允许外界通过微波传输线，将信号输入所述封装帽内的射频MEMS开关上，并输出相应的信号，还可防止通过射频MEMS开关的微波信号以辐射的形式泄露，起到屏蔽微波的作用，有助于开关微波性能的提升。所述封装帽4包括封装帽本体43、金薄膜42，所述封装帽本体43为具有一内凹腔结构的立方体，所述封装帽本体43的内表面溅射所述金薄膜42；

金-锡键合：在所述射频MEMS开关封装键合时，将所述封装帽所在的晶圆放置于所述衬底所在的晶圆上，在键合时，两个晶圆通过对准标记相互对准，然后升高加工温度，使位于两者之间的金金属层41与锡金属层2融化形成Au-Sn合金。

具体为，在步骤2中，所述金薄膜42在所述封装帽本体43相对的侧壁上开设缺口，所述缺口用于将所述射频MEMS开关的信号线传递至所述封装帽4外。

在步骤3中的晶圆为本领域的规范尺寸，是指一个硅片尺寸分为2寸、4寸、6寸的有相应标准；

在步骤3中的对准标记、及相互对准键合的过程为本领域现有的键合工艺，在此仅为可实现所述金-锡键合的键合工艺。

工作原理：应用本发明所述键合方法，利用Au-Sn共晶键合由于熔点较低，键合强度较高，进行将所述封装帽4与所述衬底3进行键合，相较于传统的射频MEMS开关键合方式，本发明所述键合方法由于加工的温度低，保证了所述射频MEMS开关在切氮化硅保护层时，不因高温被破坏，失去其原有的保护效果，而金-锡键合方式的键合强度高保证了封装完成后的射频MEMS开关不会在划片时被划开影响开关成品率。

划片：本发明采用的是晶圆级封装，需要通过划片将晶圆切割制成单颗组件。

工作原理：晶圆的材料为硅，硅片的透明度不够良好，需要对晶圆进行双面光刻，在晶圆的上表面图形化，便于划片，提高成品率。

Claims (9)

1.一种用于射频MEMS开关的封装方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)制作下金属层：在衬底上围绕所述射频MEMS开关设置一层中空方形氮化硅隔离层，在氮化硅隔离层的上方设置第一金属层；

2)制作封装帽：所述封装帽为一具有内凹腔结构的立方体结构，在所述封装帽的凹腔边缘处设置第二金属层，所述第一金属层与所述第二金属层形状结构大小一致，所述封装帽本体的内表面粘附所述金薄膜；

所述金薄膜在所述封装帽本体相对的侧壁上开设缺口，所述缺口用于将所述射频MEMS开关的信号线传递至所述封装帽外；

在制作封装帽时，需要进行双面光刻；

3)键合：将所述封装帽所在的晶圆放置于所述衬底所在的晶圆上，两个晶圆通过对准标记相互对准，再升高加工温度，融化第一金属层及第二金属层，形成合金键合层。

4)划片：根据双面光刻形成的图形划片，将晶圆切割制成单颗组件。

2.根据权利要求1所述的一种用于射频MEMS开关的封装方法，其特征在于，所述金属膜采用但不限于金、锡、铜材料。

3.根据权利要求1所述的一种用于射频MEMS开关的封装方法，其特征在于，在所述封装帽本体内壁上溅射一层所述金属膜。

4.根据权利要求1所述的一种用于射频MEMS开关的封装方法，其特征在于，所述封装帽本体采用材料包括但不限于玻璃、多晶硅和高阻硅。

5.根据权利要求1所述的一种用于射频MEMS开关的封装方法，其特征在于，所述缺口为一矩形缺口，所述金薄膜在所述封装帽本体内侧壁的位置处开设两个矩形缺口，两个所述矩形缺口对称分布设置在所述封装帽本体的侧壁上。

6.根据权利要求1所述的一种用于射频MEMS开关的封装方法，其特征在于，所述第一金属层厚度为3μm；所述第二金属层厚度为2μm。

7.根据权利要求1所述的一种用于射频MEMS开关的封装方法，其特征在于，所述步骤3)为金属键合，键合温度为250-300℃。

8.根据权利要求1所述的一种用于射频MEMS开关的封装方法，其特征在于所述封装方法为晶圆级封装。

9.根据权利要求1所述的一种用于射频MEMS开关的封装方法，其特征在于封装帽所在的晶圆需要进行双面光刻。