CN110885060B - 一种mems环行器的封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种MEMS环行器的封装方法，属于环行器封装技术领域，包括以下步骤：在晶圆的正面制备金属电路层，在晶圆的背面制备金属焊接层，获得成一体结构的多个芯片单元；在晶圆的背面制备焊料层；在背面向上的晶圆上每个芯片单元对应的位置放置金属载体，并将金属载体和晶圆背面焊接为一体；在正面向上的晶圆上每个芯片单元对应的位置点胶，将永磁体贴装在胶层表面，并将贴装了永磁体的晶圆上的胶层进行固化；将焊接了金属载体和贴装了永磁体的晶圆进行切割，获得独立的MEMS环行器。本发明提供的一种MEMS环行器的封装方法获得的MEMS环行器精度高、体积小、一致性好，并能够适用于批量封装制造。

Description

一种MEMS环行器的封装方法

技术领域

本发明属于环行器封装技术领域，更具体地说，是涉及一种MEMS环行器的封装方法。

背景技术

随着现代电子技术的发展，通信收发系统趋向小型化，对射频前端的环行器产品提出了小型化的迫切需求。与传统的环行器产品相比，MEMS(微机电系统，Micro-Electro-Mechanical System)环行器借助其内部的磁性材料在外加微波场及直流稳恒磁场的共同作用下，实现电磁波在其内部按照某一环形方向传输、反向而隔离，具有体积小、精度高、功率高、可靠性好等优势，在5G通信等领域具有更好的应用前景。

目前，MEMS环行器的封装以芯片级封装方式为主，通过光刻、显影、刻蚀、圆片键合等MEMS加工工艺(Microfabrication Process)，在硅晶圆上加工出MEMS环行器芯片结构，然后通过划片工艺将硅晶圆切割成独立的MEMS环行器，再通过焊料片在高温下的熔融共晶，将MEMS环行器背面与金属载体表面焊接为一体，最后在MEMS环行器的正面点胶并粘接永磁体，待胶水固化后得到MEMS环行器。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：MEMS环行器的背面与载体表面的焊接过程容易发生焊料片错位，导致焊料溢出或空洞缺陷；芯片对位操作效率低、难度大，正面粘接永磁体对位精度差、效率低，严重制约了生产效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种MEMS环行器的封装方法，旨在解决现有技术中MEMS环行器封装难度大、效率低的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种MEMS环行器的封装方法，包括以下步骤：

在晶圆的正面制备金属电路层，在晶圆的背面制备金属焊接层，获得成一体结构的多个芯片单元；

在晶圆的背面制备焊料层；

在背面向上的晶圆上每个芯片单元对应的位置放置金属载体，并将金属载体和晶圆背面焊接为一体；

在正面向上的晶圆上每个芯片单元对应的位置点胶，将永磁体贴装在胶层表面，并将贴装了永磁体的晶圆进行固化；

将焊接了金属载体和贴装了永磁体的晶圆进行切割，获得独立的MEMS环行器。

作为本申请的另一实施例，在背面向上的晶圆上每个芯片单元对应的位置放置金属载体之前，还包括：沿着晶圆背面预先制作的第一划片标记，对晶圆的背面进行预切割；预切割的深度为50μm～100μm。

作为本申请的另一实施例，将焊接了金属载体和贴装了永磁体的晶圆进行切割包括：沿着晶圆正面预先制作的第二划片标记，对晶圆正面进行再切割；其中，第二划片标记对应的再切割的位置和第一划片标记对应的预切割的位置一致。

作为本申请的另一实施例，再切割的深度为晶圆的厚度与预切割的深度的差值再加上预设修正值；其中，预设修正值的范围为40μm～60μm。

作为本申请的另一实施例，第一划片标记的宽度大于预切割时切割刀片的宽度，第二划片标记的宽度大于再切割时切割刀片的宽度。

作为本申请的另一实施例，焊料层包括阵列分布的多个焊料区，每个焊料区与晶圆正面的芯片单元对应设置；每个焊料区的面积小于对应的芯片单元的面积，且每个焊料区位于对应的芯片单元的正下方。

作为本申请的另一实施例，在正面向上的晶圆上每个芯片单元对应的位置点胶包括：在正面向上的晶圆上每个芯片单元上预先设置的点胶标识图形内点胶，其中，点胶标识图形的粗糙度＜1μm。

作为本申请的另一实施例，金属载体为可伐合金或钼铜合金，且金属载体的焊接面制作有金属镀层。

作为本申请的另一实施例，金属焊接层和金属镀层均为Ni-Au镀层；焊料层为Au-Sn焊料。

作为本申请的另一实施例，将金属载体和晶圆背面焊接为一体包括：将背面放置了金属载体的晶圆置于石墨夹具内；将放置了晶圆和金属载体的石墨夹具放置在真空烧结炉内，进行焊接，其中，焊接过程中的气体包括：甲酸。

本发明提供的一种MEMS环行器的封装方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明一种MEMS环行器的封装方法，在晶圆上预先制作获得成一体结构的多个芯片单元，在背面向上的晶圆上每个芯片单元对应的位置放置并焊接金属载体，正面向上的晶圆上每个芯片单元对应的位置点胶并粘接永磁体，金属载体的焊接和永磁体的粘接均实现了圆片级操作，解决了现有技术的芯片级封装在焊接过程由于焊料片对位困难容易发生错位，从而导致的焊料溢出或焊接空洞缺陷等问题，提高了封装质量和效率；另外，由于采用了圆片级的粘接方式，能够保证永磁体粘接快捷高效，生产效率高；

在焊接完成金属载体和粘接完成永磁体后，将晶圆切割获得独立的MEMS环行器，获得的MEMS环行器体积小、精度高、一致性好，适合小型化、大批量封装制造，对MEMS环行器在5G通信领域的推广应用具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种MEMS环行器的封装方法的工艺流程框图；

图2～图8为本发明实施例提供的一种MEMS环行器的封装方法的工艺流程示意图；

图9为本发明实施例提供的一种MEMS环行器的封装方法制作的MEMS环行器的爆炸结构分解图。

图中：1、晶圆；2、芯片单元；3、金属焊接层；4、焊料层；5、预切割的位置；6、金属载体；7、胶层；8、永磁体；9、再切割的位置。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

请一并参阅图1至图9，现对本发明提供的一种MEMS环行器的封装方法进行说明。所述一种MEMS环行器的封装方法，包括以下步骤：

步骤S101，参阅图2，在晶圆1的正面制备金属电路层，在晶圆1的背面制备金属焊接层3，获得成一体结构的多个芯片单元2；

步骤S102，参阅图3，在晶圆1的背面制备焊料层4；

步骤S103，参阅图5，在背面向上的晶圆1上每个芯片单元2对应的位置放置金属载体6，并将金属载体6和晶圆1背面焊接为一体；

步骤S104，参阅图6及图7，在正面向上的晶圆1上每个芯片单元2对应的位置点胶，将永磁体8贴装在胶层7表面，并将贴装了永磁体8的晶圆1上的胶层7进行固化；

步骤S105，参阅图8，将焊接了金属载体6和贴装了永磁体8的晶圆1进行切割，获得独立的MEMS环行器。

本发明提供的一种MEMS环行器的封装方法的具体说明：

在本申请实施例中，所述晶圆可以是硅晶圆，还可以是其它能够制备MEMS环行器的材料对应的晶圆，在此不做限定；另外，多个芯片单元2矩阵排列。

晶圆1的正面采用光刻、溅射、电镀MEMS加工工艺(即Microfabrication Process，是下至纳米尺度，上至毫米尺度微结构加工工艺的通称，以光刻、外延、薄膜淀积、氧化、扩散、注入、溅射、蒸馏、刻蚀、划片和封装等为基本工艺步骤来制造复杂三维形体的微加工技术)制作MEMS环行器的金属电路层；晶圆1的背面采用光刻、溅射、电镀等MEMS加工工艺制作金属焊接层3；

金属焊接层3上利用光刻、电镀等MEMS加工工艺制作焊料层4。

需要说明的是，圆片级封装(Wafer Level Package，WLP)以圆片为加工对象，在圆片上同时对众多芯片进行封装、老化、测试，最后切割成单个器件，可以直接贴装到基板或印刷电路板上，能够使封装尺寸减小，生产成本降低。

本发明提供的一种MEMS环行器的封装方法，与现有技术相比，在晶圆1上预先制作获得成一体结构的多个芯片单元2，在背面向上的晶圆1上每个芯片单元2对应的位置放置并焊接金属载体6，在正面向上的晶圆1上每个芯片单元2对应位置点胶并粘接永磁体8，金属载体6的焊接和永磁体8的粘接均实现了圆片级操作，解决了现有技术采用的芯片级封装在焊接过程由于焊料片对位困难容易发生错位，从而导致的焊料溢出或焊接空洞缺陷的问题，提高了封装质量和效率；另外，由于采用了圆片级的粘接方式，能够保证永磁体8粘接快捷高效，生产效率高；

在焊接完成金属载体6和粘接完成永磁体8后，将晶圆1切割获得独立的MEMS环行器，获得的MEMS环行器体积小、精度高、一致性好，适合小型化、大批量封装制造，对MEMS环行器在5G通信领域的推广应用具有重要意义。

请参阅图4，作为本发明提供的一种MEMS环行器的封装方法的一种具体实施方式，在背面向上的晶圆1上每个芯片单元2对应的位置放置金属载体6之前，还包括：沿着晶圆1背面预先制作的第一划片标记，对晶圆1的背面进行预切割；预切割的深度为50μm～100μm。

晶圆1的背面利用DRIE(Deep Reactive Ion Etching，深反应离子刻蚀，一种微电子干法腐蚀工艺，基于氟基气体的高深宽比硅刻蚀技术)干法刻蚀工艺制作第一划片标记。

为了避免晶圆1切割时损伤金属载体6，在晶圆1的背面进行预切割，预切割深度控制在50μm～100μm之间，既不影响晶圆1的刚度，又能够保证后续再切割过程不损伤金属载体6。

请参阅图8，作为本发明提供的一种MEMS环行器的封装方法的一种具体实施方式，将焊接了金属载体6和贴装了永磁体8的晶圆1进行切割包括：沿着晶圆1正面预先制作的第二划片标记，对晶圆1正面进行再切割；其中，第二划片标记对应的再切割的位置9和第一划片标记对应的预切割的位置5一致。

晶圆1的正面利用DRIE干法刻蚀工艺制作第二划片标记，晶圆1的正面制作的金属电路层通过第二划片标记分割成多个芯片单元2，沿着第二划片标记对晶圆1进行再切割时，由于第二划片标记与第一划线标记的位置一致，一方面能够保证对晶圆1进行再切割后形成的独立MEMS环行器的芯片单元2与金属载体6对位整齐，另一方面保证再切割的位置9与预切割的位置5一致，避免切割错位，保证MEMS环行器的封装质量。

作为本发明提供的一种MEMS环行器的封装方法的一种具体实施方式，再切割深度为晶圆1的厚度与预切割的深度的差值再加上预设修正值；其中，预设修正值的范围40μm～60μm。保证再切割能够切透晶圆1，获得独立MEMS环行器，切割后获得的MEMS环行器封装质量可靠。

作为本发明提供的一种MEMS环行器的封装方法的一种具体实施方式，第一划片标记的宽度大于预切割时切割刀片的宽度，第二划片标记的宽度大于再切割时切割刀片的宽度。

沿第一划片标记对晶圆1的背面进行预切割，沿第二划片标记对晶圆1的正面进行切割，由于使用切割刀片(安装于砂轮或自动切片设备上)对晶圆1进行切割时，切口宽度必然大于切割刀片的厚度，因此将第一划片标记的宽度、第二划片标记的宽度加工至大于切割刀片的厚度，从而能够避免晶圆1切割过程损伤MEMS环行器封装产品，保证切割后得到的独立的MEMS环行器产品的封装质量好。

请参阅图3，作为本发明提供的一种MEMS环行器的封装方法的一种具体实施方式，焊料层4包括阵列分布的多个焊料区，每个焊料区与晶圆1正面的芯片单元2对应设置；每个焊料区的面积小于对应的芯片单元2的面积，且每个焊料区位于对应的芯片单元2的正下方。

焊料层4在熔融后，在金属载体6的压力下，由独立区的中心向四周蔓延，因此将焊料层4的面积设置为小于对应的芯片单元2的面积，能够避免焊料溢出独立区，影响封装质量。

本实施例中，将焊料层4的面积设置为对应的芯片单元2面积的2/3，并采取相匹配的熔融共晶时间，将金属载体6作用于焊料层4适当的压力(均能通过试验和计算得出)，既能够保证焊料熔融共晶后填满金属载体6的焊接表面确保焊接稳固，又能够避免焊料溢出金属载体6影响封装质量。应当理解的是，通过对选用的焊料层4的面积、厚度进行试验，能够得到最佳的焊接工艺温度、时间以及压力，从而得到最佳的焊接质量。

作为本发明提供的一种MEMS环行器的封装方法的一种具体实施方式，在正面向上的晶圆1上每个芯片单元2对应的位置点胶包括：在正面向上的晶圆1上每个芯片单元2上预先设置的点胶标识图形内点胶，其中，点胶标识图形的粗糙度＜1μm。

晶圆1上每个芯片单元2上采用光刻、溅射、电镀等MEMS加工工艺制备点胶标识图形，点胶标识图形为圆形、环形、矩形或方形，方便自动化点胶设备的识别和定位，能够保证点胶位置精度，从而保证了永磁体8的粘接位置精准；

由于自动点胶设备的测高功能需要针对具有一定粗糙度的表面，在本实施例中，点胶标识图形的表面粗糙度＜1μm，既能够保证其表面质量，又能够适用于自动点胶设备的测高功能，保证点胶高度精准、胶量适中、效率高；

可见，点胶及粘接永磁体8的过程能够采用自动化设备针对矩阵排列于晶圆1正面的所有芯片单元2进行，实现圆片级粘接作业，解决了现有技术中采用芯片级作业方法对每个独立的芯片单元2进行点胶粘接作业效率低下的问题，大大提高了生产作业效率，从而使MEMS环行器能够适合批量生产。

作为本发明提供的一种MEMS环行器的封装方法的一种具体实施方式，金属载体6为可伐合金或钼铜合金，且金属载体6的焊接面制作有金属镀层。导电导热性能好、热膨胀系数低。

作为本发明提供的一种MEMS环行器的封装方法的一种具体实施方式，金属焊接层3、金属镀层均为Ni-Au镀层；焊料层4为Au-Sn焊料。焊料层4熔融共晶时间短，焊接效率高；焊料层4熔融共晶后，金属镀层与金属焊接层3之间的连接稳定。

作为本发明提供的一种MEMS环行器的封装方法的一种具体实施方式，将金属载体6和晶圆1背面焊接为一体包括：将背面放置了金属载体6的晶圆1置于石墨夹具内；将放置了晶圆1和金属载体6的石墨夹具放置在真空烧结炉内，熔融焊接，其中，焊接过程中的气体包括：甲酸。

利用石墨夹具的高热导性能，向晶圆1传导热量、并对金属载体6提供一定的压紧力，利用甲酸还原真空烧结炉内的残余氧气以及金属表面氧化层，从而降低焊接空洞率，保证焊接质量。

应当理解的是，在本实施例中，焊接过程气体还可以为氢气或者其他还原性气体，在真空烧结炉内绝对真空状态下，也可不使用还原气体。

需要说明，本申请实施例中的步骤仅用于对各个步骤起到标识作用，并不代表各个步骤的先后顺序，各个步骤之间的先后顺序应该以各个步骤之间的内在逻辑关系确定。

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环行器的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：

在晶圆的正面制备金属电路层，在所述晶圆的背面制备金属焊接层，获得成一体结构的多个芯片单元；其中，所述晶圆为硅晶圆；

在所述晶圆的背面制备焊料层；

沿着所述晶圆背面预先制作的第一划片标记，对所述晶圆的背面进行预切割；所述预切割的深度为50μm～100μm；

在背面向上的所述晶圆上每个所述芯片单元对应的位置放置金属载体，并将所述金属载体和所述晶圆背面焊接为一体；

在正面向上的所述晶圆上每个所述芯片单元对应的位置点胶，将永磁体贴装在胶层表面，并将贴装了所述永磁体的所述晶圆上的胶层进行固化；

将焊接了所述金属载体和贴装了所述永磁体的所述晶圆进行切割，获得独立的MEMS环行器；其中，该切割过程包括：沿着所述晶圆正面预先制作的第二划片标记，对所述晶圆正面进行再切割；所述第二划片标记对应的所述再切割的位置和所述第一划片标记对应的所述预切割的位置一致。

2.如权利要求1所述的一种MEMS环行器的封装方法，其特征在于：所述再切割的深度为所述晶圆的厚度与所述预切割的深度的差值再加上预设修正值；

其中，所述预设修正值的范围为40μm～60μm。

3.如权利要求1所述的一种MEMS环行器的封装方法，其特征在于：所述第一划片标记的宽度大于所述预切割时切割刀片的宽度，所述第二划片标记的宽度大于所述再切割时切割刀片的宽度。

4.如权利要求1所述的一种MEMS环行器的封装方法，其特征在于：所述焊料层包括阵列分布的多个焊料区，每个所述焊料区与所述晶圆正面的所述芯片单元对应设置；每个所述焊料区的面积小于对应的所述芯片单元的面积，且每个所述焊料区位于对应的所述芯片单元的正下方。

5.如权利要求1所述的一种MEMS环行器的封装方法，其特征在于，所述在正面向上的所述晶圆上每个所述芯片单元对应的位置点胶包括：

在正面向上的所述晶圆上每个所述芯片单元上预先设置的点胶标识图形内点胶，其中，所述点胶标识图形的粗糙度＜1μm。

6.如权利要求1所述的一种MEMS环行器的封装方法，其特征在于：所述金属载体为可伐合金或钼铜合金，且所述金属载体的焊接面制作有金属镀层。

7.如权利要求6所述的一种MEMS环行器的封装方法，其特征在于：所述金属焊接层和所述金属镀层均为Ni-Au镀层；所述焊料层为Au-Sn焊料。

8.如权利要求1所述的一种MEMS环行器的封装方法，其特征在于，所述将所述金属载体和所述晶圆背面焊接为一体包括：

将背面放置了所述金属载体的所述晶圆置于石墨夹具内；

将放置了所述晶圆和所述金属载体的所述石墨夹具放置在真空烧结炉内，进行焊接，其中，焊接过程中的气体包括：甲酸。