CN111606301A

CN111606301A - 器件结构及封装方法、滤波器、电子设备

Info

Publication number: CN111606301A
Application number: CN202010320071.5A
Authority: CN
Inventors: 张兰月; 庞慰; 张巍; 张全德
Original assignee: ROFS Microsystem Tianjin Co Ltd
Current assignee: ROFS Microsystem Tianjin Co Ltd
Priority date: 2020-04-22
Filing date: 2020-04-22
Publication date: 2020-09-01

Abstract

本发明涉及一种器件结构，包括：第一和第二基底，彼此对置的间隔开布置；封装层，设置在对置的第一与第二基底之间，以限定在第一与第二基底之间的封装空间；MEMS器件，设置于第一基底和/或第二基底，且位于封装空间之内，其中：所述封装层包括设置在第一基底从第一基底朝向第二基底延伸的第一密封层，以及设置在第二基底从第二基底朝向第一基底延伸的第二密封层，第一密封层和第二密封层彼此对置；且所述封装层还包括设置在第一密封层与第二密封层之间的金属互溶键合结构层，所述互溶键合金属层为由金与键合金属形成的互溶键合金属层，所述第一密封层和/或第二密封层包括所述键合金属。本发明还涉及一种滤波器和一种电子设备。

Description

器件结构及封装方法、滤波器、电子设备

技术领域

本发明的实施例涉及半导体领域，尤其涉及一种器件结构及一种器件封装方法，一种具有该器件结构的滤波器，以及一种具有该滤波器或器件结构的电子设备。

背景技术

图1为已知体声波谐振器的封装结构的截面示意图。图1中，10为器件基底，11和21为金属粘接层，12和22为键合金属金，20为封装基底，30为MEMS器件，50为导电通孔，60为导电焊盘。

如图1所示，目前的微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)器件，例如薄膜体声波谐振器(FBAR，Film Bulk Acoustic Resonator)，采用的Au-Au键合工艺将器件基底10与封装基底20键合，利用器件基底上的键合金属Au 12，以及封装基底上的键合金属Au 22在真空、高压、高温下进行热压键合，达到良好的气、湿密封性。

图1所示的封装结构中，其封装工艺要求键合金属的高度不能过小，因为MEMS器件30不能接触到密封衬底20，封装电性能(如频率)出现问题。

另外，器件制作过程中的积累张应力会导致器件30向上弯曲，向上弯曲的量一般小于4um。

此外，MEMS器件30在生长完键合金属12后，还需要进行后续工艺，有些工艺会对键合金属的高度产生影响，如修频(trim)工艺，会导致键合金属Au的厚度降低。

因此，基于图1所示的封装结构，最终作为键合金属的金的高度需要大于MEMS器件30的厚度、器件向上弯曲量以及键合金属损失量的和。这使得键合金属的成本占生成例如薄膜体声波谐振器的MEMS器件的成本的20％以上。

发明内容

为了降低封装用键合金属的成本，同时不影响键合的气、湿密封性，提出本发明。

根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种器件结构，包括：

第一基底和第二基底，彼此对置的间隔开布置；

封装层，设置在对置的第一基底与第二基底之间，以限定在第一基底与第二基底之间的封装空间，封装空间具有封装高度；

MEMS器件，设置于第一基底和/或第二基底，且位于封装空间之内，所述MEMS器件的高度小于封装高度，

其中：

所述封装层包括设置在第一基底从第一基底朝向第二基底延伸的第一密封层，以及设置在第二基底从第二基底朝向第一基底延伸的第二密封层，第一密封层和第二密封层彼此对置；且

所述封装层还包括设置在第一密封层与第二密封层之间的金属互溶键合结构层，所述互溶键合金属层为由金与键合金属形成的互溶键合金属层，所述第一密封层和/或第二密封层包括所述键合金属。

本发明的实施例还涉及一种器件封装方法，包括步骤：

提供第一基底，第一基底设置有第一封装结构；

提供第二基底，第二基底上对应的位置设置有第二封装结构，

其中：

第一基底和/或第二基底设置有MEMS器件；

第一封装结构或第二封装结构的纵向端部设置有金层，第一封装结构和/或第二封装结构包括键合金属；

所述方法还包括步骤：

将第一封装结构与第二封装结构彼此对置从而所述金层与所述键合金属在器件的厚度方向上相接，所述第一封装结构和第二封装结构围绕所述MEMS器件设置；和

加压以使得所述键合金属与金键合，使得金层的金以互溶的方式完全与所述键合金属互溶而形成互溶键合金属层。

本发明的实施例也涉及一种滤波器，包括至少一个上述器件结构。

本发明的实施例还涉及一种电子设备，包括上述的滤波器或者器件结构。

附图说明

以下描述与附图可以更好地帮助理解本发明所公布的各种实施例中的这些和其他特点、优点，图中相同的附图标记始终表示相同的部件，其中：

图1为已知体声波谐振器的封装结构的截面示意图；

图2为根据本发明的一个示例性实施例MEMS器件的封装结构的截面示意图；

图3为根据本发明的另一个示例性实施例MEMS器件的封装结构的截面示意图；

图4-1至图4-4为示例性示出根据本发明的一个示例性实施例的封装体声波谐振器的工艺过程图；

图5-1至图5-4为示例性示出根据本发明的另一个示例性实施例的封装体声波谐振器的工艺过程图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

图2为根据本发明的一个示例性实施例MEMS器件的封装结构的截面示意图。

在图2中，附图标记示例性说明如下：

10：器件基底，可选材料为单晶硅、砷化镓、蓝宝石、石英等。

20：封装基底，可选材料为单晶硅、砷化镓、蓝宝石、石英等。

11：器件基底的粘附层金属或金属粘附层，可选材料为钛、铱、锇、钨、铬，或以上金属的复合或合金等，其厚度在10nm-10um之间可选。

121：器件基底的键合金属层，可选材料为铜、锡、铟、铝或以上金属的复合或其合金，其厚度在10nm-20um之间可选。

21：封装基底的粘附层金属或金属粘附层，可选材料为钛、铱、锇、钨、铬，或以上金属的复合或合金等，其厚度在10nm-10um之间可选。

221：封装基底的金属增高层，可选材料为铜、锡、铟、铝、金或以上金属的复合或其合金，其厚度在10nm-20um之间可选。

222：封装基底的金属隔离层，可选材料为钛、铱、锇、钨、铬或以上金属的复合或合金等，其厚度在10nm-10um之间可选。

30：MEMS器件。

40：互溶键合金属层，此为两个基底键合金属的互溶合金，本实施例中为金-铜互溶键合层，金-铜互溶键合层的厚度在50nm-10um之间可选，进一步的，在200nm-1um之间可选。

50：导电通孔，将器件的电信号导到对外引脚焊盘上。

60：对外引脚焊盘或导电焊盘。

在图2中，作为器件基底与封装基底之间的封装层，其从上到下依次为：

金属粘附层21，例如为钛钨合金；

金属增高层221，例如为铜。

金属隔离层222，例如为钛钨合金。

互溶键合金属层40，例如Au-Cu(金-铜互溶键合层)，在键合工艺前为单独的金和单独的铜，分别位于两个基底上。

键合金属层121，例如铜。

金属粘附层11。

如图2所示的器件结构中，封装层包括设置在第一密封层(例如对应于设置到器件基底10的金属粘附层11，键合金属层121)与第二密封层(例如对应于设置到封装基底20的金属隔离层222，金属增高层221和金属粘附层21)之间的金属互溶键合结构层40，所述互溶键合金属层40为由金与键合金属形成的互溶键合金属层，第一密封层包括该键合金属。

在例如键合金属层121和增高金属层221为铜的情况下，如后面参照附图4-1至图4-4所述的，仅需要提供较少的金属金以形成包括金的互溶键合金属层，因此，相对于图1中所示的已知结构，封装层中的金的用量显著降低，甚至可以相对于图1中的已知结构降低80％以上的用金量，从而可以降低MEMS器件封装的成本。

此外，基于该互溶键合金属层，第一密封层与第二密封层之间可以实现良好的气、湿密封性。

另外，由于金属Au的熔点较高，在键合过程中不易出现在键合过程中形成为流动的液体后冷却形成固体的情况，这减少了固液互扩散键合过程中极易发生的熔点较低的液态金属的“外溢”现象，从而可以减少因为“外溢”现象而导致的相邻触点短路的问题，以及有助于防止因为“外溢”现象导致的相邻触点之间的电学距离降低而可能引起的MEMS器件在使用过程中的静电击穿等问题。

需要指出的是，在本发明中，可以省却金属粘附层21，而是直接由金属增高层221与封装基底20接触，也可以省却金属粘附层11，而是直接由键合金属层121与器件基底10接触。

还需要指出的是，金属隔离层222可以如图2所示设置在封装基底的一侧，也可以设置在器件基底的一侧，这也在本发明的保护范围之内。

此外，还需指出的是，MEMS器件30既可以如图2所示设置在器件基底10的一侧，也可以设置在封装基底的一侧，还可以同时设置于器件基底和封装基底上，均在本发明的保护范围内。

在图2所示的实施例中，设置了金属隔离层。但是，本发明也可以不设置金属隔离层。图3为根据本发明的另一个示例性实施例MEMS器件的封装结构的截面示意图。

在图3中，附图标记示例性说明如下：

30：MEMS器件。

50：导电通孔，将器件的电信号导到对外引脚焊盘上。

60：对外引脚焊盘或导电焊盘。

在图3中，作为器件基底与封装基底之间的封装层，其从上到下依次为：

金属粘附层21，例如为钛钨合金；

金属增高层221，例如为铜。

键合金属层121，例如铜。

金属粘附层11。

在例如键合金属层121和增高金属层221为铜的情况下，如后面参照附图5-1至图5-4所述的，仅需要提供较少的金属金以形成包括金的互溶键合金属层，因此，相对于图1中所示的已知结构，封装层中的金的用量显著降低，甚至可以相对于图1中的已知结构降低80％以上的用金量，从而可以降低MEMS器件封装的成本。此外，基于该互溶键合金属层，第一密封层与第二密封层之间可以实现良好的气、湿密封性。

金属键合对金属表面的粗糙度要求极高，但MEMS器件因其结构特殊性，大部分不可采用化学机械研磨(CMP)方式对键合金属进行键合前抛光和其他化学机械处理，并且滤波器在键合前需要进行修频工艺，这进一步加大了键合金属表面的粗糙程度，同时也加大了键合密封的难度(例如在图5-3A中在金属层223的上下两侧存在空隙，该空隙用于示意性表明键合的金属表面的粗糙程度)。

图3所示的实施例的技术方案，主要应用于由于制造工艺导致键合金属表面不平整(粗糙度较大)的产品中，利用金属金Au、金属铜Cu在键合互溶的过程中改变键合金属的体积，从而缩小因键合面积不均匀造成的金属高低差问题，即可以通过金属互溶消除键合前键合金属层之间存在的空隙，保证了不同位置键合的密封性和稳定性。

下面参照图4-1至图4-4示例性说明图2所示结构的制造过程。图4-1至图4-4为示例性示出根据本发明的一个示例性实施例的封装体声波谐振器的工艺过程图。

在如图4-1所示的步骤中，在器件基底10上形成器件30，其中键合金属层121为金属铜Cu，键合金属层下方的金属粘附层11为钛钨合金，起增强键合金属与基底之间的粘附力的作用。

在图4-2所示的步骤中，在封装基底20上形成键合金属层或增高金属层221及对外引线用的导电盲孔，其中键合金属层223为金属金Au，键合金属层下方为金属阻挡层或金属隔离层222，其为钛钨合金，用于阻挡键合金属层223向增高金属层221扩散，最下方的金属粘附层21为钛钨合金，起增强增高金属层221与基底20之间的粘附力的作用。

如图4-3A所示，将封装基底20对准倒扣在器件基底10上，执行金属键合工艺，键合压强2-10bar、键合温度260-450℃、键合时间20-60min，键合金属发生互溶现象，其中图4-3B为4-3A椭圆虚框(键合金属)的放大示意图。键合结束后，形成图4-3C所示的结构，封装基底上的全部键合金属层223与器件基底10上的部分键合金属层121形成新的互溶键合金属层40，如图4-3C所示，形成从上往下Cu-TiW-AuCu-Cu的金属叠层结构。

需要指出的是，键合金属层223需要被完全消耗以形成互溶金属，否则键合金属层223中的Au会在后续过程中继续向键合金属层121中扩散而形成孔洞，这会产生可靠性问题。另外，如前面提到的，也不限于从上往下Cu-TiW-AuCu-Cu这样的金属叠层结构，还可以为从上往下Cu-AuCu-TiW-Cu这样的金属叠层结构。

如图4-4所示，将封装基底20的从反面减薄，露出导电通孔50，随后形成对外引线用的导电焊盘60。

下面参照图5-1至图5-4示例性说明图3所示结构的制造过程。图5-1至图5-4为示例性示出根据本发明的另一个示例性实施例的封装体声波谐振器的工艺过程图。

如图5-1所示，：在器件基底10上形成器件30，,其中键合金属层121为Cu，键合金属层下方的粘附金属层11为钛钨合金，起增强键合金属层与基底10之间的粘附力的作用。

如图5-2所示，在封装基底20上形成键合金属层或增高金属层221及对外引线孔或导电盲孔，增高金属层221上方设置有键合金属层223，其中键合金属层223为Au，最下方的粘附金属层21为钛钨合金，起增强键合金属层221与基底20之间的粘附力的作用。

如图5-3A所示，将封装基底20对准倒扣在器件基底10上，进行键合工艺，键合压强2-10bar、键合温度260-450℃、键合时间20-60min，键合金属发生互溶现象，其中图5-3B为5-3A中的椭圆虚框(键合金属)放大示意图，与图4-1至图4-4所示的实施例相比，因为无阻挡层金属或金属隔离层，键合金属层223中的金属Au既可以与键合金属层121发生互溶，也可以与增高金属层221发生互溶，从而消除平坦度不同对键合带来的影响。键合结束后，形成图5-3C所示的结构，封装基底20上的全部键合金属层223中的金属与器件基底10上的部分键合金属层121键合以及与封装基底20上的部分增高金属层221形成新的互溶键合金属层40，即Cu-AuCu-Cu的键合金属层。

需要指出的是，键合金属层223中的金属Au需要被完全消耗以形成互溶金属层40，否则金属Au会在后续过程中继续向键合金属层221和键合金属层121中扩散，形成孔洞，产生可靠性问题。

如图5-4所示，将封装基底20从反面减薄，露出导电通孔50，随后形成对外引线的导电焊盘60。

需要指出的是，在本发明中，各个数值范围，除了明确指出不包含端点值之外，除了可以为端点值，还可以为各个数值范围的中值，这些均在本发明的保护范围之内。

使用了上述的封装结构的结构器件可以用于滤波器，也可以用于含有各种电子器件，如滤波器、双工器、多工器等的电子设备。这里的电子设备，还可包括但不限于射频前端、滤波放大模块等中间产品，以及手机、WIFI、无人机等终端产品。

基于以上，本发明提出了如下技术方案：

1、一种器件结构，包括：

第一基底和第二基底，彼此对置的间隔开布置；

其中：

2、根据1所述的器件结构，其中：

所述键合金属为铜、锡、铟、铝中的一种或以上金属的复合或合金。

3、根据2所述的器件结构，其中：

所述键合金属为铜。

4、根据1所述的器件结构，其中：

所述金属互溶键合结构层的厚度在50nm-10μm的范围内。

5、根据1所述的器件结构，其中：

所述金属互溶键合结构层的厚度在200nm-1μm的范围内。

6、根据1所述的器件结构，其中：

所述MEMS器件包括体声波谐振器。

7、根据1所述的器件结构，其中：

所述第一密封层和第二密封层与所述金属互溶键合结构层接触的部分均为所述键合金属。

8、根据1所述的器件结构，其中：

封装层还包括设置在第一密封层与第一基底之间的第一粘附金属层，以及设置在第二密封层与第二基底之间的第二粘附金属层。

9、根据1所述的器件结构，其中：

所述封装层为导电结构；且

所述第一基底或第二基底在设置封装层的对应位置设置有导电通孔，所述导电通孔与所述封装层彼此相接而电连接。

10、根据1-9中任一项所述的器件结构，其中：

所述封装层还包括隔离层，所述隔离层设置在所述第一密封层或第二密封层与所述金属互溶键合结构层之间，所述隔离层的材料为钛、铱、锇、钨、铬中的一种或以上金属的复合或合金。

11、根据10所述的器件结构，其中：

所述隔离层为钛钨合金。

12、根据10所述的器件结构，其中：

所述隔离层的厚度在10nm-10μm的范围内。

13、一种器件封装方法，包括步骤：

提供第一基底，第一基底设置有第一封装结构；

其中：

第一基底和/或第二基底设置有MEMS器件；

所述方法还包括步骤：

14、根据13所述的方法，其中：

在加压以使得所述键合金属与金键合的步骤中，金仅仅与第一封装结构或第二封装结构的键合金属互溶键合。

15、根据14所述的方法，其中：

第一封装结构和第二封装结构中的一个的纵向端部设置有隔离层；

所述第一封装结构和第二封装结构中的另一个包括所述键合金属；且

在加压以使得所述键合金属与金键合的步骤中，所述隔离层与所述金层在器件的厚度方向上相接。

16、根据13所述的方法，其中：

在加压以使得所述键合金属与金键合的步骤中，金层中的金与第一封装结构的键合金属以及第二封装结构的键合金属互溶键合。

17、根据13所述的方法，其中：

提供第二基底的步骤中，第二基底的设置第二封装结构的一侧设置有导电盲孔，导电盲孔与所述第二封装结构电连接；

第一封装结构和第二封装结构为导电结构，

所述方法还包括步骤：

在形成互溶键合金属层之后，将第二基底的另一侧减薄以露出所述导电盲孔，露出的导电盲孔构成导电通孔；以及

在第二基底的另一侧设置与导电通孔电连接的导电焊盘。

18、根据13-17中任一项所述的方法，其中：

所述键合金属为铜；

在加压以使得所述键合金属与金键合的步骤中，键合压力在2bar-10bar的范围内，键合温度在260℃-450℃的范围内，且键合时间在20-60分钟的范围内。

19、一种滤波器，包括：至少一个根据1-12中任一项所述的器件结构。

20、一种电子设备，包括根据19所述的滤波器或者根据1-12中任一项所述的器件结构。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种器件结构，包括：

第一基底和第二基底，彼此对置的间隔开布置；

其中：

2.根据权利要求1所述的器件结构，其中：

3.根据权利要求2所述的器件结构，其中：

所述键合金属为铜。

4.根据权利要求1所述的器件结构，其中：

所述金属互溶键合结构层的厚度在50nm-10μm的范围内。

5.根据权利要求1所述的器件结构，其中：

所述金属互溶键合结构层的厚度在200nm-1μm的范围内。

6.根据权利要求1所述的器件结构，其中：

所述MEMS器件包括体声波谐振器。

7.根据权利要求1所述的器件结构，其中：

8.根据权利要求1所述的器件结构，其中：

9.根据权利要求1所述的器件结构，其中：

所述封装层为导电结构；且

10.根据权利要求1-9中任一项所述的器件结构，其中：

11.根据权利要求10所述的器件结构，其中：

所述隔离层为钛钨合金。

12.根据权利要求10所述的器件结构，其中：

所述隔离层的厚度在10nm-10μm的范围内。

13.一种器件封装方法，包括步骤：

提供第一基底，第一基底设置有第一封装结构；

其中：

第一基底和/或第二基底设置有MEMS器件；

所述方法还包括步骤：

14.根据权利要求13所述的方法，其中：

15.根据权利要求14所述的方法，其中：

第一封装结构和第二封装结构中的一个的纵向端部设置的金层之下设置有隔离层；

16.根据权利要求13所述的方法，其中：

17.根据权利要求13所述的方法，其中：

第一封装结构和第二封装结构为导电结构，

所述方法还包括步骤：

在第二基底的另一侧设置与导电通孔电连接的导电焊盘。

18.根据权利要求13-17中任一项所述的方法，其中：

所述键合金属为铜；

19.一种滤波器，包括：至少一个根据权利要求1-12中任一项所述的器件结构。

20.一种电子设备，包括根据权利要求19所述的滤波器或者根据权利要求1-12中任一项所述的器件结构。