CN1363509A - 微机电系统器件的真空封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机电系统器件的真空封装方法,采用了蒸镀的方法,在一批多个封装外壳内壁的一部或全部同时建立吸气薄膜结构,能有效吸附真空封装过程中释放的残余气体和器件寿命期漏入或内部结构放出的气体,从而起到维持真空的作用。其有效面积大,吸气能力强,真空度保持效果好;附着力强,固定性好,几乎不占用空间,而且适用于形状各异、尺寸微小的封装腔体。其工艺流程与现有微机械加工技术衔接好、成本低、便于批量加工、成品率高、真空保持时效长、真空度高等特点,可用于射频、惯性、真空微电子等MEMS器件芯片的器件级封装和芯片级封装的真空封装。

Description

微机电系统器件的真空封装方法

技术领域：本发明属于微机电系统领域，尤其涉及一种射频、惯性、真空微电子等微机电系统(以下简称MEMS)器件的真空封装方法。

背景技术：在微电子技术的基础上发展而来的微机电系统(MEMS)技术是一个新兴的多学科交叉的高科技领域，相应的MEMS器件产品将在国民经济和国家安全等方面发挥越来越重要的作用。与微电子技术相类似，采用微机械加工技术制作的MEMS器件需要相应的、稳妥可靠的封装以保证其最终产品的性能，其形式多样，工艺要求高，难度大，费用在产品成本价格中占有很高的比例(超过50％)。封装的真空度保持性能在很大程度上决定了器件的最终性能、工作的可靠性及其寿命。

真空封装是MEMS封装的一种重要形式，它能在射频、惯性、真空微电子类MEMS产品芯片(chip)周围形成一个真空环境，可以使MEMS器件处于10^-2帕以下的高真空环境工作，并保证其中的微机械结构具有优良的振动性能(例如使各种机械谐振器有高的品质因数)或长期稳定工作(例如防止射频微机械开关运动触点的玷污、粘附或保证真空微电子器件的电流特性)，使其能正常工作，并提高其可靠性，是目前国际上正在积极研究开发的一项重要的MEMS封装技术。

MEMS的真空封装的实现，往往采用传统的用于混合集成电路的金属、陶瓷封装外壳或与之类似的专门加工的外壳，或者利用硅或玻璃等材料，以微机械方法制作出尺寸与MEMS器件大小相近的外壳，通过键合等方法与MEMS器件封接在一起。存在的困难是尺寸小，由于引线和管脚的存在，漏率偏高，真空度保持困难。

现有的MEMS器件真空封装技术主要有：

1、传统真空电子器件的封装真空度保持技术：大量采用蒸散型(如钡铝化合物等)和非蒸散型吸气剂(如锆铝化合物)来保持器件内部的真空状态。但都针对大尺寸(最小为厘米级)的封装外壳，外壳的形状、结构与微电子行业所用的外壳不同。蒸散型吸气剂需要放在天线状容器中置入外壳中进行蒸镀，非蒸散型吸气剂往往呈块状或条状，需要设法固定在外壳上。封装设备体积大，结构复杂，很难应用于小尺寸的MEMS封装外壳。其工艺属单件操作，与现有整个硅基微机械加工流程兼容性不好，特别对于采用非蒸散型吸气剂的工艺流程。

2、在片低压封装技术中的真空保持技术：在专用真空设备中，对其上已由微机械加工方法制作出相应结构的三层玻璃片/硅片/玻璃片、或硅片/硅片/硅片等进行对准和键合，从而形成三明治封装结构。键合前在每个器件对应的小腔体中依次置入小块非蒸散型吸气剂。这种封装工艺实际上采用了已有的微机械加工工艺，方便了MEMS器件的包封，但也存在如下问题：工艺复杂，与半导体加工工艺设备不兼容；对一个圆片上并行加工出来的成百上千个腔体，每个腔体都要置入一块吸气剂，效率低，而且腔体体积受到限制，不能过小；吸气剂的固定困难；成品率低，吸气剂的放置和加温激活时的高温容易损伤MEMS产品微小外壳中的活动结构；如何固定吸气剂是个问题。因此这种真空保持技术在体积越来越小的MEMS器件中应用将十分有限。

总体说来，这些问题妨碍了MEMS真空封装的效果，制约了相关MEMS研究的深入和器件的商品化。

发明内容：

本发明的目的是提供一种新型、低成本的MEMS器件芯片级和器件级真空封装方法，在无需对现有硅微机械加工及封装工艺进行较大改动的情况下，实现简便实用、高效可靠的芯片级和器件级MEMS真空封装中的真空保持。

本发明的微机电系统器件的真空封装方法，封装过程中将蒸散型吸气剂蒸镀在微机电系统器件一个或一批多个封装外壳的一部分或全部内壁上，形成吸气薄膜结构，并用此种封装外壳对微机电系统器件进行真空封装。

封装外壳采用传统的混合集成电路金属封装外壳，由管座和管帽构成，外形为矩形或圆形；或者已通过微机械加工方法制作出封装外壳管座和/或管帽的、尚未划片的硅或玻璃圆片(Wafer)。

本发明技术新颖，采用了蒸镀的方法，可在一批多个封装外壳内壁同时建立真空保持(吸气)结构：采用蒸镀而成的、覆盖封装外壳的一部分或全部的吸气薄膜。薄膜能有效吸附真空封装过程中释放的残余气体和器件寿命期漏入或内部结构放出的气体，从而起到维持真空的作用。其有效面积大，吸气能力强，真空度保持效果好；附着力强，固定性好，几乎不占用空间，而且适用于形状各异、尺寸微小的封装腔体，能在形状各异的各类微小的封装外壳腔体(包括已有的集成电路、混合集成电路封装外壳和新出现的采用微机械方法制作的硅或玻璃封装外壳)内壁方便地形成能有效吸附气体分子的薄膜状吸气结构，从而方便有效的实现MEMS器件真空封装中真空度的保持。

本发明提出的真空保持技术，具有工艺流程与现有微机械加工技术衔接好、成本低、便于批量加工、成品率高、真空保持时效长、真空度高等特点，可用于射频、惯性、真空微电子等MEMS器件芯片的器件级封装和芯片级封装的真空封装。

实施方案：

实施例1：

采用蒸散型吸气剂的器件级真空封装，其步骤为

1、在一个或一批多个封装外壳的管座上定位并固定好完成划片的MEMS器件芯片，同时焊接好电连接引线；

2、将蒸散型吸气剂放入直接加热装置或高频电磁涡流加热装置中，每个封装外壳的管座和管帽封装均放置在各自的定位架上，悬于吸气剂蒸散加热容器上方，一起移入带有真空获得系统的真空室中；

3、启动真空获得系统，使真空室内的真空度达到10^-3帕以上；

4、启动加热装置加热吸气剂，加热温度维持在吸气剂蒸散所需温度上，在各封装外壳内壁的一部分或全部蒸镀上吸气膜，通过调整各定位架上封装外壳的管座和管帽的位置确定各封装外壳内壁的吸气剂蒸镀区域，同时完成除气；

5、用机械手完成管帽和管座的对接，并加热，封口；

6、在真空状态下逐步降温，完成全部封装过程。

实施例2：

采用蒸散型吸气剂的芯片级真空封装，其步骤为

1、将吸气剂放入加热装置中，将其上已通过微机械加工方法制作出封装外壳的、尚未划片的硅或玻璃圆片以及制作有MEMS器件的尚未划片的圆片放置在各自的定位架上，一起移入带有真空获得系统的真空室中；

2、启动真空获得系统，使真空室内的真空度达到10^-3帕以上，然后启动加热装置加热吸气剂，加热温度维持在吸气剂蒸散温度以上，在封装外壳内壁的一部分或全部蒸镀上吸气膜，通过调整定位架上封装外壳的管座和管帽的位置确定封装外壳内壁的吸气剂蒸镀区域，必要时，在玻璃/硅片前放置掩膜片，形成掩膜吸气图形；

3、降温后，通过机械手完成未划片的MEMS器件圆片和加工有封装外壳的圆片的对准，并用夹具夹持在一起；

4、将夹持在一起的MEMS器件圆片和加工有封装外壳的圆片在硅/硅或硅/玻璃键合所需温度下保温数小时，完成键合，并使管帽、管座及其它零件彻底除气，实现封口；

5、在真空状态下逐步降温，完成全部封装过程。

必要时，将完成封装的玻璃片/硅片/玻璃片或硅片/硅片/硅片结构在划片后进行外封装，以加强气密型，提高真空保持能力。

Claims (8)

1.一种微机电系统器件的真空封装方法，其特征在于封装过程中将蒸散型吸气剂蒸镀在微机电系统器件一个或一批多个封装外壳的一部分或全部内壁上，形成吸气薄膜结构，并用此种封装外壳对微机电系统器件进行真空封装。

2.如权利要求1所述的微机电系统器件的真空封装方法，其特征在于封装外壳采用传统的混合集成电路金属封装外壳，由管座和管帽构成，外形为矩形或圆形；或者已通过微机械加工方法制作出封装外壳管座和/或管帽的、尚未划片的硅或玻璃圆片。

3.如权利要求1或2所述的微机电系统器件的真空封装方法，其特征在于对于采用蒸散型吸气剂的器件级封装，其步骤包括

1)在一个或一个以上封装外壳的管座上定位并固定好完成划片的MEMS器件芯片，同时焊接好电连接引线；

2)将蒸散型吸气剂放入加热装置中，每个封装外壳的管座和管帽封装均放置在各自的定位架上，悬于吸气剂蒸散加热容器上方，一起移入带有真空获得系统的真空室中；

3)启动真空获得系统，使真空室内的真空度达到10^-3帕以上；

4)启动加热装置加热吸气剂，加热温度维持在吸气剂蒸散所需温度上，在各封装外壳内壁的一部分或全部蒸镀上吸气膜；

5)用机械手完成管帽和管座的对接，并加热，封口；

6)在真空状态下逐步降温，完成全部封装过程。

4.如权利要求3所述的微机电系统器件的真空封装方法，其特征在于通过调整各定位架上封装外壳的管座和管帽的位置确定各封装外壳内壁的吸气剂蒸镀区域。

5.如权利要求1或2所述的微机电系统器件的真空封装方法，其特征在于采用蒸散型吸气剂的芯片级封装，其步骤包括

1)将蒸散型吸气剂放入加热装置中，将其上已通过微机械加工方法制作出封装外壳的、尚未划片的硅或玻璃圆片以及制作有MEMS器件的尚未划片的圆片放置在各自的定位架上，一起移入带有真空获得系统的真空室中；

2)启动真空获得系统，使真空室内的真空度达到10^-3帕以上，然后启动加热装置加热吸气剂，加热温度维持在吸气剂蒸散温度以上，在封装外壳内壁的一部分或全部蒸镀上吸气膜；

3)降温后，通过机械手完成未划片的MEMS器件圆片和加工有封装外壳的圆片的对准，并用夹具夹持在一起；

4)将夹持在一起的MEMS器件圆片和加工有封装外壳的圆片在硅/硅或硅/玻璃键合所需温度下保温数小时，完成键合，并使管座和/或管帽及其它零件彻底除气，实现封口；

5)在真空状态下逐步降温，完成全部封装过程。

6.如权利要求5所述的微机电系统器件的真空封装方法，其特征在于通过调整定位架上封装外壳的管座和管帽的位置确定封装外壳内壁的吸气剂蒸镀区域。

7.如权利要求5所述的微机电系统器件的真空封装方法，其特征在于在玻璃/硅片前放置掩膜片，形成掩膜吸气图形，确定吸气剂的蒸镀区域。

8.如权利要求5所述的微机电系统器件的真空封装方法，其特征在于将完成封装的玻璃片/硅片/玻璃片或硅片/硅片/硅片结构在划片后进行外封装。