CN1872658A - 薄顶盖射频微电子机械系统开关封装结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
薄顶盖射频微电子机械系统开关封装结构及其制造方法是通过薄封装顶盖和在顶盖上的通孔连接设计，实现一种应用频段高、射频性能好、体积小和气密性好的RF MEMS开关封装方法，该封装结构以薄高阻硅片为顶盖(1)，在顶盖上刻有一空腔(10)，在空腔表面内设有Cr/Au金属层(2)，该Cr/Au金属层通过铜柱通孔(6)与顶盖焊盘(5)相连，实现内外信号的传输，顶盖焊盘与基板焊盘(8)之间为柱状的金凸点(7)，基板焊盘固定在高阻硅基板(9)上，实现“1－level”封装；在顶盖(1)的周边上表面设有Ti/Ni/Au/Sn/Au层(3)，在Ti/Ni/Au/Sn/Au层上表面设有Ti/Ni/Au层(4)，用顶盖上面的Ti/Ni/Au/Sn/Au层和芯片衬底上的Ti/Ni/Au层实现气密封装。
Description
技术领域
本发明是通过薄封装顶盖和在顶盖上的通孔连接设计，实现一种应用频段高、射频性能好、体积小和气密性好的RF MEMS(射频微电子机械系统)开关封装方法，属于微电子机械系统(MEMS)封装技术领域。
背景技术
随着MEMS芯片的研究日益成熟，相对落后的封装技术已成为制约MEMS产品进入市场的瓶颈。封装会给芯片带来电、热和机械等方面的影响，封装技术将直接影响到芯片封装后的性能。RF MEMS封装主要采用定制式研发，现处于初期发展阶段，离系列化、标准化要求尚远。其封装在整个产品价格中占有40％-90％的比重，RF MEMS开关封装必须满足气密性、高频性能、热性能、机械性能和封装环境等方面的一些基本要求。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种应用频段高、射频性能好、体积小和气密性好的薄顶盖射频微电子机械系统开关封装结构及其制造方法。
技术方案：本发明用的薄顶盖射频微电子机械系统开关封装结构以薄高阻硅片为顶盖，在顶盖上刻有一空腔，在空腔表面内设有Cr/Au金属层，该Cr/Au金属层通过铜柱通孔与顶盖焊盘相连，实现内外信号的传输，顶盖焊盘与基板焊盘之间为柱状的金凸点，基板焊盘固定在高阻硅基板上，实现“1-level”封装；在顶盖的周边上表面设有Ti/Ni/Au/Sn/Au层，在Ti/Ni/Au/Sn/Au层上表面设有Ti/Ni/Au层，用顶盖上面的Ti/Ni/Au/Sn/Au层和芯片衬底上的Ti/Ni/Au层实现气密封装。
薄顶盖射频微电子机械系统开关封装结构的制造方法为：
a、用一蜡层将高阻硅顶盖和硅载片粘接，
b、在顶盖和硅载片面上淀积SiO2，
c、在顶盖上面用TMAH湿法刻蚀出一空腔，
d、在空腔上面溅射Cr/Au层，
e、在硅载片上面用ICP-RIE干法刻蚀通孔，SF6和C4F8分别作为刻蚀和钝化气体，
f、在通孔中电镀铜，形成铜柱通孔，
g、将蜡层融化，将硅载片机械移除，
h、在顶盖的下面溅射Ti/Ni/Au层并光刻形成顶盖焊盘，
i、对空腔上面的Cr/Au层光刻，形成连接图形，
j、在空腔上面淀积多层焊接材料：Ti/Ni/Au/Sn/Au，
k、在Ti/Ni/Au/Sn/Au上淀积Ti/Ni/Au层，并光刻，
l、在共晶粘合器中加热，实现顶盖和开关芯片的粘接，
m、在顶盖焊盘上电镀柱状金凸点，与另一高阻硅基板上的待连接基板焊盘焊接，
实现1-level封装。
满足以上结构即为我们所设计的结构。
有益效果：与通常的封装结构相比，本发明的优点为：
薄的顶盖设计可以减小整个封装结构的高度，体积小，重量轻。
由于竖直通孔设计，可以不用其它连接线实现信号的传输，寄生效应小。与平面连接相比，可以用的焊接方法较多。这里用金属共晶焊进行焊接，实现气密性封装。可以用较小的柱状金凸点实现1-level封装，比平面式连接的1-level封装的寄生电容小。
由于薄顶盖的设计，使铜柱的长度也比较短，减小了在高频时的寄生电感。
基于以上封装结构的特点，本发明很好的解决了引线连接寄生效应大，1-level封装中大的柱状金凸点寄生电容大的问题。
薄顶盖射频微电子机械系统开关封装结构结构具有以下几个特征：1.体积小，重量轻，2.封装对RF MEMS开关的射频性能影响小，3.封装结构的气密性好。
附图说明
图1是薄顶盖射频微电子机械系统开关封装结构剖面图。
图2是顶盖的制作过程图。
图3是RF MEMS开关封装前的插入损耗图(RF MEMS开关是GaAs衬底制作的，共面波导G-S-G分别为84μm-140μm-84μm，梁长和梁宽分别为308μm和40μm，CPW金层厚度为0.33μm，梁厚为1.5μm，板间间距为2μm)。
图4是RFMEMS开关封装后的插入损耗图。
图中包括：顶盖1、Cr/Au金属层2、Ti/Ni/Au/Sn/Au层3、Ti/Ni/Au层4、顶盖焊盘5、铜柱通孔6、柱状金凸点7、基板焊盘8、高阻硅基板9、空腔10、开关结构11、硅载片12、蜡层13。
具体实施方案
本发明的薄顶盖射频微电子机械系统开关封装结构是用一薄高阻硅片作为顶盖衬底，为了防止薄顶盖在制作工艺中受到损伤，用一蜡层将高阻硅顶盖衬底和一硅载片相连接。在顶盖衬底上刻蚀一空腔给RF MEMS开关提供可动空间，空腔面内的Cr/Au层作为连接线。在顶盖上刻蚀通孔，并在通孔里电镀铜，顶盖表面Ti/Ni/Au层形成Top Pad，这样实现结构内外的信号传输。在空腔面内多层焊接材料：Ti/Ni/Au/Sn/Au和开关芯片相应位置的Ti/Ni/Au层焊接，形成良好的气密性封装。顶盖Pad上的柱状金凸点和另一高阻硅上的待连接焊盘焊接，实现1-level封装。
具体的结构为：该封装结构以薄高阻硅片为顶盖1，在顶盖1上刻有一空腔10，在空腔10表面内设有Cr/Au金属层2，该Cr/Au金属层2通过铜柱通孔6与顶盖焊盘5相连，实现内外信号的传输，顶盖Pad5与基板焊盘8之间为柱状的金凸点7，基板焊盘8固定在高阻硅基板9上，实现“1-level”封装；在顶盖1的周边上表面设有Ti/Ni/Au/Sn/Au层3，在Ti/Ni/Au/Sn/Au层3上表面设有Ti/Ni/Au层4，用顶盖1上面的Ti/Ni/Au/Sn/Au层3和芯片衬底上的Ti/Ni/Au层4实现气密封装。
薄顶盖射频微电子机械系统开关封装结构具体工艺步骤和参数如下：
1、用一蜡层将100μm的高阻硅顶盖芯片和硅载片粘接，
2、在顶盖和硅载片面上淀积5000的SiO2，
3、在顶盖芯片正面用TMAH湿法刻蚀20μm的空腔，
4、在空腔表面溅射500的Cr和2μm的Au层，
5、在硅载片上用ICP-RIE干法刻蚀通孔，SF6和C4F8分别作为刻蚀和钝化气体，通孔直径为60μm，
6、在通孔中电镀铜，电镀时间根据通孔的长度和电镀速度来计算，形成铜柱通孔，
7、将蜡层在150℃时融化，将硅载片机械移除，
8、溅射Ti/Ni/Au层并光刻形成Top Pad(顶盖焊盘5)，
9、对空腔面的500Cr和2μmAu的籽金层光刻，形成连接图形，
10、在空腔面边缘淀积多层焊接材料：Ti/Ni/Au/Sn/Au，
11、在RF MEMS开关芯片的相应焊接位置淀积Ti/Ni/Au层，并光刻，
12、在共晶粘合器中加热，最高温度为280℃，在N2环境下实现顶盖和开关芯片的粘接，
13、在顶盖Pad上电镀柱状金凸点，与另一高阻硅基板9上的待连接基板焊盘8焊接，实现1-level封装。
工艺步骤电通孔的刻蚀和铜的电镀是关键技术。通孔刻蚀中边缘面的平滑度是很关键的一个指标。因为金属铜与Si的CTE不同会产生热应力，粗糙的边缘会使残余应力集中。通孔的表面质量对后续工艺也很重要，如果籽金层上的Si不清除干净，或者边缘面由于干法刻蚀过程有残留物，就会造成电镀时的空隙。要用Oxygen plasma ashing来清除通孔中污染物。铜柱的表面平整度也很重要，要用CMP(chemical-mechanical planarization)技术来处理铜表面。
Claims (2)
1、一种薄顶盖射频微电子机械系统开关封装结构，其特征在于该封装结构以薄高阻硅片为顶盖(1)，在顶盖(1)上刻有一空腔(10)，在空腔(10)表面内设有Cr/Au金属层(2)，该Cr/Au金属层(2)通过铜柱通孔(6)与顶盖焊盘(5)相连，实现内外信号的传输，顶盖焊盘(5)与基板焊盘(8)之间为柱状的金凸点(7)，基板焊盘(8)固定在高阻硅基板(9)上，实现“1-level”封装；在顶盖(1)的周边上表面设有Ti/Ni/Au/Sn/Au层(3)，在Ti/Ni/Au/Sn/Au层(3)上表面设有Ti/Ni/Au层(4)，用顶盖(1)上面的Ti/Ni/Au/Sn/Au层(3)和芯片衬底上的Ti/Ni/Au层(4)实现气密封装。
2、一种如权利要求1所述的薄顶盖射频微电子机械系统开关封装结构的制造方法，其特征在于制造方法为：
a、用一蜡层(13)将高阻硅顶盖(1)和硅载片(12)粘接，
b、在顶盖(1)和硅载片(12)面上淀积SiO2，
c、在顶盖(1)上面用TMAH湿法刻蚀出一空腔(10)，
d、在空腔(10)上面溅射Cr/Au层(2)，
e、在硅载片(12)上面用ICP-RIE干法刻蚀通孔，SF6和C4F8分别作为刻蚀和钝化气体，
f、在通孔中电镀铜，形成铜柱通孔(6)，
g、将蜡层(13)融化，将硅载片(12)机械移除，
h、在顶盖(1)的下面溅射Ti/Ni/Au层并光刻形成顶盖焊盘(5)，
i、对空腔(10)上面的Cr/Au层(2)光刻，形成连接图形，
j、在空腔(10)上面淀积多层焊接材料：Ti/Ni/Au/Sn/Au(3)，
k、在Ti/Ni/Au/Sn/Au(3)上淀积Ti/Ni/Au层(4)，并光刻，
l、在共晶粘合器中加热，实现顶盖和开关芯片的粘接，
m、在顶盖焊盘(5)上电镀柱状金凸点(7)，与另一高阻硅基板(9)上的待连接基板焊盘(8)焊接，实现1-level封装。
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