CN1933116A - 晶圆级真空封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种晶圆级真空封装方法，其主要是在一基板上固置有多数的微结构元件，并以内连线方式将连接微结构元件的内连线导至基板的底部，再将一封盖固定于基板上，并使封盖与基座对应各微结构元件之间分别具有一空间，且使封盖在对应各空间的位置分别开设至少一贯穿孔，以供连通空间，而完成一封装结构，再将封装结构置入一真空环境内以涂布封装材料，利用真空环境使封装结构的各空间经贯穿孔达到真空状态，再于封盖上均匀涂布一层封装材料，使封装材料填满各贯穿孔，以供封闭各贯穿孔，使各空间内的微结构元件位于一真空状态，再将封装材料熟化，再经切割而完成一颗一颗单颗的封装晶粒。

Description

晶圆级真空封装方法

技术领域

本发明涉及一种晶圆级真空封装方法，尤指一种在真空环境内以晶圆旋涂方式涂布封装材料，再经切割成单独的封装个体的方法。

背景技术

传统微结构，如光电元件、射频元件及微机电元件等，在封装时是以单颗晶粒的方式封装，如图7所示，其是在一基座6上设有一微结构61，再于该基座6上盖合一封盖62，该封盖62内具有一空间63，以供容纳该基座6上的微结构61，且该封盖62底端的侧边开设有一缺口621，以供将该封盖62内的空间63抽成真空状态，再以点胶方式将该缺口621封闭，而完成封装。

由于该封盖62的缺口621开在侧边，在点胶时须分别操作，无法同时点胶，因此不适用晶圆级的封装方式，而且在点胶时，其点胶的量非常微小，容易造成点胶的量不易控制，而无法确实封闭住缺口621。

为此，而有另一种晶圆级的封装方式，如图8所示，其是在一晶圆片7上设置多数的微结构71，再以黄光及蚀刻制程分别在各微结构71上制作出封盖72，且各该封盖72的顶面分别开设有孔洞721，以供将封盖72内的空间73抽成真空状态，再以蒸镀法在该封盖72上镀上一层封装层74，以封闭该孔洞721，再经切割成单颗的晶粒，而完成封装。

前述的封装方式，虽可以晶圆级方式封装，以增加封装制程的效率，但是在开设该封盖72上的孔洞721时，必须将孔洞721控制在1～2微米或是更小的尺寸，否则在蒸镀封装层74时，其蒸镀材料的微粒无法填满该孔洞721，造成无法封闭住该孔洞721，如此一来，需以高阶的制程来开设该微小的孔洞721，而造成封装的成本增加。

再者，在蒸镀封装层74时，其蒸镀材料为一般的金属，因此所镀上的封装层74，例如铝膜，其对抵抗环境侵蚀的效果较差，而且在蒸镀时，其蒸镀材料的金属微粒沉积在该封盖72上时，会有些许的金属微粒由孔洞721落入封盖72内，而沉积在微结构71上，进而影响到微结构71的效能，造成品质不良

除此，在蚀刻制程去除微结构71周围的牺牲层时，由于封盖72与微结构71之间的牺牲层厚度有限，蚀刻液流动性不佳，造成其蚀刻的效果不易控制，无法确实去除微结构71周围的牺牲层，而影响微结构71的效能，造成制程良率的降低。

故，对于已知微结构的封装方式，无论是在结构上及在制程上所产生的缺失，仍有待改善。

发明内容

本发明的主要目的，在于解决上述的问题而提供一种晶圆级真空封装方法，其主要是提供一片晶圆形状的基板及一片晶圆形状的封盖，先于该基板的一面固置有多数的微结构元件，并以内连线方式将连接该微结构元件的内连线导至该基板的底部，再将该封盖对准盖合并固定于该基板具多数微结构元件的一面，并使该封盖与该基座对应各该微结构元件之间分别具有一空间，以供分别容纳各该微结构元件，且使该封盖相对盖合该基座的一面，在对应各该空间的位置分别开设至少一贯穿孔，以供连通该空间，而完成一封装结构，再将封装结构置入一真空环境内进行涂布封装材料，利用真空环境使该基板与该封盖间的各该空间经该贯穿孔达到真空状态，再于该封盖具有贯穿孔的一面均匀涂布封装材料，使封装材料填满各该贯穿孔，以供封闭各该贯穿孔，使各该空间内的微结构元件位于一真空状态，再将已均匀涂布封装材料的封装结构，利用熟化装置将涂布于该封盖的封装材料熟化，以固定该封装材料，再将封装材料已熟化的封装结构，沿各该空间的四周切割，以完成一颗一颗单颗的封装晶粒。

由于该基板及该封盖为晶圆形状且该封盖对应容纳微结构元件的空间的顶面开设有贯穿孔，而可将容纳多数微结构元件的各空间同时抽取真空，并利用旋转涂布的方式将封装材料均匀涂布于封盖顶面，而可一次将多数的贯穿孔封闭，完成晶圆级的封装，而达到制程简单并降低制程成本的功效。

本发明的另一目的，在于涂布封装材料时，是整面涂布于封盖顶面，其涂布量容易控制，而且藉由封装材料本身的粘滞性及其与贯穿孔之间的表面张力作用，容许该贯穿孔可以具有较大的孔径，使该贯穿孔不用控制在1～2微米的大小，使制程简化。

本发明之再一目的，在于封装材料封闭贯穿孔时，因封装材料的粘滞性及表面张力的作用，而不会由贯穿孔滴落至微结构元件上，可增加制程的良率；此外，低温的封装材料熟化过程也可以减少温度效应对微结构元件的性能的影响。

本发明的上述及其他目的与优点，不难从下述所选用实施例的详细说明与附图中，获得深入了解。

当然，本发明在某些零件上，或零件的安排上容许有所不同，但所选用的实施例，则于本说明书中，予以详细说明，并于附图中展示其构造。

附图说明

图1是本发明封装方法的流程图。

图2是本发明封装方法的流程示意图。

图3是本发明封装结构制程的示意图。

图4是本发明封装制程的示意图。

图5是本发明制作基板第二实施例的示意图。

图6是本发明封装结构第二实施例的示意图。

图7是常用封装结构的示意图。

图8是另一常用封装结构的示意图。

具体实施方式

(常用部分)

基座6            微结构61

封盖62           缺口621

空间63           晶圆片7

微结构71         封盖72

孔洞721          空间73

封装层74

       (本发明部分)

封装结构制程1    封装结构1A、1B

基板11、11B      穿孔111、111B

封盖12、12B      蚀刻保护层112、121

蚀刻区域113、122 微结构元件13、13B

内连线14、14B    空间15、15B

底面151          贯穿孔16、16B

封装制程2        封装材料21

熟化制程3        熟化装置31

切割制程4        真空涂布装置5

腔室51           真空帮浦52

旋转平台53       马达54

封装材料喷口55    封装材料输送管56

控制平台57

请参阅图1至图3，图中所示为本发明所选用的实施例结构，此仅供说明之用，在专利申请上并不受此种结构的限制。

本发明为一种晶圆级真空封装方法，其包括下列步骤：

封装结构制程1：其是提供一片晶圆形状的基板11及一片晶圆形状的封盖12，该基板11及该封盖12可选用硅、玻璃、陶瓷等材质，先于该基板11的一面固置有多数以微机电技术或半导体制程等制作的微元件，如光电元件、射频元件及微机电元件等的微结构元件13，并以内连线方式将连接该微结构元件13的内连线(interconnect)14导至该基板11的底部，再将该封盖12盖合并固定于该基板11具多数微结构元件13的一面，并使该封盖12与该基座11对应各该微结构元件13之间分别具有一空间15，以供分别容纳各该微结构元件13，且使该封盖12相对盖合该基座11的一面，在对应各该空间15的位置分别开设至少一贯穿孔16，以供连通该空间15，而完成一封装结构1A。

在本实施例中，是选用一片晶圆形状的(100)单晶硅晶片为基板11，以蚀刻方式，如图3所示，于该基板11对应各该微结构13元件的位置分别蚀刻出二穿孔111，再于各该穿孔111内，利用微电铸成型的方式制作金属内连线14，或是将锡球、锡膏以及导电胶等的导电材料分别填入各该穿孔111内制作内连线14；其中，若以锡球、锡膏以及导电胶等的导电材料填入的方式制作内连线14，则需将该基板11置于烤箱内加温，利用回镕(Reflow)的机制，使导电材料固化成型于各该穿孔111内，以完成该基板11的内连线14，再将多数已制作好的微机电元件的微结构元件13分别固置于各该穿孔111上，并以打线或覆晶的接合方法，直接与各该穿孔111内的内连线14做接合；之后，再选用一片晶圆形状的(100)单晶硅晶片为封盖12，将该封盖12置于炉管内，以热氧化的方式于该封盖12的表面与底面分别成长一层二氧化硅(或沉积一层氮化硅)，作为蚀刻保护层121，再利用微影制程定义该封盖12的表面与底面的蚀刻区域122，并经由湿蚀刻(BOE)或干蚀刻(RIE)的方式去除蚀刻区域122的保护层121，使蚀刻区域122裸露在外，再利用非等向性湿蚀刻(KOH)的方式，将蚀刻区域122蚀刻至一定深度，以供在该封盖12的表面形成多数的贯穿孔16及同时在底面对应该贯穿孔16形成多数凹陷的空腔，以形成该空间15；之后，再将该封盖12以具有多数空间15的面对齐盖合于该基板11具多数微结构元件13的一面，使各该微结构元件13分别容纳于各该空间15内，再以接着层接合(Adhesive Bonding)技术于该封盖12及该基板11的接合处填入以发展微机电技术为主的材料，如环氧树脂(Epoxy Resin)、聚亚酰胺(Polyimide)、硅树脂(Silicone)、BCB(Benzocy-Clobutene)、光阻剂等封胶材料及各类有机材料，而完成一封装结构1A；此外，亦可透过焊锡接合(Solder Bonding)、共晶接合(Eutectic Bonding)以及覆晶接合(Flip-Chip Bonding)等方法，将该封盖12与该基板11相互接合。

封装制程2：其是将已相互接合的基板11与封盖12的封装结构1A置入一真空环境内进行涂布封装材料，利用真空环境使该基板11与该封盖12间的各该空间15经该贯穿孔16达到真空状态，再于真空环境内将该封盖12具有贯穿孔16的一面均匀涂布一层封装材料21，使封装材料21填满各该贯穿孔16，以供封闭各该贯穿孔16，使各该空间15内的微结构元件13位于一真空状态。

在本实施例中，如图4所示，是将该封装结构1A置入一真空涂布装置5内，该真空涂布装置5具有一腔室51，该腔室51是由一真空帮浦52抽取成真空状态，且该腔室51内设有一旋转平台53，该旋转平台53系由一马达54带动旋转，另，该腔室51内对应该旋转平台53的上方设有一封装材料喷口55，该封装材料喷口55连接一封装材料输送管56，该封装材料输送管56是由一控制平台57控制封装材料21输送至封装材料喷口55，且该控制平台57并控制该旋转平台53的旋转，藉此，将该封装结构1A置入该腔室51内的旋转平台53上，利用该真空帮浦52将该腔室抽取成真空状态，该封装结构1A内的各该空间15会经该贯穿孔16达到真空状态，再经该控制平台57控制该旋转平台53旋转及控制该封装材料喷口55喷涂出适量的封装材料21于该封盖12具有贯穿孔16的一面，利用旋转平台53带动该封装结构1A旋转的离心力，使封装材料21均匀涂布一层于该封盖12的表面，以填补该封盖12上的各该贯穿孔16，以封闭各该贯穿孔16，使各该空间15内的微结构元件13位于一真空状态。

熟化制程3：其是将已均匀涂布封装材料21的封装结构1A，利用熟化装置31将涂布于该封盖12的封装材料21熟化，以固定该封装材料21，使该封装材料21不会脱落。

在本实施例中，须视不同的封装材料21选用不同的熟化装置31，若该封装材料21为UV胶时，该熟化装置31为具有紫外线照射的装置，利用紫外线照射UV胶的封装材料21，使UV胶的封装材料21凝固，完成熟化制程；若该封装材料21为光阻或高分子材料时，该熟化装置31为具有加热功能的装置，以加热方式使光阻或高分子材料的封装材料21固化，完成熟化制程。

切割制程4：其是将封装材料21已熟化的封装结构1A，沿各该空间15的四周切割，以完成一颗一颗单颗的封装晶粒。

由上述可知，本发明的晶圆级真空封装方法，其主要是提供一片晶圆形状的基板11及一片晶圆形状的封盖12，先于该基板11的一面固置有多数的微结构元件，并以内连线方式将连接该微结构元件13的内连线14导至该基板11的底部，再将该封盖12盖合并固定于该基板11具多数微结构元件13的一面，并使该封盖12与该基座11对应各该微结构元件13之间分别具有一空间15，以供分别容纳各该微结构元件13，且使该封盖12相对盖合该基座11的一面，在对应各该空间15的位置分别开设至少一贯穿孔16，以供连通该空间15，而完成一封装结构1A，再将封装结构1A置入一真空环境内以涂布封装材料，利用真空环境使该基板11与该封盖12间的各该空间15经该贯穿孔16达到真空状态，再于该封盖12具有贯穿孔16的一面均匀涂布封装材料21，使封装材料21填满各该贯穿孔16，以供封闭各该贯穿孔16，使各该空间15内的微结构元件13位于一真空状态，再将已均匀涂布封装材料21的封装结构1A，利用熟化装置31将涂布于该封盖12的封装材料21熟化，以固定该封装材料21，使该封装材料21不会脱落，再将封装材料21已熟化的封装结构1A，沿各该空间15的四周切割，以完成一颗一颗单颗的封装晶粒。

由于该基板及该封盖为晶圆形状且该封盖对应容纳微结构元件的空间的顶面开设有贯穿孔，而可将容纳多数微结构元件的各空间同时抽取真空，并利用旋转涂布的方式将封装材料均匀涂布于封盖顶面，而可一次将多数的贯穿孔封闭，完成晶圆级的封装，而达到制程简单并降低制程成本的功效。

再者，在涂布封装材料时，是整面涂布于封盖顶面，其涂布量容易控制，且藉由封装材料本身的粘滞性及其与贯穿孔之间的表面张力作用，容许该贯穿孔可以具有较大的孔径，使得该贯穿孔不用控制在1～2微米的大小，使制程简化。

除此，在封装材料封闭贯穿孔时，因封装材料的粘滞性与表面张力而不会由贯穿孔滴落至微结构元件上，可增加制程的良率。

另外，基板及封盖选用具高导热性的硅材料时，其微结构元件运作时所产生的热能，可由基板及封盖散逸，而可提供较佳的散热效果，使微结构元件的运作效率提升。

当然，本发明有许多实施例，如图5及图6所示，是本发明的第二实施例，其中，在封装结构制程中，是选用一片晶圆形状的(100)单晶硅晶片为基板11B，将该基板11B置于炉管内，以热氧化的方式于该基板11B的表面与底面分别成长一层二氧化硅(或沉积一层氮化硅)，作为蚀刻保护层112，再利用微影制程定义该基板11B的表面与底面的蚀刻区域113，并经由湿蚀刻(BOE)或干蚀刻(RIE)的方式去除蚀刻区域113的保护层112，使蚀刻区域113裸露在外，再利用非等向性湿蚀刻(KOH)的方式，将蚀刻区域113蚀刻至一定深度，以供在该基板11B内同时成形多数排列的空腔，以形成各该空间15B，并同时在各该空间15B的底面151分别成形二穿孔111B，再于各该穿孔111B内，利用微电铸成型的方式制作金属内连线，或是将锡球、锡膏以及导电胶等的导电材料分别填入各该穿孔111B内制作内连线。其中，若以锡球、锡膏以及导电胶等的导电材料填入的方式制作内连线，则需将该基板11置于烤箱内加温，利用回镕(Reflow)的机制，使导电材料固化成型于各该穿孔111B，以完成该基板11B的内连线14B，再将多数已制作好的微机电元件的微结构元件13B分别固置于各该空间15B的穿孔111B上，并以打线或覆晶接合的方法，直接与各该穿孔111B内的内连线14B做接合；之后，再选用一片晶圆形状的玻璃为封盖12B，并于该封盖12B上开设多数的贯穿孔16B，再将该封盖12B对齐盖合于该基板11B具多数微结构元件13B的一面并相互接合，而完成一封装结构1B。

第二实施例的封装结构1B，同样可经封装制程及熟化制程完成晶圆级封装，而同样达到制程简单并降低制程成本的功效。

另外，本发明的封盖可选用硅晶片或玻璃来制作外，亦可利用微制程在基板上制作封盖。

以上所述实施例的揭示是用以说明本发明，并非用以限制本发明，故举凡数值的变更或等效元件的置换仍应隶属本发明的范畴。

Claims (12)

1.一种晶圆级真空封装方法，其包括下列步骤：

封装结构制程，其是提供一基板及一封盖，先于该基板的一面固置有多数微结构元件，并以内连线方式将连接该微结构元件的内连线导至该基板的底部，再将该封盖盖合并固定于该基板具多数微结构元件的一面，并使该封盖与该基座对应各该微结构元件之间分别具有一空间，以供分别容纳各该微结构元件，且使该封盖相对盖合该基座的一面，在对应各该空间的位置分别开设至少一贯穿孔，以供连通该空间，而完成一封装结构；

封装制程，其是将已相互接合的基板与封盖的封装结构置入一真空环境内进行涂布封装材料，利用真空环境使该基板与该封盖间的各该空间经该贯穿孔达到真空状态，再于真空环境内将该封盖具有贯穿孔的一面均匀涂布一层封装材料，使封装材料填满各该贯穿孔，以供封闭各该贯穿孔，使各该空间内的微结构元件位于一真空状态；

熟化制程，其是将已均匀涂布封装材料的封装结构，利用熟化装置将涂布于该封盖的封装材料熟化，以固定该封装材料，使该封装材料不会脱落。

2.依权利要求1所述的晶圆级真空封装方法，其特征在于：在封装结构制程中，是提供一片晶圆形状的基板及封盖，且该基板及该封盖是选用硅、玻璃、陶瓷其中之一材质，而该微结构元件是以微机电技术及半导体制程其中之一制作光电元件、射频元件及微机电元件其中之一。

3.依权利要求2所述的晶圆级真空封装方法，其特征在于：在封装结构制程中，是选用一片晶圆形状的(100)单晶硅晶片为基板，以蚀刻方式，于该基板对应各该微结构元件的位置分别蚀刻出数个穿孔，再于各该穿孔内利用微电铸成型及分别填入导电材料再回镕成型其中之一的成型方式，以完成该基板的内连线，再将多数已制作好的微机电元件的微结构元件分别固置于各该穿孔上，并利用打线及覆晶接合其中之一的方式，直接与各该穿孔内的内连线做接合；之后，再选用一片晶圆形状的(100)单晶硅晶片为封盖，将该封盖置于炉管内，以热氧化的方式于该封盖的表面与底面分别成长一层二氧化硅，作为蚀刻保护层，再利用微影制程定义该封盖的表面与底面的蚀刻区域，并经由湿蚀刻及干蚀刻其中之一的方式去除蚀刻区域的保护层，使蚀刻区域裸露在外，再利用非等向性湿蚀刻的方式，将蚀刻区域蚀刻至一定深度，以供在该封盖的表面形成多数的贯穿孔及同时在底面对应该贯穿孔形成多数凹陷的空腔，以形成该空间；之后，再将该封盖以具有多数空间的面对齐盖合于该基板具多数微结构元件的一面，使各该微结构元件分别容纳于各该空间内，再将该封盖与该基板相互接合，而完成该封装结构。

4.依权利要求3所述的晶圆级真空封装方法，其特征在于：内连线的制作方式，利用电铸镍成型的金属材料可为铜、镍、锡及金其中之一。

5.依权利要求3所述的晶圆级真空封装方法，其特征在于：内连线的制作方式，利用回镕成型的导电材料可为锡球、锡膏及导电胶其中之一。

6.依权利要求3所述的晶圆级真空封装方法，其特征在于：该封盖与该基板的接合是以接着层接合、焊锡接合、共晶接合、打线接合以及覆晶接合其中之一方法接合。

7.依权利要求3所述的晶圆级真空封装方法，其特征在于：该基板与该封盖的接合处填入环氧树脂、聚亚酰胺、硅树脂、BCB、光阻剂等封胶材料及各类有机材料其中之一。

8.依权利要求2所述的晶圆级真空封装方法，其特征在于：在封装结构制程中，是选用一片晶圆形状的(100)单晶硅晶片为基板，将该基板置于炉管内，以热氧化的方式于该基板的表面与底面分别成长一层二氧化硅，作为蚀刻保护层，再利用微影制程定义该基板的表面与底面的蚀刻区域，并经由湿蚀刻及干蚀刻其中之一的方式去除蚀刻区域的保护层，使蚀刻区域裸露在外，再利用非等向性湿蚀刻的方式，将蚀刻区域蚀刻至一定深度，以供在该基板内同时成形多数排列的空腔，以形成各该空间，并同时在各该空间的底面分别成形数个穿孔，再于各该穿孔内利用微电铸成型或是分别填入导电材料再回镕成型其中之一的成型方式，以完成该基板的内连线，再将多数已制作好的微机电元件的微结构元件分别固置于各该空间之穿孔上，并以打线或覆晶接合其中之一的方法，直接与各该穿孔内的内连线做接合；之后，再选用一片晶圆形状的玻璃为封盖，并于该封盖上开设多数的贯穿孔，再将该封盖对齐盖合于该基板具多数微结构元件的一面并相互接合，而完成该封装结构。

9.依权利要求8所述的晶圆级真空封装方法，其特征在于：内连线的制作方式，利用电铸镍成型的金属材料可为铜、镍、锡及金其中之一，利用回镕成型的导电材料可为锡球、锡膏及导电胶其中之一。

10.依权利要求1所述的晶圆级真空封装方法，其特征在于：在封装制程中，是将该封装结构置入一真空涂布装置内，以抽取真空并涂布封装材料，该真空涂布装置具有一腔室，该腔室是由一真空帮浦抽取成真空状态，且该腔室内设有一旋转平台，该旋转平台是由一马达带动旋转，另，该腔室内对应该旋转平台的上方设有一封装材料喷口，该封装材料喷口系连接一封装材料输送管，该封装材料输送管是由一控制平台控制封装材料输送至封装材料喷口，且该控制平台并控制该旋转平台的旋转。

11.依权利要求1所述的晶圆级真空封装方法，其特征在于：该封装材料为UV胶、光阻及高分子材料其中之一。

12.依权利要求1所述的晶圆级真空封装方法，其特征在于：在熟化制程中，该熟化装置为具有紫外线照射以及具有加热功能的装置。

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