CN205087913U - 一种腔体mems器件的晶圆级封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种腔体MEMS器件的晶圆级封装结构，其包括盖板圆片，其具有第一水平面、第二水平面、第一凹槽、第一再分布层和第二再分布层，第一再分布层上设置有凸起部；集成电路圆片，其具有第三水平面和第四水平面，所述第三水平面上形成有第二凹槽，所述第三水平面上设置有衬垫；连接所述盖板圆片和集成电路圆片的连接部，所述第一凹槽和第二凹槽形成一空腔。本实用新型的腔体MEMS器件的可靠性提升，器件尺寸缩小，圆片利用率高，成本较低，器件形状规则，TSV/RDL工艺在cap上，与Asic/MEMS圆片分离，可单独控制工艺良率，无复杂融合设计要求。

Description

一种腔体MEMS器件的晶圆级封装结构

技术领域

本实用新型是涉及半导体封装领域，尤其涉及一种腔体MEMS器件的晶圆级封装结构。

背景技术

晶圆级封装(WLP)由于封装加工效率高、封装尺寸轻薄短小、电热性能好等优点在IC/MEMS器件中获得了极快的增长，其封装内的互连线通常不用引线键合(WB)。内互连有多种形式，常见的有：(1)直接在管芯正面的介质层上制作再分布层(RedistributionLayer，即RDL)，将管芯上焊盘再分布为封装上面的I/O阵列焊盘，例如普通IC和一些没有可动部件的MEMS器件。(2)在管芯本体材料上制作沟槽或斜坡，再通过平面印制线将管芯正面焊盘连接到侧面或背面，之后再制作I/O(input/output)引出端，例如Shellcase的CIS封装技术。(3)TSV(ThroughSiliconVias)技术，直接从管芯正面焊盘垂直穿过本体材料连接到背面。但是以上互连方式对于腔体MEMS器件并不适合，(1)方式由于腔体需要保护或有可动部件等原因无法直接应用，(2)方式存在封装外形异常、可靠性不高、管芯正面/背面面积利用率低等缺陷，(3)方式当通孔厚度较大时，将面临工艺成本高、技术难度大等问题。

很多MEMS器件均含有可动部件，需要封装提供腔体(Cavity)对其进行保护或腔体本身为功能实现的一部分，而且要保持空腔内的真空或气体环境，这样就需要一个盖子(Cap)来形成键合(bonding)，在WLP封装中键合有多种方式，常见的有直接键合(directwaferbonding)、阳极键合(anodicbonding)、黏合剂键合(adhesivebonding)、金属键合、玻璃焊料键合等，其中黏合剂键合(如某些epoxy)特别适合很低工艺温度要求的器件，但键合本身无法提供互连功能，金属键合虽然可以提供互连但其工艺温度相对epoxy较高，不适用于对工艺温度敏感的器件，其它键合方式工艺温度更高且对表面形貌或材料有特殊要求。

对于某些对温度敏感的腔体器件，比如腔内需要填充特定气体的封装，若采用较高温度的键合工艺会引发气体逃逸而导致腔内压力不足，同时面临上述的互连设计的挑战。

因此，有必要提出一种新的方案。

实用新型内容

本实用新型的目的之一在于克服现有技术的缺陷，提供一种腔体MEMS器件的晶圆级封装结构，其针对温度敏感的有腔体MEMS器件，实现低成本、高可靠性和气体密封的要求。

本实用新型的目的之二在于提供一种腔体MEMS器件的晶圆级封装方法。其针对温度敏感的有腔体MEMS器件，实现低成本、高可靠性和气体密封的要求。

为达成前述目的之一，本实用新型的腔体MEMS器件的晶圆级封装结构，其包括：

一盖板圆片，其具有第一水平面和第二水平面，所述第一水平面上形成有第一凹槽，自所述第一凹槽的底部至所述第二水平面开设有TSV通孔，自所述第一水平面至所述第一凹槽的底部分布有第一再分布层，所述第一再分布层覆盖所述TSV通孔，所述第一水平面上的第一再分布层上设置有凸起部，所述第二水平面上分布有第二再分布层，所述第二再分布层覆盖所述TSV通孔，所述第二水平面上设置有I/O引出端；

一集成电路圆片，其具有第三水平面和第四水平面，所述第三水平面上形成有第二凹槽，所述第三水平面上设置有衬垫；

一连接部，其设置在所述盖板圆片的第一水平面和集成电路圆片的第三水平面之间，具有第一连接部和第二连接部，所述盖板圆片和集成电路圆片通过第一连接部相连形成物理连接，同时所述第一凹槽和第二凹槽形成一空腔，在所述盖板圆片和集成电路圆片连接的同时，所述凸起部和衬垫也连接在一起形成第二连接部，实现盖板圆片和集成电路圆片的导电连接。

作为本实用新型一个优选的实施方式，其还包括传感器或致动器，其位于所述空腔中。

作为本实用新型一个优选的实施方式，所述第一连接部为高分子化合物层，仅对空腔进行密封，不参与电连接；所述第二连接部作为金属或金属合金焊接层，仅实现电连接，不参与密封。

作为本实用新型一个优选的实施方式，所述盖板圆片的材料为硅、玻璃、石英、陶瓷中的一种或多种。

作为本实用新型一个优选的实施方式，所述空腔内可以是气体填充或真空。

作为本实用新型一个优选的实施方式，所述TSV通孔的深度为50-100um。

作为本实用新型一个优选的实施方式，所述第一连接部对空腔的密封可以是气密或非气密的。

进一步的，为达成前述目的之二，本实用新型的腔体MEMS器件的晶圆级封装方法，其包括如下步骤：

S1：提供一盖板圆片，其具有第一水平面和第二水平面，所述第一水平面上形成有第一凹槽；

S2：自所述第一凹槽的底部至所述第二水平面开设有TSV通孔；

S3：自所述第一水平面至所述第一凹槽的底部分布有第一再分布层，所述第一再分布层覆盖所述TSV通孔；

S4：在所述第一水平面上的第一再分布层上设置凸起部；

S5：在所述第一水平面上涂覆第一连接部，所述第一连接部为高分子化合物层；

S6：提供一集成电路圆片，其具有第三水平面和第四水平面，所述第三水平面上形成有第二凹槽，所述第三水平面上设置有衬垫；

S7：通过第一连接部将步骤S5和S6连接，所述盖板圆片的第一水平面和集成电路圆片的第三水平面连接形成密封，在所述盖板圆片和集成电路圆片连接的同时，所述凸起部和衬垫键合形成第二连接部，所述第二连接部作为导电连接，连接后所述第一凹槽和第二凹槽形成一空腔；

S8:在所述盖板圆片的第二水平面上设置第二再分布层和覆盖绝缘层。

进一步的，所述步骤S2亦可以在S1之前或在S3之后。

进一步的，所述步骤S8之后还包括：在所述盖板圆片的第二再分布层上设置I/O引出端。

进一步的，所述步骤S7之后还包括根据需要对盖板圆片进行磨片减薄。

本实用新型的有益效果：与现有技术相比，本实用新型的具有如下优点：

(1)使得腔体MEMS器件的可靠性提升。

(2)器件尺寸缩小，圆片利用率高。

(3)成本较低。

(5)器件形状规则，提升客户SMT性能。

(6)TSV/RDL工艺在cap(盖板)上，与Asic(ApplicationSpecificIntergratedCircuits，集成电路)/MEMS(MicroelectromechanicalSystems，微机电系统)圆片分离，可单独控制工艺良率，无复杂融合设计要求。

附图说明

图1A-1H是本实用新型腔体MEMS器件的晶圆级封装结构及封装方法的流程图；

图2是本实用新型腔体MEMS器件的晶圆级封装结构在一个实施例中的结构示意图；

图3是本实用新型腔体MEMS器件的晶圆级封装结构在另一个实施例中的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

请参阅图1A-1H、图2和图3，图1-1H为本实用新型腔体MEMS器件的晶圆级封装方法的流程图。图2为本实用新型腔体MEMS器件的晶圆级封装结构在一个实施例中的结构示意图。图3为本实用新型腔体MEMS器件的晶圆级封装结构在另一个实施例中的结构示意图。如图1-3所示，所述腔体MEMS器件的晶圆级封装结构包括一盖板圆片100、集成电路圆片200及将所述盖板圆片100和集成电路圆片200相物理连接的第一连接部108。所述盖板圆片100和集成电路圆片200形成一空腔111，所述空腔111内容纳有传感器或致动器300。

所述盖板圆片100，其具有第一水平面101和第二水平面102，所述第一水平101上形成有第一凹槽103，自所述第一凹槽103的底部至所述第二水平面102开设有TSV通孔104，自所述第一水平面101至所述第一凹槽103的底部分布有第一再分布层105，所述第一再分布层105覆盖所述TSV通孔104，所述第一水平面101上的第一再分布层105上设置有凸起部107(bump)，所述第二水平上102分布有第二再分布层106，所述第二再分布层106覆盖所述TSV通孔104。本实用新型中，所述TSV通孔104的深度可缩减至50-100um，这不仅工艺成本和技术难度显著减低，而且还提高了结构的稳定性。本实用新型中，所述盖板圆片的材料为硅、玻璃、石英、陶瓷中的一种或多种。

请参阅图2，所述第二水平面102上设置有I/O引出端109。所述I/O引出端109的数量为一个或多个。请参阅图3，所述第二水平面102上I/O引出端109的两侧覆盖有绝缘层110。

请继续参阅图1A-1H。所述集成电路圆片200，其具有第三水平面201和第四水平面202，所述第三水平面201上形成有第二凹槽203，所述第三水平面201上设置有衬垫(pad)204。在其他实施例中，所述集成电路圆片第三水平面上还可以不设置第二凹槽，在第三水平面上只开有容纳传感器或致动器300的容纳槽。

在一个实施例中，所述第一水平面101上的第一再分布层105至所述第一水平面101的边缘有预定距离；所述第二水平面102上的第二再分布层106至所述第二水平面102的边缘有预定距离。

所述连接部，其设置在所述盖板圆片100的第一水平面101和集成电路圆片200的第三水平面之间201，具有第一连接部108和第二连接部112。所述盖板圆片100和集成电路圆片200通过第一连接部108相连形成物理连接，同时所述第一凹槽103和第二凹槽203形成一空腔111，传感器或致动器300位于所述空腔111中。在所述盖板圆片100和集成电路圆片200连接的同时，所述凸起部107和衬垫也204连接在一起形成第二连接部112，从而实现盖板圆片100和集成电路圆片200的导电连接。所述第一连接部108对空腔111的密封可以是气密或非气密的。

在该实施例中，所述第一连接部108高分子化合物层，其仅对空腔进行密封，不参与电连接；所述第二连接部112作为金属或金属合金焊接层，仅实现电连接，不参与密封。该高分子化合物可以为但不限于环氧树脂层(Epoxy)，所述第二连接部的材料为但不限于Ti/Pt、Ti/W和Cr/Pt中的一种或多种。在一个实施例中，所述空腔111内是气体填充或真空，所述气体物质包含但不限于六氟化硫、氙气、2,3,3,3-四氟丙烯和丙烷中的一种或多种。

请继续参阅图1A-1H。本实用新型的腔体MEMS器件的晶圆级封装方法如下：

S1：提供一盖板圆片100，其具有第一水平面101和第二水平面102，所述第一水平面101上形成有第一凹槽103。

S2：自所述第一凹槽103的底部至所述第二水平面102开设有TSV通孔104。

S3：自所述第一水平面101至所述第一凹槽103的底部分布有第一再分布层105，所述第一再分布层105覆盖所述TSV通孔104。

S4：在所述第一水平面101上的第一再分布层105上设置凸起部107。所述凸起部将与集成电路圆片的衬垫进行键合，形成金属键合层或焊接层。所述凸起部107的材料为但不限于CuSn、AuSn和AuIn中的一种或多种。

S5：在所述第一水平面101上涂覆第一连接部108，所述为第一高分子化合物层，该高分子化合物可以为但不限于环氧树脂(epoxy)。涂覆后epoxy表面或高于/或低于bump高度。

S6：提供一集成电路圆片200，其具有第三水平面201和第四水平面202，所述第三水平面201上形成有第二凹槽203，所述第三水平面201上设置有衬垫204。所述衬垫204与盖板圆片100的凸起部107进行键合，形成金属键合层或焊接层。所述衬垫204的材料为但不限于Au、Sn、CuSn、AuSn和AuIn中的一种或多种。

S7：通过第一连接部108将步骤S5和S6连接，所述盖板圆片100的第一水平面101和集成电路圆片200的第三水平面201连接形成密封。在所述盖板圆片100和集成电路圆片200连接的同时，所述凸起部107和衬垫204键合形成第二连接部112，所述第二连接部112作为导电连接。连接后所述第一凹槽103和第二凹槽203形成一空腔111。在该步骤S7中，在将所述盖板圆片100和集成电路圆片200进行键合时，bump在压力作用下变形，同时辅助温度实现良好接触，epoxy实现填充和密封。通过选择合适epoxy/bump高度，实现需要的键合层厚度(BLT，bondlinethickness)。Epoxy在较低温度(比如100℃)先固化，实现腔体气体密封，进一步升温至金属键合温度，在一次工艺中同时实现密封和互连。通过控制升降温速率，提升epoxy胶联强度并降低内部应力。

S8:在所述盖板圆片100的第二水平面102上设置第二再分布层106。

在一个实施例中，所述步骤S2也可在S1之前或在S3之后。

在一个实施例中，所述步骤S7之后还包括对盖板圆片100进行磨片减薄。

请参阅图2，如图2所示，所述步骤S8之后还包括：在所述盖板圆片100的第二再分布层106上设置I/O引出端109。本实用新型对所述I/O引出端109不做限制。

请参阅图3，如图3所示，所述盖板圆片100的第二水平面102上I/O引出端109的周围覆盖有绝缘层110。

本实用新型的具有如下优点：

(1)使得腔体MEMS器件的可靠性提升。

(2)器件尺寸缩小，圆片利用率高。

(3)成本较低。

(5)器件形状规则，提升客户SMT性能。

(6)TSV/RDL工艺在cap上，与Asic/MEMS圆片分离，可单独控制工艺良率，无复杂融合设计要求。

上述说明已经充分揭露了本实用新型的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本实用新型的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本实用新型的权利要求书的范围。相应地，本实用新型的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (8)

1.一种腔体MEMS器件的晶圆级封装结构，其特征在于：其包括：

一盖板圆片，其具有第一水平面和第二水平面，所述第一水平面上形成有第一凹槽，自所述第一凹槽的底部至所述第二水平面开设有TSV通孔，自所述第一水平面至所述第一凹槽的底部分布有第一再分布层，所述第一再分布层覆盖所述TSV通孔，所述第一水平面上的第一再分布层上设置有凸起部，所述第二水平面上分布有第二再分布层，所述第二再分布层覆盖所述TSV通孔，所述第二水平面上设置有I/O引出端；

一集成电路圆片，其具有第三水平面和第四水平面，所述第三水平面上形成有第二凹槽，所述第三水平面上设置有衬垫；

一连接部，其设置在所述盖板圆片的第一水平面和集成电路圆片的第三水平面之间，具有第一连接部和第二连接部，所述盖板圆片和集成电路圆片通过第一连接部相连形成物理连接，同时所述第一凹槽和第二凹槽形成一空腔，在所述盖板圆片和集成电路圆片连接的同时，所述凸起部和衬垫也连接在一起形成第二连接部，实现盖板圆片和集成电路圆片的导电连接。

2.根据权利要求1所述的腔体MEMS器件的晶圆级封装结构，其特征在于：其还包括传感器或致动器，其位于所述空腔中。

3.根据权利要求1所述的腔体MEMS器件的晶圆级封装结构，其特征在于：所述第一连接部为高分子化合物层，仅对空腔进行密封，不参与电连接；所述第二连接部作为金属或金属合金焊接层，仅实现电连接，不参与密封。

4.根据权利要求1所述的腔体MEMS器件的晶圆级封装结构，其特征在于：所述盖板圆片的材料为硅、玻璃、石英、陶瓷中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的腔体MEMS器件的晶圆级封装结构，其特征在于：所述空腔内可以是气体填充或真空。

6.根据权利要求1所述的腔体MEMS器件的晶圆级封装结构，其特征在于：所述TSV通孔的深度为50-100um。

7.根据权利要求1所述的腔体MEMS器件的晶圆级封装结构，其特征在于：所述第一连接部对空腔的密封可以是气密或非气密的。

8.根据权利要求1所述的腔体MEMS器件的晶圆级封装结构，其特征在于：在所述盖板圆片的第二再分布层上设置I/O引出端。