CN205773305U - 适用于射频mems器件应用的横向互连低温圆片级封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构，包括有衬底，其特点是：衬底上方设置有盖板，盖板上设置有封装腔，盖板与衬底的接触端从上至下依次设置有粘附层、阻挡层、金属层、In层，衬底与盖板的接触端从下至上依次设置有粘附层、阻挡层、金属层，盖板与衬底的结合处的外围分布有密封组件，密封组件上连接有导通组件，衬底上分布有键合对准标记。由此，满足低温键合的需要，可实现低温封装，不会影响射频器件的正常使用。同时，通过密封组件与导通组件的相互配合，解决了引线横向互连的问题，封装还具有良好的机械强度与气密性。

Description

适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构

技术领域

本实用新型涉及一种封装结构，尤其涉及一种适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构。

背景技术

通过微型化和高度集成来开发出具有新功能的元器件或微系统，从而形成一种新的技术产业领域是MEMS发展的主要目标，而MEMS封装对这一目标的实现起着决定性的作用。封装是决定商用MEMS体积、成本及可靠性的最为关键的技术。射频MEMS器件就是一种对封装性能要求极高的MEMS器件，是MEMS封装的关键领域之一。在射频MEMS器件中至少会用到一种金属(金或铝)作为结构材料，因此对射频器件的封装必须是低温封装；由于射频MEMS器件中包含有可动悬臂梁或者双端固支梁结构，容易受到外界环境中水汽及一些杂质的影响而发生粘连失效，所以针对射频MEMS芯片的封装必须是气密性的；由于MEMS器件要实现与外界信号的交互，因此封装也必须能实现与外界的电气连接。

目前，适用于MEMS封装的具有多种工艺，如硅-玻璃等材料的阳极键合工艺、金-硅等材料的共晶键合工艺、硅硅熔融键合工艺、等离子或化学试剂处理后的低温键合工艺、玻璃浆料键合工艺、环氧树脂粘接工艺等。阳极键合一般只限于硅-玻璃键合，键合温度通常为300～400℃，偏压通常为800～2000V，同时阳极键合对圆片的表面平整度要求很高，一般达到了纳米量级。虽然阳极键合具有十分良好的机械强度和气密性，但是键合所加的高电压及高温，会对射频器件造成严重的影响甚至导致芯片的失效。焊料焊接的工艺温度较低，常用的金属焊料由于具有较低的硬度能够有效缓和热应力。但是焊接工艺较大的塑性易导致焊接界面产生疲劳失效，回流焊工艺产生的气孔也无法保证真空封装的气密性。同时焊料添加的有机物质在焊接的过程中会释放到封装腔体内，气密性无法保证。

表面活化低温键合是利用化学方法使待键合硅表面活化处理，进而实现硅硅的低温键合。但表面活化低温键合工艺时间长(一般为几小时到几十小时)，效率较低，退火温度高且易形成空洞，由于涉及表面处理，难以满足含图形电路和圆片键合的要求。粘接键合的介质层薄膜主要为有机材料(环氧树脂)、玻璃浆料等，但是有机物的易老化性和较差的热稳定性会造成器件性能的漂移，而玻璃浆料所使用的丝网印刷方法限制了结构的特征尺寸，造成封装成本的提高。

MEMS器件导线互连通常有两种方法，即纵向通孔型(TSV技术)和横向埋线型两种。TSV技术实现的垂直方式的导线互连技术虽然能大大提高引线的密度，但TSV技术的成本较高，对于引线密度要求不高的器件来说并没有太大优势，同时也造成了衬底材料较大的应力。横向引线互连的结构简单，成本相对较低，非常适用于射频MEMS器件的封装，但横向引线互连的封装材料必须是绝缘性的材料。有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种针对射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装方法，使其更具有产业上的利用价值。

进一步结合现有技术的缺陷来看，

1.现有技术中，低温封装易受待衬底材料的限制，如阳极键合封装工艺，其键合过程中要有钠离子迁移，通常只能用于硅-玻璃衬底间的键合；如表面活化低温键合封装工艺，通常只能实现硅-硅之间的直接键合封装。

2.现有技术中，低温封装工艺易受衬底表面的平整度的限制，如阳极键合，Au/Si共晶键合，硅硅键合等封装工艺，键合表面的平整度通常要求小于1um，这大大增加了工艺难度及工艺成本。

3.现有技术中，低温封装不易于图形化，如表面活化低温封装工艺。本发明中，键合线可以通过光刻形成图形掩模，利用薄膜沉积工艺形成Au、In金属薄膜及有机粘结剂材料，键合线线条均匀，键合界面不受图形的限制。

4.现有技术中，有机粘结剂键合封装工艺可以实现低温封装及引线的横向互连，但有机材料封装的强度及气密性均无法保证；采用金属封装时虽然可以保证封装的强度及气密性，但无法实现引线的横向互连，必须与通孔工艺相结合，这必然增加了封装的难度及封装成本。

有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构，使其更具有产业上的利用价值。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构。

本实用新型的适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构，包括有衬底，其中：所述衬底上方设置有盖板，所述盖板上设置有封装腔，所述盖板与衬底的接触端从上至下依次设置有粘附层、阻挡层、金属层、In层，所述衬底与盖板的接触端从下至上依次设置有粘附层、阻挡层、金属层，所述盖板与衬底的结合处的外围分布有密封组件，所述密封组件上连接有导通组件，所述衬底上分布有键合对准标记。

进一步地，上述的适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构，其中，所述盖板为硅片盖板，或是为玻璃盖板，或是为GaN盖板，所述盖板上设置有封装腔预留槽。

更进一步地，上述的适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构，其中，所述封装腔的截面为矩形，或是为梯形。

更进一步地，上述的适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构，其中，所述粘附层为20至50nm厚度的Ti层，所述阻挡层为50至100nm厚度的Cu层，所述金属层为电镀式Au层，所述In层为电镀式In层。

更进一步地，上述的适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构，其中，所述电镀式In层上设置有Au沉积层。

更进一步地，上述的适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构，其中，所述键合对准标记的深度为2至5um。

更进一步地，上述的适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构，其中，所述密封组件为密封环，所述密封环上间隔分布有有机密封线与金属密封线。

更进一步地，上述的适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构，其中，所述有机密封线与金属密封线上设置有厚度为12um的BCB材料层。

再进一步地，上述的适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构，其中，所述导通组件为金属引线，包括有引线主体，所述引线主体的一端与密封环相连，所述引线主体的另一端设置有触头，所述触头与衬底相接触。

借由上述方案，本实用新型至少具有以下优点：

1、集成化的通过盖板、衬底、封装腔的相互配合，满足低温键合的需要，可实现低温封装，不会影响射频器件的正常使用。

2、通过密封组件与导通组件的相互配合，解决了引线横向互连的问题，同时封装还具有良好的机械强度与气密性。

3、采用Cu作为金In等温凝固反应的阻挡层材料，配合In层表层沉积的Au层，防止In表层被氧化。

4、密封环的构造可集中在盖板上，减少后续封装对衬底芯片的性能影响。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是盖板、衬底结合示意图。

图2是适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构的正面结构示意图。

图中各附图标记的含义如下。

1衬底 2盖板

3封装腔 4粘附层

5阻挡层 6金属层

7In层 8Au沉积层

9有机密封线 10金属密封线

11金属引线

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

如图1至2的适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构，包括有衬底1，其与众不同之处在于：为了满足后续MEMS器件的正常应用，本实用新型在衬底1上方设置有盖板2，且盖板2上设置有封装腔3。考虑到射频器件的电性应用，盖板2与衬底1的接触端从上至下依次设置有粘附层4、阻挡层5、金属层6、In层7。与之对应的是，衬底1与盖板2的接触端从下至上依次设置有粘附层4、阻挡层5、金属层6。同时，盖板2与衬底1的结合处的外围分布有密封组件。并且，为了在实际使用器件保证拥有较佳的射频通讯效果，在密封组件上连接有导通组件。再者，考虑到加工制造的便利，在衬底1上分布有深度为2至5um键合对准标记。

结合本实用新型一较佳的实施方式来看，为了适应不同的应用需要，盖板2为硅片盖板2，或是为玻璃盖板2，或是为GaN盖板2均可。同时，在盖板2上设置有封装腔3预留槽，这便于后续腔体结构的制作成型，满足湿法腐蚀，或是干法腐蚀，或是激光烧结的实施需要。并且，结合实际制造来看，最终成型的封装腔3的截面为矩形，或是为梯形。

进一步来看，考虑到制造中Au/In等温凝固及有机材料在键合的过程中熔化成液体，使键合具有液态流动特性，采用的粘附层4为20至50nm厚度的Ti层。同时，阻挡层5为50至100nm厚度的Cu层，金属层6为电镀式Au层，In层7为电镀式In层7。并且，为了防止表层被氧化影响键合的效果，在电镀式In层7上设置有Au沉积层8。

再进一步来看，本实用新型采用的密封组件为密封环，密封环上间隔分布有有机密封线9与金属密封线10。同时，有机密封线9与金属密封线10上设置有厚度为12um的BCB材料层(图中未示出)，保证后续的封装到位。

同时，本实用新型采用的导通组件为金属引线11，其包括有引线主体，引线主体的一端与密封环相连，引线主体的另一端设置有触头，触头与衬底1相接触。

通过上述的文字表述并结合附图可以看出，采用本实用新型后，拥有如下优点：

1、集成化的通过盖板、衬底、封装腔的相互配合，满足低温键合的需要，可实现低温封装，不会影响射频器件的正常使用。

2、通过密封组件与导通组件的相互配合，解决了引线横向互连的问题，同时封装还具有良好的机械强度与气密性。

3、采用Cu作为金In等温凝固反应的阻挡层材料，配合In层表层沉积的Au层，防止In表层被氧化。

4、密封环的构造可集中在盖板上，减少后续封装对衬底芯片的性能影响。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，并不用于限制本实用新型，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构，包括有衬底(1)，其特征在于：所述衬底(1)上方设置有盖板(2)，所述盖板(2)上设置有封装腔(3)，所述盖板(2)与衬底(1)的接触端从上至下依次设置有粘附层(4)、阻挡层(5)、金属层(6)、In层(7)，所述衬底(1)与盖板(2)的接触端从下至上依次设置有粘附层(4)、阻挡层(5)、金属层(6)，所述盖板(2)与衬底(1)的结合处的外围分布有密封组件，所述密封组件上连接有导通组件，所述衬底(1)上分布有键合对准标记。

2.根据权利要求1所述的适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构，其特征在于：所述盖板(2)为硅片盖板(2)，或是为玻璃盖板(2)，或是为GaN盖板(2)，所述盖板(2)上设置有封装腔(3)预留槽。

3.根据权利要求1所述的适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构，其特征在于：所述封装腔(3)的截面为矩形，或是为梯形。

4.根据权利要求1所述的适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构，其特征在于：所述粘附层(4)为20至50nm厚度的Ti层，所述阻挡层(5)为50至100nm厚度的Cu层，所述金属层(6)为电镀式Au层，所述In层(7)为电镀式In层(7)。

5.根据权利要求4所述的适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构，其特征在于：所述电镀式In层(7)上设置有Au沉积层(8)。

6.根据权利要求1所述的适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构，其特征在于：所述键合对准标记的深度为2至5um。

7.根据权利要求1所述的适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构，其特征在于：所述密封组件为密封环，所述密封环上间隔分布有有机密封线(9)与金属密封线(10)。

8.根据权利要求7所述的适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构，其特征在于：所述有机密封线(9)与金属密封线(10)上设置有厚度为12um的BCB材料层。

9.根据权利要求1所述的适用于射频MEMS器件应用的横向互连低温圆片级封装结构，其特征在于：所述导通组件为金属引线(11)，包括有引线主体，所述引线主体的一端与密封环相连，所述引线主体的另一端设置有触头，所述触头与衬底(1)相接触。