CN206872420U - 基于光敏bcb键合的rfmems开关封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于光敏BCB键合的RF MEMS开关封装结构，该结构包括有硅衬底，硅衬底上分布有RF MEMS开关组件，RF MEMS开关组件的外围分布有衔接层，衔接层上分布有键合层，键合层上加盖有封盖，封盖内分布有腔体。可以适用于各种不同材料之间进行封装，其应用不受待封装基板材料的限制，成本低，键合效率高，易于实现BCB的图形化。

Description

基于光敏BCB键合的RFMEMS开关封装结构

技术领域

本实用新型涉及一种封装结构极其封装方法，尤其涉及一种基于光敏BCB键合的RF MEMS开关封装结构。

背景技术

就现有的技术来看，RF MEMS开关具有插入损耗低、隔离度高、线性度好等优点，是高频通信系统中的关键元件，但可靠性问题以及封装问题一直是制约RF MEMS开关广泛应用的关键因素。

以业内常见的封装来说，RF MEMS封装定义为：通过微加工工艺或薄膜工艺将基板上的射频MEMS芯片及构成器件进行密封保护，并通过引线技术与外界进行信息交互，从而形成一个完整的三维结构。封装具有电气连接、外场屏蔽、物理保护、机械支撑、应力缓冲、标准化和规格化等功能。

对于RF MEMS开关的封装来说，除了要考虑一般的IC封装工艺，还必须考虑与MEMS工艺兼容的特殊封装工艺，这是因为：RF MEMS开关中包含有可动悬臂梁或者双端固支梁结构，容易受到周围水汽以及杂质的影响而发生粘连；RF MEMS开关中的可动结构在大气中工作会受到空气阻尼的影响；RF MEMS开关在受到冲击时容易造成梁结构断裂甚至整体脱落；RF MEMS开关工作在微波频段，必须考虑RF互连给开关性能带来的影响，因此需要选择恰当的方式将RF信号引出。由于RF MEMS开关具有上述特有的封装要求，只有通过为RF MEMS开关选择合适的封装，才能使其避免在划片以及日后的装运过程中可能遭受的损害，并且为RF MEMS开关提供一个与外界物理隔绝的密闭的环境，使RF MEMS开关能稳定高效地工作。

目前，适用于RF MEMS开关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，环氧树脂粘结工艺等。

具体来说，阳极键合工艺一般只限于硅—玻璃键合，键合温度通常为300℃—400℃，偏压通常为800—1000V，同时阳极键合对圆片的平整度要求较高，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。

同时，焊料焊接的工艺温度较低，常用的金属焊料具有较低的硬度能够有效缓解热应力，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密封的气密性，同时焊料添加的有机物在焊接的过程中会释放到封装腔体内，气密性无法保证。

并且，硅硅熔融键合通常小于4nm的表面粗糙度，高于800℃的高温退火工艺过程，因此，在带有金属膜的硅—硅键合的应用中存在局限性。硅—玻璃键合需要施加500—1000V的键合电压，整个基片全局高压电场的使用有可能导致RF MEMS开关的失效，应用上也存在一定的局限性。

进一步来看，BCB是一种有机粘结介质，可以实现硅衬底、玻璃衬底等多种材料基底之间的有效键合，对衬底表面的平整度和粗糙度要求较低。这种键合方式可以在300℃以下完成，因此，对于带有金属膜图形的硅片之间或硅—玻璃之间的键合具有独特优势，避免了高温或高压条件下对于金属结构的影响。

对于RF MEMS开关来说，中间区域是结构区，要求粘结介质必须避开这一区域，仅分布在周围区域进行粘结，通过采用光敏BCB作为粘结介质，利用非曝光的BCB胶可以完全溶解在显影液里的特性，易于实现BCB的图形化，从而完成基片的局部键合，与非光敏BCB键合相比，采用光敏BCB完成局部键合的工艺步骤更加简单可行。

再者，现有技术在实施期间，有如下缺陷，影响了封装的优化。

1、封装易受到衬底材料的限制。例如，阳极键合工艺，其键合工程有钠离子迁移。

2、封装技术易受到衬底表面的平整度的限制。例如，阳极键合，金/硅共晶键合，硅-硅键合等封装工艺，键合表面的平整度通常小于1μm，这在很大程度上增加了工艺难度和工艺成本。

3、封装不易图形化。

4、封装技术易受到键合温度的影响，现有技术比较成熟的硅硅键合，键合 温度在800℃以上，共晶键合键合温度受合金的不同而有很大的差异，一般在400℃左右，玻璃浆料键合工艺的键合温度一般在450℃左右。

5、共晶焊料键合封装完成后，能实现比较高的气密性，但是由于焊料含有金属成分，在进行键合时容易发生金属扩散，影响封装性能，不能满足高性能的封装要求。同时，聚合物(如环氧树脂)能在较低温度下完成气密封装，但是随着使用时间的增加，容易发生脆化、吸水及裂纹等缺陷，因此其长期可靠性不高，一般不能用于对气密性要求较高的封装器件。

有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种基于光敏BCB键合的RF MEMS开关封装结构，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基于光敏BCB键合的RF MEMS开关封装结构。

本实用新型的基于光敏BCB键合的RF MEMS开关封装结构，包括有硅衬底，其中：所述硅衬底上分布有RF MEMS开关组件，所述RF MEMS开关组件的外围分布有衔接层，所述衔接层上分布有键合层，所述键合层上加盖有封盖，所述封盖内分布有腔体。

进一步地，上述的基于光敏BCB键合的RF MEMS开关封装结构，其中，所述衔接层为氮化硅层，所述氮化硅层的厚度为50至100nm。

更进一步地，上述的基于光敏BCB键合的RF MEMS开关封装结构，其中，所述氮化硅层的厚度为60nm。

更进一步地，上述的基于光敏BCB键合的RF MEMS开关封装结构，其中，所述键合层为光敏BCB，所述光敏BCB的厚度为5至10μm。

更进一步地，上述的基于光敏BCB键合的RF MEMS开关封装结构，其中，所述光敏BCB的厚度为6μm。

借由上述方案，本实用新型至少具有以下优点：

1、相对于现有的一些低温键合技术，本实用新型不仅适用于硅—硅，硅—玻璃硅衬底之间的加工，还可以适用于各种不同材料之间进行封装，其应用不 受待封装基板材料的限制。

2、光敏BCB在键合的过程中会熔化为液态，使键合具有液态流动特性，对键合表面平整度要求较低，清洗过程中键合面不需要进行专门的表面键合增加处理，键合易于实现，成本低，键合效率高。

3、通过采用光敏BCB作为粘结介质，利用非曝光区的BCB胶可以完全溶解在显影液里的特性，易于实现BCB的图形化，从而完成基片的局部键合。通过观察得知，键合线条均匀，键合界面不受图形的限制。

4、例采用在硅硅衬底上沉积氮化硅层，再与封装盖板进行键合，提高封装质量。

5、将密封环的制作主要集中在封装盖板上，使封装工艺对射频开关的影响降到最小。

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是基于光敏BCB键合的RF MEMS开关封装结构的示意图。

图中各附图标记的含义如下。

1 硅衬底 2 RF MEMS开关组件

3 衔接层 4 键合层

5 封盖 6 腔体

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的基于光敏BCB键合的RF MEMS开关封装结构，包括有硅衬底1，其与众不同之处在于：采用的硅衬底1上分布有RF MEMS开关组件2，在RF MEMS开关组件2的外围分布有衔接层3。同时，衔接层3上分布有键合层4， 键合层4上加盖有封盖5，封盖5内分布有腔体6。

结合本实用新型一较佳的实施方式来看，衔接层3为氮化硅层，其厚度为50至100nm。同时，为了保证拥有较好的键合效果，采用的键合层4为光敏BCB，其厚度为5至10μm。当然，为了起到较佳的效果，氮化硅层的厚度为60nm，光敏BCB的厚度为6μm，能起到较佳的效果。

结合本实用新型的加工制造过程来看，其包括以下步骤：

实施例一

步骤一，选择合适的材料作为封装盖板材料。

在此期间，首先需进行清洗，清洗过程为，采用浓硫酸：过氧化氢＝4:1的溶液中浸泡5min，用去离子水冲洗干净，再用氮气吹干。由此，达到充分去除表面杂质以及有机物污染的效果。

之后，选择硅片作为封装盖板的材料，旋涂BCB粘附剂后，进而旋涂光敏BCB，固化得到厚度均匀的5μm光敏BCB层。

接着，旋涂光刻胶，光刻后得到覆盖在光敏BCB上的光刻胶，制作封装的腔体结构，最终得到成形的封装盖板。具体来说，可采用ICP深硅刻蚀机，刻蚀时间为1min。在此期间，采用的刻蚀气体为六氟化硫，采用的钝化气体为和氧气，刻蚀温度为15℃，制作出封装的腔体结构。最后，将光刻胶显影后，得到成形的封装盖板。

步骤二，封装盖板与硅衬底进行对准键合。

在本步骤中，将盖板与硅衬底的键合标记对准并夹持固定，送入键合机中进行键合。之后，释放夹具，在待键合的硅片上施加1000mbar压力。接着，升温至260℃，使光敏BCB逐渐固化。然后，在固化温度下保温1h，缓慢降温冷却至室温，取出键合片。为了拥有循序渐进的加温效果，提升最终产品的优良率，本实用新型在键合温度期间，采用阶梯式升温方式，升温至100℃，保温保压至少2min后，抽出固定夹具。

步骤三，获取单独封装个体。具体来说，在键合完成的圆片上旋涂AZ4620光刻胶。之后，在光刻显影后进行ICP刻蚀，刻蚀至100μm深度的腔体后进行划片，得到单独的封装个体。

实施例二

步骤一，选择合适的材料作为封装盖板材料。

在此期间，首先需进行清洗，清洗过程为，采用浓硫酸：过氧化氢＝4:1的溶液中浸泡15min，用去离子水冲洗干净，再用氮气吹干。由此，达到充分去除表面杂质以及有机物污染的效果。

之后，选择硅片作为封装盖板的材料，旋涂BCB粘附剂后，进而旋涂光敏BCB，固化得到厚度均匀的10μm光敏BCB层。

接着，旋涂光刻胶，光刻后得到覆盖在光敏BCB上的光刻胶，制作封装的腔体结构，最终得到成形的封装盖板。具体来说，可采用ICP深硅刻蚀机，刻蚀时间为3min。在此期间，采用的刻蚀气体为六氟化硫，采用的钝化气体为和氧气，刻蚀温度为25℃，制作出封装的腔体结构。最后，将光刻胶显影后，得到成形的封装盖板。

步骤二，封装盖板与硅衬底进行对准键合。

在本步骤中，将盖板与硅衬底的键合标记对准并夹持固定，送入键合机中进行键合。之后，释放夹具，在待键合的硅片上施加3000mbar压力。接着，升温至280℃的BCB固化温度，使光敏BCB逐渐固化。然后，在固化温度下保温3h，缓慢降温冷却至室温，取出键合片。为了拥有循序渐进的加温效果，提升最终产品的优良率，本实用新型在键合温度期间，采用阶梯式升温方式，升温至100℃，保温保压至少2min后，抽出固定夹具。

步骤三，获取单独封装个体。具体来说，在键合完成的圆片上旋涂AZ4620光刻胶。之后，在光刻显影后进行ICP刻蚀，刻蚀至300μm深度的腔体后进行划片，得到单独的封装个体。

实施例三

步骤一，选择合适的材料作为封装盖板材料。

在此期间，首先需进行清洗，清洗过程为，采用浓硫酸：过氧化氢＝4:1的溶液中浸泡10min，用去离子水冲洗干净，再用氮气吹干。由此，达到充分去除表面杂质以及有机物污染的效果。

之后，选择硅片作为封装盖板的材料，旋涂BCB粘附剂后，进而旋涂光敏BCB，固化得到厚度均匀的6μm光敏BCB层。

接着，旋涂光刻胶，光刻后得到覆盖在光敏BCB上的光刻胶，制作封装的 腔体结构，最终得到成形的封装盖板。具体来说，可采用ICP深硅刻蚀机，刻蚀时间为2min。在此期间，采用的刻蚀气体为六氟化硫，采用的钝化气体为和氧气，刻蚀温度为20℃，制作出封装的腔体结构。最后，将光刻胶显影后，得到成形的封装盖板。

步骤二，封装盖板与硅衬底进行对准键合。

在本步骤中，将盖板与硅衬底的键合标记对准并夹持固定，送入键合机中进行键合。之后，释放夹具，在待键合的硅片上施加1500mbar压力。接着，升温至270℃，使光敏BCB逐渐固化。然后，在固化温度下保温2h，缓慢降温冷却至室温，取出键合片。为了拥有循序渐进的加温效果，提升最终产品的优良率，本实用新型在键合温度期间，采用阶梯式升温方式，升温至100℃，保温保压至少2min后，抽出固定夹具。

步骤三，获取单独封装个体。具体来说，在键合完成的圆片上旋涂AZ4620光刻胶。之后，在光刻显影后进行ICP刻蚀，刻蚀200μm深度的腔体，最终进行划片，得到单独的封装个体。

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、相对于现有的一些低温键合技术，本实用新型不仅适用于硅—硅，硅—玻璃硅衬底之间的加工，还可以适用于各种不同材料之间进行封装，其应用不受待封装基板材料的限制。

2、光敏BCB在键合的过程中会熔化为液态，使键合具有液态流动特性，对键合表面平整度要求较低，清洗过程中键合面不需要进行专门的表面键合增加处理，键合易于实现，成本低，键合效率高。

3、通过采用光敏BCB作为粘结介质，利用非曝光区的BCB胶可以完全溶解在显影液里的特性，易于实现BCB的图形化，从而完成基片的局部键合。通过观察得知，键合线条均匀，键合界面不受图形的限制。

4、例采用在硅硅衬底上沉积氮化硅层，再与封装盖板进行键合，提高封装质量。

5、将密封环的制作主要集中在封装盖板上，使封装工艺对射频开关的影响降到最小。

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 (4)

1.基于光敏BCB键合的RF MEMS开关封装结构，包括有硅衬底，其特征在于：所述硅衬底上分布有RF MEMS开关组件，所述RF MEMS开关组件的外围分布有衔接层，所述衔接层上分布有键合层，所述键合层上加盖有封盖，所述封盖内分布有腔体；所述键合层为光敏BCB，所述光敏BCB的厚度为5至10μm。

2.根据权利要求1所述的基于光敏BCB键合的RF MEMS开关封装结构，其特征在于：所述衔接层为氮化硅层，所述氮化硅层的厚度为50至100nm。

3.根据权利要求2所述的基于光敏BCB键合的RF MEMS开关封装结构，其特征在于：所述氮化硅层的厚度为60nm。

4.根据权利要求1所述的基于光敏BCB键合的RF MEMS开关封装结构，其特征在于：所述光敏BCB的厚度为6μm。