CN207451615U - 适用于低温键合式封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种适用于低温键合式封装结构，在封装盖板上旋涂有机材料并图形化，然后溅射Cr、Au，再采用TMHA溶液体硅腐蚀腔体的方法，获得了有机材料分布均匀的带有腔体的封装盖板。布满腔体的盖板是经过TMAH溶液湿法腐蚀而获得腔体的高阻硅材料。该封装方法使得有机材料在键合区域能够平整的分布，增加了圆片级键合的有效键合面积，进而增强了产品键合后的气密性及可靠性等性能。采用低温键合工艺进行射频器件的低温封装，在获得了良好的机械强度与气密性的同时还满足了对温度敏感的RF MEMS器件封装要求。

Description

适用于低温键合式封装结构

技术领域

本实用新型涉及一种圆片级封装结构，尤其涉及一种适用于低温键合式封装结构。

背景技术

射频微机电系统是微波射频理论与微机械加工技术的有机结合，它以微波射频理论为指导，利用微米纳米尺度的微机械加工技术来制造无源器件。与传统无源器件相比，射频微机电系统器件不但具有高隔离度、低损耗、高线性度、低功耗、宽频带等极其优异的微波性能，同时具有尺寸小、易于集成的特点，在下一代通信系统中有着极高的应用价值。然而由于射频MEMS器件本身特殊结构特性，对封装性能的要求极为严格，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)作为薄结构材料，因此对射频器件的封装必须是低温封装，以避免高温对结构的影响；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芯片的封装必须采用气密性或近气密性密封封装，封装工艺也要在惰性气体的环境进行；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，如硅至玻璃等材料的阳极键合工艺、焊料共晶焊接工艺、表面活化低温键合工艺、环氧树脂等有机材料粘接工艺等。阳极键合温度通常为300～400℃，偏压通常为800～2000V，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失效。焊料焊接的工艺温度较低，但是焊接工艺较大的塑性易导致焊接界面产生疲劳失效，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，会为射频器件带入可靠性问题。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。有机材料粘接工艺需要在封装盖板上形成厚度均匀分布平整的有机材料膜，但往往封装盖板上需要时刻有腔体以容纳MEMS的关键器件，有机材料在这种不平整的封装盖板上形成均匀的分布就有了难度。

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。

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低温键合式封装结构，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低温键合式封装结构。

本实用新型的适用于低温键合式封装结构，包括有衬底，其中：所述衬底上铺设有微波传输线，所述衬底上还铺设有电学连接线，所述微波传输线、电学连接线不接触，所述微波传输线上设置有射频微机电器件，所述衬底上分布有机材料键合环，所述机材料键合环上键合连接有封装盖板，所述有机材料键合环与微波传输线相接触，所述封装盖与衬底之间分布有封装腔体，所述射频微机电器件位于封装腔体内。

进一步地，上述的适用于低温键合式封装结构，其中，所述微波传输线上开设有走线过道，所述电学连接线垂直分布在走线过道内。

更进一步地，上述的适用于低温键合式封装结构，其中，所述封装腔体内填充有惰性气体。

借由上述方案，本实用新型至少具有以下优点：

1、封装盖板制作过程，先旋涂有机材料并图形化，然后溅射金属Cr、Au(铬、金)层作为掩蔽层保护有机材料，最后在硅片上形成封装腔，这种方法使得有机材料在键合区域能够平整的分布，避免了其在布满腔体的盖板上直接旋涂后分布不平整而无法键合良好的问题，使得增加了圆片级键合的有效键合面积，进而增强了产品键合后的气密性及可靠性等性能。

2、选择Cr层用于为粘附层，Au层用于腐蚀阻止层，因为其应力较低，可以保证其不会影响有机材料的平整性并且满足去除Cr、Au金属层的溶液不会与有机键合材料反应，进而不会影响产品键合效果。

3、选用体硅腐蚀的方法来获得腔体，可以避免干法刻蚀的高温和轰击会导致有机键合材料完全固化或碳化从而影响随后的圆片级键合效果，体硅腐蚀采用的腐蚀溶液为TMAH溶液，可以避免常规腐蚀液KOH溶液与硅反应时释放的热量对掩蔽层及有机材料的损伤。

4、密封环的制作集中在封装盖板上，使封装工艺对芯片的影响降到最小。同时密封环为有机材料，对键合表面平整度要求低，键合易于实现，成本低，键合效率高。

5、利用常规切割方式实现引线焊盘引出，大大降低了生产成本。

6、采用低温键合工艺进行射频器件的低温封装，在获得了良好的机械强度与气密性的同时还满足了对温度敏感的RF MEMS器件封装要求。

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是适用于低温键合式封装结构的正面示意图。

图2是适用于低温键合式封装结构的剖面示意图(顺延A-A1)。

图3是高阻硅盖板的结构示意图。

图4是旋涂有机材料的示意图。

图5是光刻、显影有机材料的示意图。

图6是溅射Cr、Au金属层的示意图。

图7是湿法腐蚀腔体的示意图。

图8是去Cr、Au金属层的示意图。

图9是圆片级键合的示意图。

图10是切割盖板的示意图。

图11是去除盖板切除部分漏出引线焊盘的示意图。

图12是裂片的示意图。

图中各附图标记的含义如下。

1 高阻硅盖板 2 机材料

3 键合图形 4 金属薄膜

5 封装腔体 6 封装盖板

7 封装衬底 8 盖板切痕

9 盖板切除部分 10 封装顶盖

11 微波传输线 12 射频微机电器件

13 电学连接线

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12的适用于低温键合式封装结构，包括有衬底，其与众不同之处在于：衬底上铺设有微波传输线11，衬底上还铺设有电学连接线13，微波传输线11、电学连接线13不接触。同时，在微波传输线11上设置有射频微机电器件12。考虑到电学连接的需要，在底上分布有机材料2键合环，机材料2键合环上键合连接有封装盖板6。并且，键合环与微波传输线11相接触。再者，封装盖与衬底之间分布有封装腔体5，射频微机电器件12位于封装腔体5内。实际实施时，微波传输线11可以是共面波导或微带线等传输线形式。

结合本实用新型一较佳的实施方式来看，为了提升使用效果，微波传输线11上开设有走线过道，电学连接线13垂直分布在走线过道内。同时，封装腔体5内填充有惰性气体。

结合本实用新型的实际制造来看，其包括封装盖板6制作、封装盖板6与封装衬底7对准键合、键合后圆片引线焊盘引出的步骤。

具体来说，采用的封装盖板6制作的步骤如下，

首先，在平整的高阻硅盖板1上旋涂有机材料2，获得有机材料2分布平整的高阻硅盖板1。在此期间，采用的有机材料2是苯并环丁烯(BCB)、聚酰亚胺(PI)、环氧树脂等有机键合材料中的一种或是多种。之后，对有机材料2进行光刻、显影，形成需要的键合图形3。随后，在盖板上面分别溅射5至20nm的Cr层、50至200nm的Au层，构成金属薄膜4。在此期间，Cr层用于为粘附层，Au层用于腐蚀阻止层。选择Cr、Au金属因为其应力较低，可以保证其不会影响有机材料2的平整性并且满足去除Cr、Au的溶液不会与有机键合材料反应。

接着，通过光刻、腐蚀方法，只留下有机材料2上方的Cr、Au金属层，形成腐蚀高阻硅的金属掩膜图形。在此期间，形成盖板切痕8与盖板切除部分9。之后，采用5％至20％溶度的TMAH(四甲基氢氧化铵)溶液，在60至80℃的温度下，湿法腐蚀高阻硅盖板1，获得需要的封装腔体5。换句话说，在本实用新型实施期间，选用体硅腐蚀的方法来获得腔体，可以避免干法刻蚀的高温和轰击导致地有机键合材料完全固化或碳化，进而对随后的圆片级键合效果的影响，体硅腐蚀采用的腐蚀溶液为TMAH溶液，可以避免常规腐蚀液KOH溶液与硅反应时释放的热量对掩蔽层及有机材料2的损伤。为了提升产品质量，封装腔体5的深度在40至100μm，且封装腔体5内为惰性气体环境。

随后，腐蚀掉有机材料2上方的Cr、Au层，漏出平整的有机材料2。这种方法使得有机材料2在键合区域能够平整的分布，避免了其在布满腔体的盖板上直接旋涂后分布不平整而无法键合良好的问题。

本实用新型采用的封装盖板6与封装衬底7对准键合的步骤如下：

首先，将封装盖板6与封装衬底7对准并固定。之后，送入键合机中进行低温圆片级键合。在此期间，低温圆片级键合在惰性气体环境下完成，惰性气体可以是氮气、氦气和氩气中的一种或是多种。同时，圆片级键合的键合温度≤250℃。遮掩个，避免了高温对RFMEMS器件性能的影响。

进一步来看，本实用新型对键合后圆片引线焊盘引出的步骤如下：

首先，沿键合区域外侧横向切割盖板圆片，不切透，留20至50um的预留厚度。之后，针对沿键合区域外侧纵向切割盖板圆片，不切透，留20至50um的预留厚度。接着，使用具有粘性蓝膜粘贴在盖板圆片上，轻压盖板，令预留厚度未切透部分断裂。随后，撕下蓝膜，将盖板多余部分带下，漏出引线焊盘，形成封装顶盖10。最终，对圆片进行裂片，获得单颗RFMEMS封装结构。

本实用新型的工作原理如下：

实施例一

一种适用于低温键合式封装结构，其特别之处在于包括封装盖板制作、封装盖板与封装衬底对准键合、键合后圆片引线焊盘引出的步骤。

具体来说，采用的封装盖板制作的步骤如下，

首先，在平整的高阻硅盖板上旋涂有机材料，获得有机材料分布平整的高阻硅盖板。在此期间，采用的有机材料是苯并环丁烯(BCB)。之后，对有机材料进行光刻、显影，形成需要的键合图形。随后，在盖板上面分别溅射520nm的Cr层、50nm的Au层，构成金属薄膜。在此期间，Cr层用于为粘附层，Au层用于腐蚀阻止层。选择Cr、Au金属因为其应力较低，可以保证其不会影响有机材料的平整性并且满足去除Cr、Au的溶液不会与有机键合材料反应。

接着，通过光刻、腐蚀方法，只留下有机材料上方的Cr、Au金属层，形成腐蚀高阻硅的金属掩膜图形。之后，采用5％溶度的TMAH溶液，在60℃的温度下，湿法腐蚀高阻硅盖板，获得需要的封装腔体。为了提升产品质量，封装腔体的深度在40μm，且封装腔体内为惰性气体环境。

随后，腐蚀掉有机材料上方的Cr、Au层，漏出平整的有机材料。这种方法使得有机材料在键合区域能够平整的分布，避免了其在布满腔体的盖板上直接旋涂后分布不平整而无法键合良好的问题。

本实用新型采用的封装盖板与封装衬底对准键合的步骤如下：

首先，将封装盖板与封装衬底对准并固定。之后，送入键合机中进行低温圆片级键合。在此期间，低温圆片级键合在惰性气体环境下完成，惰性气体是氮气。同时，圆片级键合的键合温度≤250℃。遮掩个，避免了高温对RF MEMS器件性能的影响。

进一步来看，本实用新型对键合后圆片引线焊盘引出的步骤如下：

首先，沿键合区域外侧横向切割盖板圆片，不切透，留200um的预留厚度。之后，针对沿键合区域外侧纵向切割盖板圆片，不切透，留20um的预留厚度。接着，使用具有粘性蓝膜粘贴在盖板圆片上，轻压盖板，令预留厚度未切透部分断裂。随后，撕下蓝膜，将盖板多余部分带下，漏出引线焊盘，形成封装顶盖。最终，对圆片进行裂片，获得单颗RF MEMS封装结构。

实施例二

一种适用于低温键合式封装结构，其特别之处在于包括封装盖板制作、封装盖板与封装衬底对准键合、键合后圆片引线焊盘引出的步骤。

具体来说，采用的封装盖板制作的步骤如下，

首先，在平整的高阻硅盖板上旋涂有机材料，获得有机材料分布平整的高阻硅盖板。在此期间，采用的有机材料是聚酰亚胺(PI)。之后，对有机材料进行光刻、显影，形成需要的键合图形。随后，在盖板上面分别溅射20nm的Cr层、200nm的Au层，构成金属薄膜。在此期间，Cr层用于为粘附层，Au层用于腐蚀阻止层。选择Cr、Au金属因为其应力较低，可以保证其不会影响有机材料的平整性并且满足去除Cr、Au的溶液不会与有机键合材料反应。

接着，通过光刻、腐蚀方法，只留下有机材料上方的Cr、Au金属层，形成腐蚀高阻硅的金属掩膜图形。之后，采用20％溶度的TMAH溶液，在80℃的温度下，湿法腐蚀高阻硅盖板，获得需要的封装腔体。为了提升产品质量，封装腔体的深度在100μm，且封装腔体内为惰性气体环境。

随后，腐蚀掉有机材料上方的Cr、Au层，漏出平整的有机材料。这种方法使得有机材料在键合区域能够平整的分布，避免了其在布满腔体的盖板上直接旋涂后分布不平整而无法键合良好的问题。

本实用新型采用的封装盖板与封装衬底对准键合的步骤如下：

首先，将封装盖板与封装衬底对准并固定。之后，送入键合机中进行低温圆片级键合。在此期间，低温圆片级键合在惰性气体环境下完成，惰性气体是氦气。同时，圆片级键合的键合温度≤250℃。遮掩个，避免了高温对RF MEMS器件性能的影响。

进一步来看，本实用新型对键合后圆片引线焊盘引出的步骤如下：

首先，沿键合区域外侧横向切割盖板圆片，不切透，留50um的预留厚度。之后，针对沿键合区域外侧纵向切割盖板圆片，不切透，留50um的预留厚度。接着，使用具有粘性蓝膜粘贴在盖板圆片上，轻压盖板，令预留厚度未切透部分断裂。随后，撕下蓝膜，将盖板多余部分带下，漏出引线焊盘，形成封装顶盖。最终，对圆片进行裂片，获得单颗RF MEMS封装结构。

实施例三

一种适用于低温键合式封装结构，其特别之处在于包括封装盖板制作、封装盖板与封装衬底对准键合、键合后圆片引线焊盘引出的步骤。

具体来说，采用的封装盖板制作的步骤如下，

首先，在平整的高阻硅盖板上旋涂有机材料，获得有机材料分布平整的高阻硅盖板。在此期间，采用的有机材料是环氧树脂。之后，对有机材料进行光刻、显影，形成需要的键合图形。随后，在盖板上面分别溅射15nm的Cr层、150nm的Au层，构成金属薄膜。在此期间，Cr层用于为粘附层，Au层用于腐蚀阻止层。选择Cr、Au金属因为其应力较低，可以保证其不会影响有机材料的平整性并且满足去除Cr、Au的溶液不会与有机键合材料反应。

接着，通过光刻、腐蚀方法，只留下有机材料上方的Cr、Au金属层，形成腐蚀高阻硅的金属掩膜图形。之后，采用15％溶度的TMAH溶液，在70℃的温度下，湿法腐蚀高阻硅盖板，获得需要的封装腔体。为了提升产品质量，封装腔体的深度在60μm，且封装腔体内为惰性气体环境。

随后，腐蚀掉有机材料上方的Cr、Au层，漏出平整的有机材料。这种方法使得有机材料在键合区域能够平整的分布，避免了其在布满腔体的盖板上直接旋涂后分布不平整而无法键合良好的问题。

本实用新型采用的封装盖板与封装衬底对准键合的步骤如下：

首先，将封装盖板与封装衬底对准并固定。之后，送入键合机中进行低温圆片级键合。在此期间，低温圆片级键合在惰性气体环境下完成，惰性气体是氩气。同时，圆片级键合的键合温度≤250℃。遮掩个，避免了高温对RF MEMS器件性能的影响。

进一步来看，本实用新型对键合后圆片引线焊盘引出的步骤如下：

首先，沿键合区域外侧横向切割盖板圆片，不切透，留40um的预留厚度。之后，针对沿键合区域外侧纵向切割盖板圆片，不切透，留40um的预留厚度。接着，使用具有粘性蓝膜粘贴在盖板圆片上，轻压盖板，令预留厚度未切透部分断裂。随后，撕下蓝膜，将盖板多余部分带下，漏出引线焊盘，形成封装顶盖。最终，对圆片进行裂片，获得单颗RF MEMS封装结构。

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、封装盖板制作过程，先旋涂有机材料并图形化，然后溅射金属Cr、Au(铬、金)层作为掩蔽层保护有机材料，最后在硅片上形成封装腔，这种方法使得有机材料在键合区域能够平整的分布，避免了其在布满腔体的盖板上直接旋涂后分布不平整而无法键合良好的问题，使得增加了圆片级键合的有效键合面积，进而增强了产品键合后的气密性及可靠性等性能。

2、选择Cr层用于为粘附层，Au层用于腐蚀阻止层，因为其应力较低，可以保证其不会影响有机材料的平整性并且满足去除Cr、Au金属层的溶液不会与有机键合材料反应，进而不会影响产品键合效果。

3、选用体硅腐蚀的方法来获得腔体，可以避免干法刻蚀的高温和轰击会导致有机键合材料完全固化或碳化从而影响随后的圆片级键合效果，体硅腐蚀采用的腐蚀溶液为TMAH溶液，可以避免常规腐蚀液KOH溶液与硅反应时释放的热量对掩蔽层及有机材料的损伤。

4、密封环的制作集中在封装盖板上，使封装工艺对芯片的影响降到最小。同时密封环为有机材料，对键合表面平整度要求低，键合易于实现，成本低，键合效率高。

5、利用常规切割方式实现引线焊盘引出，大大降低了生产成本。

6、采用低温键合工艺进行射频器件的低温封装，在获得了良好的机械强度与气密性的同时还满足了对温度敏感的RF MEMS器件封装要求。

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 (3)

1.适用于低温键合式封装结构，包括有衬底，其特征在于：所述衬底上铺设有微波传输线，所述衬底上还铺设有电学连接线，所述微波传输线、电学连接线不接触，所述微波传输线上设置有射频微机电器件，所述衬底上分布有机材料键合环，所述机材料键合环上键合连接有封装盖板，所述有机材料键合环与微波传输线相接触，所述封装盖与衬底之间分布有封装腔体，所述射频微机电器件位于封装腔体内。

2.根据权利要求1所述的适用于低温键合式封装结构，其特征在于：所述微波传输线上开设有走线过道，所述电学连接线垂直分布在走线过道内。

3.根据权利要求1所述的适用于低温键合式封装结构，其特征在于：所述封装腔体内填充有惰性气体。