CN207973508U - 一种mems晶圆级封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种MEMS晶圆级封装结构，所述结构至少包括：晶圆，所述晶圆表面形成有MEMS结构和与所述MEMS结构电连的焊盘；具有深腔的盖帽层，键合于所述晶圆表面，所述MEMS结构容纳于所述深腔中；连接线，形成于所述焊盘表面；塑封层，形成于所述晶圆表面且覆盖所述盖帽层、所述连接线及所述焊盘；重新布线层，形成于所述塑封层表面且与所述连接线电性连接；金属凸块，形成于所述重新布线层上。本实用新型先在焊盘表面形成垂直的连接线，再形成覆盖连接线及盖帽层的塑封层，实现对MEMS结构的有效封装，这样可以避免采用传统的TSV封装结构，成本大幅度降低。

Description

一种MEMS晶圆级封装结构

技术领域

本实用新型涉及半导体封装技术领域，特别是涉及一种MEMS晶圆级封装结构。

背景技术

微机电系统(Micro Electro-Mechanical Systems，MEMS)涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微麦克风、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品，其中MEMS传感器占相当大的比例。

MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。在消费电子、智能终端和可穿戴产品等领域应用中，要求MEMS传感器尺寸、成本进一步降低，同时提高集成度和性能，因此，以TSV(硅通孔，Through Si Vias)为主的三维封装集成技术在MEMS领域引起很大关注。传统的TSV技术是将盖帽层与晶圆键合后，直接在盖帽层上制作通孔，再在通孔中填充导电金属，以电连至晶圆中的焊盘，但是这种TSV技术成本较高，并且存在技术壁垒。

因此，提供一种新的MEMS晶圆级封装结构是本领域技术人员需要解决的课题。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种MEMS晶圆级封装结构，用于解决现有技术中MEMS晶圆级封装所采用的TSV技术成本高的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种MEMS晶圆级封装结构，所述MEMS晶圆级封装结构至少包括：

晶圆，所述晶圆表面形成有MEMS结构和与所述MEMS结构电连的焊盘；

具有深腔的盖帽层，键合于所述晶圆表面，所述MEMS结构容纳于所述深腔中；

连接线，形成于所述焊盘表面，所述连接线的顶端不低于所述盖帽层的顶面；

塑封层，形成于所述晶圆表面且覆盖所述盖帽层、所述连接线及所述焊盘；

重新布线层，形成于所述塑封层表面且所述重新布线层与所述连接线电性连接；

金属凸块，形成于所述重新布线层上。

作为本实用新型MEMS晶圆级封装结构的一种优化的方案，所述MEMS结构包括固定结构和与所述固定结构相连的悬空结构。

作为本实用新型MEMS晶圆级封装结构的一种优化的方案，所述盖帽层的材质包括硅、玻璃、金属、半导体、聚合物及陶瓷材料中的一种。

作为本实用新型MEMS晶圆级封装结构的一种优化的方案，所述盖帽层与所述晶圆之间还包括粘合层。

作为本实用新型MEMS晶圆级封装结构的一种优化的方案，所述连接线的材质包括铜、金、钯及铝中一种或多种的组合。

作为本实用新型MEMS晶圆级封装结构的一种优化的方案，所述连接线的高度大于所述盖帽层的厚度。

作为本实用新型MEMS晶圆级封装结构的一种优化的方案，所述塑封层的材质包括环氧基树脂、液体型热固环氧树脂及塑性化合物中的一种。

作为本实用新型MEMS晶圆级封装结构的一种优化的方案，所述重新布线层包括介质层和形成于所述介质层中的单层或多层金属结构，所述单层或多层金属结构的材质包括铜、铝及钛中的一种或多种的组合。

作为本实用新型MEMS晶圆级封装结构的一种优化的方案，所述金属凸块包括金属柱或者金属球，所述金属凸块的材质包括铜、镍及锡中一种或多种的组合。

如上所述，本实用新型的MEMS晶圆级封装结构，所述结构至少包括：晶圆，所述晶圆表面形成有MEMS结构和与所述MEMS结构电连的焊盘；具有深腔的盖帽层，键合于所述晶圆表面，所述MEMS结构容纳于所述深腔中；连接线，形成于所述焊盘表面；塑封层，形成于所述晶圆表面且覆盖所述盖帽层、所述连接线及所述焊盘；重新布线层，形成于所述塑封层表面且与所述连接线电性连接；金属凸块，形成于所述重新布线层上。本实用新型先在焊盘表面形成垂直的连接线，再形成覆盖连接线及盖帽层的塑封层，实现对MEMS结构的有效封装，这样可以避免采用传统的TSV封装结构，成本大幅度降低。

附图说明

图1为本实用新型MEMS晶圆级封装方法的流程示意图。

图2为本实用新型MEMS晶圆级封装方法步骤1)所呈现的结构示意图。

图3～图4为本实用新型MEMS晶圆级封装方法步骤2)所呈现的结构示意图。

图5～图7为本实用新型MEMS晶圆级封装方法步骤3)所呈现的结构示意图。

图8～图9为本实用新型MEMS晶圆级封装方法步骤4)所呈现的结构示意图。

图10～图11为本实用新型MEMS晶圆级封装方法步骤5)所呈现的结构示意图。

图12为本实用新型MEMS晶圆级封装方法步骤6)所呈现的结构示意图。

图13为本实用新型MEMS晶圆级封装方法步骤7)所呈现的结构示意图。

元件标号说明

1 晶圆

2 MEMS结构

3 焊盘

4 盖帽层

5 深腔、第一深腔

6 第二深腔

7 粘合层

8 连接线

9 塑封层

10 介质层

11 开口

12 单层或多层金属结构

13 金属凸块

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图13所示，本实施例提供一种MEMS晶圆级封装结构，所述MEMS晶圆级封装结构至少包括：

晶圆1，所述晶圆1表面形成有MEMS结构2和与所述MEMS结构2电连的焊盘3；

具有深腔5的盖帽层4，键合于所述晶圆1表面，所述MEMS结构2容纳于所述深腔5中；

连接线8，形成于所述焊盘3表面，所述连接线8的顶端不低于所述盖帽层4的顶面；

塑封层9，形成于所述晶圆1表面且覆盖所述盖帽层4、所述连接线8及所述焊盘3；

重新布线层，形成于所述塑封层9表面且所述重新布线层12与所述连接线8电性连接；

金属凸块13，形成于所述重新布线层表面。

需要说明的是，所述焊盘3形成在所述晶圆1的表面且所述焊盘3的表面不高于所述晶圆1的表面。形成所述焊盘3的步骤可以包括：先通过光刻及刻蚀工艺在所述晶圆1的表面形成凹槽，然后在凹槽中填充金属材料形成焊盘3。所述MEMS结构2通过所述焊盘3与后续的连接线8、重新布线层12以及金属凸块13电连，最后连接至外界电路。

所述MEMS结构2则形成在所述晶圆1表面上，其凸出于所述晶圆1的表面。作为示例，所述MEMS结构2包括固定结构和与所述固定结构相连的悬空结构。所述固定结构固定于所述晶圆表面，所述悬空结构在外力作用下可以运动。

所述晶圆1可以是半导体，诸如硅，而在其他实施例中，可以包括硅锗(SiGe)、碳化硅等等。所述盖帽层4的材料与所述晶圆1的材料可以相同，也可以不同。作为示例，所述盖帽层4包括硅、玻璃、金属、半导体、聚合物及陶瓷材料中的一种。

作为示例，在所述盖帽层4与所述晶圆1之间还可以包括粘合层7。所述粘合层7可以是浆剂(paste)，也可以是胶(glue)，在此不限，只要通过粘合层7能将所述MEMS结构2密封于所述深腔5中即可。

需要说明的是，所述深腔5的深度以不阻碍所述悬空结构运动为准。

作为示例，所述连接线8的材质包括铜、金、钯及铝中一种或多种的组合。所述连接线8为垂直线，即所述连接线8与所述焊盘3表面垂直。本实施例中，所述连接线8选择为金线。

作为示例，所述连接线8的高度大于所述盖帽层4的厚度。所述塑封层9的表面与所述连接线8的顶端齐平，因此，所述塑封层9的厚度与所述连接线8的高度相等，这样所述塑封层9可以将所述盖帽层4全部覆盖，所述MEMS结构2从里往外依次可以通过所述盖帽层4、塑封层9密封，其密封效果更好。另外，相比于现有技术中的TSV结构，制作本实用新型连接线8与塑封层9的嵌入式结构，成本更低。

作为示例，所述塑封层9的材质包括环氧基树脂(epoxy-based resin)、液体型热固环氧树脂(a liquid type thermoset epoxy resin)及塑性化合物(plastic moldingcompound)中的一种。本实施例中，所述塑封层9的材质选择环氧基树脂。

作为示例，所述重新布线层包括介质层10和形成于所述介质层10中的单层或多层金属结构12，所述单层或多层金属结构12的材质包括铜、铝及钛中的一种或多种的组合。本实施例中，所述单层或多层金属结构12的材质为铜。

作为示例，所述金属凸块13包括金属柱或者金属球，所述金属凸块13的材质包括铜、镍及锡中一种或多种的组合。本实施例中，所述金属凸块13为金属锡球。

如图1所示，本实施例还提供一种MEMS晶圆级封装方法，该方法可以形成上述封装结构，所述封装方法至少包括如下步骤：

首先执行步骤S1，如图2所示，提供晶圆1，在所述晶圆1表面形成MEMS结构2和与所述MEMS结构2电连的焊盘3。

需要说明的是，所述焊盘3形成在所述晶圆1的表面且所述焊盘3的表面不高于所述晶圆1的表面。形成所述焊盘3的步骤可以包括：先通过光刻及刻蚀工艺在所述晶圆1的表面形成凹槽，然后在凹槽中填充金属材料形成焊盘3。所述MEMS结构2通过所述焊盘3与后续的连接线8、重新布线层12以及金属凸块13电连，最后连接至外界电路。

所述MEMS结构2则形成在所述晶圆1表面上，其凸出于所述晶圆1的表面。作为示例，所述MEMS结构2包括固定结构和与所述固定结构相连的悬空结构。所述固定结构固定于所述晶圆表面，所述悬空结构在外力作用下可以运动。

所述晶圆可以是半导体，诸如硅，而在其他实施例中，可以包括硅锗(SiGe)、碳化硅等等。

然后执行步骤S2，如图3～图4所示，提供具有第一深腔5的盖帽层4，将所述盖帽层4对准放置于所述晶圆1表面，以使所述MEMS结构2容纳于所述第一深腔5中，并将所述盖帽层4与所述晶圆1键合。

如图3所示为具有第一深腔5的盖帽层4，所述第一深腔5的深度以不阻碍所述悬空结构运动为准。

作为示例，如图3所示，所述盖帽层4优选还具有第二深腔6，将所述盖帽层4对准放置于所述晶圆1表面后，所述第二深腔6罩于所述焊盘3上方，并且所述第二深腔6外周部的所述盖帽层4与所述晶圆1之间未进行键合，方便进行后续步骤S3中的切割去除工艺。所述第二深腔6的深度不限，为了制作方便，所述第二深腔6与所述第一深腔5的深度相等。所述第一深腔5和所述第二深腔6可以通过光刻及刻蚀的工艺获得。

作为示例，所述盖帽层4与所述晶圆1之间可以采用玻璃浆料键合、熔融键合、阳极键合、金属-金属键合及通过粘合层7中的一种方式进行键合。本实施例中，通过粘合层7进行键合，所述粘合层7可以是浆剂(paste)，也可以是胶(glue)，在此不限，只要通过粘合层7能将所述MEMS结构2密封于所述第一深腔5中即可。具体地，先在所述晶圆1上的MEMS结构2周围涂覆粘合层7，然后将盖帽层4的第一深腔5对准所述MEMS结构2，使所述MEMS结构2容纳于其中，再施加一定力度，使所述盖帽层4牢牢地与所述粘结层7粘附在一起，如图4所示。

作为示例，所述盖帽层4包括硅、玻璃、金属、半导体、聚合物及陶瓷材料中的一种。所述盖帽层4的材料与所述晶圆1的材料可以相同，也可以不同。

然后执行步骤S3，如图5～图7所示，去除所述焊盘3上的所述盖帽层4以显露所述焊盘3，在所述焊盘3表面形成连接线8，所述连接线8的顶端不低于所述盖帽层4的顶面。

需要说明的是，除了用于围成所述第一深腔5以容纳所述MEMS结构2的盖帽层4，其余部分的盖帽层4全都去除，露出所述焊盘3以及晶圆1表面，如图6所示为去除盖帽层4后获得的结构。

优选地，可以沿着附图5中虚线方向切割所述盖帽层4，通过切割所述第二深腔6上方的盖帽层4，从而去除所述焊盘3表面的盖帽层4，该切除工艺简单，成本低。

作为示例，采用引线键合或者电镀的方法在所述焊盘3表面形成连接线8，所述连接线8的材质包括铜、金、钯及铝中一种或多种的组合。所述连接线8为垂直线，即所述连接线8与所述焊盘3表面垂直。本实施例中，所述连接线8选择为金线。

作为示例，所述连接线8的高度大于所述盖帽层4的厚度。

然后执行步骤S4，如图8所示，在所述晶圆1表面形成塑封层9，所述塑封层9覆盖所述盖帽层4、所述连接线8及所述焊盘3，如图9所示，再减薄所述塑封层9，以显露所述连接线8。

作为示例，所述塑封层9的材质包括环氧基树脂(epoxy-based resin)、液体型热固环氧树脂(a liquid type thermoset epoxy resin)及塑性化合物(plastic moldingcompound)中的一种。本实施例中，所述塑封层9的材质选择环氧基树脂。

作为示例，可以采用压缩成型工艺、传递模塑工艺、液体密封剂固化成型工艺、真空层压工艺及旋涂工艺中的一种在所述晶圆1表面形成塑封层9。

减薄之后，所述塑封层9表面与所述连接线8的顶端齐平，因此，所述塑封层9的厚度与所述连接线8的高度相等，这样所述塑封层9可以将所述盖帽层4全部覆盖，所述MEMS结构2从里往外依次可以通过所述盖帽层4、塑封层9密封，其密封效果更好。另外，相比于现有技术中的TSV工艺，本实用新型制作连接线8与塑封层9的工艺成本更低。

然后执行步骤S5，如图10和11所示，在所述塑封层9表面形成重新布线层，所述重新布线层与所述连接线8电性连接。

具体地，所述重新布线层包括介质层10和形成于所述介质层10中的单层或者多层金属结构12。具体形成过程为：如图10所示，在所述塑封层9表面先形成介质层10，并在所述介质层10中形成暴露出所述连接线8顶端的开口11；再如图11所示，在所述开口11中形成与所述连接线8电连的单层或者多层金属结构12。此外，若所述介质层中形成为多层金属结构，可以采用介质层10与金属层交替制作的方式在所述介质层10中形成多层金属结构12。

作为示例，所述单层或多层金属结构12材质包括铜、铝及钛中的一种或多种的组合。本实施例中，所述单层或多层金属结构12为铜。

作为示例，所述介质层10可以采用低k介电材料。作为示例，所述介质层10可以采用环氧树脂、硅胶、PI、PBO、BCB、氧化硅、磷硅玻璃及含氟玻璃中的一种材料，并可以采用诸如旋涂、CVD、等离子增强CVD等工艺形成介质层10。

然后执行步骤S6，如图12所示，在所述重新布线层表面形成金属凸块13。

具体地，所述金属凸块13形成于所述重新布线层中的所述单层或多层金属结构12表面。

作为示例，所述金属凸块13包括金属柱或者金属球，所述金属凸块13的材质包括铜、镍及锡中一种或多种的组合。本实施例中，所述金属凸块13为金属锡球。

然后执行步骤S7，如图13所示，切割，形成独立的MEMS封装结构。

沿着如图12中所示虚线方向进行切割，从而得到如图13所示的MEMS封装结构。

综上所述，本实用新型提供一种MEMS晶圆级封装结构，所述结构至少包括：晶圆，所述晶圆表面形成有MEMS结构和与所述MEMS结构电连的焊盘；具有深腔的盖帽层，键合于所述晶圆表面，所述MEMS结构容纳于所述深腔中；连接线，形成于所述焊盘表面；塑封层，形成于所述晶圆表面且覆盖所述盖帽层、所述连接线及所述焊盘；重新布线层，形成于所述塑封层表面且与所述连接线电性连接；金属凸块，形成于所述重新布线层上。本实用新型先在焊盘表面形成垂直的连接线，再形成覆盖连接线及盖帽层的塑封层，实现对MEMS结构的有效封装，这样可以避免采用传统的TSV封装结构，成本大幅度降低。

所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种MEMS晶圆级封装结构，其特征在于，所述MEMS晶圆级封装结构至少包括：

晶圆，所述晶圆表面形成有MEMS结构和与所述MEMS结构电连的焊盘；

具有深腔的盖帽层，键合于所述晶圆表面，所述MEMS结构容纳于所述深腔中；

连接线，形成于所述焊盘表面，所述连接线的顶端不低于所述盖帽层的顶面；

塑封层，形成于所述晶圆表面且覆盖所述盖帽层、所述连接线及所述焊盘；

重新布线层，形成于所述塑封层表面且所述重新布线层与所述连接线电性连接；

金属凸块，形成于所述重新布线层上。

2.根据权利要求1所述的MEMS晶圆级封装结构，其特征在于：所述MEMS结构包括固定结构和与所述固定结构相连的悬空结构。

3.根据权利要求1所述的MEMS晶圆级封装结构，其特征在于：所述盖帽层的材质包括硅、玻璃、金属、半导体、聚合物及陶瓷材料中的一种。

4.根据权利要求1所述的MEMS晶圆级封装结构，其特征在于：所述盖帽层与所述晶圆之间还包括粘合层。

5.根据权利要求1所述的MEMS晶圆级封装结构，其特征在于：所述连接线的材质包括铜、金、钯及铝中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的MEMS晶圆级封装结构，其特征在于：所述连接线的高度大于所述盖帽层的厚度。

7.根据权利要求1所述的MEMS晶圆级封装结构，其特征在于：所述塑封层的材质包括环氧基树脂、液体型热固环氧树脂及塑性化合物中的一种。

8.根据权利要求1所述的MEMS晶圆级封装结构，其特征在于：所述重新布线层包括介质层和形成于所述介质层中的单层或多层金属结构，所述单层或多层金属结构的材质包括铜、铝及钛中的任意一种。

9.根据权利要求1所述的MEMS晶圆级封装结构，其特征在于：所述金属凸块包括金属柱或者金属球，所述金属凸块的材质包括铜、镍及锡中的任意一种。