CN2626974Y

CN2626974Y - 一种可实现微机电系统器件气密密封装的结构

Info

Publication number: CN2626974Y
Application number: CN 03231290
Authority: CN
Inventors: 王立春; 罗乐; 肖克来提; 周萍
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2013-05-16

Abstract

本实用新型涉及一种实现微机电系统(MEMS)器件气密密封装的结构，其特征在于：(1)晶片上每个MEMS器件的周边上有一个焊料封环，键合区分布在焊料封环周边的一侧，并与MEMS器件通过介质下的导体形成电连接；(2)盖板基片上腔体与晶片上MEMS器件相对应，每个腔体周边有一凸凹相同结构的焊料封环，晶片上MEMS器件周边的焊料封环相对应，在四角上各有一限位块；焊料封环周边一侧上有一孔洞框，它与晶片上键合区相对应，它与外围配置电路构成集成化的MEMS；(3)晶体上焊料封环和腔体的封环夹层间形成气孔通道，分布于两封环夹层的四周。键合过程腔体内表面释放的气体从夹层的通道逃逸出去。

Description

一种可实现微机电系统器件气密密封装的结构

技术领域

本实用新型涉及一种可实现微机电系统(MEMS)器件气密密封装的结构，属于MEMS器件封装领域。

背景技术

MEMS(microelectromechanical system)是指采用微细加工技术制作的、集微型传感器、微型构件、微型执行器、信号处理、控制电路等于一体的系统。MEMS器件在许多领域都有十分广阔的应用前景。然而，在MEMS器件中，含有可动部件，这些可动部件很脆弱，极易受到划片和装配过程中的灰尘、气流、湿度、机械等因素的影响，从而造成器件的毁坏或器件的整体性能下降，因此，必须采取气密封装措施，保护这些关键部位。

为了实现MEMS器件的气密封装，人们提出了多种MEMS器件气密封装方法，其基本思想是将一个带腔体的盖板键合到另一个含MEMS器件晶片上，从而保护MEMS器件的可动部件。现今，MEMS器件气密封装的键合方法主要有：硅玻璃阳极健合、硅硅熔融键合、玻璃直接键合、低温玻璃键合、有机粘接剂键合和焊料键合等。硅玻璃阳极键合、硅硅熔融键合和玻璃直接键合工艺常需要在较高的温度下才能够实现，如阳极键合温度为450℃，硅硅熔融键温度高达1000℃，这样高的温度对要求低应力气密封装的MEMS器件是不适宜的，硅玻璃阳极键合、硅硅熔融键合要求键合的表面平整而光滑，表面上任何微小的机械划痕将会产生漏气，并影响气密特性。低温玻璃键合、有机粘接剂键合实现在较低温度下气密封装MEMS器件，一般用印刷的方法将玻璃浆料或有机粘接剂印在带有空腔的盖板或含可动部件MEMS器件的周边上，往往玻璃浆料或有机粘接剂的厚度难以控制，在键合过程中，多余的玻璃浆料或有机粘接剂熔化，流到MEMS器件可动部件的凹槽处，冷却后，玻璃浆料或有机粘接剂就会牢牢固定MEMS器件可动部件，造成MEMS器件功能失效。有机粘接剂在键合的过程中要释放一些溶剂和小分子气体，很难获得很好的气密特性。

焊料键合是气密封装MEMS器件的很重要的方法，它是采用回流方法将盖板上的腔体周边焊料封环键合到含MEMS器件周边封装上，形成气密封装MEMS器件。焊料一般为铟、锡、铟锡、铅锡等。在键合的过程中，这些焊料很容易氧化，使MEMS器件气密封装的可靠性下降。H.A.C.Tilmams等人在JOURNAL OF MICROELECTROMECHANGICAL SYSTEMS.VOL.9.NO.2.JUNE的一篇文章中提出了沟道回流气密封装(Indent Reflow Sealing)MEMS器件结构，这种结构的特点是采用机械方法在焊料上开了一个深为6μm、长为125μm沟道，主要的目的是用于封焊时气压的调节和实现气压可控，但在实际的预键合过程中，很难保证这样的一个沟道不闭合，也就是说很难有效地控制气密封装腔体内的气压。

发明内容

为了减小键合过程中热应力对MEMS器件的不利影响。克服现有MEMS器件气密封装的腔体内气压可控性差的缺点，提高MEMS器件气密封装的气密特性。本实用新型提出了实现MEMS器件气密封装的结构。该构造能够在较低的温度下实现MEMS器件的气密封装，不仅能够有效地控制气密封装腔体内的气压，而且提高MEMS器件气密封装的气密特性。

本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是：晶片上每个MEMS器件的周边上有一个焊料封环，键合区分布在焊料封环周边的一侧，并与MEMS器件通过介质下的导体形成电连接；盖板基片上腔体与晶片上MEMS器件相对应，每个腔体周边有一凸凹相间结构的焊料封环，不仅与晶片上MEMS器件周边的焊料封环相对应，且在四角上各有一限位块；焊料封环周边一侧上有一孔洞框，它与晶片上的键合区相对应，它与外围配置电路构成集成化的MEMS；对位和键合后，晶体上焊料封环和腔体的封环夹层间形成气孔通道，分布于两封环夹层的四周。在键合的过程中，随着键合温度的升高，腔体内表面释放的气体，很容易从夹层上的无数通道逃逸出去，在很短的时间内，就可达到腔体内外气压平衡，从而实现对MEMS器件腔体内的气压进行有效的控制，并可实现高真空下气密封装MEMS器件。MEMS器件周边上封环焊料构成都市SnIn/Pd，腔体周边上凸凹相间的封环焊料构成为Sn/Pd、SnAg/Pd、SnCu/Pd、SnZn/Pd、SnBi/Pd中的一种，铟的熔点是155℃，铟作为低温扩散层，可实现低温气密封装MEMS器件。钯薄膜作为保护层，可防键合过程中焊料氧化，并对焊料起活化作用，在键合的过程中，多种元素充分地混合互溶，产生多元合键合，异性元素的存在抑止了锡须的生长。在腔体周边上焊料封环的四角上各有限位块，可有效地控制焊料塌陷，控制封环夹层间焊料的厚度和均匀性，进一步提高了气密封装MEMS器件的气密特性。

本实用新型的有益效果：能够在较低的温度下实现MEMS器件的气密封装，不仅能够有效地控制气密封装腔体内的气压，而且提高了气密封装MEMS器件的气密特性。

附图说明

图1是阵列MEMS器件的晶片俯视图。

图2是阵列腔体的盖板俯视图。

图3是MEMS器件周边焊料封环的截面构造图。

图4是盖板上腔体周边焊料封环的截面构造图。

图5是腔体和MEMS器件周边焊料封环对位和预健合后的截面图。

图6是焊料键合后的封环夹层焊料截面图。

具体实施方式

为了能使本实用新型的优点和积极效果得到充分体现，下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

在图1中，在晶片101上，MEMS器件102是用半导体工艺制作的，每个MEMS器件102周边有一个焊料封环103。键合区104分布在焊料封环103周边的一侧，并与MEMS器件102通过介质层下导体形成电连接。

在图2中，盖板基片201可以是硅、玻璃或陶瓷基片。在基片201上腔体202与图1中晶片101上MEMS器件102相对应。基片201上每个腔体202周边有一个腔体焊料封环203，腔体焊料封环203与图1中MEMS器件102周边焊料封环103相对应。在腔体焊料封环203的四角上各有一个限位块204，有效地控制焊料塌陷，控制封环夹层间焊料的厚度和均匀性。腔体焊料封环203周边一侧上的孔洞框205与图1中的键合区104相对应，在气密封焊和划片后，孔洞框205便于检测气密封装后MEMS器件102的性能，并方便电连接，与外围配置电路构成集成化的MEMS。

图3是MEMS器件周边焊料封环的截面构造图。在晶片101上，焊料封环103是由5μm厚的金属膜(UBM)301、焊料层302、低温扩散层303和抗氧化层304构成，金属膜(UBM)301的膜层结构为Cr/Ni/Cu，是利用溅射并结合电镀或化学镀加厚而成的，金属膜(UBM)301的厚度为5μm。光刻形成封环图型，封环宽度一般为200-500μm。焊料层302是锡层，低温扩散层为铟层，可实现低温键合，用化学镀形成焊料层302和低温扩散层，锡和铟层的厚度各为2-3μm。抗氧化层304为一层钯薄膜，可用电镀或化学镀形成，钯薄膜303的厚度为0.2-0.5μm，可防键合过程中焊料氧化。

图4是盖板上腔体周边焊料封环的截面构造图。在盖板基片201上，腔体焊料封环203是由金属膜(UBM)301、凸凹相间的焊料层和抗氧化层304构成，其中，金属膜(UBM)301与图3中金属膜(UBM)301的膜层结构和厚度相同。凸凹相间的封环结构的形成方法是：首先用化学镀在铜的表面上形成1-2μm的锡层402、然后用图型电镀或或化学镀形成凸点焊料302，凸点焊料302构成为Sn、SnAg、SnCu、SnZn、SnBi其中的一种，凸凹相间的封环结构参数最好是：凸点间距为200μm、凸点宽度为100μm、凸点高度10μm。抗氧化层304的制成方法与图3中的形成方法一样。限位块204是由二层金属膜构成，第一层金属膜厚度为5μm，第二层金属膜用化学镀镍形成，通过厚度调节限位块204的高度。

图5所示的实施例是说明封环夹层上无数气孔通道的形成过程。首先，将晶片101放在可精确控温的热板上，用倒装焊机将盖板基片201上的焊料封环203与晶片101的焊料封环103进行对位后，由于盖板基片201上的焊料封环203是凸凹相间的结构，这样在封环上就形成气孔通道501，气孔通道501的尺寸为200×10μm²，这些气孔通道501分布于封环夹层的四周，然后，在设定的温度(100℃～150℃)和压力下，将盖板基片201上的焊料封环203与晶片101的焊料封环103进行预键合，晶片101的焊料封环103中的低温扩散层中铟将扩散进入凸点焊料302中，形成扩散键合。即使铟层熔融，由于铟层厚度有限，也不会将气孔通道501封住。

将图5中预键合好的盖板基片201和晶片101移至真空炉中，加热真空室至预键合温度，并保持充足的时间使焊料和腔体内的表面去气，快速提高温度，气体将很快地从气孔通道501逃逸出去，加热至焊料熔融时，将产生多元合金键合，气密封装MEMS器件102。腔体内的气体种类和气压可完全通过真空室自由调控。

图6所示的实施例是说明封环夹层焊料601厚度控制和均匀性。限位块204可很好地控制封环夹层焊料601的厚度和均匀性，限位块204的厚度是根据焊料密封环的结构参数和凸点的高度来定。具体地说，限位块204的厚度是根据焊料凸点的高度和焊料的占空比来定。在图5中，晶片101上焊料封环103的焊料厚度约5μm，盖板基片201上焊料封环203的焊料凸点403的高度为10μm，焊料的占空比为1∶2，限位块204的最大厚度为18.3μm，可将限位块204的厚度定为16～18μm，这样可将封环上焊料26的厚度均匀地控制在6～8μm之间。

由于晶片101上焊料封环103的焊料构成是Sn/In合金焊料，而盖板基片201上凸凹相间结构焊料封环上凸点焊料是Sn、SnAg、SnCu、SnZn和SnBi合金的一种，且它们的表层均有一层Pd保护膜，因而，在焊接熔融后，便可形成SnInPd、SnInAgPd、SnInCuPd、SnInZnPd、SnInBiPd多元合金，异性元素的存在抑制了锡须的生长。

Claims

1、一种实现MEMS器件气密封装的结构，其特征在于：

(1)晶片上每个MEMS器件的周边上有一个焊料封环，键合区分布在焊料封环周边的一侧，并与MEMS器件通过介质下的导体形成电连接；

(2)盖板基片上腔体与晶片上MEMS器件相对应，每个腔体周边有一凸凹相同结构的焊料封环，晶片上MEMS器件周边的焊料封环相对应，在四角上各有一限位块；焊料封环周边一侧上有一孔洞框，它与晶片上键合区相对应，它与外围配置电路构成集成化的MEMS；

(3)晶体上焊料封环和腔体的封环夹层间形成气孔通道，分布于两封环夹层的四周。

2、按权利要求1所述的实现MEMS器件气密封装的结构，其特征在于所述晶体上焊料封环是由金属膜、焊料层、低温扩展层和抗氧化层构成；封环宽度为200-500μm。

3、按权利要求2所述的实现MEMS器件气密封装的结构，其特征在于所述的金属膜结构为Cr/Ni/Cu，厚度为5μm；焊料层厚度为2-3μm；低温扩散层厚度为2-3μm；抗氧化层厚度0.2-0.5μm。

4、根据权利要求1所述的实现MEMS器件气密封装的结构，其特征在于盖板基片上腔体焊料封环是由金属膜、凹凸相间的结构层和抗氧化层构成；金属膜的结构为Cr/Ni/Cu；厚度5μm；凹凸相间的封环结构是凸点间距200μm；凸尖宽度100μm，凸尖高度10μm；限位块是由二层金属膜构成；第一层金属结构为Cr/Ni/Cu，厚度为5μm，限位块厚度由焊料凸点的高度和焊料占空比而定。

5、根据权利要求1所述的实现MEMS器件气密封装的结构，其特征在于所述的气孔通道尺寸为200×10μm²。