一种芯片封装结构、晶圆级芯片封装结构及制备方法与流程

本技术涉及半导体先进封装，尤其涉及一种芯片封装结构、晶圆级芯片封装结构及制备方法。

背景技术：

1、微机电系统（mems，micro-electro-mechanical systems）器件中大量包含可动微结构（如悬臂梁、梳齿电极、微镜等），这些结构对工作环境的洁净度极为敏感，微米级甚至亚微米级的灰尘颗粒即可导致器件卡滞或功能失效，因此气密封装是保障mems器件长期可靠性的必要手段。

2、现有封装技术通常采用在芯片表面粘接盖帽或密封盖的方式实现气密保护，然而此类粘接的密封结构密封不稳定，使得封装的mems器件可靠性不高。

技术实现思路

1、本技术要解决的问题是提供一种芯片封装结构、晶圆级芯片封装结构及制备方法，优化异构集成封装工艺，提升封装结构的封装质量。

2、为解决上述问题，本技术提供了一种芯片封装结构，包括：

3、芯片结构，所述芯片结构具有相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面具有第一键合环、第二键合环，所述第二键合环环绕在所述第一键合环的外侧，所述芯片结构还具有敏感结构，所述敏感结构设置在所述芯片结构靠近所述第一表面的一侧，并位于所述第一键合环内侧；

4、盖板，所述盖板具有相对设置的第三表面和第四表面，所述第三表面具有第三键合环、第四键合环，所述第四键合环环绕在所述第三键合环的外侧，所述盖板盖设于所述芯片结构的第一表面，所述第一键合环与所述第三键合环对应键合连接，所述第二键合环与所述第四键合环键合连接，使所述盖板与所述芯片结构在所述第一键合环、所述第三键合环内侧形成容纳所述敏感结构的密封腔。

5、在一可选的实施例中，所述第一键合环、所述第三键合环包括金属键合环，所述第二键合环、所述第四键合环包括绝缘介质键合环；

6、或者是，所述第一键合环、所述第三键合环、所述第二键合环、所述第四键合环均为金属键合环；

7、或者是，所述第一键合环、所述第三键合环、所述第二键合环、所述第四键合环均为绝缘介质键合环。

8、在一实施例中，所述金属键合环包括铜键合环、金键合环、镍键合环或者铝键合环；

9、所述绝缘介质键合环包括氧化硅键合环、氮化硅键合环、碳氮化硅键合环或者是有机绝缘介质键合环。

10、在一可选的实施例中，所述有机绝缘介质键合环包括聚酰亚胺键合环、光敏聚酰亚胺键合环或者苯并环丁烯键合环。

11、在一可选的实施例中，所述第一键合环远离所述第一表面的表面与所述第二键合环远离所述第一表面的表面共面设置，所述第三键合环远离所述第三表面的表面与所述第四键合环远离所述第三表面的表面共面设置。

12、在一可选的实施例中，所述盖板的第三表面还设置有凹槽，所述凹槽位于所述第三键合环内侧；

13、当所述盖板盖设于所述芯片结构的第一表面时，所述凹槽与所述芯片结构的敏感结构相对应设置，且所述凹槽的侧壁和底壁形成所述密封腔的部分侧壁。

14、在一可选的实施例中，所述密封腔内呈真空状态，或者是，所述密封腔内填充有惰性气体。

15、在一可选的实施例中，所述第一键合环与所述第二键合环之间无间隙，所述第三键合环与所述第四键合环无间隙。

16、在一可选的实施例中，所述第一键合环与所述第二键合环之间具有间隔距离，所述第三键合环与所述第四键合环之间具有间隔距离。

17、在一可选的实施例中，所述第一键合环与所述第二键合环同心；

18、所述第三键合环与所述第四键合环同心，且所述第三键合环、所述第四键合环分别与所述第一键合环、所述第二键合环相对应设置。

19、在一可选的实施例中，所述第一键合环具有多个和/或所述第二键合环具有多个，第一键合环与所述第二键合环沿径向交替排列；

20、所述第三键合环具有多个和/或所述第四键合环具有多个，第三键合环与所述第四键合环沿径向交替排列。

21、在一可选的实施例中，所述第一键合环、所述第二键合环分别具有多个，所述第一键合环、所述第二键合环的数量相同，且分别为2~4个；

22、所述第三键合环、所述第四键合环分别具有多个，所述第三键合环、所述第四键合环的数量相同，且分别为2~4个。

23、在一可选的实施例中，所述芯片结构的第二表面设置有重布线层；

24、所述芯片结构内具有第二导电连接结构，所述第二导电连接结构的两端分别与所述敏感结构、所述芯片结构第二表面的重布线层导电连接。

25、在一可选的实施例中，还包括转接板，所述转接板中具有第三导电连接结构，所述第三导电连接结构贯穿所述转接板相对设置的上表面和下表面，所述转接板设置在所述芯片结构的第一表面，且所述转接板的下表面与所述芯片结构的第一表面连接，所述转接板位于所述第一键合环和所述第二键合环的外侧；

26、所述芯片结构内具有第四导电连接结构，所述第四导电连接结构的两端分别与所述敏感结构、所述转接板的第三导电连接结构导电连接。

27、在一可选的实施例中，所述敏感结构包括可动微结构或者光敏结构；

28、所述盖板包括玻璃盖板或者硅盖板，当所述敏感结构包括光敏结构时，所述盖板包括透明的玻璃盖板。

29、在一可选的实施例中，所述敏感结构包括光敏结构；

30、所述敏感结构靠近所述盖板的一侧表面具有透明的绝缘介质层。

31、在一可选的实施例中，所述敏感结构包括多个，相邻两个所述敏感结构之间具有间隔距离，各个所述敏感结构外周分别设置有一组所述第一键合环、所述第二键合环；

32、所述盖板具有多组与位于各所述敏感结构外周的所述第一键合环、所述第二键合环相对应的第三键合环、第四键合环。

33、在一可选的实施例中，所述敏感结构包括多个，相邻两个所述敏感结构之间具有间隔距离，各个所述敏感结构外周设置有一组所述第一键合环、所述第二键合环；

34、所述盖板包括多个，各所述盖板具有一组与位于各所述敏感结构外周的所述第一键合环、所述第二键合环相对应的第三键合环、第四键合环；

35、或者是，所述盖板包括至少一个，至少一个所述盖板具有至少两组与位于至少两组所述敏感结构外周的所述第一键合环、所述第二键合环相对应的第三键合环、第四键合环。

36、本技术另一方面还提供一种芯片封装结构的制备方法，包括以下步骤：

37、提供芯片结构，所述芯片结构具有相对设置的第一表面和第二表面，在所述第一表面设置第一键合环、第二键合环，所述第二键合环环绕在所述第一键合环的外侧，并在所述芯片结构靠近所述第一表面的一侧、所述第一键合环内侧设置敏感结构；

38、提供盖板，所述盖板具有相对设置的第三表面和第四表面，在所述第三表面设置第三键合环、第四键合环，所述第四键合环环绕在所述第三键合环的外侧；

39、将所述盖板盖设于所述芯片结构的第一表面，使所述第一键合环与所述第三键合环对应键合连接，所述第二键合环与所述第四键合环键合连接，并使所述盖板与所述芯片结构在所述第一键合环、所述第三键合环内侧形成容纳所述敏感结构的密封腔。

40、本技术另一方面一种晶圆级芯片封装结构，包括：

41、芯片晶圆，所述芯片晶圆具有相对设置的第五表面和第六表面，所述芯片晶圆在所述第五表面具有至少一个芯片结构区域，所述芯片结构区域具有敏感结构，所述敏感结构设置在所述芯片结构靠近所述第一表面的一侧，所述芯片结构区域具有位于所述第五表面的第一键合环、第二键合环，所述第二键合环环绕在所述第一键合环的外侧，所述第一键合环位于所述敏感结构的外周侧；

42、盖板晶圆，所述盖板晶圆具有相对设置的第七表面和第八表面，所述盖板晶圆在所述第七表面具有至少一个与所述芯片结构区域相对应的盖板区域，所述盖板区域具有位于所述第七表面的第三键合环、第四键合环，所述第四键合环环绕在所述第三键合环的外侧，所述盖板晶圆盖设于所述芯片晶圆的第五表面，所述芯片结构区域的第一键合环与所述盖板区域的第三键合环对应键合连接，所述芯片结构区域的第二键合环与所述盖板区域的第四键合环键合连接，所述盖板区域与所述芯片结构区域在所述第一键合环、所述第三键合环内侧形成容纳所述芯片结构区域的敏感结构的密封腔；

43、当所述芯片结构区域包括多个时，相邻所述芯片结构区域之间具有切割道区域，当所述盖板区域包括多个时，相邻盖板区域之间具有切割道区域。

44、本技术另一方面还提供一种晶圆级芯片封装结构的制备方法，包括以下步骤：

45、提供芯片晶圆，所述芯片晶圆具有相对设置的第五表面和第六表面，所述芯片晶圆在所述第五表面具有至少一个芯片结构区域，所述芯片结构区域具有敏感结构，所述敏感结构设置在所述芯片结构靠近所述第一表面的一侧，在所述第五表面的所述芯片结构区域对应形成第一键合环、第二键合环，所述第二键合环环绕在所述第一键合环的外侧，所述第一键合环位于所述敏感结构的外周侧；

46、提供盖板晶圆，所述盖板晶圆具有相对设置的第七表面和第八表面，所述盖板晶圆在所述第七表面具有至少一个与所述芯片结构区域相对应的盖板区域，在所述第七表面的所述盖板区域形成第三键合环、第四键合环，所述第四键合环环绕在所述第三键合环的外侧；

47、将所述盖板晶圆与所述芯片晶圆键合，所述芯片结构区域的第一键合环与所述盖板区域的第三键合环对应键合连接，所述芯片结构区域的第二键合环与所述盖板区域的第四键合环键合连接，所述盖板区域与所述芯片结构区域在所述第一键合环、所述第三键合环内侧形成容纳所述芯片结构区域的敏感结构的密封腔。

48、在一可选的实施例中，所述芯片结构区域包括多个，相邻所述芯片结构区域之间具有切割道区域，所述盖板区域包括多个，相邻盖板区域之间具有切割道区域；

49、还包括沿切割道区域进行切割，使各所述芯片结构区域对应形成单个的芯片封装结构。

50、在一可选的实施例中，所述第一键合环、所述第三键合环包括金属键合环，所述第二键合环、所述第四键合环包括绝缘介质键合环；

51、通过混合键合工艺将所述盖板晶圆与所述芯片晶圆键合。

52、在一可选的实施例中，至少一个所述盖板区域与所述盖板晶圆为一体式结构，或者是，至少一个所述盖板区域粘接在所述盖板晶圆的第七表面。

53、本技术的技术方案的优点在于：

54、本技术的芯片封装结构在芯片结构的第一表面设置第一键合环、第二键合环，将所述敏感结构设置在所述第一键合环内侧；在盖板的第三表面嵌套设置第三键合环、第四键合环，通过第一键合环与第三键合环直接键合、第二键合环与第四键合环直接键合，使芯片结构与盖板的键合界面形成原子级接触，并使芯片结构与盖板形成容纳敏感结构的密封腔。相较于传统粘接密封，本技术的芯片封装结构可以避免现有技术使用粘接层形成密封腔时粘接层因热膨胀失配、有机挥发物逸出或界面老化导致的密封失效，使芯片封装结构的密封稳定性显著提升，进而使mems器件的气密性和长期可靠性得到增强。同时，所述第一键合环与所述第三键合环对应键合连接，所述第二键合环与所述第四键合环键合连接，这种内外双层键合环的双层键合结构，能够形成多层密封结构，内层键合环（第一键合环与第三键合环）实现主气密封接，外层键合环（第二键合环与第四键合环）构成辅助密封屏障，即密封腔外侧至少具有两层键合结构，实现密封腔的多重密封。当内层键合环因微观缺陷或界面渗透发生泄漏时，外层键合环仍可有效阻断泄漏路径，将单一密封界面的直通泄漏路径转变为双重泄漏路径，显著降低密封结构的整体失效风险。同时，所述芯片结构与所述盖板直接键合形成密封腔，无需额外芯片结构或管座参与腔体围成，简化了封装层级，缩短了热传导路径，提升了mems器件的热稳定性与结构紧凑性。

55、进一步地，在一实施例中，所述芯片结构与所述盖板通过混合键合连接：所述第一键合环与所述第三键合环通过金属-金属键合实现电性互连、气密封接与机械固定，所述第二键合环与所述第四键合环的绝缘介质键合环通过介质-介质键合形成气密封接，金属键合与介质键合同步完成，无需额外密封材料或粘接层，键合界面达到原子级接触，密封稳定性显著优于传统粘接方案。