微机电系统封装结构及其制作方法与流程

本发明涉及一种封装结构及其制作方法，且特别是涉及一种微机电系统封装结构(Microelectromechanical System,MEMS)及其制作方法。

背景技术：

微机电系统(Microelectromechanical System,MEMS)是于微型化的封装结构中所制作的微机电元件，且其相关的制造技术相当类似于制作集成电路(Integrated Circuits,ICs)的技术。然而，微机电元件与其周遭环境互动的方式则多于传统的集成电路，例如力学、光学或磁力上的互动。

微机电系统装置可以包括微小化的电机构件(例如是开关、反射镜、电容器、加速器、感应器、电容感应器或致动器等)，且微机电系统装置可以以单块(Single Block)的方式整合于集成电路中，从而显著地改进插入损耗(Insertion Loss)或整体固态元件的电隔离效应(Electrical Isolation Effect)。然而，在巨观世界的整体封装结构下，微机电系统装置是极为脆弱且有可能被在任意时刻下轻微的静电或表面张力导致损害。因此，为了避免微机电系统装置受到污染或破坏，现今以单块的方式整合于集成电路中的微机电系统装置通过胶体密封基底与盖体之间的空间。然而，胶体在高温或高湿度环境下有可能裂开且易产生除气现象(Outgassing Phenomena)，使得在高温或高湿度环境下使用一段时间后，湿气有可能浸入基底与盖体之间的空间，因而影响微机电系统装置的正常操作。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种微机电系统封装结构，其具有良好的湿气阻隔特性。

本发明的再一目的在于提供一种制作上述所提到的微机电系统封装结构的制作方法。

本发明提供一种微机电系统(Microelectromechanical System,MEMS) 封装结构，包括基底、微机电系统装置、第一盖体、第二盖体以及玻璃料。基底包括凹槽。微机电系统装置配置于凹槽内。第一盖体配置于凹槽内且覆盖微机电系统装置。第二盖体配置于基底上且覆盖凹槽。玻璃料配置于基底与第二盖体之间以密封凹槽。

在本发明的一实施例中，上述的基底、玻璃料以及第二盖体的热膨胀系数实质上相似。

本发明提供一种微机电系统(Microelectromechanical System,MEMS)封装结构，包括基底、微机电系统装置、第一盖体、第二盖体、第一金属框以及第一密封介质。基底包括凹槽。微机电系统装置配置于凹槽内。第一盖体配置于凹槽内且覆盖微机电系统装置。第一金属框配置于第二盖体的周围且第二盖体与第一金属框共同配置于基底上且覆盖凹槽。第一密封介质配置于第一金属框与基底之间。

在本发明的一实施例中，上述的第一金属框直接固定于第二盖体。

在本发明的一实施例中，上述的第一金属框通过玻璃料固定于第二盖体。

在本发明的一实施例中，上述的第一金属框、玻璃料以及第二盖体的热膨胀系数实质上相似。

在本发明的一实施例中，上述的微机电系统封装结构还包括第二金属框与第二密封介质。第二金属框配置于第一金属框与第一密封介质之间。第二密封介质配置于第一金属框与第二金属框之间。

本发明提供一种制作微机电系统(Microelectromechanical System,MEMS)封装结构的制作方法包括：提供基底，其中基体包括凹槽。配置被第一盖体覆盖的微机电系统装置于凹槽内。配置玻璃料于第二盖体上或基底上。配置第二盖体于基底上，其中第二盖体覆盖凹槽且玻璃料配置于基底与第二盖体之间。熔化玻璃料以密封凹槽。

在本发明的一实施例中，上述熔化步骤之前还包括：加热玻璃料至小于玻璃料的熔点温度的中介温度。

在本发明的一实施例中，上述的第一金属框、玻璃料以及第二盖体的热膨胀系数实质上相似。

本发明提供一种制作微机电系统(Microelectromechanical System,MEMS)封装结构的制作方法包括：提供基底，其中基体包括凹槽。配置被 第一盖体覆盖的微机电系统装置于凹槽内。提供第二盖体且配置第一金属框于第二盖体的周围。配置第一密封介质于基底上或第一金属框。共同配置第二盖体与第一金属框于基底上，其中第二盖体与第一金属框覆盖凹槽，且第一密封介质配置于第一金属框与基底之间。加热第一密封介质以密封第一金属框与基底。

在本发明的一实施例中，上述在配置第一金属框于第二盖体的周围的步骤中，还包括：加热至第二盖体的一软化温度使第二盖体固定于第一金属框。抛光第二盖体。

在本发明的一实施例中，上述的加热至第二盖体的一软化温度的步骤前，还包括：对第一金属框进行高温氧化制作工艺。

在本发明的一实施例中，上述的配置第一金属框于第二盖体的周围的步骤中，还包括：配置玻璃料于第一金属框与第二盖体之间。熔化玻璃料以使第一金属框固定于第二盖体。

在本发明的一实施例中，上述的第一金属框、玻璃料以及第二盖体的热膨胀系数实质上相似。

在本发明的一实施例中，上述的微机电系统封装结构的制造方法还包括：配置第二金属框于第一密封介质上。配置第二密封介质于第二金属框上，其中第二密封介质配置于第一金属框与第二金属框之间。加热第二密封介质以密封第一金属框与第二金属框。

基于上述，本发明的实施例的微机电系统封装结构利用第一盖体覆盖微机电系统装置以避免微机电系统装置受到污染且对微机电系统装置提供第一湿气保护。此外，微机电系统装置与第一盖体配置于基底的凹槽中，第二盖体通过玻璃料密封于基底或通过环绕于第二盖体的第一金属框通过第一密封介质来密封于基底，以使第二盖体、基底以及玻璃料的组合或第二盖体、基底、第一金属框以及第一密封介质的组合对微机电系统装置提供第二湿气保护。传统上，第二盖体通过胶体粘结于基底，而这有可能衍生湿气渗入的议题以及胶体在高温环境下除气的议题。在本发明的实施例的微机电系统封装结构中，玻璃料以及环绕于第二盖体的第一金属框与第一密封介质代替了胶体，以使凹槽的空气气密性可以被提升且除气的议题也可以避免。因此，本发明的实施例的微机电系统封装结构提供较好的湿气阻隔特性。另外，上述提到的微机电系统封装结构的制作方法进一步被提出。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。

附图说明

图1A至图1D为本发明一实施例的微机电系统封装结构的制作方法的概要示意图；

图2A至图2E为本发明另一实施例的微机电系统封装结构的制作方法的概要示意图；

图2F至图2G为本发明另一实施例的微机电系统封装结构的制作方法的概要示意图；

图2H至图2I为本发明另一实施例的微机电系统封装结构的制作方法的概要示意图。

符号说明

100、200、200a、200b：微机电系统封装结构

110、210：基底

112、212：凹槽

115：芯片

117：主动表面

120、220：微机电系统装置

130、230：第一盖体

132：空穴

132a：顶表面

134：密封胶

136：湿气阻隔层

140、240：第二盖体

150、250：玻璃料

270、270b：第一金属框

280：第一密封介质

285：第二密封介质

290：第二金属框

D：距离

H：高度

具体实施方式

图1A至图1D为根据本发明一实施例的微机电系统封装结构的制作方法的概要示意图。微机电系统(Microelectromechanical System,MEMS)封装结构的制作方法包括下列步骤。请参照图1A，提供基底110，其中基底110包括凹槽112。在本实施例中，基底110的材料为陶瓷材料(Ceramic)，但基底110的材料并不以此为限。

接着，请参照图1B，配置被第一盖体130覆盖的至少一微机电系统装置120于基底110的凹槽112内。第一盖体130覆盖在微机电系统装置120上，其能够避免微机电系统装置120受到污染(污染源例如是悬浮微粒)。详言之，在本实施例中，微机电系统装置120配置于芯片115的主动表面117上。芯片115例如是光学感应芯片中的电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)或互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal-oxide Semiconductor，CMOS)，且主动表面117例如是一图像感应区。但是芯片115的种类与主动表面117并不限于此。在本实施例中，微机电系统装置120为反射镜，但微机电系统装置120也可以是开关(Switches)、电容器(Capacitors)、加速器(Accelerometers)、感应器(Sensor)或制动器(Actuator)，微机电系统装置120的种类并不限于此。

第一盖体130为透明的，以便使一外部光束(未绘示)能够穿过第一盖体130至微机电系统装置120与芯片115的主动表面117。第一盖体130为玻璃盖体，但第一盖体130的材料并不限于此。如图1B所示，第一盖体130覆盖于芯片115上且包括空穴132，且微机电系统装置120位于空穴132内。空穴132具有相对于主动表面117的顶表面132a。在本实施例中，顶表面132a与主动表面117的距离D大于反射镜倾斜高度，顶表面132a与主动表面117的距离D例如是10微米，且芯片115与第一盖体130之间的周边间隙的高度H约在1微米至10微米之间。也就是说，芯片115与第一盖体130之间的周边间隙的高度H小于顶表面132a与主动表面117之间的距离D。

密封胶134配置于芯片115与第一盖体130之间的周边间隙以密封空穴132。如图1B所示，密封胶134的厚度小于微机电系统装置120的高度。密封胶134的厚度受限于芯片115与第一盖体130之间的周边间隙的高度H。 因此，密封胶134的厚度约在1微米至10微米之间且随着芯片115与第一盖体130之间的周边间隙的高度H而变化。

应注意的是，密封胶134为有机高分子化合物，例如是环氧树酯(Epoxy Resin)。由于有机化合物的分子结构具有许多亲水性基团，因此能够阻挡外在的污染与湿气，但分子结构无法完全地阻隔亲水性基团与湿气反应。因此，在本实施例中，湿气阻隔层136涂布于芯片115、密封胶134与第一盖体130的周围，用以有效地阻挡密封胶134的亲水性基团与湿气的反应，且更进一步提升空穴132的不可渗透性。在这种方式下，微机电系统装置120能够正常地运作于微机电系统封装结构100中。

在本实施例中，湿气阻隔层136可以以化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)或物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，CVD)的方式形成，但形成湿气阻隔层136的方式并不限于此。此外，湿气阻隔层136的材料可以是有较高紧密度的无机绝缘材料，例如是二氧化硅(silica)、氮化硅(silicon nitride)、氮氧化硅(silicon oxynitride)或其他不包含亲水性基团的氮化物、氧化物与氮氧化物，因此湿气阻隔层136的防潮性较密封胶134为强。也就是说，无机绝缘材料不具有亲水性基团，且不会与湿气反应，从而有效地阻绝湿气。因此，湿气阻隔层136能够提供双重保护，使得湿气渗透的机率降低。

值得一提的是，图1B中的微机电系统装置120与第一盖体130的配置方式为本发明的其中之一的实施例，微机电系统装置120与第一盖体130的配置方式并不限于此。

接着，请参照图1C，配置玻璃料(glass frit)150于第二盖体140上。第二盖体140为玻璃盖体。玻璃料150适于配置第二盖体140的底表面。在本实施例中，玻璃料150为圆环形，但玻璃料150的形状并不限于此。玻璃料150用于固定第二盖体140与基底110以密封凹槽112。由于玻璃料150的材料特性，玻璃料150阻挡湿气的能力较佳。在本实施例中，为了降低玻璃料150在高温环境下裂开的机率，玻璃料150中的有机气体添加物应被移除。在本实施例中，玻璃料150中的有机气体添加物通过两段式(two-step)加热被移除以进行除气程序(Outgassing Procedure)。首先，玻璃料150加热至小于玻璃料150的熔点温度的中介温度。在此步骤中，此时玻璃料150并未充分地熔化。接着，玻璃料150加热至熔点温度以完全地熔化，以形成 无气体的玻璃料150。在其他实施例中，玻璃料150也可以配置于基底110上。

请参照图1D，配置第二盖体140于基底110上，其中第二盖体140覆盖凹槽112，且玻璃料150配置于基底110与第二盖体140之间。接着，熔化玻璃料150至熔点温度以密封凹槽112，以形成微机电系统封装结构100。在本实施例中，玻璃料150通过激光熔化，但是熔化玻璃料150的方式并不限于此。值得一提的是，基底110、玻璃料150以及第二盖体140的热膨胀系数实质上相似。如此一来，即使在高温环境下，微机电系统封装结构100仅轻微地变形。玻璃料150并不会轻易地裂开，因此在外部的气体或蒸气可以被玻璃料150所阻隔。

如图1D所示，微机电系统封装结构100包括基底110、微机电系统装置120、第一盖体130、第二盖体140以及玻璃料150。基底110包括凹槽112。微机电系统装置120配置于凹槽112内。第一盖体130配置于凹槽112中且覆盖微机电系统装置120。第二盖体140配置于基底110上且覆盖凹槽112。玻璃料150配置于基底110与第二盖体140之间，以密封凹槽112。

微机电系统封装结构100利用第一盖体130覆盖于微机电系统装置120以避免微机电系统装置120受到污染，且对微机电系统装置120提供第一湿气保护。此外，微机电系统装置120与第一盖体130配置于基底110的凹槽112内，第二盖体140通过玻璃料150密封于基底110，因此第二盖体140、玻璃料150与基底110的配置方式对微机电系统装置120提供了第二湿气保护。

图2A至图2D为根据本发明另一实施例的微机电系统封装结构的制作方法的概要示意图。另一个制作微机电系统(Microelectromechanical System,MEMS)封装结构的制作方法被进一步提出。微机电系统封装结构的制作方法包括下列步骤。

请参照图2A，提供基底210，其中基体210包括凹槽212。在本实施例中，基底210的材料为陶瓷材料(Ceramic)，但基底210的材料并不以此为限。接着，请参照图2B，配置第一密封介质280于基底210上，且配置第二金属框290于第一密封介质280上。接着，加热第一密封介质280以固定第二金属框290与基底210。在本实施例中，第一密封介质280可以是无机材料，如金属、金属合金、金属化合物(金属或非金属氧化物)或玻璃料。 更具体来说，第一密封介质280的材料可以是金铜合金(AgCu)、金锡合金(AuSn)、铋锡合金(BiSn)、铟银合金(InAg)或玻璃料。第一密封介质280的熔点温度随材料而变化，且第一密封介质280的熔点一般来说介于约160度至约400度之间。此外，在本实施例中，第二金属框290的材料例如是科瓦合金(Kovar Alloy)。科瓦合金由镍、铜、钴、铁以及镁所制成。当然，第二金属框290的材料并不限于此。

请参照图2C，配置被第一盖体230覆盖的至少一微机电系统装置220于凹槽212内。在本实施例中的微机电系统装置220与第一盖体230的种类与配置方式相似于前述实施例所提到的微机电系统装置120与第一盖体130的种类与配置方式，在此不再赘述。当然，在其他实施例中，微机电系统装置220与第一盖体230的种类与配置方式也可以不同于如图1B所示的微机电系统装置120与第一盖体130的种类与配置方式。

请参照图2D，提供第二盖体240且配置第一金属框270于第二盖体240的周围。在本实施例中，第一金属框270的材料例如是科瓦合金(Kovar Alloy)。科瓦合金由镍、铜、钴、铁以及镁所制成。当然，第一金属框270的材料并不限于此。在本实施例中，第一金属框270通过在高温中熔化而直接固定于第二盖体240的周围。在固定第一金属框270于第二盖体240之前，第一金属框270可以先进行高温氧化制作工艺。在高温氧化制作工艺中，第一金属框270加热至大约600度。第一金属框270的高温氧化制作工艺可以提升接续的第一金属框270与第二盖体240的熔化过程，因此第一金属框270与第二盖体240可以密封地固定。

在高温氧化制作工艺之后，第一金属框270与第二盖体240加热至第二盖体240的一软化温度(Softening Temperature)，使第二盖体240固定于第一金属框270。在本实施例中，第一金属框270与第二盖体240加热至大约900度，因此第二盖体240熔合及焊接于第一金属框270。当然，第二盖体240的软化温度并不限于此。

在固定步骤后，因为第二盖体240的分子排列在高温环境下可能会改变，第二盖体240的透光率可能会下降。因此，第二盖体240的上表面与底表面可以进行抛光以提升其透光率。接着，黑图案(如光学铬图案与抗反射图案(Anti-Reflection Pattern)，未绘示)可以涂布在第二盖体240的上表面或底表面上并用以遮光。

接着，请参照图2E，配置第二密封介质285于第二金属框290上，且配置第一金属框270在第二密封介质285上，以使第二盖体240与第一金属框270能够固定于基底210且共同覆盖凹槽212。特别是，在本实施例中，第一金属框270的厚度小于第二盖体240的厚度，若第一金属框270直接配置在第一密封介质280上，第二盖体240中较低的部分可能位于凹槽212内，且会与第一盖体230接触。因此，在本实施例中，第二金属框290配置于第一密封介质280上，第二密封介质285配置于第二金属框290上，且第一金属框270配置于第二密封介质285上。第二金属框290可以被认为是第一金属框270的延伸，以使第一盖体230与第二盖体240之间的空间产生。接着，加热第二密封介质285以密封第一金属框270与第二金属框290，以使凹槽212密封，而形成微机电系统封装结构200。

必须一提的是，第一密封介质280与第二金属框290配置于基底210上的步骤顺序并不限于此，只要是在固定第一金属框270于基底210的步骤之前即可。此外，在其他实施例中，第二密封介质285、第二金属框290以及第一密封介质280也可以依序被配置于第一金属框270的底表面上，接着第二盖体240、第一金属框270、第二密封介质285、第二金属框290以及第一密封介质280可作为一个整体(as a whole)配置于基底210上。

此外，值得一提的是，基底210、第一密封介质280以及第二金属框290的热膨胀系数实质上相同，且第一金属框270、第二密封介质285以及第二金属框290的热膨胀系数实质上相同以维持凹槽212的空气气密性。

如图2E所示，微机电系统封装结构200包括基底210、微机电系统装置220、第一盖体230、第二盖体240、第一金属框270、第一密封介质280、第二金属框290以及第二密封介质285。基底210包括凹槽212。微机电系统装置220配置于凹槽212内。第一盖体230配置于凹槽212内且覆盖微机电系统装置220。第一金属框270配置于第二盖体240的周围且第一金属框270直接固定于第二盖体240。第一密封介质280配置于基底210上。第二金属框290配置于第一密封介质280上。第二密封介质285配置于第二金属框290上。第二盖体240与第一金属框270共同配置于第二密封介质285且覆盖凹槽210。

微机电系统封装结构200利用第一盖体230覆盖于微机电系统装置220以避免微机电系统装置220受到污染且对微机电系统装置220提供第一湿气 保护。此外，微机电系统装置220与第一盖体230配置于基底210的凹槽212内，环绕第二盖体240的第一金属框270通过第一密封介质280、第二金属框290以及第二密封介质285密封于基底210。在本实施例中，通过第二盖体240、基底210、第一金属框270、第一密封介质280、第二金属框290以及第二密封介质285的配置方式对微机电系统装置220提供第二湿气保护。

当然，配置于第二盖体240周围的第一金属框270的形式并不限于此。图2F至图2G为根据本发明另一实施例的微机电系统封装结构的制作方法的概要示意图。在本实施例中的构件相似于前述实施例使用相同标号的构件。请参照图2F至图2G，图2G的微机电系统封装结构200a与图2E的微机电系统封装结构200的主要差异在于：在本实施例中，第一金属框270不直接接触第二盖体240。特别是，玻璃料250配置于第一金属框270与第二盖体240之间。换言之，第一金属框270通过玻璃料250固定于第二盖体240。在本实施例中，玻璃料250为圆环形。在固定第一金属框270与第二盖体240的步骤中，玻璃料250配置于第一金属框270与第二盖体240之间，且玻璃料250被加热至熔化，以使第一金属框270固定于第二盖体240。玻璃料250的加热温度约在350度至550度。此外，第一金属框270、玻璃料250以及第二盖体240的热膨胀系数实质上相似，因此玻璃料250在高温环境下裂开的机率下降。

图2H至图2I为根据本发明另一实施例的微机电系统封装结构的制作方法的概要示意图。在本实施例中的构件相似于前述实施例使用相同标号的构件。请参照图2H至图2I，图2I的微机电系统封装结构200b与图2E的微机电系统封装结构200的主要差异在于：第一金属框270b仅通过第一密封介质280固定于基底210。在本实施例中，至少一部分的第一金属框270b的厚度不小于第二盖体240的厚度，以使当第一金属框270直接配置于第一密封介质280上时，第二盖体240不接触第一盖体230。因此，微机电系统封装结构200b不需要第二金属框与第二密封介质以增加第一盖体230与第二盖体240之间的空隙。在上述的实施例中，微机电系统封装结构200b可以省略第二金属框与第二密封介质。

综上所述，基于前述所提的叙述，本发明的实施例的微机电系统封装结构利用第一盖体覆盖微机电系统装置以避免微机电系统装置受到污染且对微机电系统装置提供第一湿气保护。此外，微机电系统装置与第一盖体配置 于基底的凹槽中，第二盖体通过玻璃料密封于基底或通过环绕于第二盖体的第一金属框通过第一密封介质来密封于基底，以使第二盖体、基底以及玻璃料的组合或第二盖体、基底、第一金属框以及第一密封介质的组合对微机电系统装置提供第二湿气保护。传统上，第二盖体通过胶体粘结于基底，而这有可能衍生湿气渗入的议题以及胶体在高温环境下除气的议题。在本发明的实施例的微机电系统封装结构中，玻璃料以及环绕于第二盖体的第一金属框与第一密封介质代替了胶体，以使凹槽的空气气密性可以被提升且除气的议题可以避免。因此，本发明的实施例的微机电系统封装结构提供较好的湿气阻隔特性。另外，上述提到的微机电系统封装结构的制作方法进一步被提出。

虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。