一种微流控MEMS芯片封装方法与流程

本发明涉及一种mems芯片射频封装方法，尤其是一种微流控mems芯片封装方法，属于芯片封装技术领域。

背景技术：

微流控技术是目前迅速发展的高新技术和多学科交叉科技前沿领域之一，是生化检测、化学科学与信息科学信号检测和处理方法研究的重要技术平台。微流控芯片是基于mems（microelectromechanicalsystems，微电子机械系统）加工技术，研究微流控通道表面性能、微流控系统内的驱动和控制规律，建立样品预处理、混合、反应、分离、检测等功能单元为一体的微流控芯片集成技术。

微流控芯片是生物医疗、精细化工、快速检测领域中关键器件之一。一般来讲，微流控芯片主要由上、下基板组成，上、下基板结合后会产生密闭的微流道、储液池或反应池，导致微流控芯片通常含有多个不同形状的微流道，这既可以使用微泵使待检测液体在不同的流道中与不同的试剂进行复杂的生化反应，也可以进行计数或直接观察结果。另外，由于微流控芯片采用更为先进的微加工技术，使原有的检测仪器更为小型化、集成化，同时大大降低了生化检测时间，使生化检测更为简单、快捷、全面。

在微流控芯片制作过程中，芯片封装是一个重要步骤。现有的芯片封装技术主要有低温键合和高温溶合两种。低温键合是指两个基板叠合在一起后，其表面在低温条件下受范德华力作用相互吸引而键合在一起的技术，低温键合前基板均需经过表面活化处理，而高温溶合所需温度一般较高，且加热方式是整体加热，加热过程中芯片产品和微流道结构不仅会有很大的变形，还会产生牛顿环。另外，这两种方法均存在生产周期长，成本高，品质无法保证等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出一种采用新型键合技术的微流控mems芯片封装方法，该方法采用射频局部加热技术解决了现有技术中温度键合存在的很多不可控因素，实现上、下层基板稳定可靠的封装。

为了达到以上目的，本发明提供了一种微流控mems芯片封装方法，用于对具有微流道结构的上层基板和与上层基板相层叠连接的下层基板进行封装得到微流控mems芯片，该方法包括以下步骤：

第一步、制备下层基板——，在玻璃材质的下层基板上表面镀一层200±50nm厚的金属膜，利用mems工艺，在下层基板的金属膜上制作微流道；

第二步、制备上层基板——在玻璃材质的上层基板下表面镀一层200±50nm厚的金属膜，在上层基板的金属膜上涂匀光刻胶后，进行光刻曝光、显影，刻蚀形成与下层基板的微流道相同的图案；

第三步、制备芯片半成品——将上层基板与下层基板对准后，靠机械力压紧形成芯片半成品；

第四步、芯片半成品预加热——将芯片半成品置于真空度小于0.0001pa的真空腔中，照射远红外预加热至350±50℃保温2±1分钟；

第五步、射频电源轰击芯片半成品——射频电源产生13.56±5mhz的电磁波，并在电磁波上调制200±50w的能量，电磁波穿过上、下层基板聚集于金属膜，金属膜吸收电磁波能量后升温，在比玻璃软化点高的温度下使上、下层基板的表面融化，上层基板与下层基板熔接形成微流控mems芯片。

本发明在超高真空环境中采用射频电源对芯片进行轰击，根据物理学原理射频电源产生的电磁波会穿透玻璃基板而不会对玻璃基板产生影响，电磁波聚集于玻璃基板附着的金属膜上，电磁波会加速金属表面的原子运动速度从而使金属表面的温度升高，另外由于金属膜经光刻处理后呈线条状，金属膜吸收能量后会使芯片的局部温度升高（金属膜覆盖的部分温度会升高），由于金属膜的熔点高于玻璃软化点，当局部温度升高至玻璃软化点以上时，芯片半成品的玻璃基板表面融化，使高温金属膜与玻璃相互熔接，最终达到上下层基板的金属膜熔融焊接的目的。

进一步的，第一、第二步中，采用磁控溅射、蒸发或电镀方法对上、下层基板进行金属镀膜处理，在上、下层基板表面形成金属膜。金属膜采用铬或铝，金属膜的厚度和均一性会对后续射频熔接时的升温速度和工件温差产生影响，金属膜太厚会导致上、下层基板贴合不好，进而导致芯片键合不牢靠，金属膜太薄会导致射频信号吸收不完全。金属膜能够对射频产生的微波能量进行屏蔽和吸收，从而使芯片的局部温度升高。

进一步的，第一步中制作微流道的具体方法如下：在下层基板的金属膜上镀一层2000埃米厚的金属掩蔽材料后，在金属掩蔽层上旋涂一层光刻胶，并通过光刻曝光、显影在光刻胶上形成所需微流道图案，然后采用干法或湿法刻蚀技术在下层基板上形成微流道。

进一步的，所述金属掩蔽材料为金或铬。

进一步的，第五步中，射频电源对芯片结构进行轰击时，采用红外测温仪实时检测玻璃材质的上、下层基板表面的温度，并将红外测温仪采集的温度信号输送至射频电源控制器，射频电源控制器通过微调射频电源的输出功率对上、下层基板表面温度进行控制。这样，通过调整射频电源的功率能够快速精确地控制芯片的局部温度。

进一步的，所述上、下层基板的材料为高硼玻璃、硼硅玻璃或石英玻璃。

进一步的，当上、下层基板的材料为高硼玻璃时，其软化点为580℃；当上、下层基板的材料为硼硅玻璃时，其软化点为660℃；当上、下层基板的材料为石英玻璃时，其软化点为1200℃。

进一步的，当上、下层基板的材料为高硼玻璃时，射频电源的轰击时间为30秒，射频功率为200w；当上、下层基板的材料为硼硅玻璃时，射频电源的轰击时间为50秒，射频功率为185w；当上、下层基板的材料为石英玻璃时，射频电源的轰击时间为66秒，射频功率为300w。

综上可知，根据玻璃材质的不同，射频电源的输出功率不同，温度也不同。

进一步的，第二步中，在所述上层基板上还制有两个贯穿厚度方向的接头连接孔，两接头连接孔分别与微流道的两端对应，且所述接头连接孔中可插拔连接接头，所述接头通过线路与mems连接。

进一步的，第三步中上、下层基板之间有1.2mpa/cm²的压力。

本发明的优点是采用射频技术作用于上下层基板的金属膜，使金属膜表面形成局部高温，导致基板表面融化后与金属膜熔接，进而使上、下层基板更好的紧密结合在一起，大大提高了产品的键合精度，避免了封装过程妨碍微流道结构，进而提高了芯片封装的成品率，缩短了生产周期，降低了生产成本。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一个实施例的结构示意图。

图2为本发明中下层基板的结构示意图。

图3为本发明中上层基板的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的微流控mems芯片封装方法，用于对具有微流道结构的上层基板2和与上层基板2相层叠连接的下层基板1进行封装得到微流控mems芯片（见图1）。该方法包括以下步骤：

第一步、制备下层基板1（下层基板如图2所示）——采用镀膜法（磁控溅射、蒸发或电镀方法）在玻璃材质的下层基板1上表面镀一层200±50nm厚（优选200nm）的金属膜，利用mems工艺在下层基板1的金属膜上制作微流道3，微流道3图案根据客户要求设计。制作微流道3的方法具体如下：在下层基板1的金属膜上镀一层2000埃米厚的金属掩蔽材料后，在金属掩蔽层上旋涂一层光刻胶，并通过光刻曝光、显影在光刻胶上形成所需的微流道胶膜图案，然后采用干法或湿法刻蚀技术在下层基板1上形成微流道3,即先采用金属刻蚀剂在金属掩蔽材料上刻蚀出与微流道胶膜图案一致的金属图形，再采用玻璃刻蚀剂在下层基板1上刻蚀出与金属图形一致的微流道3，其中金属刻蚀剂为购自天津川思化工产品有限公司的金蚀刻剂（型号为tfa），玻璃刻蚀剂为购自江阴化学试剂厂有限公司的氟化铵腐蚀液（型号为boe7：1cmos-ⅲ级）。金属掩蔽材料为耐玻璃刻蚀剂腐蚀的金、铬等金属。

第二步、制备上层基板2（上层基板结构如图3所示）——采用镀膜法（磁控溅射、蒸发或电镀方法）在玻璃材质的上层基板2下表面镀一层200±50nm厚（优选200nm）的金属膜，在上层基板2的金属膜上涂匀光刻胶，进行光刻曝光、显影，刻蚀形成与下层基板1的微流道3相同的图案。

第三步、制备芯片半成品——将上层基板2与下层基板1对准后，靠机械力压紧形成面面贴合式的芯片半成品。机械力压紧是采用夹具夹紧上、下层基板1，使上层基板、下层基板1之间有1.2mpa/cm²的压力。上、下基板压紧是为了保证后面热熔键合时两层基板之间没有空隙，提高键合品质。

第四步、芯片半成品预加热——将芯片半成品置于真空度小于0.0001pa的超高真空腔中，照射远红外预加热至350±50℃（优选350℃）保温2±1分钟（优选2分钟），以提高玻璃基板的粘附力。远红外线由功率为500w的热板提供。超高真空环境的真空度在0.0001pa以下，超高真空环境的制造方法如下：首先使用罗茨泵作为前级泵对不锈钢腔体抽真空，再使用分子泵或冷泵抽真空至0.0001pa以下。

第五步、射频电源（型号为rfpp/10s）轰击芯片半成品——射频电源轰击芯片半成品——射频电源产生13.56±5mhz（优选13.56mhz）的电磁波，并在电磁波上调制200±50w（优选200w）的能量，电磁波穿过上层基板、下层基板1聚集于金属膜，金属膜吸收电磁波能量后导致芯片局部温度升高，在金属膜上，在比玻璃软化点高的温度下使上层基板2、下层基板1的表面融化，上层基板2与下层基板1熔接形成微流控mems芯片。由于金属膜的熔点高于玻璃软化点，当温度达到玻璃软化点后，上层基板2、下层基板1的玻璃表面开始融化，并粘接于金属膜使得上层基板2与下层基板1相互熔接，获得微流控mems芯片。

射频电源对芯片半成品进行轰击时，采用红外测温仪实时检测玻璃材质的上层基板2、下层基板1表面的温度，并将红外测温仪采集的温度信号输送至射频电源控制器，射频电源控制器与红外测温仪闭环连接，射频电源控制器通过微调射频电源的输出功率对上层基板2、下层基板1表面温度进行控制。射频电源控制器设定玻璃软化点，并将红外测温仪采集的温度与玻璃软化点进行比较，当该温度小于玻璃软化点时，射频电源控制器控制射频电源的输出功率增大，当该温度达到软化点时，射频电源控制器控制射频电源的输出功率减小，当该温度超过软化点20℃时，控制关闭射频电源，从而实现芯片局部控温。其中，上层基板2、下层基板1的材料为高硼玻璃、硼硅玻璃（肖特bf33）或石英玻璃。当上层基板2、下层基板1的材料为高硼玻璃时，其软化点为580℃，射频电源的输出功率为200w，轰击时间为30秒；当上层基板2、下层基板1的材料为硼硅玻璃时，其软化点为660℃，射频电源的输出功率为185w，轰击时间为50秒；当上层基板2、下层基板1的材料为石英玻璃时，其软化点为1200℃，射频电源的输出功率为300w，轰击时间为66秒。

另外，在上层基板2上还制有两个贯穿厚度方向的接头连接孔，两接头连接孔分别与微流道3的两端对应，且接头连接孔中可插拔连接接头，接头通过线路与mems连接。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。