用于面内运动式微机电系统器件的三维圆片级封装结构的制作方法

本发明涉及一种用于面内运动式微机电系统器件的三维圆片级封装结构，属于微机电系统封装技术领域。

背景技术：

微机电系统(microelectro-mechanicalsystems，以下简称mems)技术，是在集成电路的基础上发展而成的一种新技术，其在集成电路的基础上引入了可动机械部件。基于该技术可以开发出多种传感器或执行器，在航空航天、汽车电子、生物医疗、通讯等领域有着广泛的应用前景。

mems器件的封装是mems生产过程中极为重要的一部分，封装不仅用于隔离器件与外部环境，保护器件免受机械冲击、气体腐蚀、射频干扰等，还用于实现内外信号的连接。高效率、高可靠性、低成本的mems封装技术将推动mems器件进一步走向产业化。圆片级封装是一种高效可靠的封装方式，将密封、互连等工艺提前至圆片阶段进行，之后再划片。而基于衬底穿孔技术的三维封装由于其具有较短的连接线，在减小封装结构的同时可以提升芯片的性能。因此圆片级三维封装是mems器件封装的一个主要的发展方向。

面内运动式微器件是一种使用微加工技术制成的mems器件，通过光刻、深反应离子刻蚀等工艺在硅片上加工出微结构，并且通过阳极键合将硅圆片与玻璃衬底键合在一起。器件可动部件的常规运动方向为平行于圆片平面。已有中国专利cn207973508u公开了一种mems晶圆级封装结构，该封装结构将具有深腔的盖帽层，键合于带有mems结构的晶圆表面，将mems结构容纳于深腔中，随后通过引线键合或电镀完成连接线的加工，再使用树脂包覆结构完成封装。该方法提供了一个三维圆片级封装的思路，但连接线的加工较困难，且需要在封盖刻蚀深腔，工艺流程复杂。

技术实现要素：

本发明目的是提出一种用于面内运动式微机电系统器件的三维圆片级封装结构，以解决现有mems封装中工艺复杂、普适性差的问题，封装工艺简单，且具有一定普适性。

本发明提出的用于面内运动式微机电系统器件的三维圆片级封装结构，包括待封装微机电系统器件、密封圈、电连接点、支撑点、封盖基板、垂直互连结构和封装电极；所述的封盖基板上开有通孔，通孔中填充导电材料后成为垂直互连结构，在封盖基板的上表面与垂直互连结构相对应的位置上电镀有多个封装电极，在封盖基板的下表面通过电镀方法加工有密封圈、多个电连接点和多个支撑点，所述的多个电连接点的位置与垂直互连结构相对应；所述的封盖基板通过金属键合与待封装微机电系统器件相对固定。

本发明为用于面内运动式微机电系统器件的三维圆片级封装结构，针对面内运动式mems器件进行三维圆片级封装，此封装结构包括待封装微机电系统器件和封盖层两层结构，两层结构键合在一起形成密封的封装结构。在此封装结构中，利用一层金属凸点结构，同时起到密封、机械支撑以及电学连接的作用，除此之外，封装的封盖部分无需加工出空腔结构，可以使用简单的工艺加工出可靠的封装结构。本发明提出的封装结构采用了垂直引线的方式，缩短了连接线长度，便于减小封装体积。与已有技术中的其他形式三维封装相比，本发明利用一层金属凸点结构在构成密封圈结构的同时实现电学连接与机械支撑，且无需在封盖刻蚀深腔结构，可以简单有效地实现器件的三维封装。

附图说明

图1为本发明提出的用于面内运动式微机电系统器件的三维圆片级封装结构的结构示意图。

图2是本发明封装结构的一个应用实例图。

图1和图2中，1是待封装微机电系统器件，11是基底，12是待封装微机电系统器件的功能层，13是器件电极，2是密封圈，3是电连接点，4是支撑点，5是封盖基板，6是垂直互连结构，7是封装电极。

具体实施方式

本发明提出的一种用于面内运动式微机电系统器件的三维圆片级封装结构，其结构如图1所示，包括待封装微机电系统器件1、密封圈2、电连接点3、支撑点4、封盖基板5、垂直互连结构6和封装电极7；所述的封盖基板5上开有通孔，通孔中填充导电材料后成为垂直互连结构6，在封盖基板5的上表面与垂直互连结构6相对应的位置上电镀有多个封装电极7，在封盖基板5的下表面通过电镀方法加工有密封圈2、多个电连接点3和多个支撑点4，所述的多个电连接点3的位置与垂直互连结构6相对应；所述的封盖基板5通过金属键合与待封装微机电系统器件1相对固定。

以下结合附图，详细介绍本发明方法的具体实施方式：

图2所示为本发明封装结构的一个应用实例图，图2中，待封装微机电系统器件1由基底11、待封装微机电系统器件的功能层12和器件电极13组成，首先需要准备基底11，基底11的材料可以为硅、玻璃等；作为实施例，基底11的材料为玻璃；待封装微机电系统器件的功能层12的材料为硅，通过光刻、刻蚀、阳极键合等工艺步骤加工得到；在待封装微机电系统器件的功能层12的上方加工器件电极13，作为实施例，器件电极13的材料为金属铜，通过物理气相沉积工艺制得。

在封盖基板5上加工出通孔，封盖基板5的材料可以是硅、玻璃或聚合物材料中的任意一种，作为实施例，封盖基板5的材料为玻璃，加工通孔的方式为激光加工；并用导电材料填充通孔，作为实施例，所用的导电材料为铜，并通过电镀工艺将铜填入通孔，加工出多个垂直互连结构6；在封盖基板5上方加工多个封装电极7，封装电极7的数量和位置与垂直互连结构6的数量和位置相对应，作为实施例，封装电极7通过电镀工艺制得；在封盖基板5的下方加工密封圈2、多个电连接点3以及多个支撑点4，作为实施例密封圈2、电连接点3以及支撑点4的材料均为铜和锡，通过电镀工艺制得；其中密封圈2用于保证封装结构的气密性，电连接点3的数量及位置与垂直互连结构6相对应，支撑点4的数量不限，设置在需要机械支撑的位置。

将加工有密封圈2、多个电连接点3、多个支撑点4、多个垂直互连结构6、多个封装电极7的封盖基板5通过金属键合与待封装微机电系统器件1相对固定，完成封装。

在本实施例中，通过上述方式加工出器件圆片以及封盖，最终通过圆片键合加工出最终的封装结构，如图2所示。此实施例中，是待封装微机电系统器件的功能层12被保护在封盖基板5以及基底1之间，其中用于密封的密封圈2保证了封装结构的气密性；用于电学连接的电连接点3以及垂直互连结构6保证了待封装微机电系统器件的功能层12可以与封装外部产生电学连接；用于机械支撑的支撑点4起到辅助支撑作用，保证了封装的结构强度。

技术特征：

1.一种用于面内运动式微机电系统器件的三维圆片级封装结构，其特征在于包括待封装微机电系统器件、密封圈、电连接点、支撑点、封盖基板、垂直互连结构和封装电极；所述的封盖基板上开有通孔，通孔中填充导电材料后成为垂直互连结构，在封盖基板的上表面与垂直互连结构相对应的位置上电镀有多个封装电极，在封盖基板的下表面通过电镀方法加工有密封圈、多个电连接点和多个支撑点，所述的多个电连接点的位置与垂直互连结构相对应；所述的封盖基板通过金属键合与待封装微机电系统器件相对固定。

技术总结
本发明涉及一种用于面内运动式微机电系统器件的三维圆片级封装结构，属于微机电系统封装技术领域。该封装结构包括封装微机电系统器件与封盖层两层结构，两层结构键合在一起形成密封的封装结构。在此封装结构中，利用一层金属凸点结构，同时起到密封、机械支撑以及电学连接的作用，且本发明中封装结构的封盖无需加工空腔，可以简化加工工艺。本发明提出的封装结构采用了垂直引线的方式，缩短了连接线长度，便于减小封装体积。与已有技术中的其他形式三维封装相比，本发明利用一层金属凸点结构在构成密封圈结构的同时实现电学连接与机械支撑，且无需在封盖刻蚀深腔结构，可以简单有效地实现器件的三维封装。

技术研发人员：赵嘉昊;谷明玥
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2020.01.14
技术公布日：2020.05.12