具有多功能盖板的芯片级封装的mems芯片及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及MEMS芯片的制造领域，特别涉及一种具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片，本发明还涉及这种具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片及其制造方法。
【背景技术】
[0002]MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是微机电系统的缩写，MEMS芯片制造技术利用微细加工技术，特别是半导体圆片制造技术，制造出各种微型机械结构，结合专用控制集成电路(ASIC)，组成智能化的微传感器、微执行器、微光学器件等MEMS元器件。MEMS元器件具有体积小、成本低、可靠性高、抗恶劣环境能力强、功耗低、智能化程度高、易校准、易集成的优点，被广泛应用于消费类电子产品(如手机、平板电脑、玩具、数码相机、游戏机、空中鼠标、遥控器、GPS等)、国防工业(如智能炸弹、导弹、航空航天、航海、潜水、无人飞机等)以及工业类产品(如汽车、通讯、机器人、智能交通、工业自动化、环境监测、平台稳定控制、现代化农业、安全监控等)中。MEMS元器件是物联网技术的基石，是工业现代化的核心元器件。
[0003]MEMS芯片，特别是高性能的MEMS芯片的制造工艺很难与普通的CMOS集成电路制造工艺兼容，而且比普通CMOS集成电路制造工艺成本高，利用尽量多的普通CMOS集成电路的制造工艺步骤来制造MEMS芯片，可以降低成本，提高成品率。早期的高性能MEMS芯片是不用圆片级封装技术的，也就是说MEMS结构是暴露在外的，需要通过金属或陶瓷封装将其密封保护，但这种方法封装成本高，成品率底。所以现在的高性能MEMS芯片，特别是MEMS加速度计和陀螺仪，一般都通过MEMS圆片与盖板圆片键合，再切割成芯片的方法制造芯片级封装的MEMS芯片，一般的MEMS芯片级封装的盖板只起到一个密封的作用。芯片级封装的MEMS器件信号通常通过芯片底板或芯片的MEMS层引出，再连接到ASIC芯片(专用集成电路，Applicat1n specific Integrated Circuit)上，也就是说MEMS芯片的信号线的交叉布线是通过底板或MEMS层实现的cMEMS器件的性能随温度变化而变化，例如高性能MEMS陀螺仪，在-40 0C到 85 °C的工作温度范围内的零偏值比标定温度(通常25 °C )下的零偏值大几倍到几十倍，这主要是温度变化引起的各种材料体积变化不均匀而产生应力，从而导致MEMS陀螺仪的零偏值漂移；最好解决方法之一是恒定MEMS陀螺仪芯片的温度，由于芯片级制冷不容易实现，而加热很容易，所以一般通过加热控制芯片温度在最高工作温度附近，以提高MEMS陀螺仪芯片在全工作温度范围内的性能。美国专利(专利号为:US2015/0115377)描述了一种MEMS芯片加热的方法及其制造工艺，其盖板只起到密封和加热的作用。另外，高性能MEMS器件价格昂贵，可靠性要求十分严格，定期检测封装管壳的气密性是十分有效的可靠性监控方法，美国专利(专利号为:US8011226)描述了利用热对流加速度计原理检测密封腔体内气压变化的方法，使用到一个独立的MEMS加速度计器件。
[0004]综上所述，现有的MEMS芯片级封装技术中没有一种盖板可同时提供气密性封装、信号线交叉布线、芯片加热、实时检漏多种功能。因此需要提供一种多功能的MEMS圆片级封装盖板以简化高性能MEMS芯片的设计和加工工艺，适应多品种小批量的特点，提高成品率，同时改进产品长期使用的稳定性，保证产品应用过程中的可靠性。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有多功能盖板的MEMS芯片，该MEMS芯片通过外部金属线将MEMS结构的电信号引到盖板上面的金属层中，再在盖板上完成交叉布线；同时，利用盖板上的第一金属层图形和第二金属层图形制作恒温加热器和检漏用热对流加速度计;此方法制造流程短，成本低，设计灵活，制造出的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片成品率高。
[0006]为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片，包括盖板、MEMS结构层和至少有一个下凹腔的底板衬底，底板衬底上有上底板绝缘层，所述的MEMS结构层包括MEMS结构、空隙和MEMS信号导出部，所述的盖板包括盖板衬底，盖板衬底上表面覆盖有上盖板绝缘层，上盖板绝缘层上有第一金属层图形，金属间绝缘层覆盖在上盖板绝缘层和第一金属层图形上，金属间绝缘层中开有通孔，第二金属层图形分布在金属间绝缘层上并填充在通孔中，从而将第一金属层图形与第二金属层图形电连接，第二金属层图形的一部分还作为第二压焊块;盖板衬底下表面具有密封环，盖板通过密封环与MEMS结构层和上底板绝缘层键合，底板衬底、上底板绝缘层、密封环和盖板衬底共同围成密封腔，MEMS结构位于所述的密封腔中，MEMS信号导出部固定在上底板绝缘层上，第一压焊块位于MEMS信号导出部上表面，第一压焊块上方无盖板和密封环覆盖。
[0007]本发明的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的MEMS结构与底板衬底和盖板都没有直接的电连接，后续封装时，可在在第一压焊块与第二压焊块之间连接金属线，将本发明的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片与ASIC芯片并排粘贴在管壳中，管壳盖板通过密封材料固定在管壳上，围成一个气密性空腔，MEMS结构的电信号通过信号导出部传输到第一压焊块上，再通过键合在第一压焊块和第二压焊块间的金属线传输到位于盖板上的第二压焊块上，然后根据逻辑需要通过第一金属层图形和第二金属层图形交叉布线，将MEMS结构的电信号传输到位于盖板另一边的第二压焊块上，再通过键合在第二压焊块和AISC压焊块间的金属线将信号传输到ASIC芯片中，经ASIC处理后经过键合在ASIC压焊块和管壳压焊块间的金属线传输到管壳上。在该种封装形式下，本发明的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的盖板不仅参与围成密封腔，为MEMS结构提供可以自由活动的空间，同时还提供信号线的交叉连线。
[0008]所述的第一金属层图形的材料是重掺杂多晶硅、硅化物、铂、钨、钼、钛或两种以上的组合;第二金属层图形的材料是铝、金、铂或铜，即第一金属层图形的材料和第二金属层图形的材料不同，利用它们不同的Seebeck系数，本发明的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的盖板还可以作为恒温加热器，给MEMS芯片恒温加热:第一金属层图形作为恒温加热电阻，恒温加热电阻均匀分布在盖板上，后续封装时，恒温加热电阻的一端连接到第七ASIC压焊块上，另一端连接到第四ASIC压焊块上，由ASIC芯片控制流过恒温加热电阻的功率，为达到恒温加热的目的，必须有一个热敏电阻来反馈温度信号，热敏电阻也用第一金属层图形制作，热敏电阻的电信号连接到第一 ASIC压焊块上，恒温加热电阻的加热温度由热敏电阻感应，热敏电阻将感应到的信号输送到ASIC芯片中，ASIC芯片经计算后控制恒温加热电阻的功率，达到温度恒定的目的。
[0009]在盖板上挖有检漏空腔，热对流加速度计的热电偶正极位于检漏空腔中央，与盖板衬底无接触，加热电阻位于检漏空腔中央，与盖板衬底无接触，所述的热电偶从下到上依次由上盖板绝缘层、第一金属层图形、金属间绝缘层和第二金属层图形组成，热电偶的厚度为2?ΙΟμπι，所述的加热电阻从下到上依次由上盖板绝缘层、第一金属层图形和金属间绝缘层组成，由于第一金属层图形和第二金属层图形选用的材料不同，利用它们不同的Seebeck系数组成至少二个热电偶，此二个热电偶的一端相对放置于热对流加速度计的加热电阻的两侧，且位于检漏空腔中，作为热对流加速度计的热端，另一端位于盖板衬底上作为冷端，在二次封装后检漏空腔与封装管壳及管壳盖板围成一个密封腔，连同第一金属层图形组成的热对流加速度计的加热电阻组成一个热对流加速度计，利用热对流加速度计在不同气压中的灵敏度不同的原理，实现对二次封装实时检漏的功能。
[0010]总之，本发明的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的盖板除了与底板围成一个密封空腔为MEMS结构提供一个可活动的空间外，同时还提供信号线的交叉连线、芯片恒温加热、实时检漏多种功能而且长期使用的稳定性好，应用过程中的可靠性强。
[0011]本发明还提供了具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的制造方法，包括以下步骤:
[0012](I)底板圆片制作:在底板衬底上表面生长上底板绝缘层，下表面生长下底板绝缘层，在上底板绝缘层上涂光刻胶，经过曝光、显影形成光刻胶图形，然后蚀刻无光刻胶保护的上底板绝缘层和部分底板衬底，最后除去光刻胶，形成下凹腔，所述的下凹腔深度为5?30μηι，即完成底板圆片的制作；
[0013](2)MEMS结构圆片制作:将单晶硅圆片键合到底板圆片上表面上，磨削单晶硅圆片到厚度为20?ΙΟΟμπι，形成SOI圆片，磨削后的单晶硅圆片作为MEMS结构层;在MEMS结构层上淀积金属层，蚀刻金属层，形成第一压焊块;然后再蚀刻MEMS结构层，形成MEMS结构、空隙和MEMS信号导出部，所述的第一压焊块位于MEMS信号导出部上方，第一压焊块的材料是铝、金、铂或铜，完成MEMS结构圆片的制作；
[0014](3)盖板圆片形成:在盖板衬底上表面生长上盖板绝缘层，下表面生长下盖板绝缘层，上盖板绝缘层上淀积第一金属层，图形化第一金属层形成第一金属层图形;再在上盖板绝缘层和第一金属层图形上淀积金属间绝缘层，蚀刻金属间绝缘层形成通孔，然后在金属间绝缘层上淀积第二金属层，同时，通孔内也被第二金属层填充，图形化第二金属层形成第二压焊块和第二金属层图形;最后除去下盖板绝缘层，在盖板衬底下表面印刷并预烧结形成玻璃浆
【技术领域】
[0001]本发明涉及MEMS芯片的制造领域，特别涉及一种具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片，本发明还涉及这种具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片及其制造方法。
【背景技术】
[0002]MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是微机电系统的缩写，MEMS芯片制造技术利用微细加工技术，特别是半导体圆片制造技术，制造出各种微型机械结构，结合专用控制集成电路(ASIC)，组成智能化的微传感器、微执行器、微光学器件等MEMS元器件。MEMS元器件具有体积小、成本低、可靠性高、抗恶劣环境能力强、功耗低、智能化程度高、易校准、易集成的优点，被广泛应用于消费类电子产品(如手机、平板电脑、玩具、数码相机、游戏机、空中鼠标、遥控器、GPS等)、国防工业(如智能炸弹、导弹、航空航天、航海、潜水、无人飞机等)以及工业类产品(如汽车、通讯、机器人、智能交通、工业自动化、环境监测、平台稳定控制、现代化农业、安全监控等)中。MEMS元器件是物联网技术的基石，是工业现代化的核心元器件。
[0003]MEMS芯片，特别是高性能的MEMS芯片的制造工艺很难与普通的CMOS集成电路制造工艺兼容，而且比普通CMOS集成电路制造工艺成本高，利用尽量多的普通CMOS集成电路的制造工艺步骤来制造MEMS芯片，可以降低成本，提高成品率。早期的高性能MEMS芯片是不用圆片级封装技术的，也就是说MEMS结构是暴露在外的，需要通过金属或陶瓷封装将其密封保护，但这种方法封装成本高，成品率底。所以现在的高性能MEMS芯片，特别是MEMS加速度计和陀螺仪，一般都通过MEMS圆片与盖板圆片键合，再切割成芯片的方法制造芯片级封装的MEMS芯片，一般的MEMS芯片级封装的盖板只起到一个密封的作用。芯片级封装的MEMS器件信号通常通过芯片底板或芯片的MEMS层引出，再连接到ASIC芯片(专用集成电路，Applicat1n specific Integrated Circuit)上，也就是说MEMS芯片的信号线的交叉布线是通过底板或MEMS层实现的cMEMS器件的性能随温度变化而变化，例如高性能MEMS陀螺仪，在-40 0C到 85 °C的工作温度范围内的零偏值比标定温度(通常25 °C )下的零偏值大几倍到几十倍，这主要是温度变化引起的各种材料体积变化不均匀而产生应力，从而导致MEMS陀螺仪的零偏值漂移；最好解决方法之一是恒定MEMS陀螺仪芯片的温度，由于芯片级制冷不容易实现，而加热很容易，所以一般通过加热控制芯片温度在最高工作温度附近，以提高MEMS陀螺仪芯片在全工作温度范围内的性能。美国专利(专利号为:US2015/0115377)描述了一种MEMS芯片加热的方法及其制造工艺，其盖板只起到密封和加热的作用。另外，高性能MEMS器件价格昂贵，可靠性要求十分严格，定期检测封装管壳的气密性是十分有效的可靠性监控方法，美国专利(专利号为:US8011226)描述了利用热对流加速度计原理检测密封腔体内气压变化的方法，使用到一个独立的MEMS加速度计器件。
[0004]综上所述，现有的MEMS芯片级封装技术中没有一种盖板可同时提供气密性封装、信号线交叉布线、芯片加热、实时检漏多种功能。因此需要提供一种多功能的MEMS圆片级封装盖板以简化高性能MEMS芯片的设计和加工工艺，适应多品种小批量的特点，提高成品率，同时改进产品长期使用的稳定性，保证产品应用过程中的可靠性。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有多功能盖板的MEMS芯片，该MEMS芯片通过外部金属线将MEMS结构的电信号引到盖板上面的金属层中，再在盖板上完成交叉布线；同时，利用盖板上的第一金属层图形和第二金属层图形制作恒温加热器和检漏用热对流加速度计;此方法制造流程短，成本低，设计灵活，制造出的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片成品率高。
[0006]为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片，包括盖板、MEMS结构层和至少有一个下凹腔的底板衬底，底板衬底上有上底板绝缘层，所述的MEMS结构层包括MEMS结构、空隙和MEMS信号导出部，所述的盖板包括盖板衬底，盖板衬底上表面覆盖有上盖板绝缘层，上盖板绝缘层上有第一金属层图形，金属间绝缘层覆盖在上盖板绝缘层和第一金属层图形上，金属间绝缘层中开有通孔，第二金属层图形分布在金属间绝缘层上并填充在通孔中，从而将第一金属层图形与第二金属层图形电连接，第二金属层图形的一部分还作为第二压焊块;盖板衬底下表面具有密封环，盖板通过密封环与MEMS结构层和上底板绝缘层键合，底板衬底、上底板绝缘层、密封环和盖板衬底共同围成密封腔，MEMS结构位于所述的密封腔中，MEMS信号导出部固定在上底板绝缘层上，第一压焊块位于MEMS信号导出部上表面，第一压焊块上方无盖板和密封环覆盖。
[0007]本发明的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的MEMS结构与底板衬底和盖板都没有直接的电连接，后续封装时，可在在第一压焊块与第二压焊块之间连接金属线，将本发明的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片与ASIC芯片并排粘贴在管壳中，管壳盖板通过密封材料固定在管壳上，围成一个气密性空腔，MEMS结构的电信号通过信号导出部传输到第一压焊块上，再通过键合在第一压焊块和第二压焊块间的金属线传输到位于盖板上的第二压焊块上，然后根据逻辑需要通过第一金属层图形和第二金属层图形交叉布线，将MEMS结构的电信号传输到位于盖板另一边的第二压焊块上，再通过键合在第二压焊块和AISC压焊块间的金属线将信号传输到ASIC芯片中，经ASIC处理后经过键合在ASIC压焊块和管壳压焊块间的金属线传输到管壳上。在该种封装形式下，本发明的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的盖板不仅参与围成密封腔，为MEMS结构提供可以自由活动的空间，同时还提供信号线的交叉连线。
[0008]所述的第一金属层图形的材料是重掺杂多晶硅、硅化物、铂、钨、钼、钛或两种以上的组合;第二金属层图形的材料是铝、金、铂或铜，即第一金属层图形的材料和第二金属层图形的材料不同，利用它们不同的Seebeck系数，本发明的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的盖板还可以作为恒温加热器，给MEMS芯片恒温加热:第一金属层图形作为恒温加热电阻，恒温加热电阻均匀分布在盖板上，后续封装时，恒温加热电阻的一端连接到第七ASIC压焊块上，另一端连接到第四ASIC压焊块上，由ASIC芯片控制流过恒温加热电阻的功率，为达到恒温加热的目的，必须有一个热敏电阻来反馈温度信号，热敏电阻也用第一金属层图形制作，热敏电阻的电信号连接到第一 ASIC压焊块上，恒温加热电阻的加热温度由热敏电阻感应，热敏电阻将感应到的信号输送到ASIC芯片中，ASIC芯片经计算后控制恒温加热电阻的功率，达到温度恒定的目的。
[0009]在盖板上挖有检漏空腔，热对流加速度计的热电偶正极位于检漏空腔中央，与盖板衬底无接触，加热电阻位于检漏空腔中央，与盖板衬底无接触，所述的热电偶从下到上依次由上盖板绝缘层、第一金属层图形、金属间绝缘层和第二金属层图形组成，热电偶的厚度为2?ΙΟμπι，所述的加热电阻从下到上依次由上盖板绝缘层、第一金属层图形和金属间绝缘层组成，由于第一金属层图形和第二金属层图形选用的材料不同，利用它们不同的Seebeck系数组成至少二个热电偶，此二个热电偶的一端相对放置于热对流加速度计的加热电阻的两侧，且位于检漏空腔中，作为热对流加速度计的热端，另一端位于盖板衬底上作为冷端，在二次封装后检漏空腔与封装管壳及管壳盖板围成一个密封腔，连同第一金属层图形组成的热对流加速度计的加热电阻组成一个热对流加速度计，利用热对流加速度计在不同气压中的灵敏度不同的原理，实现对二次封装实时检漏的功能。
[0010]总之，本发明的具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的盖板除了与底板围成一个密封空腔为MEMS结构提供一个可活动的空间外，同时还提供信号线的交叉连线、芯片恒温加热、实时检漏多种功能而且长期使用的稳定性好，应用过程中的可靠性强。
[0011]本发明还提供了具有多功能盖板的芯片级封装的MEMS芯片的制造方法，包括以下步骤:
[0012](I)底板圆片制作:在底板衬底上表面生长上底板绝缘层，下表面生长下底板绝缘层，在上底板绝缘层上涂光刻胶，经过曝光、显影形成光刻胶图形，然后蚀刻无光刻胶保护的上底板绝缘层和部分底板衬底，最后除去光刻胶，形成下凹腔，所述的下凹腔深度为5?30μηι，即完成底板圆片的制作；
[0013](2)MEMS结构圆片制作:将单晶硅圆片键合到底板圆片上表面上，磨削单晶硅圆片到厚度为20?ΙΟΟμπι，形成SOI圆片，磨削后的单晶硅圆片作为MEMS结构层;在MEMS结构层上淀积金属层，蚀刻金属层，形成第一压焊块;然后再蚀刻MEMS结构层，形成MEMS结构、空隙和MEMS信号导出部，所述的第一压焊块位于MEMS信号导出部上方，第一压焊块的材料是铝、金、铂或铜，完成MEMS结构圆片的制作；
[0014](3)盖板圆片形成:在盖板衬底上表面生长上盖板绝缘层，下表面生长下盖板绝缘层，上盖板绝缘层上淀积第一金属层，图形化第一金属层形成第一金属层图形;再在上盖板绝缘层和第一金属层图形上淀积金属间绝缘层，蚀刻金属间绝缘层形成通孔，然后在金属间绝缘层上淀积第二金属层，同时，通孔内也被第二金属层填充，图形化第二金属层形成第二压焊块和第二金属层图形;最后除去下盖板绝缘层，在盖板衬底下表面印刷并预烧结形成玻璃浆
再多了解一些
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。