利用垂直馈穿部进行的晶片级气密包装方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微结构的晶片级包装领域，这种微结构需要被封装在气密空腔中，并且具有单个或多个电引线，这些电引线需要被转移到该空腔外部而不毁坏该空腔的气密性。
【背景技术】
[0002]微机电系统(MEMS)使得在从消费类电子市场到汽车甚至军工电子产品的范围内的各种应用中使用的现有技术的换能器、传感器、致动器、共振器等能够发展。MEMS产品提供了与传统机电系统相比成本更低、与大规模批量生产的兼容性更好、空间需求更小和可靠性更高的优点。MEMS产品的核心包括将物理、化学、生物等信号转换成电信号的精确微加工机电部件。这些微加工部件中的一些微加工部件必须与外界具有直接物理接触，就像在气流传感器或压力传感器的情况下一样。另一方面，各种各样的微加工部件，包括但不限于惯性传感器、共振器和红外检测器，必须与它们操作所处的周围环境的气氛隔离。这种隔离对于“为微加工部件形成受控操作气氛”和“保持这些微小部件安全而不受各种因素(包括固体、液体和/气体污染、湿度和/或压力变化)的不利影响”都是必须的。微结构部件与周围环境的隔离仅仅是通过将它们封装在气密密封的包装中实现。
[0003]包装MEMS部件的较早示例单独地实现每个制造的MEMS部件的气密密封，由于劳动和时间增加以及工艺成品率和可靠性降低，这增加了包装成本。一个明显较好的替换方案是以晶片级将MEMS部件密封，这通过使得劳动和时间最小化并增加工艺成品率和可靠性而显著地降低了包装成本。晶片级包装通常是指使用晶片级MEMS处理技术来在包含将被包装的MEMS部件的传感器晶片的顶部形成封顶(capping)元件(或者是一层，或者是一晶片)。这样，可以同时封装位于传感器晶片上的所有MEMS部件。然而，封装仅仅是包装过程的第一半，而第二半只不过是将封装的MEMS部件的导电引线转移到外界而不降低封装的气密性。
[0004]现有技术中报告了用于MEMS部件的晶片级封装的各种方法，包括用于引线转移的技术。现有技术中公知的是使用玻璃粉作为封帽晶片和传感器晶片之间的密封材料，为此，通过传感器晶片的表面将封装MEMS部件的引线横向地转移，并且在玻璃粉材料下方形成台阶高度，该台阶高度必须被适当地密封。利用玻璃粉材料密封高达若干微米的台阶高度不是重要问题，这是因为玻璃粉在烧制之后通常具有大于25μπι的厚度。另一方面，玻璃粉结合所需的温度超过430°C，这不仅会限制可以在MEMS部件上使用的兼容材料的数量，而且还会导致高包装应力。而且，玻璃粉是一种厚膜浆料，这种厚膜浆料具有在封装空腔内产生自由移动的粉粒并且污染MEMS部件的风险，这既会降低包装成品率又会降低长期可靠性。最后，已知与用作密封材料的金属基合金相比玻璃粉的气密性更差。
[0005]现有技术中的另一种方法是使用金属基合金作为密封材料(Au-1n、Au-Sn、Al-Ge、S1-Au等)。这些合金一般提供了相比于玻璃粉的更好的密封性并且对于各种合金材料和成分来说需要通常在从200°C到400°C的范围内的更低处理温度。然而，由于导电，这些密封材料不允许通过密封区域转移引线，除非在这些引线和密封材料之间使用附加绝缘层。即使使用这种绝缘层，金属基密封材料也必须仍然能够覆盖由在密封区域下面穿过的引线造成的台阶高度，这通常需要若干微米以上的密封材料厚度。由于机械应力增加并且还由于更厚金属层的成本，这种厚度对于金属基密封材料来说并不理想。
[0006]在现有技术的其他示例中，使用相对于传感器晶片表面垂直加工的导电馈穿图案来将引线转移到外界。这样，可以使用更薄的密封材料来密封MEMS部件，这是由于在这种情况想引线不会在密封区域下面造成台阶高度，因为它们通过并不穿过密封区域的路径转移到外界。尽管如此，实现垂直馈穿部增加了用来制造传感器或封帽晶片或这二者的工艺的复杂性和步骤数量。垂直馈穿部工艺的一个难点是在同一个步骤中实现密封和引线转移，这需要精确控制密封材料、传感器引线、密封区域、垂直馈穿部的厚度。这些参数中的一些参数之间的任何偏差都可能形成“引线没有成功转移的正确封装空腔”或“成功引线转移但没有封装空腔”。使用垂直馈穿部的一些现有技术的另一个难点是利用导电材料无空隙且密封填充过孔，这将形成垂直馈穿部。
[0007]总之，希望开发出一种方法，该方法通过使用基于金属合金的密封材料或甚至通过根本不需要密封材料的一些公知结合方法来实现MEMS部件的气密密封。而且，该方法应该允许使用通过公知MEMS蚀刻工艺形成的垂直馈穿部图案进行引线转移，而无需复杂的过孔填充、沟槽再填充或类似沉积技术。具有上述特征的方法将消除对“高温密封工艺”以及“重填垂直馈穿部图案”的需要，提高工艺成品率、可靠性以及与不同传感器工艺的兼容性，同时显著降低包装成本。
【发明内容】
[0008]本发明提供了一种利用垂直馈穿部用于引线转移的晶片级气密密封过程的方法，该方法与低温结合/密封过程相兼容并且不需要经由开口在垂直馈穿部内进行重填，从而提供了既进行气密密封又进行引线转移的非常容易的方式。公开了本发明的一些实施方式，其中一些实施方式提供了“消除对密封材料的需要”或“使得制造密封MEMS结构所需的过程步骤数量最少”的优点。尽管针对本发明公开了四个示例性实施方式，但是在本发明的范围和精神内可以公开更多。
[0009]在本发明中描述的方法需要两个基板的结合，其中一个基板包含待被密封的MEMS部件，并且被称为传感器基板。第二基板被为封帽基板，并且用于气密密封并且还用于放置在传感器基板上的MEMS部件的引线转移。传感器基板的制造可以通过使用在现有技术中描述的各种方法实现，目标是生产通常以若干微米的偏移悬置在基板表面上方的硅微结构。传感器板或封帽基板或传感器基板和封帽基板二者还可以包含通过CMOS或类似制造过程制造的集成电路。
[0010]在本发明的不同实施方式中，传感器基板的制造可以通过使用本领域技术人员已知的任何标准的MEMS或CM0S MEMS过程实现。这些过程可以包括不同的表面和体微加工方法，并且可以利用不同的传感器基板，包括但不限于硅、S01、玻璃或CMOS。如在本发明的示例性实施方式中描述的一样，由本发明公开的包装方法与许多不同的传感器基板结构兼容。
[0011]本发明的封帽晶片的制造需要仅仅通过利用直接硅蚀刻和薄膜沉积/蚀刻技术对SOI晶片或具有类似结构的晶片进行双面构图。蚀刻封帽晶片的第一面同时形成“将封装MEMS部件的空腔”以及“将面对待封装在空腔内的MEMS部件的导电引线的垂直馈穿部图案”。蚀刻封帽晶片的第二面形成到达“将面对外界的垂直馈穿部图案的表面”的“过孔”。在本发明的不同实施方式中，还可以在封帽晶片的单面或双面上沉积并构图金属层，从而根据沉积部位而用作密封材料、吸气材料或焊线结合焊盘。
[0012]本发明中描述的方法的优点如下所列:
[0013]a.本发明利用了在封帽基板上对“封装空腔”和“垂直馈穿部”同时进行构图，从而简化了封帽基板的制造过程。
[0014]b.本发明不需要填充过孔，该过孔到达在封帽基板上制造的垂直馈穿部图案。将这些过孔打开既不会给密封区域带来任何损坏，又不会影响封装空腔的气密性。
[0015]c.本发明与使用各种密封材料如薄膜金属和合金的基于低温热压缩的结合/密封过程兼容，并且在一些实施方式中还与不需要在传感器上或封帽基板上沉积任何密封材料来进行结合/密封
【技术领域】
[0001]本发明涉及微结构的晶片级包装领域，这种微结构需要被封装在气密空腔中，并且具有单个或多个电引线，这些电引线需要被转移到该空腔外部而不毁坏该空腔的气密性。
【背景技术】
[0002]微机电系统(MEMS)使得在从消费类电子市场到汽车甚至军工电子产品的范围内的各种应用中使用的现有技术的换能器、传感器、致动器、共振器等能够发展。MEMS产品提供了与传统机电系统相比成本更低、与大规模批量生产的兼容性更好、空间需求更小和可靠性更高的优点。MEMS产品的核心包括将物理、化学、生物等信号转换成电信号的精确微加工机电部件。这些微加工部件中的一些微加工部件必须与外界具有直接物理接触，就像在气流传感器或压力传感器的情况下一样。另一方面，各种各样的微加工部件，包括但不限于惯性传感器、共振器和红外检测器，必须与它们操作所处的周围环境的气氛隔离。这种隔离对于“为微加工部件形成受控操作气氛”和“保持这些微小部件安全而不受各种因素(包括固体、液体和/气体污染、湿度和/或压力变化)的不利影响”都是必须的。微结构部件与周围环境的隔离仅仅是通过将它们封装在气密密封的包装中实现。
[0003]包装MEMS部件的较早示例单独地实现每个制造的MEMS部件的气密密封，由于劳动和时间增加以及工艺成品率和可靠性降低，这增加了包装成本。一个明显较好的替换方案是以晶片级将MEMS部件密封，这通过使得劳动和时间最小化并增加工艺成品率和可靠性而显著地降低了包装成本。晶片级包装通常是指使用晶片级MEMS处理技术来在包含将被包装的MEMS部件的传感器晶片的顶部形成封顶(capping)元件(或者是一层，或者是一晶片)。这样，可以同时封装位于传感器晶片上的所有MEMS部件。然而，封装仅仅是包装过程的第一半，而第二半只不过是将封装的MEMS部件的导电引线转移到外界而不降低封装的气密性。
[0004]现有技术中报告了用于MEMS部件的晶片级封装的各种方法，包括用于引线转移的技术。现有技术中公知的是使用玻璃粉作为封帽晶片和传感器晶片之间的密封材料，为此，通过传感器晶片的表面将封装MEMS部件的引线横向地转移，并且在玻璃粉材料下方形成台阶高度，该台阶高度必须被适当地密封。利用玻璃粉材料密封高达若干微米的台阶高度不是重要问题，这是因为玻璃粉在烧制之后通常具有大于25μπι的厚度。另一方面，玻璃粉结合所需的温度超过430°C，这不仅会限制可以在MEMS部件上使用的兼容材料的数量，而且还会导致高包装应力。而且，玻璃粉是一种厚膜浆料，这种厚膜浆料具有在封装空腔内产生自由移动的粉粒并且污染MEMS部件的风险，这既会降低包装成品率又会降低长期可靠性。最后，已知与用作密封材料的金属基合金相比玻璃粉的气密性更差。
[0005]现有技术中的另一种方法是使用金属基合金作为密封材料(Au-1n、Au-Sn、Al-Ge、S1-Au等)。这些合金一般提供了相比于玻璃粉的更好的密封性并且对于各种合金材料和成分来说需要通常在从200°C到400°C的范围内的更低处理温度。然而，由于导电，这些密封材料不允许通过密封区域转移引线，除非在这些引线和密封材料之间使用附加绝缘层。即使使用这种绝缘层，金属基密封材料也必须仍然能够覆盖由在密封区域下面穿过的引线造成的台阶高度，这通常需要若干微米以上的密封材料厚度。由于机械应力增加并且还由于更厚金属层的成本，这种厚度对于金属基密封材料来说并不理想。
[0006]在现有技术的其他示例中，使用相对于传感器晶片表面垂直加工的导电馈穿图案来将引线转移到外界。这样，可以使用更薄的密封材料来密封MEMS部件，这是由于在这种情况想引线不会在密封区域下面造成台阶高度，因为它们通过并不穿过密封区域的路径转移到外界。尽管如此，实现垂直馈穿部增加了用来制造传感器或封帽晶片或这二者的工艺的复杂性和步骤数量。垂直馈穿部工艺的一个难点是在同一个步骤中实现密封和引线转移，这需要精确控制密封材料、传感器引线、密封区域、垂直馈穿部的厚度。这些参数中的一些参数之间的任何偏差都可能形成“引线没有成功转移的正确封装空腔”或“成功引线转移但没有封装空腔”。使用垂直馈穿部的一些现有技术的另一个难点是利用导电材料无空隙且密封填充过孔，这将形成垂直馈穿部。
[0007]总之，希望开发出一种方法，该方法通过使用基于金属合金的密封材料或甚至通过根本不需要密封材料的一些公知结合方法来实现MEMS部件的气密密封。而且，该方法应该允许使用通过公知MEMS蚀刻工艺形成的垂直馈穿部图案进行引线转移，而无需复杂的过孔填充、沟槽再填充或类似沉积技术。具有上述特征的方法将消除对“高温密封工艺”以及“重填垂直馈穿部图案”的需要，提高工艺成品率、可靠性以及与不同传感器工艺的兼容性，同时显著降低包装成本。
【发明内容】
[0008]本发明提供了一种利用垂直馈穿部用于引线转移的晶片级气密密封过程的方法，该方法与低温结合/密封过程相兼容并且不需要经由开口在垂直馈穿部内进行重填，从而提供了既进行气密密封又进行引线转移的非常容易的方式。公开了本发明的一些实施方式，其中一些实施方式提供了“消除对密封材料的需要”或“使得制造密封MEMS结构所需的过程步骤数量最少”的优点。尽管针对本发明公开了四个示例性实施方式，但是在本发明的范围和精神内可以公开更多。
[0009]在本发明中描述的方法需要两个基板的结合，其中一个基板包含待被密封的MEMS部件，并且被称为传感器基板。第二基板被为封帽基板，并且用于气密密封并且还用于放置在传感器基板上的MEMS部件的引线转移。传感器基板的制造可以通过使用在现有技术中描述的各种方法实现，目标是生产通常以若干微米的偏移悬置在基板表面上方的硅微结构。传感器板或封帽基板或传感器基板和封帽基板二者还可以包含通过CMOS或类似制造过程制造的集成电路。
[0010]在本发明的不同实施方式中，传感器基板的制造可以通过使用本领域技术人员已知的任何标准的MEMS或CM0S MEMS过程实现。这些过程可以包括不同的表面和体微加工方法，并且可以利用不同的传感器基板，包括但不限于硅、S01、玻璃或CMOS。如在本发明的示例性实施方式中描述的一样，由本发明公开的包装方法与许多不同的传感器基板结构兼容。
[0011]本发明的封帽晶片的制造需要仅仅通过利用直接硅蚀刻和薄膜沉积/蚀刻技术对SOI晶片或具有类似结构的晶片进行双面构图。蚀刻封帽晶片的第一面同时形成“将封装MEMS部件的空腔”以及“将面对待封装在空腔内的MEMS部件的导电引线的垂直馈穿部图案”。蚀刻封帽晶片的第二面形成到达“将面对外界的垂直馈穿部图案的表面”的“过孔”。在本发明的不同实施方式中，还可以在封帽晶片的单面或双面上沉积并构图金属层，从而根据沉积部位而用作密封材料、吸气材料或焊线结合焊盘。
[0012]本发明中描述的方法的优点如下所列:
[0013]a.本发明利用了在封帽基板上对“封装空腔”和“垂直馈穿部”同时进行构图，从而简化了封帽基板的制造过程。
[0014]b.本发明不需要填充过孔，该过孔到达在封帽基板上制造的垂直馈穿部图案。将这些过孔打开既不会给密封区域带来任何损坏，又不会影响封装空腔的气密性。
[0015]c.本发明与使用各种密封材料如薄膜金属和合金的基于低温热压缩的结合/密封过程兼容，并且在一些实施方式中还与不需要在传感器上或封帽基板上沉积任何密封材料来进行结合/密封
再多了解一些
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