金属键合封装结构和封装工艺的制作方法

1.本发明涉及电子封装技术领域，具体地，涉及一种金属键合封装结构和封装工艺。


背景技术：

2.晶圆级封装技术主要有直接键合、阳极键合、共晶键合、玻璃浆料键合等键合技术。不论是采用何种键合技术，和芯片器件工艺兼容性良好是至关重要的一点，否则不兼容的键合工艺很大程度上会导致芯片功能降低甚至是失效。为芯片真空封装选择合适的键合工艺不仅在工艺流片过程中不会对芯片造成物理、化学、生物等方面的伤害，还会为芯片提供一个稳定、封闭性好、高真空、安全的工作场所。因此，良好的真空封装技术对于芯片长期稳定的工作有着决定性作用。
3.目前，金属键合是晶圆级封装技术的主流形式，主要采用两种金属作为键合焊料，一种高熔点，另一种低熔点，两种金属沉积在键合环上进行加热、加压，使得两种不同熔点的金属层发生反应生成金属间化合物形成紧密封闭的焊接层，最终形成稳定、安全、高真空的密闭环境供芯片长期稳定的工作。
4.但是传统的金属键合存在如下缺点：1.金属键合一般需要对整个器件层进行加热、加压，不同的金属键合工艺所需要的温度也不一致，一般金属键合温度在200℃-450℃之间，如真空封装效果优良的au-sn键合温度在300℃左右，那么承受工艺温度不能达到300℃的器件层基本无法采用au-sn组合的金属键合工艺，只能采用其它键合温度条件比较低、但是键合剪切力比较差的金属组合，这将一定程度上影响芯片器件的使用性能和使用寿命；2.传统的金属键合在加热过程中主要采用和晶圆尺寸一般大小的加热基板对晶圆进行整体加热，这样的加热系统在成本上比较浪费，且在键合过程中无法灵活的控制基板加热温度的升降。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种无需对整个晶圆器件进行加热升温的金属键合封装结构。
6.本发明同时提供一种金属键合封装工艺本发明目的通过以下技术方案实现：一种金属键合封装结构，包括衬底晶圆和盖帽晶圆，衬底晶圆上设有热阻层和pad点，热阻层上设置绝缘层，盖帽晶圆和绝缘层之间设置键合层。
7.一种金属键合封装工艺，采用电流焊键合封装。
8.进一步地，包括如下步骤：s1.在衬底晶圆表面镀金属薄膜层作为热阻层，并将金属薄膜层进行图案化工艺处理；s2.在s1所形成的图案化金属薄膜层上生长绝缘薄膜层，图案化绝缘薄膜层，绝缘
薄膜层和金属薄膜层图形化一致；s3.在绝缘薄膜层上成型出键合环；s4.对盖帽晶圆进行深硅刻蚀，成型出键合环并沉积键合焊料；s5.给热阻层通电流，使衬底晶圆和盖帽晶圆进行电流焊封装。
9.更进一步地，金属薄膜层为pt材质，金属薄膜层的图案化通过剥离或蒸镀工艺实现。
10.再进一步地，金属薄膜层厚度范围为50～5000nm。
11.再进一步地，绝缘薄膜层为aln材质，绝缘薄膜层采用cvd、mocvd、ald或pvd的工艺形成。
12.还进一步地，绝缘薄膜层厚度范围为500～2000nm。
13.进一步地，键合环采用蒸镀、电镀或剥离工艺形成。
14.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1）本技术的封装结构可直接通过在衬底晶圆的pad点施加电流的方式对热阻层进行加热升温至一定温度，再通过绝缘层将热量传递至键合层上，温度高低可通过电流大小来调控，颠覆传统封装技术中需要采用加热基板系统进行加热的方式，无需对晶圆器件整体进行加热，避免封装结构整体加热对芯片内部器件层造成的热损伤和器件层失效状况；2）本技术的电流焊封装工艺形成的局部的键合环加热区域基本不会影响器件层的性能，因此在选择不同熔点的金属焊料范围远比传统封装方式广泛，且工艺兼容性更强，可避免金属键合的高温对器件的影响。
附图说明
15.图1为实施例1所述的金属键合封装结构的结构示意图；图2为实施例2所述的封装工艺的过程示意图。
具体实施方式
16.下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
17.实施例1一种如图1所示的金属键合封装结构，包括衬底晶圆1和盖帽晶圆2，衬底晶圆1上设有热阻层3和pad点，热阻层3上设置绝缘层4，盖帽晶圆2和绝缘层4之间设置键合层5。对pad点施加电流，使热阻层3产热升温，绝缘层4充当导热层，绝缘层选用绝缘性好、导热性强的材料制作，绝缘层4将温度传递至键合层5，热阻层3升温至键合层5键合所需温度时即可完成键合封装。
18.上述的封装结构不需要对衬底晶圆、盖帽晶圆整体进行加热，能有效节省工艺成本，封装过程中可以通过控制电压或电流的大小来控制温度，控温灵活，封装过程简单易操作。
19.实施例2
提供一种实施例1所述的金属键合封装结构的封装工艺，采用电流焊键合封装，具体的封装工艺过程参见图2，大致包括如下步骤：s1.选取两片晶圆分别作为衬底晶圆和盖帽晶圆，对晶圆进行标准rca清洗，并用去离子水洗净，氮气吹扫干净；s2.在衬底晶圆表面镀上pt或其他电阻系数高、熔点高的金属薄膜层作为热阻层，并采用剥离、蒸镀的工艺方式将金属薄膜层进行图案化工艺处理，金属薄膜层厚度范围可在50nm-5000nm之间选择，具体厚度根据键合温度高低来调控；金属薄膜层图案化后，将衬底晶圆洗净备用；s3.在s1所形成的图案化金属薄膜层上采用cvd、mocvd、ald或者pvd的工艺方式生长一层aln或其他绝缘性好、导热系数高的绝缘薄膜层，以分隔开热阻层和键合焊料，绝缘层厚度可设置在500nm-2000nm的范围，生长完绝缘薄膜层后，在其表面进行涂胶、光刻、显影、刻蚀的工艺方式使之图案化，图案化后的绝缘薄膜层和金属薄膜层图形化一致；将衬底晶圆去胶后洗净备用；s4.在衬底晶圆绝缘薄膜层上采用蒸镀、电镀、剥离等工艺方式图案化一层金属焊料形成键合环，金属焊料的成分包括ti、ni、au、sn、cu、pt、in等各种组合，厚度可根据具体工艺需求设计。
20.s5.将盖帽晶圆进行深硅刻蚀，刻蚀后采用和衬底晶圆同样的工艺方式形成键合环和沉积键合焊料；将盖帽晶圆去胶后洗净备用；s6.将衬底晶圆的pad点通电，使热阻层加热至键合温度，对衬底晶圆和盖帽晶圆加压进行电流焊键合封装。
21.本实施例的电流焊封装方式主要是通过给键合环下的金属薄膜层（热阻层）通电流使其升温加热，热阻层升温至键合所需温度时进行键合工艺，从而避免对整个晶圆器件进行加热升温，电流焊只会对键合环部位进行局部加热升温，对不耐热的器件层有很好的保护作用。摆脱了芯片封装受焊料键合温度高所带来的局限性，可将原本工艺不兼容的不耐高温芯片和具有高键合温度、高强度剪切力的金属焊料兼容至一片晶圆上进行金属键合，且对芯片结构无损，解决了目前金属键合封装和芯片结构工艺不兼容的难题。
22.热阻层采用pt这样的熔点高（＞1000℃）、电阻系数高的金属层作为加热电阻，绝缘层采用aln这类的绝缘性好、导热系数高、熔点高（居里温度1300℃）的半导体材质，可以有效地保证金属键合加热工艺的进行，且对于金属键合效果不好的还可以二次、三次、甚至多次电流焊金属键合，提升了芯片键合的成品率，提高了键合工艺的产能。
23.此外，相较于传统的加热系统来说，本封装工艺在加热工艺上简单方便，不需要复杂的升温、降温、控温系统，取而代之的是利用通电电流的大小来调控温度的升降和平稳，且这种方式灵活可控，极大的减少了设备成本和工艺成本。本封装工艺还可以对于键合强度不达标、键合环有缝隙的单个芯片进行二次或多次电流焊金属键合，提高了芯片产能和芯片使用的可持续性。
24.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要
求的保护范围之内。