專利名稱：一種改進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)平臺圓片級封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)封裝領(lǐng)域，尤其是涉及一種改進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)平臺圓片級封裝結(jié)構(gòu)及其加工方法。
背景技術(shù)：
微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-electro-mechanicalsystems,簡稱 MEMS)是利用微加工技術(shù)制造出來的三維裝置，至少包括一個可運(yùn)動結(jié)構(gòu)滿足某種機(jī)械作用。MEMS器件在眾多領(lǐng)域都有著十分廣闊的應(yīng)用背景，這是由于MEMS大力借鑒集成電路成熟的工藝技術(shù)，使得所制造出來的器件能夠集成微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處理和控制集成電路于一體。由于微機(jī)電系統(tǒng)通常都包括微米級精密結(jié)構(gòu)如支撐結(jié)構(gòu)、驅(qū)動結(jié)構(gòu)等，這些結(jié)構(gòu)受環(huán)境影響極易損壞。因此，需要完善的封裝加強(qiáng)保護(hù)，同時也可以充分利用封裝結(jié)構(gòu)加強(qiáng)封裝后微機(jī)電系統(tǒng)的功能。如今微機(jī)電系統(tǒng)的微機(jī)電系統(tǒng)平臺通常采用密封結(jié)構(gòu)，還停留在單個傳感器或者執(zhí)行器的階段。為了拓展整個微機(jī)電系統(tǒng)功能，比較常用的方法都是通過把多個傳感器或者執(zhí)行器組合在一起進(jìn)行系統(tǒng)級的封裝。這種方法組成的微機(jī)電系統(tǒng)都比較獨立，并沒有真正的集成。因此，系統(tǒng)級封裝后的整體微機(jī)電系統(tǒng)面積大，效率低，成本高。圖1、2為兩種現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖。由于沒有考慮實際應(yīng)用的不同，此微機(jī)電系統(tǒng)平臺會對應(yīng)用產(chǎn)生不利影響。如此結(jié)構(gòu)應(yīng)用于光柵掃面，微機(jī)電系統(tǒng)平臺的邊框就會有固定反射干擾。因此為了提高整個微機(jī)電系統(tǒng)的整體性能，本發(fā)明針對一種微機(jī)電系統(tǒng)平臺進(jìn)行改進(jìn)，并提出一種新穎的封裝方法可集成大量的傳感元件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為設(shè)計并改進(jìn)一種微機(jī)電系統(tǒng)平臺，并進(jìn)行圓片級的垂直三維封裝。從而顯著提高微機(jī)電系統(tǒng)的整體性能，減少封裝后的管芯面積和體積，提高生產(chǎn)效率， 降低成本。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案
一種改進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)平臺圓片級封裝結(jié)構(gòu)，包括頂層蓋片，微機(jī)電系統(tǒng)的平臺，底層基底，所述頂層蓋片、微機(jī)電系統(tǒng)平臺和底層基底形成一個密閉空間，所述微機(jī)電系統(tǒng)平臺為鏤空結(jié)構(gòu)，并可主動或被動地產(chǎn)生位移。所述頂層蓋片和或底層基底上可以集成傳感器，或者可移動的微機(jī)電系統(tǒng)平臺與頂層蓋片和或底層基底直接形成電容式傳感器。微機(jī)電系統(tǒng)的平臺包括靜止偏置單元或者可運(yùn)動單元，微機(jī)電系統(tǒng)的平臺具有邊框，所述靜止偏置單元或者可運(yùn)動單元投影位置在所述邊框內(nèi)，所述密封空間能夠提供容納下微機(jī)電系統(tǒng)平臺起始偏置的空間或者運(yùn)動單元運(yùn)動所需空間?？蛇\(yùn)動單元部分的驅(qū)動結(jié)構(gòu)可以是靜電、熱電、電磁、壓電中的至少一種。
熱電驅(qū)動結(jié)構(gòu)由兩層或者多層熱膨脹系數(shù)不同的材料薄層組成，例如鎢/鋁，鋁/ SiO2K述熱電驅(qū)動結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動層和被動層，被動層為兩層熱膨脹系數(shù)不同的薄層材料， 驅(qū)動層為導(dǎo)電材料。針對不同的微機(jī)電系統(tǒng)的器件，本發(fā)明需要應(yīng)用不同的方法對不同的微機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。首先，我們在制作微機(jī)電系統(tǒng)平臺以前，先制作各種傳感器于中間的起始偏置或者可運(yùn)動單元上面；或者在此微機(jī)電系統(tǒng)平臺的起始偏置或者可運(yùn)動單元釋放前搭載上微納器件?？蛇\(yùn)動單元部分搭載反射鏡，微透鏡，衍射光柵，熱感應(yīng)器；或者集成反射鏡，微透鏡，衍射光柵，光度計，加速度計，陀螺儀。在制作靜止偏置或者可運(yùn)動結(jié)構(gòu)未釋放前，在其上面集成制作如高吸收介質(zhì)膜、 高吸收黑色金屬、高吸收有機(jī)物等抗反射層，或者金屬微粒。如果此微機(jī)電系統(tǒng)平臺集成衍射光柵并進(jìn)行封裝，其設(shè)計得考慮增加抗反射涂層。由于微機(jī)電系統(tǒng)平臺上面的光柵需要通過此微系統(tǒng)平臺封裝的蓋片入射出射光線，而此微機(jī)電系統(tǒng)平臺，除光柵以外的制作材料一般都會反射光線，造成反射后有定點噪聲的影響。為了去除光柵以外材料的反射，本發(fā)明需要改進(jìn)微系統(tǒng)平臺的加工工藝，先制作抗反射涂層。本發(fā)明可以在制作微系統(tǒng)平臺工藝流程中添加一步，在其上濺射鉬黑并圖形化。其次，制作帶有不同預(yù)定義截面的蓋片。根據(jù)功能的不同，選用的材料有聚合物， 玻璃，陶瓷，硅片等等。同時由于微機(jī)電系統(tǒng)平臺應(yīng)用場合的不同，對封裝的蓋片有不同的形狀要求，不再局限在平面型。如微機(jī)電系統(tǒng)平臺集成或者搭載衍射光柵，則可以制作圓屋頂型，斜坡型等結(jié)構(gòu)。另外也可以根據(jù)不同的使用要求將頂層蓋片制作成透鏡形，圓錐形。 其制作方法包括聚合物壓膜法，玻璃熔融自我變形法等等。如果微機(jī)電系統(tǒng)的外面直接用于體內(nèi)掃描，可以在封裝蓋片結(jié)構(gòu)上制作超疏水結(jié)構(gòu)；其超疏水結(jié)構(gòu)的制作使用高透光聚合物涂層浸潤烘干或者制作納米圖案。。在所述頂層蓋片上同時也可集成各種傳感器。微機(jī)電系統(tǒng)平臺為鏤空結(jié)構(gòu)，底層基底材料可以選用柔性印刷電路板，印刷電路板，硅，集成電路裸芯，玻璃，陶瓷等。制作帶有傳感器的基底也是本發(fā)明的關(guān)鍵步驟。在其上面，我們制作溫度傳感器， 濕度傳感器，電容檢測傳感器、壓力傳感器、熱量傳感器，以及集成能量捕獲器件如射頻線圈及電源轉(zhuǎn)換模塊，加速度測量傳感器，位移測量傳感器等。然后，依次鍵合各大部分。鍵合的方法有膠水固化，陽極鍵合，共晶健合等。最后，通過劃片即可獲得單個微機(jī)電系統(tǒng)。本發(fā)明靈活多變，實現(xiàn)方便，不僅為微機(jī)電系統(tǒng)提供了封裝保護(hù)，還大大提高了微機(jī)電系統(tǒng)的功能。本發(fā)明具有以下有益效果
鏤空結(jié)構(gòu)的微系統(tǒng)平臺自由度大，可以產(chǎn)生大的位移。由于采用適合圓片級的封裝方法，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了成本。由于封裝時可以集成多個傳感器，可以提高微機(jī)電系統(tǒng)的性能。由于采用了垂直封裝，結(jié)構(gòu)緊湊，便于系統(tǒng)的微型化和集成，特別適用于植入人體。密封封裝能夠提高了系統(tǒng)的長期使用中的抗干擾能力，提高了器件的使用壽命。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的微機(jī)電系統(tǒng)平臺的結(jié)構(gòu)示意(a)為帶有可自由運(yùn)動平臺；
(b)為低自由度起始偏置或者可運(yùn)動平臺；
11、微機(jī)電系統(tǒng)平臺；12、驅(qū)動臂；13、焊盤；14、硅邊框。圖2為現(xiàn)有技術(shù)的微機(jī)電系統(tǒng)平臺(平臺為起始偏置或者可以自由運(yùn)動)的結(jié)構(gòu)示意21、微機(jī)電系統(tǒng)平臺；22、驅(qū)動臂或者卷曲結(jié)構(gòu)；23、焊盤；24、硅邊框。圖3為現(xiàn)有技術(shù)的微機(jī)電系統(tǒng)集成反射鏡的工藝流程簡圖； 31、硅；32、SiO2 ；34, SiO2 結(jié)構(gòu)層；35、Al 結(jié)構(gòu)層。(a)清洗烘干后的SOI ；
(b)PECVD SiO2 并圖形化；
(c)蒸發(fā)Al，并圖形化；
(d)背面硅刻蝕；
(e)正面硅刻蝕。圖4為三維結(jié)構(gòu)的蓋片；
41、圓屋頂型；42、透鏡型；43、傾斜結(jié)構(gòu)；44、平面型。圖5為帶有各種傳感器件的基底或者蓋片；
51、裸芯/集成制作的芯片；52、硅；53、鉬電阻/線圈；54、焊盤；57、硅導(dǎo)通穿孔 (TSV)0圖6為改進(jìn)后的微機(jī)電系統(tǒng)平臺的工藝流程簡圖 61、SOI ；62, SiO2 ；63, Au ；64、Al ；
(a)SOI 準(zhǔn)備；
(b)PECVD SiO2 并圖形化;
(c)濺射金并圖形化；
(d)蒸發(fā)Al并圖形化；
(e)聚酰亞胺/鉬黑濺射并圖形化；
(f)背面硅刻蝕；
(g)與硅基底鍵合；
(h)正面硅刻蝕釋放此微機(jī)電系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)；
(i)與蓋片鍵合。圖7為單個封裝的微機(jī)電系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)示意71、玻璃頂層蓋片；72、開孔；73、微機(jī)電系統(tǒng)平臺；74、底層基底；75、傾斜玻璃頂層蓋片；76、集成/貼附裸芯；77、硅通孔；78、園屋頂頂層蓋片；79、線圈； 圖8為圓片級封裝結(jié)構(gòu)； 81、切割點。
具體實施例方式
5
如圖7所示一種改進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)平臺圓片級封裝結(jié)構(gòu)，包括頂層蓋片71，微機(jī)電系統(tǒng)的平臺73，底層基底74，所述頂層蓋片71、微機(jī)電系統(tǒng)平臺73和底層基底74形成一個密閉空間，所述微機(jī)電系統(tǒng)的平臺73為鏤空結(jié)構(gòu)，并可主動或被動地產(chǎn)生位移。所述頂層蓋片71和或底層基底74上集成了傳感器。另外可移動的微機(jī)電系統(tǒng)平臺與頂層蓋片和或底層基底也可以直接形成電容式傳感器。底層基底材料為柔性印刷電路板、印刷電路板、硅、集成電路裸芯、玻璃、陶瓷中的一種。如圖4所示所述頂層蓋片截面可以為平面形44，園屋頂形41，透鏡形42等。另外也可以根據(jù)不同的使用要求將頂層蓋片制作成透鏡形，圓錐形。其制作方法包括聚合物壓膜法，玻璃熔融自我變形法等等。在所述頂層蓋片上同時也可集成各種傳感
ο在所述頂層蓋片和或底層基底上集成的傳感器可以是溫度傳感器、濕度傳感器、 電容檢測傳感器、射頻線圈及電源模塊、壓力傳感器、熱量傳感器中、加速度檢測傳感器、壓力傳感器等。圖5為帶有各種傳感器件的基底或者蓋片。如圖7所示所述微機(jī)電系統(tǒng)的平臺包括靜止偏置單元或者可運(yùn)動單元，微機(jī)電系統(tǒng)的平臺具有邊框，所述靜止偏置單元或者可運(yùn)動單元投影位置在所述邊框內(nèi)，所述密封空間能夠提供容納下微機(jī)電系統(tǒng)平臺起始偏置的空間或者運(yùn)動單元運(yùn)動所需空間。所述可運(yùn)動單元部分搭載可以反射鏡，微透鏡，衍射光柵，熱感應(yīng)器中的至少一種；或者集成反射鏡，微透鏡，衍射光柵，光度計，加速度計，陀螺儀中的至少一種。在制作靜止偏置或者可運(yùn)動結(jié)構(gòu)未釋放前，在其上面集成制作如高吸收介質(zhì)膜、高吸收黑色金屬、高吸收有機(jī)物等抗反射層，或者金屬微粒。所述可運(yùn)動單元部分的驅(qū)動結(jié)構(gòu)可以是靜電、熱電、電磁、壓電中的至少一種。熱電驅(qū)動結(jié)構(gòu)由兩層或者多層熱膨脹系數(shù)不同的材料薄層組成，例如鎢/鋁，鋁/Si02。所述熱電驅(qū)動結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動層和被動層，被動層為兩層熱膨脹系數(shù)不同的薄層材料，驅(qū)動層為導(dǎo)電材料。為了能使本發(fā)明的優(yōu)點和效果得到充分的體現(xiàn)，下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明?！獋€實施例微機(jī)電系統(tǒng)選用平臺上集成衍射光柵作為實施對象。此微機(jī)電系統(tǒng)上集成的光柵一般用來操控可見光對光進(jìn)行波段選擇，因此需要考慮到微機(jī)電系統(tǒng)其它表面材料的反射干擾。因此可以在工藝制作過程中增加一抗反射涂層。同時由于微鏡封裝的蓋片如果為水平結(jié)構(gòu)，光線就會在蓋片的上表面反射，因此可以通過改進(jìn)蓋片的形狀形成三維結(jié)構(gòu)控制入射光線在蓋片上表面的反射。本實施例中的微機(jī)電系統(tǒng)平臺為電熱驅(qū)動型，外界溫度環(huán)境溫度會對器件造成影響，所以可以在微鏡封裝的基底上集成一個溫度傳感器用來對驅(qū)動電壓進(jìn)行溫度控制，同時制作線圈射頻接收、傳送能源。本實施需要準(zhǔn)備好傾斜型狀玻璃蓋片，其具體的制作工藝如下
(a)硅模具準(zhǔn)備，使用灰度光刻加刻蝕形成傾斜狀；
(b)刻蝕通孔，用于暴露焊盤；
(c)平面玻璃與硅通過陽極鍵合；(d)加熱到玻璃熔融化溫度，使玻璃變形并貼附于模具上面；
(e)KOH腐蝕硅模具，釋放形成傾斜結(jié)構(gòu)玻璃蓋片。本實施例還需要制作基底。本實施例使用硅作為基底，先硅氧化形成一絕緣層，通過濺射Al并圖形化形成射頻線圈用于接收能量(如圖8)，同時貼附溫度傳感器裸芯片于硅上形成一個完整的基底。傳統(tǒng)的微機(jī)電系統(tǒng)平臺的一般功能簡單，其基本制作流程如下 清洗烘干后的S0I;(如圖3a)
PECVD SiO2并圖形化；(如圖3b) 蒸發(fā)Al，并圖形化；(如圖3c) 背面硅刻蝕；(如圖3d) 正面硅刻蝕。(如圖:3e)
而本發(fā)明需要對此微系統(tǒng)平臺針對應(yīng)用功能和應(yīng)用場合的不同對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，其一典型實施例的基本制作流程如下
(a)SOI準(zhǔn)備；(如圖6a)
(b)PECVDSiO2并圖形化；(如圖6b)
(c)濺射金并圖形化；(如圖6c)
(d)蒸發(fā)Al并圖形化；(如圖6d)
(e)鉬黑濺射并圖形化；(如圖6e)
(f)背面硅刻蝕；(如圖6f)
(g)與底層硅基底的硅硅鍵合；(如圖6g)
(h)正面硅刻蝕，釋放平臺結(jié)構(gòu)；(如圖他) ⑴與蓋片鍵合。(如圖6i)
至此整個圓片級的微鏡已經(jīng)制作完成，而后如圖8所示使用激光沿著微鏡的中間切割點81切割既可完成制作。如果微機(jī)電系統(tǒng)的外面直接用于體內(nèi)掃描，可以在封裝蓋片結(jié)構(gòu)上制作超疏水結(jié)構(gòu)；其超疏水結(jié)構(gòu)的制作使用高透光聚合物涂層浸潤烘干或者制作納米圖案。如果微機(jī)電系統(tǒng)平臺用于光線反射，可以考慮使用此平臺的背面作為反射鏡，只需要對上述實施例稍加改進(jìn)即可。即微機(jī)電系統(tǒng)平臺釋放前與基底鍵合時，倒置微機(jī)電系統(tǒng)平臺，選用AuSn既可以把微系統(tǒng)平臺的焊盤與基底鏈接，也可以鍵合邊框與底座。
權(quán)利要求
1.一種改進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)平臺圓片級封裝結(jié)構(gòu)，包括頂層蓋片，微機(jī)電系統(tǒng)的平臺，底層基底，所述頂層蓋片、微機(jī)電系統(tǒng)平臺和底層基底形成一個密閉空間，其特征在于所述微機(jī)電系統(tǒng)平臺為鏤空結(jié)構(gòu)，并可主動或被動地產(chǎn)生位移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)平臺圓片級封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述頂層蓋片截面為平面形，園屋頂形，斜坡形，透鏡形，圓錐形中的任意一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種改進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)平臺圓片級封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于 在所述頂層蓋片結(jié)構(gòu)上制作有超疏水結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的微機(jī)電系統(tǒng)可直接用于體內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種改進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)平臺圓片級封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述超疏水結(jié)構(gòu)的制作使用高透光聚合物涂層浸潤烘干或者制作納米圖案。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)平臺圓片級封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述頂層蓋片和或底層基底上集成了傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)平臺圓片級封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述可移動的微機(jī)電系統(tǒng)平臺與頂層蓋片和或底層基底形成電容式傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種改進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)平臺圓片級封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述傳感器為壓力傳感器、熱量傳感器、加速度檢測傳感器、位移測量傳感器中的至少一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)平臺圓片級封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述底層基底材料為柔性印刷電路板、印刷電路板、硅、集成電路裸芯、玻璃、陶瓷中的一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)平臺圓片級封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述微機(jī)電系統(tǒng)的平臺包括靜止偏置單元或者可運(yùn)動單元，所述微機(jī)電系統(tǒng)的平臺具有邊框，所述靜止偏置單元或者可運(yùn)動單元投影位置在所述邊框內(nèi)，所述密封空間能夠提供容納下微機(jī)電系統(tǒng)平臺起始偏置的空間或者運(yùn)動單元運(yùn)動所需空間。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種改進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)平臺圓片級封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述可運(yùn)動單元部分搭載反射鏡，微透鏡，衍射光柵，熱感應(yīng)器中的至少一種；或者集成反射鏡，微透鏡，衍射光柵，光度計，加速度計，陀螺儀中的至少一種。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種改進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)平臺圓片級封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述可運(yùn)動單元部分的驅(qū)動結(jié)構(gòu)可以是靜電、熱電、電磁、壓電中的至少一種。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種改進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)平臺圓片級封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述熱電驅(qū)動結(jié)構(gòu)由兩層或者多層熱膨脹系數(shù)不同的材料薄層組成。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種改進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)平臺圓片級封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述熱電驅(qū)動結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動層和被動層。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的一種改進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)平臺圓片級封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于被動層為兩層熱膨脹系數(shù)不同的薄層材料，驅(qū)動層為導(dǎo)電材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種改進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)平臺圓片級封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于 在制作所述靜止偏置或者可運(yùn)動結(jié)構(gòu)未釋放前，在其上面集成制作高吸收介質(zhì)膜、高吸收黑色金屬、高吸收有機(jī)物等抗反射層，或者金屬微粒。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)平臺圓片級封裝結(jié)構(gòu)，包括頂層蓋片，微機(jī)電系統(tǒng)的平臺，底層基底，所述頂層蓋片、微機(jī)電系統(tǒng)平臺和底層基底形成一個密閉空間，其特征在于所述微機(jī)電系統(tǒng)平臺為鏤空結(jié)構(gòu)，并可主動或被動地產(chǎn)生位移。所述頂層蓋片和或底層基底上集成了傳感器。由于鏤空結(jié)構(gòu)的微系統(tǒng)平臺自由度大，可以產(chǎn)生大的位移。同時封裝時集成了多個傳感器，可以提高微機(jī)電系統(tǒng)的性能。由于采用了垂直封裝，結(jié)構(gòu)緊湊，便于系統(tǒng)的微型化和集成，特別適用于植入人體。密封封裝能夠提高了系統(tǒng)的長期使用中的抗干擾能力，提高了器件的使用壽命。
文檔編號B81B7/00GK102408091SQ201110306760
公開日2012年4月11日 申請日期2011年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月10日
發(fā)明者周亮, 謝會開 申請人:無錫微奧科技有限公司