利用垂直饋穿部進行的晶片級氣密包裝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微結(jié)構(gòu)的晶片級包裝領(lǐng)域，這種微結(jié)構(gòu)需要被封裝在氣密空腔中，并且具有單個或多個電引線，這些電引線需要被轉(zhuǎn)移到該空腔外部而不毀壞該空腔的氣密性。
【背景技術(shù)】
[0002]微機電系統(tǒng)(MEMS)使得在從消費類電子市場到汽車甚至軍工電子產(chǎn)品的范圍內(nèi)的各種應(yīng)用中使用的現(xiàn)有技術(shù)的換能器、傳感器、致動器、共振器等能夠發(fā)展。MEMS產(chǎn)品提供了與傳統(tǒng)機電系統(tǒng)相比成本更低、與大規(guī)模批量生產(chǎn)的兼容性更好、空間需求更小和可靠性更高的優(yōu)點。MEMS產(chǎn)品的核心包括將物理、化學(xué)、生物等信號轉(zhuǎn)換成電信號的精確微加工機電部件。這些微加工部件中的一些微加工部件必須與外界具有直接物理接觸，就像在氣流傳感器或壓力傳感器的情況下一樣。另一方面，各種各樣的微加工部件，包括但不限于慣性傳感器、共振器和紅外檢測器，必須與它們操作所處的周圍環(huán)境的氣氛隔離。這種隔離對于“為微加工部件形成受控操作氣氛”和“保持這些微小部件安全而不受各種因素(包括固體、液體和/氣體污染、濕度和/或壓力變化)的不利影響”都是必須的。微結(jié)構(gòu)部件與周圍環(huán)境的隔離僅僅是通過將它們封裝在氣密密封的包裝中實現(xiàn)。
[0003]包裝MEMS部件的較早示例單獨地實現(xiàn)每個制造的MEMS部件的氣密密封，由于勞動和時間增加以及工藝成品率和可靠性降低，這增加了包裝成本。一個明顯較好的替換方案是以晶片級將MEMS部件密封，這通過使得勞動和時間最小化并增加工藝成品率和可靠性而顯著地降低了包裝成本。晶片級包裝通常是指使用晶片級MEMS處理技術(shù)來在包含將被包裝的MEMS部件的傳感器晶片的頂部形成封頂(capping)元件(或者是一層，或者是一晶片)。這樣，可以同時封裝位于傳感器晶片上的所有MEMS部件。然而，封裝僅僅是包裝過程的第一半，而第二半只不過是將封裝的MEMS部件的導(dǎo)電引線轉(zhuǎn)移到外界而不降低封裝的氣密性。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中報告了用于MEMS部件的晶片級封裝的各種方法，包括用于引線轉(zhuǎn)移的技術(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)中公知的是使用玻璃粉作為封帽晶片和傳感器晶片之間的密封材料，為此，通過傳感器晶片的表面將封裝MEMS部件的引線橫向地轉(zhuǎn)移，并且在玻璃粉材料下方形成臺階高度，該臺階高度必須被適當(dāng)?shù)孛芊?。利用玻璃粉材料密封高達若干微米的臺階高度不是重要問題，這是因為玻璃粉在燒制之后通常具有大于25μπι的厚度。另一方面，玻璃粉結(jié)合所需的溫度超過430°C，這不僅會限制可以在MEMS部件上使用的兼容材料的數(shù)量，而且還會導(dǎo)致高包裝應(yīng)力。而且，玻璃粉是一種厚膜漿料，這種厚膜漿料具有在封裝空腔內(nèi)產(chǎn)生自由移動的粉粒并且污染MEMS部件的風(fēng)險，這既會降低包裝成品率又會降低長期可靠性。最后，已知與用作密封材料的金屬基合金相比玻璃粉的氣密性更差。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中的另一種方法是使用金屬基合金作為密封材料(Au-1n、Au-Sn、Al-Ge、S1-Au等)。這些合金一般提供了相比于玻璃粉的更好的密封性并且對于各種合金材料和成分來說需要通常在從200°C到400°C的范圍內(nèi)的更低處理溫度。然而，由于導(dǎo)電，這些密封材料不允許通過密封區(qū)域轉(zhuǎn)移引線，除非在這些引線和密封材料之間使用附加絕緣層。即使使用這種絕緣層，金屬基密封材料也必須仍然能夠覆蓋由在密封區(qū)域下面穿過的引線造成的臺階高度，這通常需要若干微米以上的密封材料厚度。由于機械應(yīng)力增加并且還由于更厚金屬層的成本，這種厚度對于金屬基密封材料來說并不理想。
[0006]在現(xiàn)有技術(shù)的其他示例中，使用相對于傳感器晶片表面垂直加工的導(dǎo)電饋穿圖案來將引線轉(zhuǎn)移到外界。這樣，可以使用更薄的密封材料來密封MEMS部件，這是由于在這種情況想引線不會在密封區(qū)域下面造成臺階高度，因為它們通過并不穿過密封區(qū)域的路徑轉(zhuǎn)移到外界。盡管如此，實現(xiàn)垂直饋穿部增加了用來制造傳感器或封帽晶片或這二者的工藝的復(fù)雜性和步驟數(shù)量。垂直饋穿部工藝的一個難點是在同一個步驟中實現(xiàn)密封和引線轉(zhuǎn)移，這需要精確控制密封材料、傳感器引線、密封區(qū)域、垂直饋穿部的厚度。這些參數(shù)中的一些參數(shù)之間的任何偏差都可能形成“引線沒有成功轉(zhuǎn)移的正確封裝空腔”或“成功引線轉(zhuǎn)移但沒有封裝空腔”。使用垂直饋穿部的一些現(xiàn)有技術(shù)的另一個難點是利用導(dǎo)電材料無空隙且密封填充過孔，這將形成垂直饋穿部。
[0007]總之，希望開發(fā)出一種方法，該方法通過使用基于金屬合金的密封材料或甚至通過根本不需要密封材料的一些公知結(jié)合方法來實現(xiàn)MEMS部件的氣密密封。而且，該方法應(yīng)該允許使用通過公知MEMS蝕刻工藝形成的垂直饋穿部圖案進行引線轉(zhuǎn)移，而無需復(fù)雜的過孔填充、溝槽再填充或類似沉積技術(shù)。具有上述特征的方法將消除對“高溫密封工藝”以及“重填垂直饋穿部圖案”的需要，提高工藝成品率、可靠性以及與不同傳感器工藝的兼容性，同時顯著降低包裝成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供了一種利用垂直饋穿部用于引線轉(zhuǎn)移的晶片級氣密密封過程的方法，該方法與低溫結(jié)合/密封過程相兼容并且不需要經(jīng)由開口在垂直饋穿部內(nèi)進行重填，從而提供了既進行氣密密封又進行引線轉(zhuǎn)移的非常容易的方式。公開了本發(fā)明的一些實施方式，其中一些實施方式提供了“消除對密封材料的需要”或“使得制造密封MEMS結(jié)構(gòu)所需的過程步驟數(shù)量最少”的優(yōu)點。盡管針對本發(fā)明公開了四個示例性實施方式，但是在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)可以公開更多。
[0009]在本發(fā)明中描述的方法需要兩個基板的結(jié)合，其中一個基板包含待被密封的MEMS部件，并且被稱為傳感器基板。第二基板被為封帽基板，并且用于氣密密封并且還用于放置在傳感器基板上的MEMS部件的引線轉(zhuǎn)移。傳感器基板的制造可以通過使用在現(xiàn)有技術(shù)中描述的各種方法實現(xiàn)，目標(biāo)是生產(chǎn)通常以若干微米的偏移懸置在基板表面上方的硅微結(jié)構(gòu)。傳感器板或封帽基板或傳感器基板和封帽基板二者還可以包含通過CMOS或類似制造過程制造的集成電路。
[0010]在本發(fā)明的不同實施方式中，傳感器基板的制造可以通過使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何標(biāo)準的MEMS或CM0S+MEMS過程實現(xiàn)。這些過程可以包括不同的表面和體微加工方法，并且可以利用不同的傳感器基板，包括但不限于硅、S01、玻璃或CMOS。如在本發(fā)明的示例性實施方式中描述的一樣，由本發(fā)明公開的包裝方法與許多不同的傳感器基板結(jié)構(gòu)兼容。
[0011]本發(fā)明的封帽晶片的制造需要僅僅通過利用直接硅蝕刻和薄膜沉積/蝕刻技術(shù)對SOI晶片或具有類似結(jié)構(gòu)的晶片進行雙面構(gòu)圖。蝕刻封帽晶片的第一面同時形成“將封裝MEMS部件的空腔”以及“將面對待封裝在空腔內(nèi)的MEMS部件的導(dǎo)電引線的垂直饋穿部圖案”。蝕刻封帽晶片的第二面形成到達“將面對外界的垂直饋穿部圖案的表面”的“過孔”。在本發(fā)明的不同實施方式中，還可以在封帽晶片的單面或雙面上沉積并構(gòu)圖金屬層，從而根據(jù)沉積部位而用作密封材料、吸氣材料或焊線結(jié)合焊盤。
[0012]本發(fā)明中描述的方法的優(yōu)點如下所列:
[0013]a.本發(fā)明利用了在封帽基板上對“封裝空腔”和“垂直饋穿部”同時進行構(gòu)圖，從而簡化了封帽基板的制造過程。
[0014]b.本發(fā)明不需要填充過孔，該過孔到達在封帽基板上制造的垂直饋穿部圖案。將這些過孔打開既不會給密封區(qū)域帶來任何損壞，又不會影響封裝空腔的氣密性。
[0015]c.本發(fā)明與使用各種密封材料如薄膜金屬和合金的基于低溫?zé)釅嚎s的結(jié)合/密封過程兼容，并且在一些實施方式中還與不需要在傳感器上或封帽基板上沉積任何密封材料來進行結(jié)合/密封