MEMS封装结构和封装工艺的制作方法

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


背景技术：

2.在高真空mems封装领域，对于封装工艺的兼容性和封装结构的密封性有着很高的要求。封装工艺和芯片器件层的兼容性决定着芯片在流片过程中性能是否会降低甚至损坏。因此，选取一项合适的封装工艺对于芯片器件层的性能保护和稳定工作具有重要意义，合适的封装工艺和封装结构可为芯片器件层提供一个稳定、安全的工作环境，使芯片免受物理、化学、生物等破坏性因素的影响，极大提高芯片高性能运行的使用寿命。
3.目前，mems金属键合封装是mems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300-400℃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mems封装结构。
6.本发明同时提供一种mems封装工艺。
7.本发明目的通过以下技术方案实现：一种mems封装结构，包括衬底晶圆和盖帽晶圆，衬底晶圆上设有第一热阻层，第一热阻层上设置第一绝缘层，盖帽晶圆和第一绝缘层之间设置键合层；衬底晶圆上在第一热阻层对应位置处开设通孔，通孔内填充电极材料形成电流焊电极，电极材料与第一热阻层接通。
8.进一步地，盖帽晶圆和键合层之间还依次设有第二热阻层和第二绝缘层，第二热阻层与盖帽晶圆接触；盖帽晶圆上在第二热阻层对应位置处开设通孔，通孔内填充盖帽电极材料形成电流焊电极，盖帽电极材料与第二热阻层接通。
9.一种mems封装工艺，采用电流焊键合封装，包括如下步骤：
s1.在衬底晶圆上刻蚀出通孔；s2.在衬底晶圆的通孔内沉积导电物质形成电流焊电极；s3.在衬底晶圆的电流焊电极端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；s4.在s3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；s5.将盖帽晶圆深硅刻蚀出键合环；s6.在衬底晶圆的绝缘薄膜层上沉积键合焊料，并将键合焊料图案化处理；s7.在盖帽晶圆的键合环位置镀键合焊料；s8.给电流焊电极通电，在真空环境下对衬底晶圆和盖帽晶圆进行电流焊键合封装。
10.进一步地，金属薄膜层为pt材质，金属薄膜层采用剥离工艺沉积。
11.进一步地，绝缘薄膜层为aln材质，绝缘薄膜层的图案化工艺为干法刻蚀。
12.进一步地，键合焊料采用蒸镀或电镀的工艺沉积。
13.进一步地，键合焊料为金属或非金属焊料。
14.进一步地，盖帽晶圆上的键合焊料采用剥离的工艺方式蒸镀或电镀形成。
15.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电流焊电极中接入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tsv型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
16.图1为实施例1所述的mems封装结构的结构示意图；图2为实施例2所述的mems封装结构的结构示意图；图3为实施例1所述的mems封装工艺的过程示意图。
具体实施方式
17.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。
18.实施例1如图1所示的mems封装结构，包括衬底晶圆1和盖帽晶圆2，衬底晶圆1上设有第一热阻层3，第一热阻层3上设置第一绝缘层4，盖帽晶圆2和第一绝缘层4之间设置键合层5；衬底晶圆1上在第一热阻层3对应位置处开设通孔11，通孔11内填充电极材料6形成电流焊电
极，电极材料6与第一热阻层3接通。
19.电流焊电极中接入电流，使第一热阻层产热升温，第一绝缘层充当导热层，第一绝缘层选用绝缘性好、导热性强的材料制作，第一绝缘层将温度传递至键合层，第一热阻层升温至键合层键合所需温度时即可完成键合封装。
20.这种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接入的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。
21.实施例2参见图2，本实施例在实施例1的基础上在盖帽晶圆2和键合层5之间还依次设有第二热阻层7和第二绝缘层8，第二热阻层7与盖帽晶圆2接触；盖帽晶圆2上在第二热阻层7对应位置处开设通孔21，通孔21内填充盖帽电极材料9形成电流焊电极，盖帽电极材料9与第二热阻层7接通。本实施例的封装结构相对于实施例1来说，由于键合层上方和下方均可进行加热升温，因此能进一步提升键合封装效率。
22.实施例3提供一种实施例1所述的mems封装结构的封装工艺，采用电流焊键合封装，具体为tsv型电流焊，封装工艺过程参见图3，包括如下步骤：s1.将衬底晶圆进行标准rca清洗，并用去离子水洗净，氮气吹扫干净；s2.在衬底晶圆上采用匀胶、光刻、显影等工艺暴露需要做通孔的区域，利用深硅刻蚀设备刻蚀出垂直通孔，通孔的尺寸大小可在10um-100um之间选择；s3.采用pvd设备在衬底晶圆的通孔位置沉积cu种子层，再利用电镀工艺在通孔内填充cu形成电流焊电极；s4.a）在衬底晶圆的电流焊电极端采用剥离工艺沉积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，一般选用导热系数高和热阻系数高的pt金属作为金属薄膜层，图案化后的热阻层形貌大小略大于键合层形貌大小；b）将盖帽晶圆进行标准rca清洗，并用去离子水洗净，氮气吹扫干净；s5.a）在s4所形成的图案化金属薄膜层上沉积高热导的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，再利用干法刻蚀将绝缘薄膜层图案化，绝缘薄膜层图案化后的形貌大小和热阻层一致；b）将盖帽晶圆进行匀胶、曝光、显影、后烘后进行深硅刻蚀，刻蚀出深腔和键合环；s6.a）在衬底晶圆绝缘薄膜层上采用蒸镀或电镀的工艺沉积需要键合的金属或非金属焊料，并采用剥离的工艺进行键合焊料图案化；b）同样的在盖帽晶圆的键合环位置采用剥离的工艺方式蒸镀或者电镀用于键合的焊料；上述焊料中，金属焊料的成分包括ti、ni、cu、sn、au、pt中的数种组合，非金属焊料包含玻璃浆料或者树脂类的用于临时键合的非金属材料；s7.给电流焊电极通电，将衬底晶圆和盖帽晶圆在真空环境下进行电流焊键合封装工艺，采用带有通电电极的加压基板进行高真空环境下的高真空电流焊键合封装。
23.本技术的tsv电流焊封装工艺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。电流焊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焊料组合范围远比传统封装所匹配的金属焊料组合更广泛，工艺兼容性强，可在不考虑键合高温损坏器件层的前提下选择键合效果最好的金属焊料组合。
24.封装工艺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部分芯片结构工艺不兼容的难题，减少了由于键合封装工艺的高温环境对芯片器件层产生的性能下降或失效等损伤问题。
25.此外，相较于传统的加热系统来说，本tsv型mems电流焊封装结构，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，极大的减少了设备成本、工艺成本和工艺耗时。另外，本封装工艺还可以对于键合强度不达标、键合环有缝隙和键合不充分的单个芯片进行二次或多次电流焊键合，提高了芯片产能和芯片使用的可持续性。
26.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。