CN105236346A - Mems芯片封装结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS芯片封装结构及其制作方法，首先，选取与MEMS芯片相同材质的盖板，盖板具有第一表面和第二表面，在盖板第二表面利用硅通孔工艺开引线开口，并于第二表面及引线开口内依次铺设第二绝缘层、第二金属线路层、保护层，在第二金属线路层上预留出焊盘位置，焊盘上长有焊球；其次，在盖板第一表面依次铺设第一绝缘层、第一金属线路层和缓冲层，并制作空腔，最后于缓冲层上制作密封环和导电凸点，使空腔宽度大于功能芯片功能区的宽度；接着，将MEMS芯片的焊垫与盖板第一表面的导电凸点键合，即可完成对芯片的封装。本发明通过增设缓冲层，增加了密封环与盖板的结合力，保证了密封能力，并提高了抗气压能力，增加了可靠性。

Description

MEMS芯片封装结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种芯片封装结构，尤其涉及一种MEMS芯片封装结构及其制作方法。

背景技术

微电子机械***(MEMS:MicroElectroMechanicalSystems)是自上个世纪80年代以来发展起来的一种新型多学科交叉的前沿技术，它融合了微电子学与微机械学，将集成电路制造工艺中的硅微细加工技术和机械工业中的微机械加工技术结合起来，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微***。

对于MEMS封装而言，既要实现将芯片及内部线路连接部分保护起来，又要保证焊垫外露。传统方法一般是芯片装片和焊线后利用金属盖或塑料盖将其包封起来，对某些半导体MEMS芯片而言，需要高真空应用环境，因此，对于这种半导体MEMS封装技术需要在芯片功能区周围设密封环以保证芯片功能区的气密性，现有技术中，通常将密封环与边缘的导电凸点隔开一定的距离，具体宽度根据MEMS芯片大小而制定。但是，这种结构的键合有待进一步改进，以满足对密封环的密封性，抗气压能力，黏结性和可靠性提出的更高要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种MEMS芯片封装结构及其制作方法，通过在密封环周围与盖板之间增设缓冲层，增加了密封环与盖板的结合力，保证了密封能力，并提高了抗气压能力，增加了可靠性。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种MEMS芯片封装结构，包括：盖板和MEMS芯片，所述MEMS芯片的功能面具有功能区和位于功能区周边的若干焊垫，所述焊垫与所述功能区电性相连；所述盖板具有第一表面和与其相对的第二表面，所述盖板的第一表面上铺设有第一绝缘层，所述第一绝缘层上铺设有第一金属线路层，所述第一绝缘层上除所述第一金属线路层外的区域上及所述第一金属线路层上铺设有缓冲层，所述第一金属线路层上预设有密封环连接部和与若干所述焊垫相对应的导电凸点连接部，所述缓冲层上开设有暴露所述密封环连接部的第一开口和暴露所述导电凸点连接部的第二开口，所述第一开口内制作有密封环，所述第二开口内制作有导电凸点；所述导电凸点与所述MEMS芯片的功能面的所述焊垫键合在一起，使所述密封环密封环绕在所述MEMS芯片的功能区外；所述盖板的第二表面上形成有电导通结构，将所述盖板第一表面的所述第一金属线路层的电性引至所述盖板第二表面上。

进一步的，所述盖板第一表面的缓冲层上对应所述MEMS芯片的功能区的位置形成一空腔，且所述空腔位于所述密封环内，并罩住所述MEMS芯片的功能区。

进一步的，所述盖板的材质与所述MEMS芯片的基底材质相同。

进一步的，所述密封环的厚度为2μm～50μm，其材质包括铜、锡、镍、银、金、钛的一种或多种。

进一步的，所述密封环与所述导电凸点的材料相同，均为金属材料，且所述密封环的高度与所述导电凸点的高度相同。

进一步的，所述电导通结构包括：

引线开口，形成于所述盖板第二表面上并延伸至所述第一金属线路层上；

第二绝缘层，覆盖在所述盖板的第二表面上及所述引线开口的侧壁上；

第二金属线路层，形成于所述第二绝缘层上，电性连接所述第一金属线路层，并引至所述盖板的第二表面上；

保护层，覆盖于所述盖板第二表面及所述第二金属线路层上；所述保护层上形成有电连接所述第二金属线路层的预留焊盘的焊球。

一种MEMS芯片封装结构的制作方法，包括以下步骤：

A.提供一具有若干MEMS芯片的晶圆，所述MEMS芯片的功能面具有功能区和位于功能区周边的若干焊垫，所述焊垫与所述功能区电性相连，相邻MEMS芯片之间具有切割道；

B.提供一盖板，所述盖板具有对应每个MEMS芯片的若干单元，每个单元具有第一表面和与其相对的第二表面，每个单元的第二表面上制作有引线开口，并于第二表面及引线开口内依次铺设第二绝缘层、第二金属线路层和保护层，并于所述第二金属线路层上留出焊盘；

C.对所述盖板的第一表面进行研磨或者光刻直至所述第二表面暴露出所述引线开口内的第二金属线路层；

D.在所述盖板的第一表面依次铺设第一绝缘层、第一金属线路层和缓冲层，且所述第一绝缘层上形成有绝缘开口，所述第一金属线路层通过所述绝缘开口电性连接所述第二金属线路层；所述第一金属线路层上预设有密封环连接部和与若干所述焊垫相对应的导电凸点连接部，于所述缓冲层上开设暴露所述密封环连接部的第一开口和暴露所述导电凸点连接部的第二开口，并于所述第一开口内制作密封环，于所述第二开口内制作导电凸点；

E.使所述盖板第一表面的导电凸点与所述MEMS芯片功能面的焊垫位置相互对应并键合在一起；

F.在键合之后的所述盖板第二表面预留焊盘位置形成焊球。

G.切割盖板及晶圆，形成单颗MEMS芯片封装结构。

进一步的，在步骤D中，于所述缓冲层上对应所述MEMS芯片的功能区的位置形成一空腔，所述空腔位于所述密封环内，并能罩住所述MEMS芯片的功能区；

进一步的，所述盖板第一表面的缓冲层厚度为2um～30um。

进一步的，所述密封环的厚度为2um～50um，宽度为不小于30um。

本发明的有益效果是：本发明提供一种MEMS芯片封装结构及其制作方法，首先，第一绝缘层上除第一金属线路层外的区域上及所述第一金属线路层上铺设有缓冲层，增加了密封环与盖板的结合力，保证了密封能力，并提高了抗气压能力，增加了可靠性，同时由于缓冲层(比如聚亚酰胺)的刚性较弱，有利于释放应力；其次，该封装工艺的互连线是从盖板上而不是从MEMS芯片基底上引出这就大大降低了应力对器件性能的影响；另外，采用与MEMS基底材质相同的盖板降低了传统的与玻璃键合时热膨胀系数过大的问题；最后，盖板上设有空腔，MEMS芯片的功能面与盖板的第一表面的键合连接通过密封环和若干导电凸点实现，密封环密封环绕MEMS芯片的功能区，为功能区的功能组件提供密封的工作空间，这对芯片功能区有很好的保护作用。

附图说明

图1为含有功能区和焊垫的MEMS芯片示意图；

图2为第二表面含有预留焊盘位置的盖板示意图；

图3为在盖板第一表面铺设第一绝缘层的结构示意图；

图4为在盖板第一表面铺设第一金属线路层的结构示意图；

图5为在盖板第一表面铺设缓冲层并形成第一开口和第二开口的结构示意图；

图6为在盖板第一表面形成密封环和导电凸点的结构示意图；

图7为盖板与MEMS芯片键合的结构示意图；

图8为MEMS芯片封装完成之后的结构示意图。

结合附图，作以下说明：

1-盖板2-MEMS芯片

201-功能面202-功能区

203-焊垫3-第一绝缘层

4-第一金属线路层401-密封环连接部

402-导电凸点连接部5-缓冲层

501-第一开口502-第二开口

6-密封环7-导电凸点

8-空腔9-引线开口

10-第二绝缘层11-第二金属线路层

12-保护层13-焊球

具体实施方式

为使本发明的技术方案能够更加易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。为方便说明，实施例附图的结构中各组成部分未按正常比例缩放，故不代表实施例中各结构的实际相对大小。

如图8所示，一种MEMS芯片封装结构，包括：盖板1和MEMS芯片2，所述MEMS芯片的功能面201具有功能区202和位于功能区周边的若干焊垫203，所述焊垫与所述功能区电性相连；所述盖板具有第一表面和与其相对的第二表面，所述盖板的第一表面上铺设有第一绝缘层3，所述第一绝缘层上铺设有第一金属线路层4，所述第一绝缘层上除所述第一金属线路层外的区域上及所述第一金属线路层上铺设有缓冲层5，所述第一金属线路层上预设有密封环连接部401和与若干所述焊垫相对应的导电凸点连接部402，所述缓冲层上开设有暴露所述密封环连接部的第一开口501和暴露所述导电凸点连接部的第二开口502，所述第一开口内制作有密封环6，所述第二开口内制作有导电凸点7；所述导电凸点与所述MEMS芯片的功能面的所述焊垫键合在一起，使所述密封环密封环绕在所述MEMS芯片的功能区外；所述盖板的第二表面上形成有电导通结构，将所述盖板第一表面的所述第一金属线路层的电性引至所述盖板第二表面上。这样，第一绝缘层上除第一金属线路层外的区域上及所述第一金属线路层上铺设有缓冲层，增加了密封环与盖板的结合力，保证了密封能力，并提高了抗气压能力，增加了可靠性，同时由于缓冲层的刚性较弱，有利于释放应力；其次，该封装工艺的互连线是从盖板上而不是从MEMS芯片基底上引出这就大大降低了应力对器件性能的影响。

优选的，所述盖板第一表面的缓冲层上对应所述MEMS芯片的功能区的位置形成一空腔8，且所述空腔位于所述密封环内，并罩住所述MEMS芯片的功能区。这样，为功能区的功能组件提供了密封的工作空间，这对芯片功能区有很好的保护作用。

优选的，所述盖板的材质与所述MEMS芯片的基底材质相同；降低了传统的与玻璃键合时热膨胀系数过大的问题。

优选的，所述密封环的厚度为2μm～50μm，其材质包括铜、锡、镍、银、金、钛的一种或多种。

优选的，所述密封环与所述导电凸点的材料相同，均为金属材料，且所述密封环的高度与所述导电凸点的高度相同。

优选的，所述电导通结构包括：

引线开口9，形成于所述盖板第二表面上并延伸至所述第一金属线路层上；

第二绝缘层10，覆盖在所述盖板的第二表面上及所述引线开口的侧壁上；

第二金属线路层11，形成于所述第二绝缘层上，电性连接所述第一金属线路层，并引至所述盖板的第二表面上；

保护层12，覆盖于所述盖板第二表面及所述第二金属线路层上；所述保护层上形成有电连接所述第二金属线路层的预留焊盘的焊球13。

以下结合图1到图8说明本发明实施例一种MEMS芯片封装结构的制作方法。

A.参见图1，提供一具有若干MEMS芯片2的晶圆，所述MEMS芯片的功能面201具有功能区202和位于功能区周边的若干焊垫203，所述焊垫与所述功能区电性相连，作为芯片功能区与外界的连通的窗口，相邻MEMS芯片之间具有切割道；

B.参见图2，提供一盖板1，所述盖板具有对应每个MEMS芯片的若干单元，每个单元具有第一表面和与其相对的第二表面，每个单元的第二表面上制作有引线开口9，并于第二表面及引线开口内依次铺设第二绝缘层10、第二金属线路层11和保护层12，并于所述第二金属线路层上留出焊盘；该引线开口可以通过硅通孔工艺形成，该第二绝缘层10的材质可以是二氧化硅或者其他材质；该第二金属线路层未延伸到切割道位置，以便于保护层包封，该保护层的材料可以为高分子聚合物、氧化硅、氮化硅等，起绝缘和保护金属线路的作用。

可选的，引线开口9可以通过先开槽后开孔形成，也可以只开槽或者只开孔。

优选的，只开孔的孔深度可达200-600um。

C.参见图3，对所述盖板的第一表面进行研磨或者光刻直至所述第二表面暴露出所述引线开口内的第二金属线路层，用于将MEMS芯片的焊垫的电性通过引出至盖板第二表面的焊盘位置。

D.参见图3、图4、图5和图6，在所述盖板的第一表面依次铺设第一绝缘层3、第一金属线路层4和缓冲层5，且所述第一绝缘层上形成有绝缘开口，所述第一金属线路层通过所述绝缘开口电性连接所述第二金属线路层；所述第一金属线路层上预设有密封环连接部401和与若干所述焊垫相对应的导电凸点连接部402，于所述缓冲层上开设暴露所述密封环连接部的第一开口501和暴露所述导电凸点连接部的第二开口502，并于所述第一开口内制作密封环6，于所述第二开口内制作导电凸点7。本发明第一金属线路层采用的是铜线路，也可以采用其他金属，这不限定本发明的保护范围。本发明使用的缓冲层材质是聚亚酰胺，也可以采用其他材质，这不限定本发明的保护范围，在该缓冲层上通过光刻工艺形成第一开口及第二开口。

可选的，第一金属线路层的材质可以包括镍、金、钛、铜、锡、银、铁等的一种或多种。

优选的，该第一绝缘层为可光刻材料，直接曝光显影形成该绝缘开口。

优选的，导电凸点和密封环是同时制作完成的，这样做工艺简单，减少成本。

E.参见图7，使所述盖板第一表面的导电凸点与所述MEMS芯片功能面的焊垫位置相互对应并键合在一起，不需要涂布粘结胶。

F.参见图8，在键合之后的所述盖板第二表面预留焊盘位置形成焊球13。本实施例中为焊球，如锡球，在其他实施中还可以为焊料微凸点，或者直接为UBM，或为铜柱。

G.切割盖板及晶圆，形成单颗MEMS芯片封装结构，参见图8。

优选的，在步骤D中，于所述缓冲层上对应所述MEMS芯片的功能区的位置形成一空腔8，所述空腔位于所述密封环内，并能罩住所述MEMS芯片的功能区；这样，通过在盖板上形成空腔，该空腔键合后，罩在MEMS芯片的功能区的上方，为MEMS芯片功能区的器件提供密封工作空间和/或工作环境。

优选的，所述盖板第一表面的缓冲层厚度为2um～30um。

优选的，所述密封环的厚度为2um～50um，宽度为不小于30um。

综上所述，本发明能较好的解决盖板与芯片结合力不好的问题，同时本发明所使用的盖板具有一定的通用性，可以大批量生产，封装时只需要将盖板盖在所要封装的芯片上，即可完成对芯片的封装，操作简单便捷。

以上实施例是参照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明。本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本发明的实质的情况下，都落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种MEMS芯片封装结构，其特征在于：包括：盖板(1)和MEMS芯片(2)，所述MEMS芯片的功能面(201)具有功能区(202)和位于功能区周边的若干焊垫(203)，所述焊垫与所述功能区电性相连；所述盖板具有第一表面和与其相对的第二表面，所述盖板的第一表面上铺设有第一绝缘层(3)，所述第一绝缘层上铺设有第一金属线路层(4)，所述第一绝缘层上除所述第一金属线路层外的区域上及所述第一金属线路层上铺设有缓冲层(5)，所述第一金属线路层上预设有密封环连接部(401)和与若干所述焊垫相对应的导电凸点连接部(402)，所述缓冲层上开设有暴露所述密封环连接部的第一开口(501)和暴露所述导电凸点连接部的第二开口(502)，所述第一开口内制作有密封环(6)，所述第二开口内制作有导电凸点(7)；所述导电凸点与所述MEMS芯片的功能面的所述焊垫键合在一起，使所述密封环密封环绕在所述MEMS芯片的功能区外；所述盖板的第二表面上形成有电导通结构，将所述盖板第一表面的所述第一金属线路层的电性引至所述盖板第二表面上。

2.根据权利要求1所述的MEMS芯片封装结构，其特征在于：所述盖板第一表面的缓冲层上对应所述MEMS芯片的功能区的位置形成一空腔(8)，且所述空腔位于所述密封环内，并罩住所述MEMS芯片的功能区。

3.根据权利要求1所述的MEMS芯片封装结构，其特征在于：所述盖板的材质与所述MEMS芯片的基底材质相同。

4.根据权利要求1所述的MEMS芯片封装结构，其特征在于，所述密封环的厚度为2μm～50μm，其材质包括铜、锡、镍、银、金、钛的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的MEMS芯片封装结构，其特征在于：所述密封环与所述导电凸点的材料相同，均为金属材料，且所述密封环的高度与所述导电凸点的高度相同。

6.根据权利要求1所述的MEMS芯片封装结构，其特征在于：所述电导通结构包括：

引线开口(9)，形成于所述盖板第二表面上并延伸至所述第一金属线路层上；

第二绝缘层(10)，覆盖在所述盖板的第二表面上及所述引线开口的侧壁上；

第二金属线路层(11)，形成于所述第二绝缘层上，电性连接所述第一金属线路层，并引至所述盖板的第二表面上；

保护层(12)，覆盖于所述盖板第二表面及所述第二金属线路层上；所述保护层上形成有电连接所述第二金属线路层的预留焊盘的焊球(13)。

7.一种MEMS芯片封装结构的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

A.提供一具有若干MEMS芯片(2)的晶圆，所述MEMS芯片的功能面(201)具有功能区(202)和位于功能区周边的若干焊垫(203)，所述焊垫与所述功能区电性相连，相邻MEMS芯片之间具有切割道；

B.提供一盖板(1)，所述盖板具有对应每个MEMS芯片的若干单元，每个单元具有第一表面和与其相对的第二表面，每个单元的第二表面上制作有引线开口(9)，并于第二表面及引线开口内依次铺设第二绝缘层(10)、第二金属线路层(11)和保护层(12)，并于所述第二金属线路层上留出焊盘；

C.对所述盖板的第一表面进行研磨或者光刻直至所述第二表面暴露出所述引线开口内的第二金属线路层；

D.在所述盖板的第一表面依次铺设第一绝缘层(3)、第一金属线路层(4)和缓冲层(5)，且所述第一绝缘层上形成有绝缘开口，所述第一金属线路层通过所述绝缘开口电性连接所述第二金属线路层；所述第一金属线路层上预设有密封环连接部(401)和与若干所述焊垫相对应的导电凸点连接部(402)，于所述缓冲层上开设暴露所述密封环连接部的第一开口(501)和暴露所述导电凸点连接部的第二开口(502)，并于所述第一开口内制作密封环(6)，于所述第二开口内制作导电凸点(7)；

E.使所述盖板第一表面的导电凸点与所述MEMS芯片功能面的焊垫位置相互对应并键合在一起；

F.在键合之后的所述盖板第二表面预留焊盘位置形成焊球(13)。

G.切割盖板及晶圆，形成单颗MEMS芯片封装结构。

8.根据权利要求7所述MEMS芯片封装结构的制作方法，其特征在于，在步骤D中，于所述缓冲层上对应所述MEMS芯片的功能区的位置形成一空腔(8)，所述空腔位于所述密封环内，并能罩住所述MEMS芯片的功能区；

9.根据权利要求7所述MEMS芯片封装结构的制作方法，其特征在于，所述盖板第一表面的缓冲层厚度为2um～30um。

10.根据权利要求7所述MEMS芯片封装结构的制作方法，其特征在于，所述密封环的厚度为2um～50um，宽度为不小于30um。