Mems气密性封装结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种MEMS气密性封装结构，包括一个功能面边缘带有焊垫的MEMS芯片，一个用于密封的盖子，MEMS芯片的功能面和盖子正面边缘通过一定宽度和厚度聚合物层粘合在一起，MEMS芯片的焊垫表面被聚合物层覆盖，焊垫朝向MEMS芯片外的侧面与通向MEMS芯片背部的导电线路连接，聚合物层朝向芯片外的侧面由金属块及导电线路覆盖。该封装结构通过在形成导电线路时，增加产品的金属包封面积，实现了良好密封性，工艺过程中没有增加工艺步骤和成本，具有低成本和高可靠性等优点。
【专利说明】
MEMS气密性封装结构
技术领域
[0001]本实用新型涉及半导体MEMS芯片晶圆级封装领域，尤其涉及一种金属包裹键合界面实现MEMS气密性的封装结构。
【背景技术】
[0002]随着物联网和智能移动终端的兴起，传感器的小型化和系统集成需求，使得封装变得越来越重要，由于MEMS封装复杂，有些MEMS产品中封装成本高达60%。低成本和高性能的封装是实现MEMS器件产业化的重要保证。
[0003]MEMS封装可以是基于基板的，比如LGA封装，基于框架的，比如QFN封装。目前越来越的MEMS封装采用晶圆级芯片尺寸(WLCSP)封装。其中，图像传感器、加速度计、陀螺等产品采用3D WLCSP，该封装方式使用硅通孔技术，取得了很大成功。
[0004]众多的MEMS产品需要气密性封装。通常气密性封装需要使用金属键合，阳极键合才能实现。但是工艺比较复杂，成本比较高；有些产品，采取封装完成后进行金属密封或包裹，增加封装的成本;使用聚合物胶或者干膜把玻璃圆片和圆片键合，成本较低，但这些键合材料，使得器件的气密性很难保证。
[0005]很多MEMS器件，例如加速度计，主要用途是汽车电子等领域，所以对于该产品可靠性要求高。采用聚合物胶、干膜等有机材料进行晶圆密封，降低了成本的同时存在可靠性结果不满足要求的风险。
【发明内容】
[0006]为了实现使用聚合物键合获得较好的气密封，本实用新型提出了一种金属包裹键合界面实现MEMS气密性的封装结构，获得了良好的密封效果，且工艺过程中没有增加工艺步骤和成本，实现了很好的密封性，具有低成本和高可靠性等优点。
[0007]本实用新型的技术方案是这样实现的:
[0008]—种MEMS气密性封装结构，包括一功能面边缘带有焊垫的MEMS芯片和一用于密封该MEMS芯片的盖子，所述MEMS芯片的功能面边缘与所述盖子的正面边缘通过一定宽度和厚度的聚合物层键合在一起，所述MEMS芯片的外边焊垫侧面与通向MEMS芯片背部或盖子背部的导电线路连接，所述聚合物层暴露的侧面至少80%的面积由一金属块及所述导电线路密封包裹，且金属块的宽度至少包裹住该聚合物层暴露的侧面。
[0009]进一步的，所述盖子为中部带有空腔的硅板或玻璃板。
[0010]进一步的，所述聚合物层为胶或干膜。
[0011]进一步的，所述导电线路为铜、镍、金、铝、镍磷、钯和钛中的一种的单层金属结构或几种的多层金属结构。
[0012]进一步的，所述金属块为铜、镍、金、铝、镍磷、钯、钛、铬和铁中的一种的单层金属结构或几种的多层金属结构。
[0013]进一步的，所述导电线路、所述金属块及裸露的聚合物层外覆盖有一层防焊层。
[0014]进一步的，所述MEMS芯片背部的导电线路上制备有焊球。
[0015]进一步的，所述导电线路与所述金属块相连或不相连，并使各导电线路之间电性相互隔离。
[0016]本实用新型的有益效果是:本实用新型提供一种MEMS气密性封装结构，产品封装过程形成导电线路时，通过光刻导电线路的光罩设计增加产品的金属包封长度，实现了80%的聚合物键合区域被金属包裹，达到了传统金属、陶瓷密封的效果。该封装结构的工艺过程中没有增加工艺步骤和成本，实现了很好密封性，具有低成本和高可靠性等优点。
【附图说明】
[0017]图1为本实用新型圆片与盖片键合，并在圆片背部切割道位置形成沟槽的剖面示意图；
[0018]图2为本实用新型在圆片背部及沟槽内铺钝化层的剖面示意图；
[0019]图3为本实用新型暴露焊垫侧面及聚合物层侧面的剖面示意图；
[0020]图4为本实用新型制备导电线路及金属块后的导电线路位置剖面示意图；
[0021 ]图5为本实用新型制备导电线路及金属块后的俯视示意图；
[0022]图6为本实用新型制备导电线路及金属块后的金属块位置的剖面示意图；
[0023]图7为本实用新型单颗封装芯片在导电线路位置的剖面示意图；
[0024]图8为本实用新型单颗封装芯片在金属块位置的剖面示意图。
[0025]结合附图，做以下说明
[0026]100-MEMS芯片，101-焊垫，102-氧化层，103-沟槽，200-盖子，201-空腔，300-聚合物层，400-钝化层，500-导电线路，600-金属块，700-防焊层，800-焊球，SL-切割道
【具体实施方式】
[0027]为使本实用新型能够更加易懂，下面结合附图对本实用新型的【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。其中所说的结构或面的上面或上侧，包含中间还有其他层的情况。
[0028]如图7和图8所示，一种MEMS气密性封装结构，包括一功能面边缘带有焊垫101的MEMS芯片100和一用于密封该MEMS芯片的盖子200，所述MEMS芯片的功能面边缘与所述盖子的正面边缘通过一定宽度和厚度的聚合物层300键合在一起，所述MEMS芯片的焊垫背面被该聚合物层覆盖，所述MEMS芯片四周形成有暴露所述聚合物层侧面的沟槽103，且所述沟槽暴露所述焊垫的侧面，所述焊垫暴露的侧面与通向MEMS芯片背部或盖子背部的导电线路500连接，所述聚合物层暴露的侧面至少50%的面积由一金属块600及所述导电线路密封包裹，且金属块的宽度至少包裹住该聚合物层暴露的侧面。该封装结构通过导电线路及金属块密封包裹聚合物层暴露的80%侧面，可达到传统金属、陶瓷密封的效果。且工艺过程中没有增加工艺步骤和成本，仅通过现有封装方案中，修改光刻线路的光罩设计，即可达到，因此，本实用新型实现了很好的密封性，具有低成本和高可靠性等优点。
[0029]优选的，所述盖子为中部带有空腔201的硅板或玻璃板，为MEMS芯片功能面的功能元件提供密封的工作环境。
[0030]优选的，所述聚合物层为胶或干膜，以实现将MEMS芯片的功能面和盖子的正面粘合在一起。
[0031]优选的，所述导电线路为铜、镍、金、铝、镍磷、钯和钛中的一种的单层金属结构或几种的多层金属结构。
[0032]优选的，所述金属块为铜、镍、金、铝、镍磷、钯、钛、铬和铁中的一种的单层金属结构或几种的多层金属结构。
[0033]优选的，所述导电线路、所述金属块及裸露的聚合物层外覆盖有一层防焊层700。优选的，该防焊层为聚合物胶，以保护金属块和导电线路不受水汽等侵蚀。
[0034]优选的，所述MEMS芯片背部的导电线路上制备有焊球800，实现芯片信号的导出传输。
[0035]优选的，所述导电线路与所述金属块相连或不相连，并使各导电线路之间电性相互隔离。即导电线路可与金属块分离，如图5所示，也可与金属块连接，但连接金属块的各导电线路之间绝缘隔离。
[0036]参见图1至图8，本实用新型一种MEMS气密性封装结构的封装方法，包括如下步骤:
[0037]步骤1、参见图1，提供一具有若干MEMS芯片100的圆片和一具有若干盖子200的盖片，相邻MEMS芯片之间具有切割道SL，每个MEMS芯片的功能面边缘带有焊垫101，将MEMS芯片的功能面边缘与盖子的正面边缘通过一定宽度和厚度的聚合物层300键合在一起，并使MEMS芯片的焊垫背面被该聚合物层覆盖;盖片可以为硅晶片或玻璃。
[0038]步骤2、参见图1，在圆片上切割道位置刻蚀，形成暴露MEMS芯片的焊垫部分正面的沟槽103;
[0039]步骤3、参见图2，在沟槽内及MEMS芯片的背部上铺设钝化层400;钝化层可以是但不限于是氮化硅(SixNy)、氧化硅、聚酰亚胺、苯并环丁烯树脂(BCB)等材料。钝化层的制作可以采用等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)、溅射、旋涂、喷涂等低温方法。
[0040]步骤4、参见图3，通过机械切割的方式将焊垫侧面及聚合物层侧面暴露出来；
[0041 ] 步骤5、参见图4、图5和图6，在所述钝化层上形成将所述焊垫的电性引至所述MEMS芯片的背部上的导电线路500，同时形成密封包裹暴露的聚合物层侧面的至少50%面积的金属块600;具体实施时，可以在钝化层上整面性沉积一层金属，再制作光刻胶层，并经曝光、显影图案化焊盘、线路、金属块的形状，并使用湿法刻蚀金属去除焊盘、线路、金属块之外的金属。钝化层上方金属层主要是为后续电镀、化镀工艺提供种子层，可以是但不限于是铝(Al)或者钛/铜(Ti/Cu)等金属组合。
[0042]其中，金属块密封暴露的聚合物层，如图5和图6所示。图5为制备导电线路及金属块后的俯视不意图，MEMS芯片边缘键合的聚合物暴露的侧面区域被金属块包裹。图6为制备导电线路及金属块后的金属块位置的剖面示意图，金属块将聚合物层侧面、MEMS芯片的氧化层等用金属包裹了起来，起到较好的密封作用，很好的解决了气密性的问题。
[0043]步骤6、在所述导电线路、所述金属块及裸露的聚合物层外覆盖有一层防焊层700，在防焊层上对应导电线路预设焊盘位置开口，并在开口处制作焊球800;
[0044]步骤7、参见图7和图8，沿切割道切割圆片，形成单颗封装芯片。图7为单颗封装芯片在导电线路位置的剖面示意图，导电线路包裹键合聚合物层的侧面。图8为单颗封装芯片在金属块位置的剖面示意图，金属块包裹键合聚合物层的侧面。
[0045]优选的，所述防焊层为聚合物胶，以防止水汽等外界环境对MEMS芯片的侵蚀。
[0046]以上实施例是参照附图，对本实用新型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，或者将其运用于不同MEMS芯片的封装结构，但不背离本实用新型的实质的情况下，都落在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种MEMS气密性封装结构，其特征在于:包括一功能面边缘带有焊垫(101)的MEMS芯片(100)和一用于密封该MEMS芯片的盖子(200)，所述MEMS芯片的功能面边缘与所述盖子的正面边缘通过一定宽度和厚度的聚合物层(300)键合在一起，所述MEMS芯片的外边焊垫侧面与通向MEMS芯片背部或盖子背部的导电线路(500)连接，所述聚合物层暴露的侧面至少80%的面积由一金属块(600)及所述导电线路密封包裹，且金属块的宽度至少包裹住该聚合物层暴露的侧面。2.根据权利要求1所述的MEMS气密性封装结构，其特征在于:所述盖子为中部带有空腔(201)的硅板或玻璃板。3.根据权利要求1所述的MEMS气密性封装结构，其特征在于:所述聚合物层为胶或干膜。4.根据权利要求1所述的MEMS气密性封装结构，其特征在于:所述导电线路为铜、镍、金、铝、镍磷、钯和钛中的一种的单层金属结构或几种的多层金属结构。5.根据权利要求1所述的MEMS气密性封装结构，其特征在于:所述金属块为铜、镍、金、铝、镍磷、钯、钛、铬和铁中的一种的单层金属结构或几种的多层金属结构。6.根据权利要求1所述的MEMS气密性封装结构，其特征在于:所述导电线路、所述金属块及裸露的聚合物层外覆盖有一层防焊层(700)。7.根据权利要求1所述的MEMS气密性封装结构，其特征在于:所述MEMS芯片背部的导电线路上制备有焊球(800)。8.根据权利要求1所述的MEMS气密性封装结构，其特征在于:所述导电线路与所述金属块相连或不相连，并使各导电线路之间电性相互隔离。
【文档编号】B81C3/00GK205472635SQ201620167648
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月4日
【发明人】于大全, 李杨, 袁礼明, 翟玲玲
【申请人】华天科技（昆山）电子有限公司