专利名称：一种贯孔式振子装置晶圆级封装结构的制造方法
技术领域：
本发明涉及振子装置制造领域，特别是涉及一种贯孔式振子装置晶圆级封装结构 的制造方法。
背景技术：
石英组件具有稳定的压电特性，能够提供精准且宽广的参考频率、频率控制、定时 功能与过滤噪声等功能，此外，石英组件也能做为运动及压力等传感器，以及重要的光学组 件；因此，对于电子产品而言，石英组件扮演着举足轻重的地位。而针对石英振子晶体的封装，之前提出了许多种方案，譬如美国专利公告第 5030875号专利「牺牲式石英晶体支撑架」(Sacrificial Quartz-crystal Mount)，属于早 期金属盖体(Metal Cap)的封装方式，其整体封装结构复杂、体积无法缩小。美国专利公告 第6545392号专利「压电共振器之封装结构」(PackageStructure for a Piezoelectric Resonator)，主要采用陶瓷封装体来封装石英音叉振子，并改良陶瓷基座(Package)与上 盖(Lid)的结构，使得石英音叉振子具有较佳的抗震性，然而，该封装体成本高且尺寸无法 进一步降低。美国专利公告第6531807号专利「压电装置」(Piezoelectric Device)，主要针对 在不同区域之陶瓷基座进行石英振子与振荡电路芯片之封装，并利用陶瓷基座上之导线做 电气连接，同时振荡电路芯片以树脂封装，石英振子则以上盖做焊接封装(Seam Welding)； 然而，由于两芯片各放在不同区块，且以陶瓷基座为封装体，因此使得面积加大且制作成本 居高不下。又如美国专利公告第7098580号专禾丨』「压电振荡器」(Piezoelectric Oscillator)，主要将石英芯片与集成电路分别以陶瓷封装体封装后，再进行电气连接的动 作，虽可有效缩小面积问题，但整体体积仍无法有效降低，同时该封装方式之制作成本也相 对较高。而美国专利公告第7608986号专禾丨』「石英晶体振荡器」(Quartz Crystal Resonator)，主要为晶圆级封装形式，其主要将玻璃材质(Blue Plate Glass)之上盖与下 基座，与石英芯片藉由阳极接合完成一三明治结构。然而，此一三明治结构由于基材与石英 之热膨胀系数不同，因此当温度变化时会造成内部石英芯片产生热应力，使得频率随温度 而产生偏移现象。因此，需要特别选择石英芯片之切角与上盖和下基座材料之热膨胀系数， 才有办法克服此困难点，然而在制作上和成本上都比较费工。现有技术都无法跳脱目前采用陶瓷基座封装的窘境，不仅产品成本高且货源不稳 定，且三明治状的封装结构所导致的热应力问题，仍旧无法有效予以解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种贯孔式振子装置晶圆级封装结构的制造 方法，跳脱目前采用陶瓷基座封装的窘境，产品成本降低且货源稳定，并改善三明治封装结构所导致的热应力问题。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种贯孔式振子装置晶圆级封 装结构的制造方法，包括以下步骤(1)提供一个上盖；(2)在上盖上形成一封装环层，并对封装环层进行图形化以形成封装环；(3)利用封装环为屏蔽，在上盖上蚀刻出凹槽；(4)提供一个基座，并在该基座上开设与基座相互垂直的导电通孔；(5)在基座上制作一层封装环，该封装环的位置与上盖上封装环的位置相互对 应；(6)将振子单元黏合在基座中，并与导电通孔构成电气连接；(7)对准上盖的封装环和基座的封装环，结合上盖和基座，进行封装；(8)薄化上盖顶部和基座底部，露出导电通孔，并在导电通孔处制作基座金属焊 垫；(9)以雷射切割或锯片切割制作成单颗组件。在所述的步骤(4)中包括以下子步骤1)在基座上利用溅镀方式或蒸镀方式制作一层金属层；2)采用黄光显影方式将金属层图形化，露出部分基座的区域；3)采用干式蚀刻方式在露出部分基座的区域上蚀刻出凹洞，并使用湿式蚀刻的方 式将金属层去除；4)采用电镀方式将凹洞中填满电镀层，并在基座上表面形成一层电镀层，研磨基 座上表面的电镀层，直至露出基座，形成导电通孔。所述的步骤(2)和步骤(5)中的封装环为金属材质时，采用溅镀方式或蒸镀方式 进行制作；封装环为有机聚合物材质时，采用旋涂的方式进行制作；封装环为氧化物材质 时，采用化学气相沉积或热氧化制程进行制作。所述的步骤(6)中振子单元通过点胶和自动夹取装置定位在基座上，并通过导电 凸块实现与导电通孔的电气连接。所述的步骤(6)中的振子单元为石英晶体振子或机械共振型式振子；其中，所述 的石英晶体振子为温度稳定切角石英晶体振子或音叉型石英晶体振子。所述的步骤(8)中的薄化上盖顶部可在步骤(3)后进行；薄化基座底部，露出导电 通孔可在步骤(5)后进行。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是还提供一种贯孔式振子装置晶圆级 封装结构的制造方法，包括以下步骤(1)提供一个上盖；(2)在上盖上形成一封装环层，并对封装环层进行图形化以形成封装环；(3)提供一个基座，并在该基座上开设与基座相互垂直的导电通孔；(4)在基座上制作一层封装环，该封装环的位置与上盖上封装环的位置相互对 应；(5)利用封装环为屏蔽，在基座上蚀刻出凹槽；(6)将振子单元黏合在基座中，并与导电通孔构成电气连接；
(7)对准上盖的封装环和基座的封装环，结合上盖和基座，进行封装；(8)薄化上盖顶部和基座底部，露出导电通孔，并在导电通孔处制作基座金属焊 垫；(9)以雷射切割或锯片切割制作成单颗组件。有益效果由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效 果本发明利用垂直贯穿开设于基座的导电通孔，来使振子单元与底部的基座金属焊垫形 成电性连接，因此，跳脱目前采用陶瓷基座封装的窘境，产品成本降低且货源稳定，并改善 三明治封装结构所导致的热应力问题。藉由晶圆接合技术使得制程可批次生产并在晶圆上 完成整体封装，减少人力与生产时间，降低生产成本。同时，封装环的外缘与上盖和基座切 齐构成完整无沟槽的平面，减少污染物的堆积；封装环的内缘与上盖的凹槽边缘切齐，增加 了封装环的面积，提高接合强度与密封效果，并且封装环可作为后续蚀刻步骤的屏蔽，大幅 简化了制做流程。
图1是本发明第一实施方式贯孔式振子装置晶圆级封装结构示意图；图2是本发明未经加工的上盖示意图；图3是本发明形成封装环层的上盖示意图；图4是本发明形成封装环的上盖示意图；图5是本发明利用湿式蚀刻方式蚀刻出凹槽的上盖示意图；图6是本发明利用干式蚀刻方式蚀刻出凹槽的上盖示意图；图7是本发明未经加工的基座示意图；图8是本发明镀有金属层的基座示意图；图9是本发明金属层图形化后的基座示意图；图10是本发明蚀刻有凹洞并去除金属层的基座示意图；图11是本发明填满电镀层的基座示意图；图12是本发明开有导电通孔的基座示意图；图13是本发明形成封装环的基座示意图；图14是本发明装有振子单元的基座示意图；图15是本发明基座和上盖结合示意图；图16是本发明薄化后的基座和上盖结合示意图；图17是本发明第一实施方式贯孔式振子装置晶圆级封装结构电极变换状态示意 图；图18是本发明第一实施方式贯孔式振子装置晶圆级封装结构导电通孔在封装环 下示意图；图19是本发明第二实施方式贯孔式振子装置晶圆级封装结构示意图；图20是本发明第二实施方式贯孔式振子装置晶圆级封装结构电极变换状态示意 图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。本发明的第一实施方式涉及一种贯孔式振子装置晶圆级封装结构的制造方法，该 贯孔式振子装置晶圆级封装结构如图1所示。该贯孔式振子装置晶圆级封装结构包含有振子单元20、上盖10、基座40、封装环 30以及导电通孔50，振子单元20可以为温度稳定切角石英晶体振子、也可以为音叉型石英 晶体振子，还可以是其它机械共振型式振子，且在振子单元20上、下表面分别具有上表面 电极21与下表面电极22，藉以激振振子单元20，并通过导电凸块23电性连接至底部基座 40的基座金属焊垫41。其中，上表面电极21与下表面电极22分别位于振子单元20之相 对侧，且导电凸块23可为银粉颗粒与树脂等组成的导电胶材或金属凸块，其中金属凸块可 由金、铜、锡、银、铟或其合金之一构成。因此，振子单元20配置在基座40之上，而基座40上表面的外缘设置有封装环30， 此封装环30可藉由铜、锡、金、银、铟及上述金属之合金、或有机聚合物、或氧化物所构成。 若封装环30为金属材质时，上盖10及基座40可能会导电，则在上盖10和基座40之间必 须设有一层绝缘物，以避免上盖10及基座40发生导通之情形。藉由封装环30来封装上盖 10，上盖10的下表面具有凹槽11来容设振子单元20。故上盖10、基座40透过封装环30， 而可将振子单元20作气密封装，其内部环境可为真空或是充填氮气；上盖10的材质可为 硅、玻璃、石英、陶瓷、金属材料等，基座40的材质同样可为硅、玻璃、石英、陶瓷等非导电材 料，再者，若将两者(上盖10与基座40)选用相同材质，可进一步防止热应力的问题。导电通孔50垂直贯穿基座40设置，其材质可为金属导电材质，例如铜、钨、铝、银 金及上述金属的合金等，导电通孔50也可为多晶硅或是导电高分子，只要能导电均可，并 且利用硅导通孔技术予以成型。导电通孔50上面电性连接于振子单元20之上表面电极21 与下表面电极22，并将其电性连接至基座金属焊垫41，使其可与外部做电性连接，提供电 能与讯号输入与输出。图2-图6所示的是贯孔式振子装置晶圆级封装结构的上盖制作流程。首先，提供 上盖10 (如图2)，并于上盖10上制作一层封装环层301 (如图3)，其制作方法依材料性质 而不同。当封装环层301为金属材质时，如为铜、锡、金、银、铟及上述金属的合金时，可通过 溅镀方式(Sputter)或蒸镀方式(Evaporator)进行制作；当封装环层301为有机聚合物材 质时，则可通过旋涂(spin coating)的方式进行制作；当封装环层301为氧化物材质时，则 可通过化学气相沉积(CVD)或热氧化制程(thermal Oxidation)进行制作。接着，通过黄光显影制程，将封装环层301图形化而形成封装环30，并予以开孔露 出部分上盖10之区域(如图4)。接着，利用湿式蚀刻制程来在上盖10上制作凹槽11 (如图 5)，湿式蚀刻可以为KOH溶液蚀刻，也可以是TMAH溶液蚀刻；此时，图形化封装环30可作为 蚀刻液的屏蔽，更进一步简化制作流程，并降低制作成本。另一方面，也可以通过干式蚀刻 制程制作凹槽11，图6所示的是采用感应耦合电浆离子蚀刻(Inductively CoupledPlasma Reactive Ion Etching)制程制作的上盖。
图7-图13所示的是贯孔式振子装置晶圆级封装结构的基座制作流程。首先，提 供基座40 (如图7)，接着在基座40上制作一层金属层60 (如图8)，其制作方法可通过溅镀 方式或蒸镀方式制作，且金属层60可为铝、银、金等金属材质。然后藉由黄光显影制程，将 金属层60予以图形化，并开孔露出部分基座40的区域(如图9)。接着，如图10所示，通过 干式蚀刻制程蚀刻出凹洞401，干式蚀刻制程可以为感应耦合电浆离子蚀刻制程，接着并利 用湿式蚀刻制程将金属层60去除。如图11所示，利用电镀制程，将凹洞401填满并于其上形成电镀层70，随之利用精 密研磨制程，研磨电镀层70的上表面，直至露出基座40，以形成导电通孔50(如图12)。接着，如图13所示，在基座40上制作一层封装环30，其制作方法依材料性质而不 同当封装环30为金属材质时，譬如为铜、锡、金、银、铟及上述金属的合金，可通过溅镀方式 或蒸镀方式制作；当封装环30为有机聚合物材质时，则可通过旋涂的方式制作；当封装环 30为氧化物材质时，则可通过化学气相沉积或热氧化制程制作，并通过黄光显影与蚀刻制 程将封装环30图形化。最后进行振子单元20的封装，如图14-16所示，首先将振子单元20通过点胶与自 动夹取装置定位在导电通孔50上，并通过高温烘烤制程使导电凸块23固化，通过导电凸块 23实现振子单元与导电通孔之间的电气连结，如图14所示。如图15所示，进行基座40与上盖10的对准与接合制程，同样的，视封装环30材 质特性采用不同的接合方法。当封装环为金属材质时采用金属融接或共晶结合；当封装环 为有机聚合物材质时采用胶合技术；当封装环为氧化物材质时采用阳极氧化接合技术完成 该封装制程。接着利用精密研磨技术，将晶圆薄化并露出导电通孔50，上盖10则视应用与 尺寸规格来决定是否进行薄化制程，经过薄化后的基座和上盖如图16所示。最后，利用金 属沉积制程、黄光显影制程与电镀制程等，制作基座金属焊垫41，图中所绘示为双颗组件的 晶圆级封装制程，因此需要予以切割后使用，切割完成后的结构如图1所示。而上述薄化制 程，亦可在上盖10和基座40完成时进行，而无须等到结合后才进行薄化。需要说明的是，除了上述上表面电极21与下表面电极22位于振子单元20的相对 侧外，亦可将其设计为位于相同侧，如图17所示。同样，导电通孔50还可以垂直贯穿在封 装环30下方，如图18所示，因导电通孔50是通过硅导通孔技术来形成，而硅导通孔为影响 内部气密性的因素之一，因此，通过走线的方式将导电通孔50开设于封装环30的下方时， 影响封装气密性的因素，仅剩下封装环30接合的好坏，内部封装气体不会经由硅导通孔走 线而与外界产生交换。因此，整体封装结构的气密性将更容易获得控制。本发明的第二实施方式同样涉及一种贯孔式振子装置晶圆级封装结构的制造方 法，该方法与第一实施方式大致相同，其区别在于，该方法在上盖10的制作过程中只需制 作封装环30即可，而基座40的制作过程是在第一实施方式中完成基座40的封装环30后， 再在基座40上开设凹槽，开设凹槽的方法与第一实施方式中在上盖10上开设凹槽11的方 法相同。如图19所示，利用本方法制造的贯孔式振子装置晶圆级封装结构不在上盖10的 下表面开设凹槽11，而在基座40的上表面开设放置振子单元20的凹槽，同样可以达到与第 一实施方式相同的效果。同样如图20所示本实施方式的上表面电极21与下表面电极22 也可以位于相同侧。导电通孔50也同样可以通过走线的方式位于封装环30的正下方。不难发现，本发明通过垂直贯穿开设于基座的导电通孔，来使振子单元与底部的基座金属焊垫形成电性连接，因此，跳脱目前采用陶瓷基座封装的窘境(包括产品成本高 且货源不稳定等)，并改善三明治封装结构所导致的热应力问题。利用晶圆接合技术可批 次生产石英晶体振子，减少人力与生产时间，降低生产成本。封装环的外缘与上盖和基座切 齐，而构成完整无沟槽的平面，减少污染物的堆积，并且封装环的内缘与上盖或基座的凹槽 的边缘切齐，可增加了封装环的面积，提高接合强度与密封效果。封装环还可作为后续蚀刻 制程中蚀刻液的屏蔽，可大幅简化制程。
权利要求
一种贯孔式振子装置晶圆级封装结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤(1)提供一个上盖；(2)在上盖上形成一封装环层，并对封装环层进行图形化以形成封装环；(3)利用封装环为屏蔽，在上盖上蚀刻出凹槽；(4)提供一个基座，并在该基座上开设与基座相互垂直的导电通孔；(5)在基座上制作一层封装环，该封装环的位置与上盖上封装环的位置相互对应；(6)将振子单元黏合在基座中，并与导电通孔构成电气连接；(7)对准上盖的封装环和基座的封装环，结合上盖和基座，进行封装；(8)薄化上盖顶部和基座底部，露出导电通孔，并在导电通孔处制作基座金属焊垫；(9)以雷射切割或锯片切割制作成单颗组件。
2.根据权利要求1所述的贯孔式振子装置晶圆级封装结构的制造方法，其特征在于， 在所述的步骤(4)中包括以下子步骤1)在基座上利用溅镀方式或蒸镀方式制作一层金属层；2)采用黄光显影方式将金属层图形化，露出部分基座的区域；3)采用干式蚀刻方式在露出部分基座的区域上蚀刻出凹洞，并使用湿式蚀刻的方式将 金属层去除；4)采用电镀方式将凹洞中填满电镀层，同时在基座上表面形成一层电镀层，研磨基座 上表面的电镀层，直至露出基座，即形成导电通孔。
3.根据权利要求1所述的贯孔式振子装置晶圆级封装结构的制造方法，其特征在于， 所述的步骤(2)和步骤(5)中的封装环为金属材质时，采用溅镀方式或蒸镀方式进行制作； 封装环为有机聚合物材质时，采用旋涂的方式进行制作；封装环为氧化物材质时，采用化学 气相沉积或热氧化制程进行制作。
4.根据权利要求1所述的贯孔式振子装置晶圆级封装结构的制造方法，其特征在于， 所述的步骤(6)中振子单元通过点胶和自动夹取装置定位在基座上，并通过导电凸块实现 与导电通孔的电气连接。
5.根据权利要求1所述的贯孔式振子装置晶圆级封装结构的制造方法，其特征在于， 所述的步骤(6)中的振子单元为石英晶体振子或机械共振型式振子；其中，所述的石英晶 体振子为温度稳定切角石英晶体振子或音叉型石英晶体振子。
6.根据权利要求1所述的贯孔式振子装置晶圆级封装结构的制造方法，其特征在于， 所述的步骤(8)中的薄化上盖顶部可在步骤(3)后进行；薄化基座底部，露出导电通孔可在 步骤(5)后进行。
7.一种贯孔式振子装置晶圆级封装结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤(1)提供一个上盖；(2)在上盖上形成一封装环层，并对封装环层进行图形化以形成封装环；(3)提供一个基座，并在该基座上开设与基座相互垂直的导电通孔；(4)在基座上制作一层封装环，该封装环的位置与上盖上封装环的位置相互对应；(5)利用封装环为屏蔽，在基座上蚀刻出凹槽；(6)将振子单元黏合在基座中，并与导电通孔构成电气连接；(7)对准上盖的封装环和基座的封装环，结合上盖和基座，进行封装；(8)薄化上盖顶部和基座底部，露出导电通孔，并在导电通孔处制作基座金属焊垫；(9)以雷射切割或锯片切割制作成单颗组件。
全文摘要
本发明涉及一种贯孔式振子装置晶圆级封装结构的制造方法，包括以下步骤在提供的上盖上形成一封装环层，并对封装环层进行图形化以形成封装环；利用封装环为屏蔽，在上盖上蚀刻出凹槽；在提供的基座上开设与垂直贯穿的导电通孔，并在基座上制作一层位置与上盖上的封装环相互对应的封装环；将振子单元放入基座中并与导电通孔电气连接；结合上盖和基座进行封装，并对上盖和基座薄化，使得露出导电通孔，并在导电通孔处制作基座金属焊垫。本发明跳脱目前采用陶瓷基座封装的窘境，改善了三明治封装结构所导致的热应力问题，同時大幅简化制程、并降低制程成本，且封装环之外缘与上盖、基座切齐，减少污染物的堆积问题。
文档编号B81C1/00GK101997510SQ20101051017
公开日2011年3月30日 申请日期2010年10月18日 优先权日2010年10月18日
发明者沈俊男, 蓝文安, 赵岷江, 黄国瑞 申请人:台晶(宁波)电子有限公司