MEMS器件真空封装结构及其制造工艺

mems器件真空封装结构及其制造工艺
技术领域
1.本发明涉及mems器件封装领域，具体而言，涉及一种mems器件真空封装结构及其制造工艺。


背景技术：

2.mems真空封装是一种利用密封腔体提供高气密真空环境的封装技术，mems真空封装的质量不仅决定着整个器件的使用寿命，也决定着其中需要真空工作元件的精度。对于基于mems的硅谐振式压力传感器而言，有效的真空封装手段对其品质因数的影响极大，进而影响其对于压力测量的精度。考虑到实际应用场景，上述的压力传感器一般需要与其他系统配合协同工作。因为寻找一个合适的真空封装方案，既能达到上述压力传感器对于真空封装真空度和保持度的要求，又能很方便的完成与其他系统的封装方案显得尤为重要。
3.现有的技术中，电气通道通常是采用沿玻璃板横向下穿的方式，因电气通道无法直接纵向穿越密封盖，必须通过从旁侧引线来完成，需要占用很大的额外面积，由于电气连接需要占用横向上的连接位置，该部分区域是无法再集成其他元件的。因此不利于系统元件之间的集成，更不利于实现系统的小微化。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种mems器件真空封装结构，其采用了电连接通道纵向穿越密封盖的方式，以及过渡结构分别与密封盖的反面及硅衬底键合连接形成真空密封空间，缩小了整体的体积，结构紧凑密集，
5.利于系统元件之间的封装。
6.本发明的实施例是这样实现的：
7.一种mems器件真空封装结构，其包括：
8.密封盖，所述密封盖上设置有贯穿其正面和反面的通孔，所述通孔的孔壁设置第一导电层，所述密封盖的正面和反面分别设置有第二导电层，所述第二导电层与所述第一导电层电接触；
9.硅衬底；
10.mems结构，设置在所述硅衬底上，用于输出电信号；
11.导电体，分别与所述密封盖的反面上的所述第二导电层和所述mems结构电接触，用于传递电信号；
12.过渡结构，所述过渡结构分别与所述密封盖的反面及所述硅衬底键合连接，以形成真空密封空间，所述mems结构及所述导电体位于所述真空密封空间内。
13.本发明的较佳实施例中，所述mems结构包括二氧化硅结构和硅结构；
14.所述二氧化硅结构设置在所述硅衬底上，所述硅结构设置在所述二氧化硅结构上，所述硅结构上设置第三导电层用于电连接所述导电体。
15.本发明的较佳实施例中，所述导电体设置为球形，所述导电体与所述第二导电层
和所述mems器件的接触面分别设置为平面。
16.本发明的较佳实施例中，所述通孔至少设置两个，并且各个所述通孔之间相互隔离，所述密封盖的上设置至少两对相互隔离的第二导电层，每一个所述通孔对应设置在一对第二导电层之间；
17.每一对第二导电层包括设置在所述密封盖的正面和反面的第二导电层。
18.本发明的较佳实施例中，还包括导电支撑结构，所述导电支撑结构分别与所述硅衬底和所述密封盖的反面上的所述第二导电层电接触；
19.所述导电支撑结构包括铬结构和导电支撑体，所述铬结构设置在所述硅衬底上，所述导电支撑体设置在所述铬结构和所述密封盖反面的第二导电层之间。
20.本发明的较佳实施例中，包括引线，所述引线与所述密封盖正面的第二导电层电连接。
21.本发明的较佳实施例中，所述过渡结构采用玻璃材质。
22.一种mems器件真空封装结构的制造工艺，其特征在于，包括如下步骤：
23.步骤s1，在密封盖上开设通孔；
24.步骤s2，在通孔的孔壁镀第一导电层，在密封盖的正面和反面分别镀第二导电层，使密封盖的正面和反面的第二导电层均与第一导电层电接触；
25.步骤s3，使导电体一端面与所述密封盖的反面上的第二导电层电连接；
26.步骤s4，将玻璃过渡结构与密封盖的反面阳极键合；
27.步骤s5，对所述导电体用于连接mems结构的一端面进行平整化处理；
28.步骤s7，将mems结构及硅衬底分别与玻璃过渡结构和导电体阳极键合。
29.本发明的较佳实施例中，所述步骤s4中，将玻璃过渡结构及导电体放置在第一支撑模具上，使玻璃过渡结构与密封盖的反面阳极键合，并且，键合后的玻璃过渡结构的高度小于导电体的高度；
30.所述第一支撑模具包括第一底座，所述第一底座上设置有用于容纳导电体的第一凹槽，所述第一底座用于与玻璃过渡结构的接触位置设置第四导电层。
31.本发明的较佳实施例中，所述步骤s5中，
32.将玻璃过渡结构及导电体放置在第二支撑模具上，对导电体用于连接mems结构的一端面进行平整化处理，平整化处理后的导电体的高度低于玻璃过渡结构的高度；
33.所述第二支撑模具包括第二支撑座，所述第二支撑座上设置用于容纳导电体的第二凹槽，所述第二支撑座上设置垫片，所述垫片用于支撑所述玻璃过渡结构，所述垫片的高度为所述导电体与所述玻璃过渡结构之间的高度差数值。
34.本发明实施例提供的mems器件真空封装结构的有益效果是：
35.1、过渡结构分别与密封盖的反面及硅衬底键合连接，形成真空密封空间，mems结构及导电体位于真空密封空间内，满足压力传感器对于真空封装的真空度和保持度的要求，结构紧凑，得到了最大程度简化。
36.2、由于通孔贯穿密封盖的正面和反面，并且利用密封盖正面和反面的第二导电层与孔壁的第一导电层电接触，实现纵向穿越密封盖的电连接方式，无需横向穿越密封盖从旁侧引线。提高了空间利用率，节约了横向空间，缩小了体积。由于密封盖正面的第二导电层可以用于接线，其他系统可通过绑线或者倒装直接贴附在密封盖表面，极大程度地方便
了与各个系统之间的封装。
37.本发明实施例提供的制造工艺的有益效果是：
38.利用该制造工艺，可以将充分利用mems结构，结合玻璃支撑结构和密封盖围成密封空间(真空腔)，尽最大可能简化结构复杂程度，结构紧凑密集；
39.使电连接通道纵向穿越密封盖，无需横向穿越密封盖从旁侧引线，提高了空间利用率，节约了横向空间，缩小了整体的体积，利于系统元件之间的集成。
附图说明
40.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
41.图1为本发明实施例提供的mems器件真空封装结构的示意图；
42.图2为本发明实施例提供的第一支撑模具的示意图；
43.图3为本发明实施例提供的第二支撑模具的示意图。
44.图中：100－密封盖；110－通孔；120－第一导电层；130－第二导电层；
45.200－导电体；300－硅衬底；310－二氧化硅结构；320－硅结构；330－第三导电层；340－铬结构；350－导电支撑体；400－引线；500－玻璃过渡结构；
46.600－第一底座；610－第一凹槽；700－第二支撑座；710－第二凹槽；800－垫片；
具体实施方式
47.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
48.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
49.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
50.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
51.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构
一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
52.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
53.下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
54.本发明实施例提供了一种mems器件真空封装结构，其包括：
55.密封盖100，优选设置为硅板，密封盖100上设置有贯穿其正面和反面的通孔110，通孔110的孔壁设置第一导电层120，密封盖100的正面和反面分别设置有第二导电层130，上述的两个第二导电层130分别与第一导电层120电接触；使电连接通道通过纵向穿越密封盖100；
56.硅衬底300；
57.mems结构，设置在硅衬底上，用于输出电信号；
58.导电体200，分别与密封盖100反面上的第二导电层130和mems结构电接触，用于传递电信号。
59.玻璃过渡结构500，玻璃过渡结构500与密封盖100的反面和硅衬底300阳极键合，玻璃过渡结构500、硅衬底300和密封盖100形成真空密封空间，mems结构、导电体200位于上述真空密封空间内。
60.上述玻璃过渡结构500考虑采用bf33(肖特bf33玻璃)、熔融石英或软化温度略低的其它玻璃材料，选择时主要考虑软化温度、弹性模量、线膨胀系数及离子污染等因素。
61.需要说明的是，上述的密封盖100的正面指的图示密封盖100的上端面，反面指的是图示密封盖100的下端面。
62.由于通孔110贯穿密封盖100的正面和反面，并且利用密封盖100正面和反面的第二导电层130与孔壁的第一导电层120电接触，实现纵向穿越密封盖100的电连接方式，无需横向穿越密封盖100从旁侧引线400。提高了空间利用率，节约了横向空间，缩小了体积。由于密封盖100正面的第二导电层130可以用于接线，其他系统可通过绑线或者倒装直接贴附在密封盖100表面，极大程度地方便了各个系统之间的集成。
63.在本发明较佳的实施例中，mems结构包括二氧化硅结构310和硅结构320；
64.二氧化硅结构310设置在硅衬底300上，硅结构320设置在二氧化硅结构310上，硅结构320上设置第三导电层330用于电连接导电体200。上述的mems结构及硅衬底300组成硅敏感结构，用于产生电信号，进而通过导电体200将电信号传递给第二导电层130。
65.优选地，上述的导电体200设置为球形，导电体200与第二导电层130和mems结构的接触面分别设置为平面。
66.上述的第一导电层120、第二导电层130，及第三导电层330优选采用金质，当然，也可以采用其他类型金属。
67.在本发明较佳的实施例中，在密封盖100上的通孔110至少设置两个，并且各个通孔110之间相互隔离，密封盖100的上设置至少两对相互隔离的第二导电层130，每一个通孔
110对应设置在每一对第二导电层130之间；
68.每一对第二导电层130包括设置在密封盖100的正面和反面的第二导电层130。
69.通过上述设置方式，使每对第二导电层130搭配一个通孔110的第一导电层120，形成一个纵向电连接单元，可以设置多个纵向电连接单元，以供应用。
70.在应用时，以设置两个通孔110为例，其中，每个通孔110对应的导电体200的下方依次设置硅结构320及二氧化硅结构310，用以连接硅衬底300。
71.当然，还可以将其中一个导电体200的下方的硅结构320及二氧化硅结构310替换为导电支撑结构，导电支撑结构分别与硅衬底300和密封盖100反面上的第二导电层130电接触；
72.上述的导电支撑结构包括铬结构340和导电支撑体350，铬结构340设置在硅衬底300上，导电支撑体350设置在铬结构340和密封盖100反面的第二导电层130之间。
73.本实施例中，导电支撑结构的作用是，在mems器件正常发送电信号的同时，对mems器件和密封盖100之间形成支撑。
74.需要说明的是，本实施例中的导电体200和导电支撑体350均采用锡球。
75.在本发明较佳的实施例中，该mems器件真空封装结构还包括引线400，引线400的数量可以根据实际使用状况任意选择，引线400与密封盖100正面的第二导电层130电连接，用于传递电信号至外接系统。
76.采用上述方案的mems器件真空封装结构的特点和优势在于：
77.(1)电连接通道通过纵向穿越密封盖100，与现有技术相比，本发明方案不用通过沿玻璃板横向下穿，无需占用额外的面积。
78.(2)充分利用硅衬底，结合玻璃过渡结构500和密封盖100围成密封空间，尽最大可能简化结构复杂程度，结构紧凑密集；
79.(3)其他部件可直接贴在密封盖100的正面的第二导电层130，通过绑线或倒装就可以直接构成新的器件，利于完整器件各个部分之间的相互集成。
80.本发明实施例还提供了一种基于上述的mems器件真空封装结构的制造工艺，该制造工艺包括如下步骤：
81.步骤s1，在密封盖100上开设通孔110；
82.步骤s2，在通孔110的孔壁镀第一导电层120，在密封盖100的正面和反面分别镀第二导电层130，使密封盖100的正面和反面的第二导电层130均与第一导电层120电接触；
83.步骤s3，使导电体200一端面与密封盖100的反面上的第二导电层130电连接，该电连接方式可以采用焊锡工艺；
84.步骤s4，将玻璃过渡结构500与密封盖100的反面阳极键合；
85.步骤s5，对导电体200用于连接mems结构的一端面进行平整化处理；
86.步骤s7，将mems结构和硅衬底分别与玻璃过渡结构500和导电体200阳极键合。
87.在本发明较佳的实施例中，步骤s4中，将玻璃过渡结构500及导电体200放置在第一支撑模具上，使玻璃过渡结构500与密封盖100的反面阳极键合，并且，键合后的玻璃过渡结构500的高度小于导电体200的高度；
88.第一支撑模具包括第一底座600，第一底座600上设置有用于容纳导电体200的第一凹槽610，第一底座600用于与玻璃过渡结构500的接触位置设置第四导电层。
89.应用时，玻璃过渡结构500支撑在第一底座600上，第一凹槽610起到容纳导电体200的作用，以避免与第二导电层130电连接的导电体200移位或变形。从加工精度、材料属性考虑，第一底座600采用高弹性模量的熔融石英制作。第一底座600表面与玻璃过渡结构500的接触位置镀有金层用于导电。
90.在本发明较佳的实施例中，步骤s5中，
91.将玻璃过渡结构500及导电体200放置在第二支撑模具上，对导电体200用于连接mems结构的一端面进行平整化处理，平整化处理后的导电体200的高度低于玻璃过渡结构500的高度；
92.上述的第二支撑模具包括第二支撑座700，第二支撑座700上设置用于容纳导电体200的第二凹槽710，第二支撑座700上设置垫片800，垫片800用于支撑玻璃过渡结构500，垫片800的高度为导电体200与玻璃过渡结构500之间的高度差数值。
93.步骤s5目的是保证所有导电体200和导电支撑体350具有统一平整的端面。为确保导电体200和导电支撑体350与第二导电层130、第三导电层330均有适当的接触，导电体200和导电支撑体350的直径必须略大于玻璃过渡层的高度，应用时，由于导电体200和导电支撑体350的尺寸有误差，焊接后的位置高低也会有差异，在第二支撑座700上对应导电体200和导电支撑体350的位置分别设置有第二凹槽710，保证导电体200和导电支撑体350相对玻璃过渡层玻璃略为突出。第二凹槽710的深度h必须精确控制，可在过渡层玻璃对应位置放置标准厚度的金属垫片800，其中，h+10um就是键合时导电体200和导电支撑体350的压缩量。这里多出的10um的原因是，mems器件中二氧化硅结构310和硅结构320的厚度总和为10um。
94.考虑到步骤s3中，导电体200一端面与密封盖100的反面上的第二导电层130电连接方式为焊锡工艺，以及第二导电层130与引线400之间也采用焊接工艺，那么需要利用溶剂来清洗残余助焊剂。
95.考虑到步骤s5中，对导电体200用于连接mems结构的一端面进行平整化处理时，残余助焊剂缓慢挥发会影响到玻璃过渡结构500、硅衬底300和密封盖100形成密封空间的真空度，因此，在该步骤后，还需要加热释放气体，即，在氮气环境下加热到接近熔点的温度，进一步减少溶解的助焊剂，加热温度需要经过实验确定。
96.本发明实施例提供的制造工艺的有益效果是：
97.利用该制造工艺，可以将充分利用硅衬底，结合玻璃支撑结构和密封盖100围成真空密封腔，尽最大可能简化结构复杂程度，结构紧凑密集；
98.使电连接通道纵向穿越密封盖100，无需横向穿越密封盖100从旁侧引线400，提高了空间利用率，节约了横向空间，缩小了整体的体积，利于系统元件之间的集成。
99.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。