專利名稱：一種用毛細(xì)管法氣密封裝微機(jī)電系統(tǒng)器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用毛細(xì)管法氣密封裝微機(jī)電系統(tǒng)器件的方法，更確切地說，涉及一種用毛細(xì)管法氣密封裝MEMS器件的方法，屬于MEMS器件封裝領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
MEMS(microelectromechanical system)是指采用微細(xì)加工技術(shù)制作的、集微型傳感器、微型構(gòu)件、微型執(zhí)行器、信號處理、控制電路等于一體的系統(tǒng)。MEMS器件在許多領(lǐng)域都有十分廣闊的應(yīng)用前景。然而，在MEMS器件中，含有可動部件，這些可動部件很脆弱，極易受到劃片和裝配過程中的灰塵、氣流、濕度、機(jī)械等因素的影響，從而造成器件的毀壞或器件的整體性能下降，因此，必須采取氣密封裝措施，保護(hù)這些關(guān)鍵部位。
為了實現(xiàn)MEMS器件的氣密封裝，人們提出了多種MEMS器件氣密封裝方法，其基本思想是將一個帶腔體的蓋板鍵合到另一個含MEMS器件晶片上，從而保護(hù)MEMS器件的可動部件?，F(xiàn)今，MEMS器件氣密封裝的鍵合方法主要有硅玻璃陽極鍵合、硅硅熔融鍵合、玻璃直接鍵合、低溫玻璃鍵合、有機(jī)粘接劑鍵合和焊料鍵合等。硅玻璃陽極鍵合、硅硅熔融鍵合和玻璃直接鍵合工藝常需要在較高的溫度下才能夠?qū)崿F(xiàn)，如陽極鍵合溫度為450℃，硅硅熔融鍵溫度高達(dá)1000℃，這樣高的溫度對要求低應(yīng)力氣密封裝的MEMS器件是不適宜的，硅玻璃陽極鍵合、硅硅熔融鍵合要求鍵合的表面平整而光滑，表面上任何微小的機(jī)械劃痕將會產(chǎn)生漏氣，并影響氣密特性。低溫玻璃鍵合、有機(jī)粘接劑鍵合實現(xiàn)在較低的溫度下氣密封裝MEMS器件，一般用印刷的方法將玻璃漿料或有機(jī)粘接劑印在帶有空腔的蓋板或含可動部件MEMS器件的周邊上，往往玻璃漿料或有機(jī)粘接劑的厚度難以控制，在鍵合的過程中，多余的玻璃漿料或有機(jī)粘接劑熔化，流到MEMS器件可動部件的凹槽處，冷卻后，玻璃漿料或有機(jī)粘接劑就會牢牢固定MEMS器件可動部件，造成MEMS器件功能失效。有機(jī)粘接劑在鍵合的過程中要釋放一些溶劑和小分子氣體，很難獲得很好的氣密特性。
焊料鍵合是氣密封裝MEMS器件的很重要方法，現(xiàn)有傳統(tǒng)方法是采用回流方法將蓋板上的腔體周邊焊料封環(huán)鍵合到含MEMS器件周邊封環(huán)上，形成氣密封裝MEMS器件。焊料一般為銦、錫、銦錫、鉛錫等。圖1和圖2分別是用傳統(tǒng)方法氣密封裝MEMS器件的截面圖和工藝流程圖。在圖1和圖2中，封環(huán)上的焊料是在UBM(underbump metallization)上圖形電鍍形成的，或是采用印刷焊料的方法形成的。這些附加的制作過程會使氣密封裝MEMS器件的成品率下降。在預(yù)鍵合的過程中，除了要求精確的溫度和對位控制外，焊料表層氧化膜的去除以及焊料表層的防氧處理給預(yù)鍵合帶來了很大的難度，需要添加設(shè)備來解決這些問題。所有這些將會直接導(dǎo)致氣密封裝MEMS器件的成本大幅度地增加。在鍵合的過程中，封環(huán)上焊料形成氣/液界面，焊料蒸發(fā)，進(jìn)入氣密封裝的腔體內(nèi)，并沉積在腔體的內(nèi)表面上，形成多余物，影響MEMS器件的電性能。用傳統(tǒng)方法氣密封裝MEMS器件，如圖1，封環(huán)邊墻103也存在可靠性問題，雖然，采取了焊料的塌陷控制措施，但是，由于封環(huán)上的焊料制作工藝本身存在缺陷，厚薄難以精確控制，因此，很難獲得厚度均勻、結(jié)構(gòu)一致的封環(huán)邊墻，使氣密封裝MEMS器件的氣密特性下降。

發(fā)明內(nèi)容
為了降低氣密封裝MEMS器件的成本，克服現(xiàn)有MEMS器件氣密封裝過程中的諸多因素對其性能的不利影響，并提高氣密封裝封環(huán)邊墻的氣密特性。本發(fā)明的目的在于提出了采用毛細(xì)管法氣密封裝MEMS器件的方法，該方法不僅能夠以較低成本實現(xiàn)MEMS器件的氣密封裝，提高氣密封裝MEMS器件的性能，而且還能提高M(jìn)EMS器件氣密封裝的氣密特性。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是在MEMS器件和腔體的晶片上制作出焊料的導(dǎo)入導(dǎo)出線和導(dǎo)入導(dǎo)出孔，這些導(dǎo)入導(dǎo)出線將周邊封環(huán)與導(dǎo)入導(dǎo)出孔連接起來，在對位后，兩晶片上相對應(yīng)封環(huán)和導(dǎo)入導(dǎo)出線將構(gòu)成金屬化毛細(xì)管，封環(huán)、導(dǎo)入導(dǎo)出線和導(dǎo)入導(dǎo)出孔的表層為抗氧化和易為焊料浸潤的膜層，在焊接的過程中，焊料熔化，很容易從導(dǎo)入導(dǎo)出孔進(jìn)入，在易被焊料浸潤的導(dǎo)入導(dǎo)出線和封環(huán)金屬表面上鋪展，而熔融的焊料液體與導(dǎo)入導(dǎo)出線和封環(huán)兩側(cè)氧化物的接觸角很大，因而，焊料液體不會在氧化物的表面上鋪展，產(chǎn)生毛細(xì)管現(xiàn)象，熔化的焊料就從導(dǎo)入導(dǎo)出線進(jìn)入封環(huán)上，當(dāng)封環(huán)全部被焊料浸潤后，兩封環(huán)間的焊料液體就形成粘橋，多余的焊料也可通過導(dǎo)入導(dǎo)出線和導(dǎo)入導(dǎo)出孔流出，自然調(diào)節(jié)兩封環(huán)間所需要的焊料量，焊料凝固后，就將兩晶片粘接在一起，形成密封腔體。這樣可獲得厚度均勻、結(jié)構(gòu)一致的封環(huán)邊墻，提高M(jìn)EMS器件氣密封裝的氣密特性。為了很好地控制封環(huán)邊墻的高度，徹底消除焊接過程中腔體內(nèi)多余物的產(chǎn)生，在腔體和焊環(huán)之間制作出擋壩環(huán)，這一擋壩環(huán)并不是為了阻擋焊料液體的流入，而是為了阻擋焊料蒸氣沉積在腔體內(nèi)，產(chǎn)生多余物影響MEMS器件的性能，擋壩環(huán)高度就是封環(huán)邊墻的高度，因此，可有效地控制腔體的大小，并有效地控制封環(huán)夾層間焊料的厚度和均勻性，進(jìn)一步提高了氣密封裝MEMS器件的氣密特性。
本發(fā)明的有益效果簡化了MEMS器件的氣密封裝過多的中間環(huán)節(jié)，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)在不同的氣氛下氣密封裝MEMS器件，而且提高了MEMS器件氣密封裝的氣密特性。


為了能使本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果得到充分體現(xiàn)，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
圖1是先前MEMS器件氣密封裝截面圖。
圖2是先前MEMS器件氣密封裝工藝流程圖。
圖3是陣列式MEMS器件封環(huán)的平面圖。
圖4是陣列式腔體封環(huán)的平面圖。
圖5是另一種陣列式腔體封環(huán)的平面圖。
圖6是實施例1中對位后導(dǎo)入導(dǎo)出孔截面圖。
圖7是對位后兩封環(huán)形成金屬毛細(xì)管的截面圖。
圖8是實施例1中焊料液體形成封環(huán)的截面圖。
圖9是焊料液體凝固形成封環(huán)的截面圖。
圖10是實施例2、3中對位后導(dǎo)入導(dǎo)出孔截面圖。
圖11是實施例2中焊膏截面圖。
圖12是實施例3中焊球截面圖。
在圖3中，在晶片301中，陣列MEMS器件306是用半導(dǎo)體工藝制作的，每個MEMS器件306周邊有一個封環(huán)305，封環(huán)305的寬度為300μm，封環(huán)305通過導(dǎo)入導(dǎo)出線304與導(dǎo)入導(dǎo)出孔303相連接，導(dǎo)入導(dǎo)出孔303的孔徑為500μm，封環(huán)305、導(dǎo)入導(dǎo)出線304和導(dǎo)入導(dǎo)出孔303的金屬化膜層可用薄膜工藝制作，膜層結(jié)構(gòu)為TiW/Cu/Ni/Au或Pd，以TiW為粘附層，厚度約為500，Cu為導(dǎo)電層，厚度約為1μm，Ni(3μm)/Au或Pd是電鍍而成的。鍵合區(qū)307分布在封環(huán)305周邊的一側(cè)，并與MEMS器件306通過介質(zhì)層下導(dǎo)體形成電連接。定位孔302用于與腔體晶片對位，對位時，可采用平行三針垂直定位法。
在圖4中，在晶片401上，腔體406與圖3中晶片301中MEMS器件306相對應(yīng)。每個腔體406周邊各有一個擋壩環(huán)408和封環(huán)405，擋壩環(huán)408為化學(xué)氣相沉積的氮化硅膜，氮化硅膜決定了形成金屬毛細(xì)管的大小，其厚度最好為20μm，封環(huán)405與圖3中MEMS器件306周邊封環(huán)305相對應(yīng)，其寬度也為300μm。封環(huán)405通過導(dǎo)入導(dǎo)出線404與導(dǎo)入導(dǎo)出孔403相連接，封環(huán)405的制作方法與圖3中封環(huán)305的制作方法一樣。封環(huán)405周邊一側(cè)上的孔洞框407與圖3中的鍵合區(qū)307相對應(yīng)，在氣密封焊和劃片后，孔洞框407便于檢測氣密封裝后MEMS器件306的性能，并方便電連接，與外圍配置電路構(gòu)成集成化的MEMS。定位孔402用于與MEMS器件晶片對位。
圖5是另一種陣列式腔體封環(huán)的平面圖。圖5中腔體晶片501與圖4中腔體晶片401有所不同，在圖5中，封環(huán)505通過導(dǎo)入導(dǎo)出線504與焊區(qū)503相連接，并在封環(huán)505的兩側(cè)制作出焊料導(dǎo)出孔508，焊料導(dǎo)出孔508的孔徑為500μm。
具體實施例方式
實施例1在圖6中，采用平行三針垂直定位法，將帶MEMS器件的晶片301與腔體晶片401進(jìn)行對位，在對位后，上晶片導(dǎo)入導(dǎo)出孔303與導(dǎo)入導(dǎo)出孔404在同一軸心上，這將有利于液體焊料的進(jìn)出。焊料可以是有鉛或無鉛焊料。
圖7是晶片301與晶片401進(jìn)行對位后兩封環(huán)形成金屬毛細(xì)管的截面圖。在圖7中，晶片301上的封環(huán)305與晶片401上的封環(huán)405相對應(yīng)，其間距為10μm，這樣就在擋壩環(huán)406周邊上產(chǎn)生截面為300×10μm2的金屬毛細(xì)管。封環(huán)405周邊一側(cè)上的孔洞框407與鍵合區(qū)307相對應(yīng)，便于檢測氣密封裝后MEMS器件306的性能。
圖8是焊料液體形成封環(huán)的示意圖。將對位和固定好的上下兩晶片，浸入熔融的焊料液體中，氣氛可以是空氣，也可以是保護(hù)氣氛，首先，熔融的焊料液體從金屬化導(dǎo)入導(dǎo)出孔303、403進(jìn)入，由于導(dǎo)入導(dǎo)出線304、404和封環(huán)305、405構(gòu)成了金屬化毛細(xì)管，且導(dǎo)入導(dǎo)出線304、404和封環(huán)305、405的金屬化膜的表層為易于熔融的焊料液體浸潤的Au或Pd膜，因此，熔融的焊料液體將在導(dǎo)入導(dǎo)出線304、404上鋪展，當(dāng)進(jìn)入封環(huán)305、405的拐角處，形成叉路，最后合攏形成粘橋封環(huán)801a。當(dāng)將對位和固定好的上下兩晶片，浸入更深的熔融的焊料液體中，由于熔融的焊料液體內(nèi)部壓強(qiáng)的增加，將只會形成更大弧度的粘橋封環(huán)801b，這時熔融的焊料液體的表面張力也將增大。由于封環(huán)305、405的兩側(cè)為氧化物，熔融的焊料液體不會浸潤其表面，而流入腔體內(nèi)。由于熔融的焊料液體產(chǎn)生蒸發(fā)現(xiàn)象，因此，擋壩環(huán)406對消除熔融的焊料液體蒸發(fā)產(chǎn)生的多余物起著很重要的作用，同時擋壩環(huán)406的高度對封環(huán)邊墻的高度起著調(diào)節(jié)作用，有效地控制封環(huán)夾層間焊料的厚度和均勻性，進(jìn)一步提高了氣密封裝MEMS器件的氣密特性。
圖9是焊料液體凝固形成封環(huán)的截面圖。將浸漬的兩晶片從熔融的焊料液體中取出，多余的焊料液體將會從導(dǎo)入導(dǎo)出線304、404和導(dǎo)入導(dǎo)出孔303、404流出，自然調(diào)節(jié)封環(huán)305、405間所需的焊料的量，當(dāng)熔融的焊料液體凝固后，會形成亞鈴狀的封環(huán)901。
實施例2圖10是晶片301和晶片501對位后導(dǎo)入導(dǎo)出孔303和導(dǎo)出孔508的分布情況。在圖9中，晶片301上導(dǎo)入導(dǎo)出孔303與晶片501上焊區(qū)503相對應(yīng)。焊料導(dǎo)出孔508位于兩個焊區(qū)503的中間處。
在圖11中，用點膠機(jī)在晶片301上的導(dǎo)入導(dǎo)出孔303中點入焊膏，點入焊膏量應(yīng)根據(jù)封環(huán)的寬度、兩封環(huán)間的距離、封環(huán)的周長和導(dǎo)入導(dǎo)出線的長度來計算，應(yīng)是計算量的3倍，并保持焊膏過量，焊膏因重力作用涂覆在晶片501的焊區(qū)503上，形成蘑菇狀的焊膏結(jié)構(gòu)1101。
將點好焊膏的兩晶片移入真空爐中，按焊接曲線進(jìn)行操作，首先，抽真空，預(yù)熱趕出焊膏中的有機(jī)成分，提高溫度至設(shè)定值，焊料熔化，沿著導(dǎo)入導(dǎo)出線流向封環(huán)，并從四面合籠，形成粘橋封環(huán)，過量的焊料會從導(dǎo)出孔508流出，自然調(diào)節(jié)封環(huán)間所需焊膏的量。然后，將爐溫降至室溫，焊料液體凝固形成圖9中亞鈴狀的封環(huán)901。
實施例3在圖12中，用置球機(jī)在圖9的晶片301上的導(dǎo)入導(dǎo)出孔303中置入焊球1201，焊球1201的體積應(yīng)根據(jù)封環(huán)的寬度、兩封環(huán)間的距離、封環(huán)的周長和導(dǎo)入導(dǎo)出線的長度來計算，應(yīng)是計算量的3倍，并保持焊料過量。
將置好焊球的兩晶片移入真空爐中，按焊接曲線進(jìn)行操作，首先，抽真空，預(yù)熱，提高溫度至設(shè)定值，焊球熔化，沿著導(dǎo)入導(dǎo)出線流向封環(huán)，并從四面合籠，形成粘橋封環(huán)，過量的焊料會從導(dǎo)出孔508流出，自然調(diào)節(jié)封環(huán)間所需焊膏的量。然后，將爐溫降至室溫，焊料液體凝固形成圖9中亞鈴狀的封環(huán)901。
權(quán)利要求
1.一種毛細(xì)管法氣密封裝MEMS器件的方法，其特征在于(1)在MEMS器件晶片和腔體的晶片上，各制作出熔融焊料的導(dǎo)入導(dǎo)出線和導(dǎo)入導(dǎo)出孔，通過導(dǎo)入導(dǎo)出線，將周邊的封環(huán)與導(dǎo)入導(dǎo)出孔連接起來；(2)對位后，兩晶片上相對應(yīng)的封環(huán)和導(dǎo)入導(dǎo)出線將構(gòu)成金屬化毛細(xì)管；在焊接的過程中，焊料熔化，從導(dǎo)入導(dǎo)出孔進(jìn)入，鋪展在導(dǎo)入導(dǎo)出線和封環(huán)金屬表面上，在封環(huán)全部被焊料浸潤后，兩封環(huán)間的焊料液體就形成粘橋，焊料凝固后，兩晶片粘接在一起，形成密封腔體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用毛細(xì)管法氣密封裝MEMS器件的方法，其特征在于MEMS器件的晶片中，每個MEMS器件(306)周邊有一個封環(huán)(305)，封環(huán)的寬度為300μm，與之相連的通過導(dǎo)入導(dǎo)出孔的孔徑為500μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用毛細(xì)管法氣密封裝MEMS器件的方法，其特征在于導(dǎo)入導(dǎo)出線和導(dǎo)入導(dǎo)出孔的金屬化膜層結(jié)構(gòu)為TiW/Cu/Ni/Au或Pd，TiW為粘附層，厚度約為500，Cu為導(dǎo)電層，厚度約為1μm，導(dǎo)入導(dǎo)出線和封環(huán)表面的Ni/Au或Pd是電鍍而成的，厚度為3μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用毛細(xì)管法氣密封裝MEMS器件的方法，其特征在于鍵合區(qū)(307)分布在封環(huán)(305)周邊的一側(cè)，并與MEMS器件(306)通過介質(zhì)層下導(dǎo)體形成電連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用毛細(xì)管法氣密封裝MEMS器件的方法，其特征在于腔體腔體晶片中的腔體(406)與MEMS器件(306)相對應(yīng)；每個腔體(406)周邊各有一個擋壩環(huán)(408)和封環(huán)(405)；封環(huán)(405)與MEMS器件周邊封環(huán)(305)相對應(yīng)；封環(huán)(405)周邊一側(cè)上的孔洞框(407)與鍵合區(qū)(307)相對應(yīng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用毛細(xì)管法氣密封裝MEMS器件的方法，其特征在于焊接過程中多余焊料通過導(dǎo)入導(dǎo)出孔流出，自動調(diào)節(jié)兩封環(huán)間所需的焊料量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種毛細(xì)管法氣密封裝MEMS器件的方法，其特征在于(1)在MEMS器件晶片和腔體的晶片上，各制作出熔融焊料的導(dǎo)入導(dǎo)出線和導(dǎo)入導(dǎo)出孔，通過導(dǎo)入導(dǎo)出線，將周邊的封環(huán)與導(dǎo)入導(dǎo)出孔連接起來；(2)對位后，兩晶片上相對應(yīng)的封環(huán)和導(dǎo)入導(dǎo)出線將構(gòu)成金屬化毛細(xì)管。在焊接的過程中，焊料熔化，從導(dǎo)入導(dǎo)出孔進(jìn)入，鋪展在導(dǎo)入導(dǎo)出線和封環(huán)金屬表面上，在封環(huán)全部被焊料浸潤后，兩封環(huán)間的焊料液體就形成粘橋，焊料凝固后，兩晶片粘接在一起，形成密封腔體。本發(fā)明簡化了MEMS器件的氣密封裝過多的中間環(huán)節(jié)，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，不僅能實現(xiàn)在不同氣氛下氣密封裝MEMS器件，而且可提高器件氣密特性。
文檔編號B81B5/00GK1513751SQ0314207
公開日2004年7月21日 申請日期2003年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月6日
發(fā)明者王立春, 羅樂, 肖克, 周萍 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所, 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究