本實(shí)用新型屬于MEMS芯片領(lǐng)域，具體是涉及具有垂直壓焊塊的圓片級封裝MEMS芯片。

背景技術(shù)：

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)芯片，特別是MEMS慣性傳感器芯片，其感測方向與MEMS結(jié)構(gòu)有對應(yīng)關(guān)系，例如X軸MEMS測量單元只能感測X軸方向的慣性信號，Y軸和Z軸與此同理；在消費(fèi)級MEMS慣性傳感器中，X、Y、Z三個軸的測量單元被集成在同一個MEMS芯片上以減小芯片尺寸；但在高性能工業(yè)級的MEMS慣性傳感器中，為保證產(chǎn)品的性能，通常是一個MEMS芯片上制作一個軸的測量單元，只能感測一個方向的信號，要測量X、Y、Z三個軸方向的信號，需要三個MEMS芯片，通過封裝的方法將三個MEMS芯片封裝在一起，成為一個產(chǎn)品；其實(shí)施方式通常有二種：一種是三個MEMS芯片都水平安裝，但其中至少有一個芯片感應(yīng)方向與其余二個芯片不同，例如二個感測方向完全相同的MEMS芯片對準(zhǔn)X、Y軸安裝，Z軸MEMS芯片的感測軸與X、Y軸垂直，這需要兩種不同的MEMS芯片，它們的MEMS結(jié)構(gòu)不同，這就需要設(shè)計(jì)兩種芯片，甚至芯片加工工藝不同，該兩種芯片的性能也不同，為了將不同性能的MEMS芯片調(diào)試到基本的性能，測試流程復(fù)雜，測試成本也高；另一種實(shí)施方式是將三個完全相同的MEMS芯片分別對準(zhǔn)X、Y、Z三個軸的方向安裝，達(dá)到感測三個方向信號的目的，這就至少需要一個MEMS芯片垂直于水平面安裝，需要在其上制作垂直壓焊塊，以便將信號引出。

各種制作垂直于芯片表面的側(cè)面壓焊塊的方法，其基本流程都相近，即在兩個芯片中間位置蝕刻出通孔或溝槽，生長或淀積絕緣層，在絕緣層上淀積金屬層，形成覆蓋通孔或溝槽側(cè)壁的金屬層圖形，切割通孔或溝槽，制作完成帶有側(cè)壁壓焊塊的芯片?，F(xiàn)有技術(shù)中，制作垂直壓焊塊都是在主芯片的主要制作流程完成后，在封裝階段進(jìn)行，或單獨(dú)制作只起到連接電信號的載板，這些方法都需要額外的制作流程以形成垂直壓焊塊，工藝復(fù)雜，成本高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種具有垂直壓焊塊的圓片級封裝MEMS芯片，該MEMS芯片在底板溝槽的絕緣層上淀積金屬層作為垂直壓焊塊，結(jié)構(gòu)簡單，后續(xù)封裝容易。

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種具有垂直壓焊塊的圓片級封裝MEMS芯片，由蓋板、MEMS結(jié)構(gòu)層和底板組成，蓋板下表面至少有一個上凹腔，底板上表面至少有一個下凹腔，上凹腔和下凹腔共同形成密封腔；MEMS結(jié)構(gòu)層由MEMS引線區(qū)、MEMS結(jié)構(gòu)和MEMS密封區(qū)組成，MEMS結(jié)構(gòu)位于密封腔中，并可在密封腔中自由活動；蓋板通過玻璃漿料層與MEMS結(jié)構(gòu)層鍵合，底板與MEMS結(jié)構(gòu)層間有絕緣層隔離，底板上表面還具有鍵合柱和底板溝槽，鍵合柱和底板溝槽的表面及側(cè)面也具有絕緣層，MEMS結(jié)構(gòu)的錨點(diǎn)固定在鍵合柱上，MEMS結(jié)構(gòu)的電信號通過MEMS引線區(qū)引出密封腔；金屬層覆蓋在MEMS引線區(qū)的上表面和端面上，以及底板溝槽的絕緣層上，位于MEMS引線區(qū)的金屬層作為水平壓焊塊，位于底板溝槽的絕緣層上的金屬層則成為垂直壓焊塊。

后續(xù)封裝時(shí)，將具有垂直壓焊塊的圓片級封裝MEMS芯片的底板固定在封裝管殼底板上，MEMS結(jié)構(gòu)層表面與管殼底板平行，在MEMS芯片的水平壓焊塊與管殼焊盤焊接金屬線，將MEMS芯片的信號引出到管殼；相似地，將另一MEMS芯片的底板切割面固定在管殼底板上，MEMS結(jié)構(gòu)層表面與管殼底板垂直，在MEMS芯片的垂直壓焊塊與管殼焊盤焊接金屬線，將MEMS芯片的信號引出到管殼；這樣，封裝后的多軸MEMS器件就可以感測水平和垂直方向的信號。本實(shí)用新型的具有垂直壓焊塊的圓片級封裝MEMS芯片集垂直壓焊塊和水平壓焊塊于一體，封裝時(shí)不需要將多個MEMS芯片垂直布置，也能感測水平和豎直方向的信號，降低封裝難度，縮小封裝體積。

本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，底板溝槽頂部具有倒角，金屬層還淀積在倒角斜面的絕緣層上，且有利于在淀積金屬層時(shí)金屬層均勻覆蓋倒角斜面以及底板溝槽側(cè)面。

優(yōu)選地，上凹腔內(nèi)還制作有檔桿，可以阻止MEMS結(jié)構(gòu)在垂直方向大幅運(yùn)動。

優(yōu)選地，上凹腔內(nèi)還有吸氣劑，用于保持MEMS芯片密封腔的真空度。

附圖說明

圖1—圖7是實(shí)施例一的具有垂直壓焊塊的圓片級封裝的MEMS圓片的制作流程圖。

圖8是實(shí)施例一的半切割的MEMS圓片的示意圖。

圖9是實(shí)施例一的具有垂直壓焊塊的圓片級封裝的MEMS芯片的示意圖。

圖10是實(shí)施例一的具有垂直壓焊塊的圓片級封裝的MEMS芯片引線區(qū)的俯視圖。

圖11是多軸MEMS器件中MEMS芯片的封裝示意圖。

圖12是實(shí)施例二的具有垂直壓焊塊的圓片級封裝的MEMS芯片金屬層的剖面放大圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例一

具有垂直壓焊塊的圓片級封裝MEMS芯片7，如圖9所示，由蓋板52、MEMS結(jié)構(gòu)層21和底板53組成，蓋板52下表面有一個上凹腔43，底板53上表面有兩個下凹腔13，上凹腔43和下凹腔13共同形成密封腔51；MEMS結(jié)構(gòu)層21由MEMS密封區(qū)21a、MEMS結(jié)構(gòu)21b、MEMS引線密封區(qū)21c和MEMS引線區(qū)21d組成，MEMS結(jié)構(gòu)21b位于密封腔51中，并可在密封腔51中自由活動；蓋板52的密封環(huán)42上印刷有玻璃漿料層45，蓋板52通過玻璃漿料層45與MEMS結(jié)構(gòu)層21的MEMS密封區(qū)21a和MEMS引線密封區(qū)21c鍵合，底板53與MEMS結(jié)構(gòu)層21間有絕緣層16隔離，底板53上表面還具有鍵合柱14和底板溝槽11，鍵合柱14位于兩個下凹腔13之間，鍵合柱14和底板溝槽11的表面及側(cè)面也具有絕緣層16，MEMS結(jié)構(gòu)的錨點(diǎn)21b′固定在鍵合柱14上，MEMS結(jié)構(gòu)21b的電信號通過MEMS引線區(qū)21d引出密封腔51；金屬層34覆蓋在MEMS引線區(qū)21d的上表面和端面上，以及底板溝槽11的絕緣層16上，位于MEMS引線區(qū)21d的金屬層34作為水平壓焊塊，位于底板溝槽11側(cè)面11b上的金屬層34則成為垂直壓焊塊。

圖10是圖9中具有垂直壓焊塊的圓片級封裝MEMS芯片7的MEMS引線區(qū)21d的俯視圖，不顯示蓋板52，金屬層34覆蓋了部分MEMS引線區(qū)21d和部分MEMS引線區(qū)側(cè)面21d′，MEMS引線區(qū)21d位于底板引線區(qū)12上方，MEMS引線密封區(qū)21c位于位于底板密封區(qū)15上方，兩者是相連；各個MEMS引線密封區(qū)21c之間有MEMS引線密封島21e，用于形成比較均勻的空隙61和MEMS引線密封區(qū)21c、MEMS引線密封島21e，便于在氣密性圓片鍵合時(shí)，玻璃漿料層45可以充分的填充空隙61中，以及覆蓋在MEMS引線密封區(qū)21c、MEMS引線密封島21e上，形成牢固的密封腔51；MEMS引線區(qū)21d、MEMS引線密封區(qū)21c和MEMS引線密封島21e與底板密封區(qū)15和底板引線區(qū)12間有絕緣層16電隔離。

本實(shí)施例的具有垂直壓焊塊的圓片級封裝MEMS芯片的制作方法，包括以下步驟：

(1)底板圓片1制作：以雙面拋光的單晶Si圓片10作為底板材料，通過涂光刻膠、對準(zhǔn)、曝光、顯影等光刻工藝步驟后(以下簡稱光刻)，在雙面拋光的單晶Si圓片10上形成光刻膠圖形，以此光刻膠圖形為深Si反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)的掩模，在含氟(F)的反應(yīng)氣氛中蝕刻Si，反應(yīng)所用氣體通常為SF₆和C₄F₈，其中SF₆是各向同性蝕刻氣體，C₄F₈是產(chǎn)生聚合物的氣體，在反應(yīng)離子蝕刻設(shè)備中交替SF₆和C₄F₈，在雙面拋光的單晶Si圓片10上蝕刻出50～200μm深的圖形，除去光刻膠、清洗，形成底板溝槽11、底板引線區(qū)12、下凹腔13、鍵合柱14和底板密封區(qū)15，然后在整個雙面拋光的單晶Si圓片10的表面生長絕緣層16，通常為SiO₂層，也可以是SiO₂與Si₃N₄的復(fù)合層，制作完成如圖1所示的底板圓片1。

(2)鍵合圓片2制作：以重?fù)诫s的雙面拋光的單晶Si圓片20作為MEMS結(jié)構(gòu)層材料，將重?fù)诫s的雙面拋光的單晶Si圓片20與步驟(1)制作的底板圓片1進(jìn)行Si-SiO₂鍵合，鍵合后重?fù)诫s的雙面拋光的單晶Si圓片20與底板圓片1的鍵合柱14、底板密封區(qū)15和底板引線區(qū)12通過絕緣層16鍵合在一起，如圖2所示，此時(shí)重?fù)诫s的雙面拋光的單晶Si圓片20的厚度為300～800μm，作為MEMS結(jié)構(gòu)層太厚，需要將其研磨到MEMS結(jié)構(gòu)層所需厚度，通常在10～100μm，拋光，形成MEMS結(jié)構(gòu)層21，完成鍵合圓片2的制作。

(3)MEMS結(jié)構(gòu)圓片3制作：在步驟(2)制作的鍵合圓片2的MEMS結(jié)構(gòu)層21的表面上光刻形成光刻膠圖形，以此光刻膠圖形為深Si反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)的掩模，在含氟(F)的反應(yīng)氣氛中蝕刻Si，將MEMS結(jié)構(gòu)層分割為MEMS密封區(qū)21a、MEMS引線區(qū)21d、MEMS引線密封區(qū)21c、MEMS結(jié)構(gòu)21b，MEMS結(jié)構(gòu)21b的錨點(diǎn)21b′固定在鍵合柱14上，覆蓋在底板溝槽11上的MEMS結(jié)構(gòu)層21被蝕刻掉，如圖3所示，MEMS引線區(qū)21d的端面21d′與底板溝槽11側(cè)面11b水平方向的間距D為0～10μm，除去光刻膠、清洗，完成MEMS結(jié)構(gòu)圓片3的制作。

(4)具有金屬層34的MEMS結(jié)構(gòu)圓片3′的制作：本實(shí)用新型采用掩模屏蔽的方法淀積金屬層，所以需要先制作一個具有凹腔31和窗口32的掩模圓片30，即在一個Si圓片上首先通過光刻和干法Si反應(yīng)離子蝕刻工藝步驟，制作凹腔31，其深度在2～50μm，用于在掩模圓片30貼合MEMS結(jié)構(gòu)圓片3時(shí)保護(hù)MEMS結(jié)構(gòu)21b；然后再對Si圓片進(jìn)行光刻和深Si反應(yīng)離子蝕刻，將Si圓片蝕刻穿，形成窗口32，形成掩模圓片30，將其對準(zhǔn)貼合在步驟(3)制作的MEMS結(jié)構(gòu)圓片3上，MEMS結(jié)構(gòu)圓片3的底板溝槽11位于掩模圓片30的窗口32內(nèi)，如圖4所示，通過濺射或蒸發(fā)工藝步驟，金屬粒子33透過窗口32淀積在MEMS結(jié)構(gòu)圓片3的對應(yīng)位置，形成金屬層34，移掉掩模圓片30，完成金屬層34的淀積；金屬層34的材料通常為Al、Au、Pt、Ni或Cu等，厚度一般為0.3～2μm，覆蓋在MEMS引線區(qū)21d、MEMS引線區(qū)端面21d′、以及底板溝槽11的底面11a和側(cè)面11b的絕緣層16上，金屬層34與MEMS引線區(qū)21d和MEMS引線區(qū)端面21d′形成電連接，但與底板圓片1無電連接，完成具有金屬層34的MEMS結(jié)構(gòu)圓片3′的制作，如圖5所示。

(5)蓋板圓片4制作：以雙面拋光的單晶Si圓片40作為蓋板材料，對雙面拋光的單晶Si圓片40光刻和蝕刻加工，形成上凹腔43、引線側(cè)上凹腔41、密封側(cè)上凹腔44、和密封環(huán)42，上凹腔43的深度在10～100μm，然后在密封環(huán)42上通過絲網(wǎng)印刷工藝印刷低溫玻璃漿料，預(yù)燒結(jié)，形成玻璃漿料層45，完成蓋板圓片4的制作，如圖6所示。根據(jù)需要，可以在上凹腔43內(nèi)制作阻止MEMS結(jié)構(gòu)21c在垂直方向大幅運(yùn)動的檔桿(Stopper)；根據(jù)MEMS芯片的產(chǎn)品類型，還可以在上凹腔43內(nèi)制作吸氣劑，用于保持圓片加工完成后的芯片密封腔的真空度。引線側(cè)上凹腔41和密封側(cè)上凹腔44的作用在于在后續(xù)圓片半切割工藝步驟中保證切割刀切割掉蓋板部分，而不會切割到MEMS結(jié)構(gòu)層21和底板10。

(6)具有垂直的圓片級封裝的MEMS圓片形成：將步驟(5)制作的蓋板圓片4對準(zhǔn)步驟(4)制作的具有金屬層34的MEMS結(jié)構(gòu)圓片3′，放入鍵合機(jī)的鍵合腔中，先抽真空，除去鍵合腔內(nèi)的空氣和吸附在鍵合腔壁的水汽等，然后根據(jù)MEMS芯片產(chǎn)品類型的需要，或在真空中，或在設(shè)定氣壓的保護(hù)性氣體，如氮?dú)?、惰性氣體等中，對兩個圓片施加機(jī)械壓力，加熱到400～500℃，實(shí)施低溫玻璃鍵合，形成具有垂直壓焊塊的圓片級封裝的MEMS圓片5，如圖7所示。上凹腔43、下凹腔13、壓合后的玻璃漿料層45、MEMS密封區(qū)21a和MEMS引線密封區(qū)21c、底板密封區(qū)15、絕緣層16圍成一個密封腔51，MEMS結(jié)構(gòu)21b可以在密封腔51內(nèi)自由活動；金屬層34位于由引線側(cè)上凹腔41、玻璃漿料層45、MEMS引線密封區(qū)21c、底板溝槽11、絕緣層16圍成的引線密封腔51a內(nèi)，底板溝槽側(cè)面11b與MEMS結(jié)構(gòu)層表面垂直。

(7)具有垂直壓焊塊的圓片級封裝MEMS芯片形成：用砂輪切割機(jī)切割步驟(6)形成的具有垂直壓焊塊的圓片級封裝的MEMS圓片5的蓋板圓片4，控制切割刀的高度，不切割到MEMS結(jié)構(gòu)層21和底板圓片1，如圖8所示，引線側(cè)上凹腔41和密封側(cè)上凹腔44部分的蓋板圓片4被切割掉，形成MEMS芯片的蓋板52，這時(shí)引線側(cè)密封腔41被打開，露出金屬層34，形成半切割的MEMS圓片6，這樣，就可以對半切割MEMS圓片6進(jìn)行圓片級測試，然后將半切割MEMS圓片6上不合格的芯片打點(diǎn)或?qū)⑿酒诎肭懈頜EMS圓片6上的位置存入電腦。

然后，再用機(jī)械切割或激光切割方法，切割經(jīng)過圓片級測試的半切割MEMS圓片6的MEMS結(jié)構(gòu)層21和底板圓片1，完成具有垂直壓焊塊的圓片級封裝MEMS芯片7的制作，如圖9所示，底板圓片1切割后作為MEMS芯片7的底板53，底板53切割面與MEMS結(jié)構(gòu)層21表面垂直；金屬層34沿底板溝槽底部11a被切開，其中位于底板溝槽側(cè)面11b上的金屬層34作為獨(dú)立的垂直壓焊塊34b，位于MEMS引線區(qū)21d上的金屬層34既作為與MEMS結(jié)構(gòu)層21的電接觸區(qū)，也可以在后續(xù)封裝中用作水平壓焊塊34a。

圖11說明了多軸MEMS器件中MEMS芯片的安裝方法，封裝管殼由底板71、側(cè)壁72、臺階73組成，臺階73上制作有金屬焊盤74，這里未畫出管殼的外引腳；具有垂直壓焊塊的圓片級封裝MEMS芯片7a的底板53a背面通過粘片膠75固定在管殼底板71上，MEMS結(jié)構(gòu)層21表面與管殼底板71平行，在具有垂直壓焊塊的圓片級封裝MEMS芯片7a的水平壓焊塊34a與管殼焊盤74焊接上至少一根金屬線76，將MEMS芯片7a的信號引出到管殼；相似地，圓片級封裝的MEMS芯片7b的底板切割面通過粘片膠75固定在管殼底板71上，MEMS結(jié)構(gòu)層21表面與管殼底板71垂直，在MEMS芯片7b的垂直壓焊塊34b與管殼焊盤75也焊接至少一根金屬線76，將MEMS芯片7b的信號引出到管殼；這樣，封裝后的多軸MEMS器件就可以感測水平和垂直方向的信號。

另外，將兩個MEMS芯片7a在管殼底板71平行的平面內(nèi)相互垂直安裝，一個MEMS芯片7b垂直于管殼底板71的平面安裝，就可以實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三軸感應(yīng)的MEMS器件。

實(shí)施例二

本實(shí)施例制作的具有垂直壓焊塊的圓片級封裝MEMS芯片7與實(shí)施例一制作的具有垂直壓焊塊的圓片級封裝MEMS芯片7的不同之處僅在于底板溝槽11頂部還有倒角11c，金屬層34還淀積在倒角11c的斜面上，如圖12所示。