专利名称：基于mems的高精度三维微组装方法及组装件的制作方法
技术领域：
本发明属于微电子机械系统(MEMS)加工技术领域，具体涉及一种基于MEMS的高精度三维微组装方法。
背景技术：
目前许多MEMS-IC集成器件产品相继问世，如集成加速度计传感器和显示芯片、集成陀螺传感器等，MEMS与IC的单片集成工艺技术得到迅猛发展，但由于两者工艺和材料的不兼容性使设计的周期较长、成本较高。目前最流行的POST-CMOS工艺方法虽然在商业上取得了一定的成功，但使用这种方法制作的MEMS器件种类有限，而且由于材料、温度等限制，器件性能得不到完全优化。此外，MEMS器件跨学科跨能量域的自身特点决定了其加工工艺的多样性，每一类MEMS器件的加工工艺都对材料、加工尺度和工艺参数提出了限制，无法实现多种MEMS器件的混合集成。
发明内容
本发明提供一种基于MEMS的高精度三维微组装方法，通过多级对准，实现三维方向的高精度装配。
本发明的技术内容一种基于MEMS的高精度三维微组装方法，包括在衬底上设置一与待装配芯片相匹配的微夹具，并在待装配芯片和衬底上分别设置相互配合的对准件和对准配件；在微夹具内注入液体，倒扣待装配芯片，利用对准件和对准配件将待装配芯片定位在衬底上。
进一步，在衬底和待装配芯片相应位置上电镀焊料凸点，当温度加热升高至焊料熔点时，两焊料凸点熔融连接。
微夹具表面进行亲水性处理。微夹具材料可采用SU8胶。
焊料凸点材料可采用锡、铟或者铅锡合金等金属。
一种基于MEMS的高精度三维微组装件，包括待装配芯片和衬底，衬底上设置一与待装配芯片相匹配的微夹具，并在待装配芯片和衬底上分别设置相互配合的对准件和对准配件。
待装配芯片和衬底上的对准件和对准配件分别可为多个对准柱和与对准柱相匹配的对准槽。
微夹具的高度至少大于两芯片上焊料凸点的总高度，其深宽比不小于5∶1。
微夹具可为非封闭型，每边分别为两个立方柱体。对准柱和与对准柱相匹配的对准槽的形状为圆形、方形或三角形。
本发明的技术效果使用MEMS工艺加工微夹具，利用表面张力等对准机理，通过多级对准，实现三维方向的高精度装配。工艺完全模块化，可将任意尺寸，使用任意工艺加工的MEMS及MEMS芯片以及MEMS与IC芯片或其他任意芯片集成在同一衬底上，实现真正的SOC。
下面结合附图，对本发明做出详细描述。
图1为衬底结构示意图；图2为待装配芯片的结构示意图；图3为基于MEMS的高精度三维微组装示意图。
图3a为衬底与待装配芯片的对准；图3b为使用衬底上的微夹具进行初步定位；图3c为通过焊料熔融回流实现完全对准；图3d为基于MEMS的高精度三维微组装件的平面示意图。
1-硅衬底；2-二氧化硅；3-黏附层；4-微夹具；5-种子层；6-焊料凸点；7-玻璃片；8-对准柱；9-对准槽。
具体实施例方式
一、衬底的制备(1)在衬底上生长绝缘层如二氧化硅；(2)溅射金属黏附层和种子层，并定义金属互连；(3)定义槽的位置，并电镀焊料凸点；(4)去除种子层和金属黏附层(5)使用光敏聚合物材料制作微夹具，如旋涂SU8；(6)体硅深槽刻蚀形成对准槽，见图1。
二、待装配芯片的制备(1)在衬底上生长绝缘层如二氧化硅；(2)溅射金属黏附层和种子层，并定义金属互连；(3)电镀焊料凸点；(5)电镀对准柱，如金属Au；(6)去除种子层和金属黏附层，见图2。
三、使用衬底上的微夹具进行初步定位(见图3)在微夹具圈定的范围内加入液体，例如去离子水或乙醇。倒扣的待装配芯片在液体表面张力作用下可以有自对准的效果。微夹具的形状可以多种多样，但其内侧尺寸与待装配芯片相应接触部分的尺寸要有一定公差，此公差主要是由划片精度和操作难度两方面决定，推荐在50μm以内。例如为了方便工艺实现和后续操作，可将微夹具设计为四边形，每边各为两个立方柱体。微夹具的材料选取和结构设计可以满足以下条件1)微夹具表面亲水性，防止液体外流；2)高度至少大于两芯片上焊料凸点的总高度，推荐大于第二步对准柱的高度；3)具有一定的深宽比，推荐深宽比不小于5∶1。例如采用SU8厚胶，利用氧等离子体(O2Plasma)处理SU-8光刻胶的表面，改变其接触角从而改变胶表面有疏水性转变为亲水性，其制作可达50微米以上的高度和很高的深宽比。4)不封闭，便于后续操作需要排出缓冲液体。
四、芯片和衬底上的对准结构的装配为进一步提高对准精度，在衬底与倒装芯片上对应位置制作一些配合结构，如对准柱和对准槽，对准柱的形状和尺寸设计须与对准槽相对应。这里需要通过合理的结构设计，计算出对准容差，并选择工艺性好、有利于装配的结构。经过调整，倒装芯片上的对准柱将落入对应对准槽中，可望得到±5μm的精度，从而减小下一步对准的焊点尺寸，减小互连产生的寄生电容。同时对准柱和对准槽还能有效控制Z方向的装配精度。
为了便于对准，对准槽数目可设计为一个或一个以上，形状无严格限制，主要考虑对准精度和操作难度。这一步对准的公差由设计要求确定，不低于粗对准精度，推荐不高于第三步焊料凸点直径(最大边长)的1/2。比如设计为两个对称的大三角形；或者设计为一大一小的圆形，在对准柱与对准槽进行对准时，大圆形先对准，然后进行小角度旋转，即可使小圆形对准，这样保证对准精度的同时又可降低对准难度。
五、通过焊料熔融回流实现完全对准。
在工艺制作过程中，衬底和待装配芯片上相应位置电镀焊料凸点。经过第二步对准，待装配芯片与衬底上对应的金属焊点之间仍有一定错位，焊点周围为不浸润表面。当温度升高至焊料的熔点，在两焊点之间先形成熔融焊料连接，在表面张力产生的回复力作用下，未完全对准的焊料连接之间形成自对准连接，由于焊料熔融时回复力的大小与焊点尺寸成反比，焊点应尽量小。如果需要与电路兼容须选用熔点在400摄氏度以内的金属，例如锡、铟或者铅锡合金。
焊料熔融回流，根据能量最低化原理，未完全对准的焊料连接之间会形成自对准连接，同时表面张力也会对待装配芯片产生一个下拉力，有利于Z方向精度的控制。利用其表面张力实现自对准，焊料冷却后即实现了高精度的机械和电学连接。
尽管为说明目的公开了本发明的较佳实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是熟悉本领域技术的人员，在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，可作各种替换、变化和润饰。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容，本发明的保护范围以所附的权利要求书所界定的范围为准。
权利要求
1.一种基于MEMS的高精度三维微组装方法，包括在衬底上设置一与待装配芯片相匹配的微夹具，并在待装配芯片和衬底上分别设置相互配合的对准件和对准配件；在微夹具内注入液体，倒扣待装配芯片，利用对准件和对准配件将待装配芯片定位在衬底上。
2.如权利要求1所述的基于MEMS的高精度三维微组装方法，其特征在于在衬底和待装配芯片相应位置上电镀焊料凸点，当温度加热升高至焊料熔点时，两焊料凸点熔融连接。
3.如权利要求1或2所述的基于MEMS的高精度三维微组装方法，其特征在于微夹具表面进行亲水性处理。
4.如权利要求3所述的基于MEMS的高精度三维微组装方法，其特征在于微夹具材料采用SU8胶。
5.如权利要求2所述的基于MEMS的高精度三维微组装方法，其特征在于焊料凸点材料采用锡、铟或者铅锡合金等金属。
6.一种基于MEMS的高精度三维微组装件，包括待装配芯片和衬底，衬底上设置一与待装配芯片相匹配的微夹具，并在待装配芯片和衬底上分别设置相互配合的对准件和对准配件。
7.如权利要求6所述的基于MEMS的高精度三维微组装件，其特征在于待装配芯片和衬底上的对准件和对准配件分别为多个对准柱和与对准柱相匹配的对准槽。
8.如权利要求6或7所述的基于MEMS的高精度三维微组装方法，其特征在于微夹具的高度至少大于两芯片上焊料凸点的总高度，其深宽比不小于5∶1。
9.如权利要求6所述的基于MEMS的高精度三维微组装件，其特征在于微夹具为非封闭型，每边分别为两个立方柱体。
10.如权利要求7所述的基于MEMS的高精度三维微组装件，其特征在于对准柱和与对准柱相匹配的对准槽的形状为圆形、方形或三角形。
全文摘要
本发明提供一种基于MEMS的高精度三维微组装方法及其组装件，该方法包括在衬底上设置一与待装配芯片相匹配的微夹具，并分别在衬底和待装配芯片相应位置上设置对准件和对准配件以及焊料凸点；在微夹具内注入液体，将待装配芯片倒扣在微夹具中，利用对准件和对准配件以及焊料熔融回流将待装配芯片定位在衬底上。本发明使用MEMS工艺加工微夹具，利用表面张力，通过多级对准，可实现三维方向的高精度装配。
文档编号G01P15/00GK1803577SQ20051013066
公开日2006年7月19日 申请日期2005年12月20日 优先权日2005年12月20日
发明者陈兢, 杨梅, 舒琼 申请人:北京大学