专利名称：一种用毛细管法气密封装微机电系统器件的方法
技术领域：
本发明涉及一种用毛细管法气密封装微机电系统器件的方法，更确切地说，涉及一种用毛细管法气密封装MEMS器件的方法，属于MEMS器件封装领域。
背景技术：
MEMS(microelectromechanical system)是指采用微细加工技术制作的、集微型传感器、微型构件、微型执行器、信号处理、控制电路等于一体的系统。MEMS器件在许多领域都有十分广阔的应用前景。然而，在MEMS器件中，含有可动部件，这些可动部件很脆弱，极易受到划片和装配过程中的灰尘、气流、湿度、机械等因素的影响，从而造成器件的毁坏或器件的整体性能下降，因此，必须采取气密封装措施，保护这些关键部位。
为了实现MEMS器件的气密封装，人们提出了多种MEMS器件气密封装方法，其基本思想是将一个带腔体的盖板键合到另一个含MEMS器件晶片上，从而保护MEMS器件的可动部件。现今，MEMS器件气密封装的键合方法主要有硅玻璃阳极键合、硅硅熔融键合、玻璃直接键合、低温玻璃键合、有机粘接剂键合和焊料键合等。硅玻璃阳极键合、硅硅熔融键合和玻璃直接键合工艺常需要在较高的温度下才能够实现，如阳极键合温度为450℃，硅硅熔融键温度高达1000℃，这样高的温度对要求低应力气密封装的MEMS器件是不适宜的，硅玻璃阳极键合、硅硅熔融键合要求键合的表面平整而光滑，表面上任何微小的机械划痕将会产生漏气，并影响气密特性。低温玻璃键合、有机粘接剂键合实现在较低的温度下气密封装MEMS器件，一般用印刷的方法将玻璃浆料或有机粘接剂印在带有空腔的盖板或含可动部件MEMS器件的周边上，往往玻璃浆料或有机粘接剂的厚度难以控制，在键合的过程中，多余的玻璃浆料或有机粘接剂熔化，流到MEMS器件可动部件的凹槽处，冷却后，玻璃浆料或有机粘接剂就会牢牢固定MEMS器件可动部件，造成MEMS器件功能失效。有机粘接剂在键合的过程中要释放一些溶剂和小分子气体，很难获得很好的气密特性。
焊料键合是气密封装MEMS器件的很重要方法，现有传统方法是采用回流方法将盖板上的腔体周边焊料封环键合到含MEMS器件周边封环上，形成气密封装MEMS器件。焊料一般为铟、锡、铟锡、铅锡等。图1和图2分别是用传统方法气密封装MEMS器件的截面图和工艺流程图。在图1和图2中，封环上的焊料是在UBM(underbump metallization)上图形电镀形成的，或是采用印刷焊料的方法形成的。这些附加的制作过程会使气密封装MEMS器件的成品率下降。在预键合的过程中，除了要求精确的温度和对位控制外，焊料表层氧化膜的去除以及焊料表层的防氧处理给预键合带来了很大的难度，需要添加设备来解决这些问题。所有这些将会直接导致气密封装MEMS器件的成本大幅度地增加。在键合的过程中，封环上焊料形成气/液界面，焊料蒸发，进入气密封装的腔体内，并沉积在腔体的内表面上，形成多余物，影响MEMS器件的电性能。用传统方法气密封装MEMS器件，如图1，封环边墙103也存在可靠性问题，虽然，采取了焊料的塌陷控制措施，但是，由于封环上的焊料制作工艺本身存在缺陷，厚薄难以精确控制，因此，很难获得厚度均匀、结构一致的封环边墙，使气密封装MEMS器件的气密特性下降。
发明内容
为了降低气密封装MEMS器件的成本，克服现有MEMS器件气密封装过程中的诸多因素对其性能的不利影响，并提高气密封装封环边墙的气密特性。本发明的目的在于提出了采用毛细管法气密封装MEMS器件的方法，该方法不仅能够以较低成本实现MEMS器件的气密封装，提高气密封装MEMS器件的性能，而且还能提高MEMS器件气密封装的气密特性。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是在MEMS器件和腔体的晶片上制作出焊料的导入导出线和导入导出孔，这些导入导出线将周边封环与导入导出孔连接起来，在对位后，两晶片上相对应封环和导入导出线将构成金属化毛细管，封环、导入导出线和导入导出孔的表层为抗氧化和易为焊料浸润的膜层，在焊接的过程中，焊料熔化，很容易从导入导出孔进入，在易被焊料浸润的导入导出线和封环金属表面上铺展，而熔融的焊料液体与导入导出线和封环两侧氧化物的接触角很大，因而，焊料液体不会在氧化物的表面上铺展，产生毛细管现象，熔化的焊料就从导入导出线进入封环上，当封环全部被焊料浸润后，两封环间的焊料液体就形成粘桥，多余的焊料也可通过导入导出线和导入导出孔流出，自然调节两封环间所需要的焊料量，焊料凝固后，就将两晶片粘接在一起，形成密封腔体。这样可获得厚度均匀、结构一致的封环边墙，提高MEMS器件气密封装的气密特性。为了很好地控制封环边墙的高度，彻底消除焊接过程中腔体内多余物的产生，在腔体和焊环之间制作出挡坝环，这一挡坝环并不是为了阻挡焊料液体的流入，而是为了阻挡焊料蒸气沉积在腔体内，产生多余物影响MEMS器件的性能，挡坝环高度就是封环边墙的高度，因此，可有效地控制腔体的大小，并有效地控制封环夹层间焊料的厚度和均匀性，进一步提高了气密封装MEMS器件的气密特性。
本发明的有益效果简化了MEMS器件的气密封装过多的中间环节，提高了生产效率，降低了生产成本，不仅能够实现在不同的气氛下气密封装MEMS器件，而且提高了MEMS器件气密封装的气密特性。
为了能使本发明的优点和积极效果得到充分体现，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是先前MEMS器件气密封装截面图。
图2是先前MEMS器件气密封装工艺流程图。
图3是阵列式MEMS器件封环的平面图。
图4是阵列式腔体封环的平面图。
图5是另一种阵列式腔体封环的平面图。
图6是实施例1中对位后导入导出孔截面图。
图7是对位后两封环形成金属毛细管的截面图。
图8是实施例1中焊料液体形成封环的截面图。
图9是焊料液体凝固形成封环的截面图。
图10是实施例2、3中对位后导入导出孔截面图。
图11是实施例2中焊膏截面图。
图12是实施例3中焊球截面图。
在图3中，在晶片301中，阵列MEMS器件306是用半导体工艺制作的，每个MEMS器件306周边有一个封环305，封环305的宽度为300μm，封环305通过导入导出线304与导入导出孔303相连接，导入导出孔303的孔径为500μm，封环305、导入导出线304和导入导出孔303的金属化膜层可用薄膜工艺制作，膜层结构为TiW/Cu/Ni/Au或Pd，以TiW为粘附层，厚度约为500，Cu为导电层，厚度约为1μm，Ni(3μm)/Au或Pd是电镀而成的。键合区307分布在封环305周边的一侧，并与MEMS器件306通过介质层下导体形成电连接。定位孔302用于与腔体晶片对位，对位时，可采用平行三针垂直定位法。
在图4中，在晶片401上，腔体406与图3中晶片301中MEMS器件306相对应。每个腔体406周边各有一个挡坝环408和封环405，挡坝环408为化学气相沉积的氮化硅膜，氮化硅膜决定了形成金属毛细管的大小，其厚度最好为20μm，封环405与图3中MEMS器件306周边封环305相对应，其宽度也为300μm。封环405通过导入导出线404与导入导出孔403相连接，封环405的制作方法与图3中封环305的制作方法一样。封环405周边一侧上的孔洞框407与图3中的键合区307相对应，在气密封焊和划片后，孔洞框407便于检测气密封装后MEMS器件306的性能，并方便电连接，与外围配置电路构成集成化的MEMS。定位孔402用于与MEMS器件晶片对位。
图5是另一种阵列式腔体封环的平面图。图5中腔体晶片501与图4中腔体晶片401有所不同，在图5中，封环505通过导入导出线504与焊区503相连接，并在封环505的两侧制作出焊料导出孔508，焊料导出孔508的孔径为500μm。
具体实施例方式
实施例1在图6中，采用平行三针垂直定位法，将带MEMS器件的晶片301与腔体晶片401进行对位，在对位后，上晶片导入导出孔303与导入导出孔404在同一轴心上，这将有利于液体焊料的进出。焊料可以是有铅或无铅焊料。
图7是晶片301与晶片401进行对位后两封环形成金属毛细管的截面图。在图7中，晶片301上的封环305与晶片401上的封环405相对应，其间距为10μm，这样就在挡坝环406周边上产生截面为300×10μm2的金属毛细管。封环405周边一侧上的孔洞框407与键合区307相对应，便于检测气密封装后MEMS器件306的性能。
图8是焊料液体形成封环的示意图。将对位和固定好的上下两晶片，浸入熔融的焊料液体中，气氛可以是空气，也可以是保护气氛，首先，熔融的焊料液体从金属化导入导出孔303、403进入，由于导入导出线304、404和封环305、405构成了金属化毛细管，且导入导出线304、404和封环305、405的金属化膜的表层为易于熔融的焊料液体浸润的Au或Pd膜，因此，熔融的焊料液体将在导入导出线304、404上铺展，当进入封环305、405的拐角处，形成叉路，最后合拢形成粘桥封环801a。当将对位和固定好的上下两晶片，浸入更深的熔融的焊料液体中，由于熔融的焊料液体内部压强的增加，将只会形成更大弧度的粘桥封环801b，这时熔融的焊料液体的表面张力也将增大。由于封环305、405的两侧为氧化物，熔融的焊料液体不会浸润其表面，而流入腔体内。由于熔融的焊料液体产生蒸发现象，因此，挡坝环406对消除熔融的焊料液体蒸发产生的多余物起着很重要的作用，同时挡坝环406的高度对封环边墙的高度起着调节作用，有效地控制封环夹层间焊料的厚度和均匀性，进一步提高了气密封装MEMS器件的气密特性。
图9是焊料液体凝固形成封环的截面图。将浸渍的两晶片从熔融的焊料液体中取出，多余的焊料液体将会从导入导出线304、404和导入导出孔303、404流出，自然调节封环305、405间所需的焊料的量，当熔融的焊料液体凝固后，会形成亚铃状的封环901。
实施例2图10是晶片301和晶片501对位后导入导出孔303和导出孔508的分布情况。在图9中，晶片301上导入导出孔303与晶片501上焊区503相对应。焊料导出孔508位于两个焊区503的中间处。
在图11中，用点胶机在晶片301上的导入导出孔303中点入焊膏，点入焊膏量应根据封环的宽度、两封环间的距离、封环的周长和导入导出线的长度来计算，应是计算量的3倍，并保持焊膏过量，焊膏因重力作用涂覆在晶片501的焊区503上，形成蘑菇状的焊膏结构1101。
将点好焊膏的两晶片移入真空炉中，按焊接曲线进行操作，首先，抽真空，预热赶出焊膏中的有机成分，提高温度至设定值，焊料熔化，沿着导入导出线流向封环，并从四面合笼，形成粘桥封环，过量的焊料会从导出孔508流出，自然调节封环间所需焊膏的量。然后，将炉温降至室温，焊料液体凝固形成图9中亚铃状的封环901。
实施例3在图12中，用置球机在图9的晶片301上的导入导出孔303中置入焊球1201，焊球1201的体积应根据封环的宽度、两封环间的距离、封环的周长和导入导出线的长度来计算，应是计算量的3倍，并保持焊料过量。
将置好焊球的两晶片移入真空炉中，按焊接曲线进行操作，首先，抽真空，预热，提高温度至设定值，焊球熔化，沿着导入导出线流向封环，并从四面合笼，形成粘桥封环，过量的焊料会从导出孔508流出，自然调节封环间所需焊膏的量。然后，将炉温降至室温，焊料液体凝固形成图9中亚铃状的封环901。
权利要求
1.一种毛细管法气密封装MEMS器件的方法，其特征在于(1)在MEMS器件晶片和腔体的晶片上，各制作出熔融焊料的导入导出线和导入导出孔，通过导入导出线，将周边的封环与导入导出孔连接起来；(2)对位后，两晶片上相对应的封环和导入导出线将构成金属化毛细管；在焊接的过程中，焊料熔化，从导入导出孔进入，铺展在导入导出线和封环金属表面上，在封环全部被焊料浸润后，两封环间的焊料液体就形成粘桥，焊料凝固后，两晶片粘接在一起，形成密封腔体。
2.根据权利要求1所述的用毛细管法气密封装MEMS器件的方法，其特征在于MEMS器件的晶片中，每个MEMS器件(306)周边有一个封环(305)，封环的宽度为300μm，与之相连的通过导入导出孔的孔径为500μm。
3.根据权利要求1或2所述的用毛细管法气密封装MEMS器件的方法，其特征在于导入导出线和导入导出孔的金属化膜层结构为TiW/Cu/Ni/Au或Pd，TiW为粘附层，厚度约为500，Cu为导电层，厚度约为1μm，导入导出线和封环表面的Ni/Au或Pd是电镀而成的，厚度为3μm。
4.根据权利要求1所述的用毛细管法气密封装MEMS器件的方法，其特征在于键合区(307)分布在封环(305)周边的一侧，并与MEMS器件(306)通过介质层下导体形成电连接。
5.根据权利要求1所述的用毛细管法气密封装MEMS器件的方法，其特征在于腔体腔体晶片中的腔体(406)与MEMS器件(306)相对应；每个腔体(406)周边各有一个挡坝环(408)和封环(405)；封环(405)与MEMS器件周边封环(305)相对应；封环(405)周边一侧上的孔洞框(407)与键合区(307)相对应。
6.根据权利要求1所述的用毛细管法气密封装MEMS器件的方法，其特征在于焊接过程中多余焊料通过导入导出孔流出，自动调节两封环间所需的焊料量。
全文摘要
本发明涉及一种毛细管法气密封装MEMS器件的方法，其特征在于(1)在MEMS器件晶片和腔体的晶片上，各制作出熔融焊料的导入导出线和导入导出孔，通过导入导出线，将周边的封环与导入导出孔连接起来；(2)对位后，两晶片上相对应的封环和导入导出线将构成金属化毛细管。在焊接的过程中，焊料熔化，从导入导出孔进入，铺展在导入导出线和封环金属表面上，在封环全部被焊料浸润后，两封环间的焊料液体就形成粘桥，焊料凝固后，两晶片粘接在一起，形成密封腔体。本发明简化了MEMS器件的气密封装过多的中间环节，提高生产效率，降低生产成本，不仅能实现在不同气氛下气密封装MEMS器件，而且可提高器件气密特性。
文档编号B81B5/00GK1513751SQ0314207
公开日2004年7月21日 申请日期2003年8月6日 优先权日2003年8月6日
发明者王立春, 罗乐, 肖克, 周萍 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所, 中国科学院上海微系统与信息技术研究