基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法及结构的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法及结构，该方法包括步骤：a）提供一垫片、一衬底片及一盖片，于所述垫片中形成芯片封装腔；b）键合所述垫片及所述衬底片；c）将待封装芯片通过键合结构键合于所述衬底片；d）提供吸气剂，并将所述吸气剂固定于朝向所述芯片封装腔的盖片表面；e）键合所述盖片及所述垫片并激活吸气剂。本发明基于MEMS技术制作封装腔体，将非致冷红外探测器芯片置于芯片封装腔内完成真空封装，有利于保护非致冷红外探测器芯片上脆弱的微结构，且具有了圆片级封装的效率；采用吸气剂薄膜维持腔体的真空度，可降低真空封装的体积；只对已通过测试的非致冷红外探测器芯片进行真空封装，降低了封装成本。
【专利说明】基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法及结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种混合晶圆级真空封装方法及结构，特别是涉及一种基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法及结构。
【背景技术】
[0002]红外探测技术是现代核心军事技术之一，具有探测距离远、抗干扰能力强、可全天候工作的优点。随着红外成像技术的发展与成熟，其在民用领域的应用也越来越广泛。
[0003]按照工作原理红外探测器可分为量子型和非致冷两大类。量子型红外探测器灵敏度高，一般需要致冷，价格较高。非致冷红外探测器灵敏度稍低，无需致冷，性价比较高。这种非致冷红外探测器按照信号读取方式，又可分为电读出和光读出两大类。以氧化钒、非晶硅为代表的电读出方式的红外探测器居于主流地位，已成功实现了商业化。光学读出方式的红外探测器无需复杂的读出电路，探测灵敏度高，制作难度相对较低，具有高性价比的潜质，目前已有产品进入市场。
[0004]为了实现高性能，非致冷红外探测器需要真空封装。传统的真空封装方法是采用金属管壳进行封装，一般包括金属管座和红外滤波片，这种真空封装方式效率稍低；晶圆级真空封装是在完成对整个圆片的真空封装后再切片，提高了封装效率，但由于待封装芯片成品率的原因，封装了一些性能差的芯片，浪费了部分价格昂贵的红外滤波片。
[0005]针对上述问题，本发明提出了一种基于吸气剂薄膜的非致冷红外探测器的混合晶圆级真空封装方法，就是将已通过检测的待封装芯片置于制作好的封装腔体片中完成真空封装，一方面提高了封装效率，另一方面保证了红外滤光片的利用率，降低了封装成本。
[0006]本发明所提出的真空封装方法及结构除了适合热型红外探测器芯片外，同样也适合微机械陀螺芯片、加速度计芯片、谐振器芯片、场发射器件芯片、压力传感器芯片和光微机械器件芯片等需要真空封装的微机械传感器和执行器。
【发明内容】
[0007]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法及结构，以提高器件的封装效率，降低封装难度和成本。
[0008]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法，包括以下步骤:
[0009]a)提供一垫片、一衬底片及一盖片，于所述垫片中形成芯片封装腔；
[0010]b)键合所述垫片及所述衬底片形成封装腔体；
[0011]c)提供一已通过测试的待封装芯片，将所述已通过测试的待封装芯片通过键合结构键合于所述衬底片，或将所述已通过测试的待封装芯片通过键合结构键合于所述盖片；
[0012]d)提供吸气剂，并将所述吸气剂固定于朝向所述封装腔的盖片表面；
[0013]e)提供一真空设备，将所述封装腔体和盖片对准后，进行抽真空、激活吸气剂及加热加压，通过键合结构键合所述盖片及所述垫片。[0014]作为本发明的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法的一种优选方案，步骤a)中还包括于所述垫片中形成真空缓冲腔的步骤，且所述真空缓冲腔位于所述芯片封装腔的外围区域。
[0015]进一步地，步骤d)还包括于所述真空缓冲腔中固定吸气剂的步骤。所述真空缓冲腔该腔体内可以放置、固定适量的带状吸气剂，也可以不放任何吸气剂。真空缓冲腔一方面能延缓芯片封装腔内真空度的下降，延长器件的使用寿命，另一方面还能提高封装的成品率。
[0016]作为本发明的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法的一种优选方案，步骤
a)还包括于所述衬底片中形成用于待封装芯片引线的通孔结构，或于所述盖片中形成用于待封装芯片引线的通孔结构，并于所述衬底片的通孔结构中形成金属柱，或于所述盖片的通孔结构中形成金属柱的步骤。
[0017]作为本发明的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法的一种优选方案，所述待封装芯片的种类包括非致冷红外探测器芯片、微机械陀螺芯片、加速度计芯片、谐振器芯片、场发射器件芯片、压力传感器芯片和光微机械器件芯片。
[0018]作为本发明的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法的一种优选方案，所述待封装芯片为非致冷红外探测器，所述盖片为包括双抛硅片、锗片及硫化锌片的红外滤波片，且所述红外滤波片表面形成有红外增透膜。
[0019]作为本发明的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法的一种优选方案，步骤
b)的键合方式的种类包括阳极键合、硅-硅键合、以及复合金属层-焊料-复合金属层键
口 ο
[0020]作为本发明的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法的一种优选方案，步骤
c)及步骤e)所述的键合结构为复合金属层-焊料-复合金属层组成的叠层。
[0021]进一步地，所述复合金属层的种类包括Cr/Au、Cr/Cu、Cr/Ni/Au、Ti/Ni/Au、Ti/W/Ni/Au ;所述焊料的种类包括 AuSn、AgSn> InSn、PbSn、CuSn。
[0022]用于密封焊接的复合金属层的形状应是闭合的环状结构，其大小、形状应由所需密封的结构来决定；用于固定芯片复合金属层的形状应是条状或片状或带开口的环状结构或其它非闭合结构，其大小、形状应由所需固定的芯片来决定；用于电连接的复合金属层应是离散的长方块、圆形块或其它非连续的形状，其大小和形状应与金属柱顶端面积相匹配。
[0023]低温焊料的材料的选择一方面与复合金属层材料的选择相关，另一方面与工艺顺序相关，一般而言，在后续工艺中使用的焊料熔焊温度不高于前面工艺中所使用的焊料的熔焊温度；低温焊料可根据需要选择预成型的焊料，或选择直接在复合金属层上采用电镀、溅射或蒸发的方法制备焊料；低温焊料的形状应根据用途来选择:当被用于密封时应选择闭合的环状结构焊料，其大小、形状应与所需密封的结构上的复合金属层相匹配；当被用于固定芯片而非密封时，应选择带开口的环状结构、条状结构焊料、焊球或焊片，其大小、形状应与所需固定芯片上及固定处复合金属层相匹配；当被用于电连接时，应选择焊球或焊片，焊球或焊片的大小和形状应与金属柱顶端面积相匹配。
[0024]作为本发明的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法的一种优选方案，所述垫片的种类包括双抛玻璃片、双抛硅片及陶瓷片，所述衬底片的种类包括双抛玻璃片、双抛硅片及陶瓷片。[0025]作为本发明的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法的一种优选方案，所述盖片为与所述衬底片的尺寸相匹配的整片，或为固定于与所述衬底片的尺寸相匹配的夹具中的分离片。
[0026]作为本发明的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法的一种优选方案，所述吸气剂的成分包括错合金及钛合金的一种或组合。
[0027]本发明还提供一种基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装结构，包括:
[0028]衬底片；
[0029]垫片，结合于所述衬底片表面，其形成的封装腔体含有芯片封装腔；
[0030]盖片，通过键合结构结合于所述垫片表面；
[0031]吸气剂，固定于朝向所述封装腔的盖片表面；
[0032]待封装芯片，通过键合结构结合于所述衬底片或所述盖片。
[0033]作为本发明的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装结构的一种优选方案，所述垫片中还形成有真空缓冲腔，且所述真空缓冲腔位于所述芯片封装腔的外围区域。
[0034]作为本发明的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装结构的一种优选方案，所述真空缓冲腔中固定有吸气剂。所述真空缓冲腔该腔体内可以放置、固定适量的带状吸气剂，也可以不放任何吸气剂。真空缓冲腔一方面能延缓芯片封装腔内真空度的下降，延长器件的使用寿命，另一方面还能提闻封装的成品率。
[0035]作为本发明的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装结构的一种优选方案，所述衬底片中形成有用于待封装芯片引线的金属柱，或所述盖片中形成用于待封装芯片引线的金属柱。
[0036]作为本发明的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装结构的一种优选方案，所述待封装芯片的种类包括非致冷红外探测器芯片、微机械陀螺芯片、加速度计芯片、谐振器芯片、场发射器件芯片、压力传感器芯片和光微机械器件芯片。
[0037]作为本发明的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装结构的一种优选方案，所述待封装芯片为非致冷红外探测器，所述盖片为包括双抛硅片、锗片及硫化锌片的红外滤波片，且所述红外滤波片表面形成有红外增透膜。
[0038]作为本发明的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装结构的一种优选方案，所述键合结构为复合金属层-焊料-复合金属层组成的叠层。
[0039]进一步地，所述复合金属层的种类包括Cr/Au、Cr/Cu、Cr/Ni/Au、Ti/Ni/Au、Ti/W/Ni/Au ;所述焊料的种类包括 AuSn、AgSn> InSn、PbSn、CuSn。
[0040]用于密封焊接的复合金属层的形状应是闭合的环状结构，其大小、形状应由所需密封的结构来决定；用于固定芯片复合金属层的形状应是条状或片状或带开口的环状结构或其它非闭合结构，其大小、形状应由所需固定的芯片来决定；用于电连接的复合金属层应是离散的长方块、圆形块或其它非连续的形状，其大小和形状应与金属柱顶端面积相匹配。
[0041]低温焊料的材料的选择一方面与复合金属层材料的选择相关，另一方面与工艺顺序相关，一般而言，在后续工艺中使用的焊料熔焊温度不高于前面工艺中所使用的焊料的熔焊温度；低温焊料可根据需要选择预成型的焊料，或选择直接在复合金属层上采用电镀、溅射或蒸发的方法制备焊料；低温焊料的形状应根据用途来选择:当被用于密封时应选择闭合的环状结构焊料，其大小、形状应与所需密封的结构上的复合金属层相匹配；当被用于固定芯片而非密封时，应选择带开口的环状结构、条状结构焊料、焊球或焊片，其大小、形状应与所需固定芯片上及固定处复合金属层相匹配；当被用于电连接时，应选择焊球或焊片，焊球或焊片的大小和形状应与金属柱顶端面积相匹配。
[0042]作为本发明的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装结构的一种优选方案，所述垫片的种类包括双抛玻璃片、双抛硅片及陶瓷片，所述衬底片的种类包括双抛玻璃片、双抛硅片及陶瓷片。
[0043]作为本发明的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装结构的一种优选方案，所述盖片为与所述衬底片的尺寸相匹配的整片，或为固定于与所述衬底片的尺寸相匹配的夹具中的分离片。
[0044]作为本发明的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装结构的一种优选方案，所述吸气剂的成分包括错合金及钛合金的一种或组合。
[0045]如上所述，本发明提供一种基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法及结构，包括步骤:a)提供一垫片、一衬底片及一盖片，于所述垫片中形成芯片封装腔；b)键合所述垫片及所述衬底片形成封装腔体；c)提供一已通过测试的待封装芯片，将所述已通过测试的待封装芯片通过键合结构键合于所述衬底片，或将所述已通过测试的待封装芯片通过键合结构键合于所述盖片；d)提供吸气剂，并将所述吸气剂固定于朝向所述封装腔的盖片表面；e)提供一真空设备，将所述封装腔体和盖片对准后，进行抽真空、激活吸气剂及加热加压，通过键合结构键合所述盖片及所述垫片。本发明基于MEMS技术制作封装腔体，将非致冷红外探测器芯片置于芯片腔内完成真空封装，有利于保护非致冷红外探测器芯片上脆弱的微结构，且具有了圆片级封装的效率；采用吸气剂薄膜想维持腔体的真空度，可降低真空封装的体积；只对已通过测试的非致冷红外探测器芯片进行真空封装，降低了封装成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0046]图1显示为本发明中具有芯片封装腔和真空缓冲腔的垫片的俯视示意图。
[0047]图2显示为本发明中具有芯片封装腔的垫片的俯视示意图。
[0048]图3a?图3e显示为本发明的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法及结构实施例1所呈现的结构示意图。
[0049]图4?图34显示为本发明的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法及结构实施例2?实施例32所呈现的结构示意图。
[0050]元件标号说明
【权利要求】
1.一种基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法，其特征在于，包括以下步骤: a)提供一垫片、一衬底片及一盖片，于所述垫片中形成芯片封装腔； b)键合所述垫片及所述衬底片形成封装腔体； c)提供一已通过测试的待封装芯片，将所述已通过测试的待封装芯片通过键合结构键合于所述衬底片，或将所述已通过测试的待封装芯片通过键合结构键合于所述盖片； d)提供吸气剂，并将所述吸气剂固定于朝向所述芯片封装腔的盖片表面； e)提供一真空设备，将所述封装腔体和盖片对准后，进行抽真空、激活吸气剂及加热加压，通过键合结构键合所述盖片及所述垫片。
2.根据权利要求1所述的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法，其特征在于:步骤a)中还包括于所述垫片中形成真空缓冲腔的步骤，且所述真空缓冲腔位于所述芯片封装腔的外围区域。
3.根据权利要求2所述的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法，其特征在于:步骤d)还包括于所述真空缓冲腔中固定吸气剂的步骤。
4.根据权利要求1所述的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法，其特征在于:步骤a)还包括于所述衬底片中形成用于待封装芯片引线的通孔结构，或于所述盖片中形成用于待封装芯片引线的通孔结构，并于所述衬底片的通孔结构中形成金属柱，或于所述盖片的通孔结构中形成金属柱的步骤。
5.根据权利要求1所述的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法，其特征在于:所述待封装芯片的种类包括非致冷红外探测器芯片、微机械陀螺芯片、加速度计芯片、谐振器芯片、场发射器件芯片、压力传感器芯片和光微机械器件芯片。
6.根据权利要求1所述的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法，其特征在于:所述待封装芯片为非致冷红外探测器，所述盖片为包括双抛硅片、锗片及硫化锌片的红外滤波片，且所述红外滤波片表面形成有红外增透膜。
7.根据权利要求1所述的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法，其特征在于:步骤b)的键合方式的种类包括阳极键合、硅-硅键合、以及复合金属层-焊料-复合金属层键合。
8.根据权利要求1所述的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法，其特征在于:步骤c)及步骤e)所述的键合结构为复合金属层-焊料-复合金属层组成的叠层。
9.根据权利要求8所述的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法，其特征在于:所述复合金属层的种类包括Cr/Au、Cr/Cu、Cr/Ni/Au、Ti/Ni/Au、Ti/ff/Ni/Au ;所述焊料的种类包括 AuSn、AgSn> InSn、PbSn、CuSn。
10.根据权利要求1所述的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法，其特征在于:所述垫片的种类包括双抛玻璃片、双抛硅片及陶瓷片，所述衬底片的种类包括双抛玻璃片、双抛硅片及陶瓷片。
11.根据权利要求1所述的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法，其特征在于:所述盖片为与所述衬底片的尺寸相匹配的整片，或为固定于与所述衬底片的尺寸相匹配的夹具中的分离片。
12.根据权利要求1所述的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装方法，其特征在于:所述吸气剂的成分包括锆合金及钛合金的一种或组合。
13.一种基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装结构，其特征在于，包括: 衬底片； 垫片，结合于所述衬底片表面，其形成的封装腔体含有芯片封装腔； 盖片，通过键合结构结合于所述垫片表面； 吸气剂，固定于朝向所述封装腔的盖片表面； 待封装芯片，通过键合结构结合于所述衬底片或所述盖片。
14.根据权利要求13所述的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装结构，其特征在于:所述垫片中还形成有真空缓冲腔，且所述真空缓冲腔位于所述芯片封装腔的外围区域。
15.根据权利要求14所述的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装结构，其特征在于:所述真空缓冲腔中固定有吸气剂。
16.根据权利要求13所述的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装结构，其特征在于:所述衬底片中形成有用于待封装芯片引线的金属柱，或所述盖片中形成用于待封装芯片引线的金属柱。
17.根据权利要求13所述的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装结构，其特征在于:所述待封装芯片的种类包括非致冷红外探测器芯片、微机械陀螺芯片、加速度计芯片、谐振器芯片、场发射器件芯片、压力传感器芯片和光微机械器件芯片。
18.根据权利要求13所述的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装结构，其特征在于:所述待封装芯片为非致冷红外探测器，所述盖片为包括双抛硅片、锗片及硫化锌片的红外滤波片，且所述红外滤波片表面形成有红外增透膜。
19.根据权利要求13所述的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装结构，其特征在于:所述键合结构为复合金属层-焊料-复合金属层组成的叠层。
20.根据权利要求19所述的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装结构，其特征在于:所述复合金属层的种类包括Cr/Au、Cr/Cu、Cr/Ni/Au、Ti/Ni/Au、Ti/W/Ni/Au ;所述焊料的种类包括 AuSn、AgSn> InSn、PbSn、CuSn。
21.根据权利要求13所述的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装结构，其特征在于:所述垫片的种类包括双抛玻璃片、双抛硅片及陶瓷片，所述衬底片的种类包括双抛玻璃片、双抛硅片及陶瓷片。
22.根据权利要求13所述的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装结构，其特征在于:所述盖片为与所述衬底片的尺寸相匹配的整片，或为固定于与所述衬底片的尺寸相匹配的夹具中的分离片。
23.根据权利要求13所述的基于吸气剂薄膜的混合晶圆级真空封装结构，其特征在于:所 述吸气剂的成分包括锆合金及钛合金的一种或组合。
【文档编号】B81B7/02GK104003352SQ201410264566
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】冯飞, 张云胜, 王跃林 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所