用于封装MEMS器件的封装结构、MEMS芯片及微执行器的制作方法

本发明涉及微机电系统(mems)器件领域，尤其涉及一种用于封装mems器件的封装结构及mems芯片。

背景技术：

微机电(mems)包括多个功能单元，涉及学科和应用领域十分广泛，对其做一个系统的分类是比较困难的。根据组成单元的功能不同，mems大体可以分为微传感器、微执行器、微结构以及包括多个单元的集成系统。根据加工的材料分类，mems加工技术主要包括硅基和非硅基两种加工技术。现在微机电系统已经远远超越了“机”和“电”的概念，将处理热、光、磁、化学、生物等结构和器件通过微纳加工工艺制造在芯片上，并通过与电路的集成甚至相互间的集成来构筑复杂微型系统，根据应用领域不同，将mems应用于通信、光学、生物医学、能源等领域，就分别产生了rfmems，opticalmems，biomems和powermems等。其中流体是mems领域重要的基础科学和应用方向，包括气体传感器、生物芯片、流体传感器等。

封装是芯片从测试到产品的最后一个作业流程，有效的封装能实现芯片与环境的交互和隔离，提高芯片的可靠性。mems器件的封装形式是把基于mems的系统方案推向市场的关键因素，也是mems设计与制造中的一个关键因素。很多mems芯片由于没有解决封装问题，而导致其不能成为产品投入市场进行实际应用。最佳的封装能使mems产品发挥其应有的功能，mems封装应满足以下要求：

(1)封装应至少提供一个器件与外界环境交互作用的通道，并保护器件敏感结构不因外界作用而损坏，使器件性能保持稳定；

(2)考虑到对应力特别敏感的微传感器和mems器件中使用的精度高但十分脆弱的微米或纳米尺度的零部件，mems封装带来的应力应尽可能的小；

(3)封装结构应满足高真空、高气密度、高隔离度等不同要求以保证器件免遭环境不利影响，能长期稳定地工作；

(4)对于工作在气体或液体等特殊环境的mems器件，封装必须提供稳定的工作环境和与外界的通路。

为了实现器件与外界电路的电信号导通，目前常采用横向互连方法，但是横向互连方法需要在键合面上制备金属电极，导致键合接触面存在高度差，使封装的气密性受到直接影响，因此不适于需要真空工作环境的mems器件的封装，同时该方法中连线长度较长，增大了器件与外界电路之间的电阻。

技术实现要素：

鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种气密性较好、电阻较小的用于封装mems器件的封装结构。

为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种用于封装mems器件的封装结构，所述封装结构包括第一衬底、第一布线层、导电柱和第一键合环，所述第一衬底包括彼此相对的第一表面和第二表面以及贯穿所述第一表面和所述第二表面的背通孔，所述第一布线层设置于所述第一表面上，所述导电柱设置于所述背通孔内且所述导电柱与所述第一布线层接触，所述第一键合环设置于所述第一布线层上且所述第一键合环用于键合封装所述mems器件。

优选地，所述封装结构还包括绝缘层，所述绝缘层覆盖所述第一表面和所述背通孔的孔内壁，覆盖所述第一表面的绝缘层位于所述第一布线层和所述第一表面之间，覆盖所述孔内壁的绝缘层位于所述孔内壁和所述导电柱之间。

本发明还公开了一种mems芯片，包括mems器件以及上述任一种封装结构，所述mems器件包括第二衬底、器件导出线和第二键合环，所述器件导出线设置于所述第二衬底上，所述第二键合环设置于所述第二衬底上且所述第二键合环与所述器件导出线连接，所述第二键合环与所述第一键合环键合连接。

优选地，所述mems芯片还包括第二布线层，所述第二布线层设置于所述第二表面上，并且所述第二布线层与所述导电柱接触。

优选地，所述mems芯片还包括焊锡球，所述焊锡球设置于所述第二布线层上。

优选地，所述第一键合环的材料为金，所述第二键合环的材料为铟。

或者，所述第一键合环的材料为铜，所述第二键合环的材料为锡。

本发明还提供了一种微执行器，包括任一中上述的mems芯片和第一电极层、第二电极层，所述第一电极层设于所述第一表面上，所述第二电极层固定于所述第二衬底上，且所述第一电极层和所述第二电极层正对，所述第一电极层和所述第二电极层所带电荷的电性相反。

本发明公开公开的一种用于封装mems器件的封装结构，采用层叠的方式，使得封装结构和mems器件在垂直方向上连接，最大程度减小了两者之间的连线电阻，从而减小了mems器件与外界电路之间的信号延迟，同时封装结构易于加工，成本较低。

附图说明

图1为本发明实施例一的mems芯片的剖面结构示意图。

图2为本发明实施例二的mems芯片的剖面结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图1所示，本发明实施例一提供的用于封装mems器件的封装结构20包括第一衬底21、第一布线层22、导电柱23和第一键合环24。

具体地，第一衬底20为普通裸硅片，但本发明并不限制于此，例如也可以由其他的半导体材料制作。第一衬底21包括第一表面21a、第二表面21b和多个背通孔21c，第一表面21a和第二表面21b相对，背通孔21c贯穿第一表面21a和第二表面21b，第一布线层22设于第一表面21a上，导电柱23穿设于背通孔21内且与第一布线层22接触，第一键合环24设置于第一布线层33上，第一键合环24用于键合封装mems器件。

进一步地，为了防止外界的金属介质与导电柱23和第一布线层22发生电接触，在第一表面21a上和背通孔21c内设置一层绝缘层25，绝缘层25完全覆盖背通孔21c的孔内壁，覆盖第一表面21a的绝缘层25位于第一布线层22和第一表面21a之间，覆盖背通孔21c孔内壁的绝缘层位于孔内壁和导电柱23之间。本实施例的导电柱23的制作材料优选为铜，通过电镀工艺将铜填充于背通孔21c内形成导电柱23。

本实施例还公开了一种mems芯片，包括mems器件10和上述的封装结构20，其中，mems器件10包括第二衬底11、器件导出线12和第二键合环13，器件导出线12设置于第二衬底11上，器件导出线12用于导出器件信号，第二键合环13设置于第二衬底11上且与器件导出线12连接，第二键合环13与述第一键合环24键合连接，这样实现封装结构20对mems器件10的封装，且mems器件10通过导电柱23与外界器件实现导通。

其中，第一键合环24和第二键合环13分别为两种熔点不同的金属，通过键合工艺将两者固定连接。优选地，第一键合环24的材料为金，第二键合环13的材料为铟。在其他实施方式中，第一键合环24的材料为铜，第二键合环13的材料为锡。

本实施例还公开了一种微执行器，包括上述的mems芯片，其中，微执行器还包括第一电极层28和第二电极层14，第一电极层28设于第一表面21a上，第二电极层14固定于第二衬底11上，且第一电极层28和第二电极层14正对，第一电极层28和第二电极层14带有异种电荷，通过控制第一电极层28和第二电极层14的电荷量，可控制第一电极层28和第二电极层14之间的吸附力大小，从而驱动mems芯片振动，实现微执行器的功能。

本实施例一中的用于封装mems器件的封装结构，采用层叠的方式，使得封装结构和mems器件在纵向(在图中为垂直mems器件的方向)上连接，最大程度减小了两者之间的连线电阻，从而减小了mems器件与外界电路之间的信号延迟，同时封装结构易于加工，成本较低。

实施例二

如图2所示，本实施例二提供的用于封装mems器件的封装结构与实施例一的不同之处在于：封装结构20还包括第二布线层26，第二布线层26设于第二表面21b上且与多个导电柱23连接，通过设置第二布线层33，方便mems器件10与外界器件实现导通。

进一步地，封装结构20还包括焊锡球27，焊锡球27设于第二表面21b上，且焊锡球27与导电柱23电连接。通过设置焊锡球27，当mems器件10切片形成独立芯片时，方便进行表面贴装工艺。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。