一种晶圆级真空封装方法与流程

本发明属于半导体制造领域，具体涉及一种晶圆级真空封装方法。

背景技术：

随着mems技术的飞速发展，各种mems器件产品作为高品质传感器或者探测器在工业遥感、图像通讯、消费电子、汽车工业、军事工业等领域得到越来越多的应用。很多传感器需要高真空、体积小的封装形态。目前mems的封装方式包括器件级封装和晶圆级封装。器件级真空封装结构通常采用金属管壳或陶瓷壳体作为密封腔对芯片进行封装，其主要特点是将die放置于金属或者陶瓷管壳内部，通过wirebong引线焊接到管壳内部的焊盘上，然后在管壳上覆盖盖板，隔绝外界大气环境。目前这种封装结构制造工艺过程复杂，生产成本高，体积大,厚度大，不适宜用于便携式电子产品中。

晶圆级封装是指以硅圆片为单位进行封装操作，芯片在硅圆上首先实现所有的封装连接工序，再被切割为独立的单元。具体的封装方法为：在盖板上生长吸气剂、电极和金属键合环，在电路晶圆上生长mems传感区、焊盘和金属键合环，然后将盖板和电路晶圆放入到真空设备，并将盖板和电路晶圆对齐，激活吸气剂，熔化金属键合环发生键合，实现盖板与电路晶圆的键合，此时盖板和电路晶圆之间的密封腔为真空环境；键合后再切割盖板，但不切割电路晶圆，这样就暴露出电路晶圆上的焊垫，而电路晶圆上的传感器区仍被密闭在真空环境中；最后切割电路晶圆成为独立的芯片单元，再将芯片单元放在基板上打线引出完成封装。

此种晶圆级封装方式，在键合时盖板和电路晶圆尺寸必须一致，若尺寸不匹配则很难实现，在电路晶圆良率比较低时，会造成大量的材料浪费；若盖板良率低，也会影响整体良率；在做预切割的时候切割难度较大，很容易由于应力导致真空条件被破坏且针对晶圆级的预切割需要特殊设计焊垫的位置。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种晶圆级真空封装方法，节省封装材料、降低成本、提高封装良率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种晶圆级真空封装方法，包括以下步骤：

（1）分别对盖板和电路晶圆预处理：在盖板上以阵列形式生长吸气剂和第一金属键合环；在电路晶圆上以阵列形式生长mems传感区、焊盘和第二金属键合环，第二金属键合环生长在mems传感区周围；第一金属键合环与第二金属键合环相匹配；

（2）对预处理后的盖板按照设定尺寸切割成若干单颗封盖并进行检测；

（3）将检测合格的若干单颗封盖与电路晶圆置入真空设备中，激活盖板上的吸气剂；

（4）通过机械手臂将单颗封盖逐一放在电路晶圆的对应位置，键合封盖与电路晶圆；

（5）将键合后的封盖和电路晶圆放置真空环境中并切割成独立的芯片单元，再将芯片单元进行后段封装工艺。

优选地，电路晶圆的材料为硅、锗、氮化硅或砷化镓。

优选地，盖板的材料为硅片、锗片、陶瓷片、金属片或塑料片，厚度为10um-2mm。

优选地，吸气剂激活方式为高温或加载电流激活。

优选地，封盖与电路晶圆的键合方式为热压焊接，实现单颗封盖与电路晶圆键合。

优选地，封盖与电路晶圆的键合方式为真空钎焊，加热电路晶圆，以红外辐射或热传导方式熔化第一金属键合环和第二金属键合环，实现多个封盖同时与电路晶圆键合。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

（1）本发明先将盖板切割为所需尺寸的若干单颗封盖，并对封盖进行检测，再将检测合格的封盖进行后续封装，因此提高了封装良率，同时避免了传统封装过程中预切割产生的应力破坏真空封装等问题；

（2）基于预先将盖板切割成若干单颗封盖，本发明在真空环境下进行封盖与晶圆电路键合时，可采用单颗封盖与电路晶圆热压焊接实现键合，也可对整个电路晶圆加热实现多个封盖同时与电路晶圆键合，根据需要选择键合方式，以节省封盖材料。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是本发明中焊盘设置在第二金属键合环外围的芯片单元封装结构示意图；

图3是本发明中焊盘设置在第二金属键合环与mems传感区之间的芯片单元封装结构示意图。

具体实施方式

下面结合图1至图3，对本发明的实施方式和具体的操作过程作详细说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明公开了一种晶圆级真空封装方法，流程如图1所示，具体如下：（1）分别对盖板和电路晶圆1预处理：在盖板上以阵列形式生长吸气剂4和第一金属键合环；在电路晶圆1上以阵列形式生长mems传感区6、焊盘5和第二金属键合环，第二金属键合环生长在mems传感区6周围；第一金属键合环与第二金属键合环相匹配；其中焊盘5设置在第二金属键合环外围，当然也可设置在第二金属键合环与mems传感区6之间。在本发明中盖板的材料为硅片、锗片、陶瓷片、金属片或塑料片，厚度为10um-2mm。电路晶圆1的材料为硅、锗、氮化硅或砷化镓。为了提高气密封装质量，第一金属键合环和第二金属键合环均包括金属过渡层和焊料层，其中金属过渡层既能够与盖板和电路晶圆有良好的粘附性，又可以与焊料层生成金属间化合物或者固溶体，以保证键合强度。

（2）对预处理后的盖板按照设定尺寸切割成若干单颗封盖2并进行检测；将检测合格的封盖2进行后续封装，提高封装良率。

（3）将检测合格的若干单颗封盖2与电路晶圆1置入真空设备中，激活封盖2上的吸气剂3，吸气剂3激活方式为高温或加载电流激活。

（4）通过机械手臂将单颗封盖2逐一放在电路晶圆1的对应位置，熔化第一金属键合环和第二金属键合环，键合封盖2与电路晶圆1，形成围堰3，将mems传感区6密封在真空环境中。键合方式可采用单颗封盖2与电路晶圆1热压焊接实现键合，也可对整个电路晶圆1加热实现多个封盖2同时与电路晶圆1键合，根据需要选择键合方式，以节省封盖材料。多个封盖2同时与电路晶圆1键合的方式为真空钎焊，加热电路晶圆1，以红外辐射或热传导方式熔化第一金属键合环和第二金属键合环实现键合。

（5）将键合后的封盖和电路晶圆放置真空环境中并切割成独立的芯片单元，如图2和图3所示，再将芯片单元进行后段封装工艺，如塑封、高温固化、电镀、切筋成型等工序。

本发明预先将盖板切割为所需尺寸的若干单颗封盖，并对封盖进行检测，再将检测合格的封盖进行后续封装，因此提高了封装良率，同时避免了传统封装过程中预切割产生的应力破坏真空封装等问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明公开一种晶圆级真空封装方法，包括以下步骤：（1）分别对盖板和电路晶圆预处理：在盖板上以阵列形式生长吸气剂和第一金属键合环；在电路晶圆上以阵列形式生长MEMS传感区、焊盘和第二金属键合环，第二金属键合环生长在MEMS传感区周围；（2）对预处理后的盖板按照设定尺寸切割成若干单颗封盖并进行检测；（3）将检测合格的若干单颗封盖与电路晶圆置入真空设备中，激活盖板上的吸气剂；（4）通过机械手臂将单颗封盖逐一放在电路晶圆的对应位置，键合封盖与电路晶圆；（5）将键合后的封盖和电路晶圆放置真空环境中并切割成独立的芯片单元，再将芯片单元进行后段封装工艺。本发明节省封装材料、提高了封装良率。

技术研发人员：韩磊;赵照
受保护的技术使用者：合肥芯福传感器技术有限公司
技术研发日：2018.12.25
技术公布日：2019.05.17