微机电系统器件及其封装结构的制作方法

1.本发明涉及微观机械系统技术领域，尤其涉及一种微机电系统器件及其封装结构。


背景技术：

2.微机电系统(mems，micro-electro-mechanical system)，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。
3.微机电系统器件(或称mems器件)是使用半导体技术制造的并以形成机械和电子部件的器件。常见的微机电系统器件有谐振器、加速器、压力传感器、致动器、反射镜、加热器以及打印机喷头等，但是，由于这些微机电系统器件的内部容易形成过大的内部应力，会使器件结构发生变化，如开裂、褶皱、脱层、翘曲、折叠等，更甚者会导致器件功能的失效。
4.鉴于上述的缺陷，有必要提供一种新的微机电系统器件及其封装结构。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的是提供一种微机电系统器件及其封装结构，旨在解决微机电系统器件的内部应力过大而导致结构变化和功能失效的问题。
6.为实现上述目的，本发明提出的微机电系统器件包括基衬底、盖衬底以及器件层，所述盖衬底与所述基衬底对应间隔设置，所述器件层设于所述基衬底和所述盖衬底之间；所述器件层包括相互连接的连接部和致动部，所述连接部环绕所述致动部设置，且所述连接部分别与所述基衬底和所述盖衬底固定连接，所述致动部与所述基衬底电性耦合连接，所述致动部与所述盖衬底之间具有间隙。
7.优选地，所述盖衬底朝向所述器件层的一侧限定出第一凹槽，所述致动部置于所述第一凹槽内并与所述第一凹槽的内表面之间具有间隙；所述盖衬底环绕所述第一凹槽的四周与所述连接部固定连接。
8.优选地，所述基衬底朝向所述器件层的一侧限定出第二凹槽，所述第二凹槽与所述第一凹槽相对设置并围成空腔，所述致动部置于所述空腔内并与所述空腔的内表面之间具有间隙，所述盖衬底环绕所述第一凹槽的四周及所述基衬底环绕所述第二凹槽的四周均与所述连接部固定连接。
9.优选地，所述空腔的至少部分内表面设有吸气件。
10.优选地，所述基衬底上贯穿开设有硅通孔，所述硅通孔与所述致动部电性耦合连接。
11.优选地，所述硅通孔与所述致动部共晶键合。
12.优选地，所述基衬底上贯穿开设有多个硅通孔，多个所述硅通孔环绕所述致动部呈阵列排布。
13.优选地，所述间隙的间距尺寸为1～10μm。
14.优选地，所述连接部分别与所述基衬底和所述盖衬底共晶键合。
15.另外，本发明还提出了一种封装结构，所述封装结构包括基板、引线以及如上所述的微机电系统器件，其中，所述微机电系统器件固定在所述基板上，所述微机电系统器件中的所述盖衬底背离所述基衬底的一侧与所述基板固定连接，所述引线分别与所述基衬底和所述基板固定并电性耦合。
16.本发明技术方案中，微机电系统器件包括基衬底、盖衬底以及器件层，盖衬底与基衬底对应间隔设置，器件层设于基衬底和盖衬底之间；器件层包括相互连接的连接部和致动部，连接部环绕致动部设置，且连接部分别与基衬底和盖衬底固定连接，致动部与基衬底电性耦合连接，致动部与盖衬底之间具有间隙。本发明的微机电系统器件通过在致动部与盖衬底之间设置间隙，以使得盖衬底与致动部之间无相互作用力，从而使得微机电系统器件内的致动部上的应力较小，保证了微机电系统器件的结构和功能。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
18.图1为本发明一实施例中微机电系统器件的断面示意图；
19.图2为本发明一实施例中微机电系统器件的封装结构的断面示意图；
20.图3为本发明一实施例中微机电系统器件的封装结构的立体图；
21.图4为本发明一实施例中微机电系统器件在盖衬底厚度变化时与现有技术的微机电系统器件的应力对比表；
22.图5为本发明一实施例中微机电系统器件在盖衬底厚度变化时与现有技术的微机电系统器件的应力对比图；
23.图6为本发明一实施例中微机电系统器件在总厚度不变且盖衬底为不同厚度的情况下与现有技术的微机电系统器件的应力对比表；
24.图7为本发明一实施例中微机电系统器件在总厚度为200um且盖衬底为不同厚度的情况下与现有技术的微机电系统器件的应力对比图；
25.图8本发明一实施例中微机电系统器件在总厚度为300um且盖衬底为不同厚度的情况下与现有技术的微机电系统器件的应力对比图；
26.图9为本发明一实施例中微机电系统器件在总厚度为400um且盖衬底为不同厚度的情况下与现有技术的微机电系统器件的应力对比图；
27.图10为本发明一实施例中微机电系统器件在基板为100℃时的总体温度分布图；
28.图11为现有技术中微机电系统器件的致动部在基板为100℃时所对应的温度分布图；
29.图12为现有技术中微机电系统器件的致动部在基板为100℃时所对应的应力分布图；
30.图13为本发明一实施例中微机电系统器件的致动部在基板为100℃时所对应的温度分布图；
31.图14为本发明一实施例中微机电系统器件的致动部在基板为100℃时所对应的应
力分布图；
32.图15本发明一实施例中微机电系统器件在基板为150℃时的总体温度分布图；
33.图16为现有技术中微机电系统器件的致动部在基板为150℃时所对应的温度分布图；
34.图17为本发明一实施例中微机电系统器件的致动部在基板为150℃时所对应的温度分布图。
35.附图标号说明：
36.标号名称标号名称10微机电系统器件23第二凹槽1基衬底3器件层11硅通孔31连接部2盖衬底32致动部21第一凹槽4胶22空腔20基板221吸气件30引线
37.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
40.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
41.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
42.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
43.本发明提出了一种微机电系统器件及其封装结构，旨在解决微机电系统器件的内部应力过大而导致结构变化和功能失效的问题。
44.请参照图1，微机电系统器件10包括基衬底1(handle wafer)、盖衬底2(cap wafer)以及器件层3(device layer)，盖衬底2与基衬底1对应间隔设置，器件层3设于基衬底1和盖衬底2之间。
45.器件层3包括相互连接的连接部31和致动部32，连接部31环绕致动部32设置，且连接部31分别与基衬底1和盖衬底2固定连接，致动部32与基衬底1电性耦合连接，致动部32与盖衬底2之间具有间隙。
46.上述微机电系统器件10通过在致动部32与盖衬底2之间设置间隙，以使得盖衬底2与致动部32之间无相互作用力，从而可隔绝封装应力对微机电系统器件10内的致动部32的影响，保证了微机电系统器件10的结构和功能。
47.具体的，基衬底1和盖衬底2为硅基衬底。器件层3中的致动部32可以是谐振体、梁、臂、静电马达等微机械结构，连接部31环绕由微机械结构构成的致动部32设置。器件层3可在晶圆上加工成型。
48.如图1所示，基衬底1、器件层3、盖衬底2自下至上层叠设置，器件层3中的连接部31分别与基衬底1和盖衬底2固定了连接。在本实施例中，连接部3藉由锚点分别与基衬底1和盖衬底2固定。其中，一种锚点的结构形式为共晶键合(eutectic bonding)的形式，也就是说，连接部3分别与基衬底1和盖衬底2通过锚点共晶键合。所谓共晶键合，也就是特定两个金属的键合方式，常用的金属配置包含但不限于al-ge(铝锗)，au-ge(金锗)，au-si(金硅)。
49.致动部32与盖衬底2之间间隙的间距尺寸为1～10μm之间任意数值，将致动部32与盖衬底2之间的间隙设置在上述数值范围，在隔绝封装应力对微机电系统器件10内的致动部32的影响，保证了微机电系统器件10的结构和功能的同时，还能够减小器件层3的致动部32在运作时所受到的滑膜阻尼(slide-film damping)。
50.如图1所示，在一实施例中，盖衬底2朝向器件层3的一侧限定出第一凹槽21，致动部32置于第一凹槽21内并与该第一凹槽21的内表面之间具有间隙，盖衬底2环绕第一凹槽21的四周与连接部31固定连接。
51.盖衬底2朝向器件层3的一侧开设有第一凹槽21，第一凹槽21可容纳致动部32，致动部32置于第一凹槽21内并与该第一凹槽21的内表面之间具有间隙，即，致动部32与第一凹槽21的内表面各处均具有间隙；而且，盖衬底2环绕第一凹槽21的四周与连接部31藉由锚点共晶键合。
52.再参阅图1所示，基衬底1朝向器件层3的一侧限定出第二凹槽23，第二凹槽23与第一凹槽21相对设置并围成空腔22，致动部32置于空腔22内并与该空腔22的内表面之间具有间隙，盖衬底2环绕第一凹槽21的四周及基衬底1环绕第二凹槽23的四周均与连接部31固定连接。
53.本实施例中，基衬底1朝向器件层3的一侧开设有第二凹槽23，可将第一凹槽21与第二凹槽23相对设置，并将致动部32置于第一凹槽21和第二凹槽23之间，第一凹槽21与第二凹槽23围合成空腔22。此空腔2可以呈矩形、圆形、椭圆形等，以能够容置器件层3中致动部32为准。
54.致动部32位于空腔22内并与该空腔22的内表面之间具有间隙，连接部31的上、下两侧分别与盖衬底2和基衬底1固定连接。
55.如图1所示，致动部32与空腔22的上、下两个内表面具有间隙。由于致动部32也可
根据结构和功能的不同设计成不同的微机械结构，因此，致动部3也可与空腔22的各个内表面留有间隙。而连接部3则分别与基衬底1和盖衬底2通过锚点共晶键合。致动部3与空腔22的各个内表面之间的间隙可以相等，也可以不相等，以不影响致动部3的动作为准。
56.如图1所示，空腔22的至少部分内表面设有吸气件221。第一凹槽21的至少部分槽壁上可设有吸气件221，或者，第二凹槽23的至少部分槽壁上可设有吸气件221，又或者，第一凹槽21和第二凹槽23的各自至少部分槽壁上均可设有吸气件221，吸气件221可吸收空腔22内的气体，确保空腔22保持在真空状态，稳定空腔22内的压力，可消除封装之残留应力对器件层3的影响。其中，吸气件221可采用涂层的形式，可通过喷涂吸气剂(getter)的方式获得。
57.基衬底1和盖衬底2可具有用于形成集成电路的多种介电材料，化学物可以从介电材料脱气进入基衬底1和盖衬底2之间，化学物可以采用氦气，进入基衬底1和盖衬底2之间的氦气可改变微机电系统器件10周围的环境并影响微机电系统器件10的操作。
58.如图1所示，连接部31的一侧与基衬底1共晶键合，连接部31的另一侧与盖衬底2共晶键合。连接部31分别与基衬底1和盖衬底2共晶键合，从而可利用共晶键合的结构在器件层3的外边沿即连接部31上形成密封圈(seal ring)，可实现将基衬底1和盖衬底2密封。
59.当基衬底1和盖衬底2之间形成有空腔22时，连接部31分别与基衬底1和盖衬底2的共晶键合可实现真空键合，以确保空腔22维持在维持真空状态。
60.参阅图1所示，基衬底1上贯穿开设有硅通孔11。硅通孔技术(tsv，through-silicon-via)是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的最新技术。与以往的ic封装键合和使用凸点的叠加技术不同，tsv能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大，外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能。
61.硅通孔11与致动部32电性耦合连接。基衬底1上贯穿开设有硅通孔11，可使得器件层3通过硅通孔11与外部电路形成讯号导通结构。
62.在一实施例中，硅通孔11与致动部32共晶键合(eutectic bonding)。硅通孔11与器件层3之间通过锚点固定，锚点的结构形式采用共晶键合的形式。硅通孔11连同其上的锚点共同对器件层3起到支撑作用，而且，利用共晶键合与硅通孔11技术，在基衬底1形成导线实现砌建电性导通。
63.另外，在另一实施例中，基衬底1上贯穿开设有多个硅通孔11，多个硅通孔11环绕致动部32呈阵列排布。当硅通孔11为多个时，多个硅通孔11在基衬底1中并环绕致动部32呈阵列排布，各硅通孔11与致动部32均共晶键合，以使得器件层3受到均匀的支撑力。
64.硅通孔11连同锚点对致动部32的支撑，需要以不影响致动部32的正常动作为准。例如，硅通孔11可以与致动部32中用于驱动致动部32动作的驱动电极部分连接。
65.另外，参阅图2所示，本发明还提出了一种封装结构，封装结构包括基板20(pcb/substrate)、引线30(wire)以及如上所述的微机电系统器件10，其中，微机电系统器件10固定在基板20上，该微机电系统器件10中的盖衬底2背离基衬底1的一侧与基板20固定连接。在一实施例中，盖衬底2背向器件层3的一侧与基板20通过胶4(glue)粘接，其中，胶4优选环氧树脂制成。
66.引线30分别与基衬底1和基板20固定并电性耦合。微机电系统器件10的基衬底1与基板20之间以引线30键合的封装结构实现电性耦合，引线30与基板20之间可通过黄金焊点
(gold pad)焊接，即微机电系统器件10与基板20采用wire bond的封装结构。
67.当基衬底1上开设有硅通孔11时，硅通孔11与基板20可通过引线30连接。该封装结构中微机电系统器件10的具体结构参照上述实施例，由于本封装结构采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
68.参阅图3所示，微机电系统器件10的整体厚度用h表示，盖衬底2的厚度用h表示。微机电系统器件10的整体厚度h在100～400μm之间，盖衬底2的厚度h在50～350μm之间。
69.现有技术中，盖衬底与器件层之间通过锚点固定，而本发明的微机电系统器件10中，在致动部32与盖衬底2之间设置间隙，致动部32与盖衬底2之间无锚固的锚点，以使得盖衬底2与致动部32之间无相互作用力。
70.图4中的表格示出了致动部与盖衬底之间有无锚点时的应力变化。图5则以曲线图的形式示出了致动部与盖衬底之间有无锚点时的应力变化。
71.附图中的device则代表器件层。
72.结合图4、图5所示，如采用现有技术的结构，也就是盖衬底与致动部之间通过锚点固定，当基衬底厚度不变，盖衬底厚度变化时，由于胶与盖衬底存在较大的cte差异(cte，coefficient of thermal expansion，即热膨胀系数)，且在封装过程中，胶需要高温固化，在恢复常温时，胶与盖衬底不一致的变形会导致胶与盖衬底之间产生残余应力。当存在锚点时，由于锚点连接刚性较大，盖衬底的残余应力将有很大部分通过锚点传递给邻近的器件层。
73.此外，有部分残余应力会通过基衬底、基衬底与器件层之间的锚点依次传递，最终传递至器件层。由于传递路径较长，且基衬底与器件层之间锚点的连接刚性较低，此部分残余应力较小。因此，去除盖衬底与器件层之间的锚点将消除大部分残余应力的传递。
74.对于本发明致动部32与盖衬底2之间无锚点之结构，器件层3受到的残余应力直接受到基衬底1不协调变形的影响。当盖衬底2较薄时，其刚性相对于基衬底1较弱，其不协调变形不易撼动基衬底1而使之变形；随着盖衬底2的增厚，其刚性接近基衬底1，此时基衬底1更易于随之变形；随着盖衬底2的进一步增厚，刚性随之增加，其受到的胶4不协调变形的影响将变小，从而降低对基衬底1变形的影响。
75.因此，随着盖衬底2由薄变厚，器件层3受到的残余应力会随着基衬底1受到的不协调变形趋势呈现由小变大，再变小的变化。所以，盖衬底2厚度在一定范围内会导致器件层3受到的残余应力达到峰值，在设计盖衬底2厚度时避开此范围，可以有效降低器件层3的残余应力。
76.针对微机电系统器件10的厚度、盖衬底2的厚度以及基衬底1的厚度，对应力的影响，可结合附图6至附图9所示，具体分析如下：
77.微机电系统器件10的厚度在各种范围内，如微机电系统器件10的整体厚度h在100～400μm之间，盖衬底2的厚度h在50～350μm之间，盖衬底2的厚度与微机电系统器件10的整体厚度之间的比值范围可采用1/8～7/8，具体可为微机电系统器件10的厚度h分别为200μm、300μm、400μm时，本发明(盖衬底2与致动部32留有间隙，无锚点)中器件层3的内部应力远远小于现有技术(盖衬底与有锚点)中器件层3的内部应力。现有技术中，过大的内部应力会导致器件发生形变，降低了微机电系统器件10的稳定性和使用寿命。而本发明的盖衬底2与
器件层3之间留有间隙且无锚点的设计，可大大降低了器件层3的内部应力，避免开裂、褶皱、脱层、翘曲、折叠等等，提升微机电系统器件10的稳定性和使用寿命。
78.当采用现有技术时，在微机电系统器件10厚度设定后，只有通过增加盖衬底2的厚度，才能够减小器件层3的内部应力，如此大大压缩了器件层3和基衬底1的设计空间，造成了微机电系统器件10的设计困难。例如，当微机电系统器件10的厚度h在200μm时，盖衬底2的厚度h为150μm时，器件层3内部应力仍为486mpa；而对于本发明而言，盖衬底2的厚度h仅为50μm时，器件层3内部应力仅为40mpa。现有技术中器件层3的内部应力是本发明中器件层3之内部应力的12倍以上，不仅如此，现有技术留给器件层3和基衬底1只有50μm的设计空间。同样地，微机电系统器件10厚度h在300μm或400μm时，亦是如此，现有技术之缺陷显而易见。
79.本技术一实施例中的微机电系统器件10，在厚度设定后，由于盖衬底2与致动部32之间留有间隙，即使随着盖衬底2的厚度变化，器件层3的内部应力也变化不大，而且始终维持在很小的内部应力范围内，例如，当微机电系统器件10的厚度h在200μm时，随着盖衬底2的厚度变化，器件层3的内部应力仅在32～46mpa之间波动。同样地，在另一些实施例中微机电系统器件10的厚度h在300μm或400μm时，亦是如此，器件层3内部应力仅在很小的数值范围内波动。图7至图9中，盖衬底2无锚点(盖衬底2与致动部32之间留有间隙，无锚点固定)时虚线曲线的坡度极小，也证明，本发明盖衬底2与致动部32之间留有间隙对降低器件层3的内部应力受盖衬底2的厚度变化影响很小，盖衬底2与致动部32之间留有间隙的结构便可将器件层3的内部应力降至很低，本领域技术人员可根据设计需求，选取盖衬底2的厚度，设计空间选择余地极大。
80.针对微机电系统器件10受到温度的影响，可结合图10至图17所示。其中，图10至图14所采用的边界条件为：1、基板的温度100℃；2、微机电系统器件的表面散热系数10w/(m^2℃)；图15至图17所采用的边界条件为：1、基板的温度150℃；2、微机电系统器件的表面温度22℃，现有技术中的器件和本技术中的器件在两组环境中所获得的结果如下：
81.现有技术中，盖衬底2与致动部32之间有锚点固定，器件层3受到盖衬底2与致动部32之间的锚点以及基衬底1的热传导影响较大，请参阅图11、图12和图16所示。
82.而本发明中，盖衬底2与致动部32之间留有间隙，且二者之间无锚点固定，器件层3的仅受到基衬底1的热传导影响，从而使得器件层3受到基板20的温度影响更低，请参阅图13、图14和图17所示。
83.综上可知，盖衬底2与致动部32之间有锚点固定时，器件层3受到底部锚点及基衬底1的热传导；盖衬底2与致动部32之间留有间隙，且二者之间无锚点固定时，器件层3仅受到基衬底1的热传导；从而使得器件层3受到基板20的温度影响更低。
84.现有技术中，致动部32分别通过锚点与基衬底1和盖衬底2固定连接，致动部32两侧的锚点处热应力显著增加，参阅图12所示，最大热应力处可达1033.3mpa，非常容易造成器件层3失效。
85.而本发明中，器件层3的连接部31与基衬底1固定连接，而致动部32和盖衬底2之间留有间隙，器件层3仅受到基衬底1的热传导影响，从而使得器件层3受基板20的温度影响较小，进而可减小器件层3内部所产生的热应力。参阅图14所示，致动部32和盖衬底2之间留有间隙，因此，致动部32的下侧与盖衬底2之间无锚点，致动部32下侧的热应力无显著增加，致
动部32上侧与基衬底1连接的锚点处最大热应力仅为130.33mpa，可降低温度对器件层3失效的影响，提升器件层3的稳定性，延长微机电系统器件10的使用寿命。
86.需要说明的是，温度变化会引起应力变化，造成杨氏模量的变化而引起机械性能的变化，致使热匹配不良的器件和封装发生失效。由于封装结构本身是由各种不同热膨胀系数的材料组成，当封装结构的温度发生变化时，因各层材料收缩与膨胀程度不同，内部产生热应力，温度作为环境因素往往会造成微机电系统器件10的失效。
87.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。