《具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝》是美新半導體（無錫）有限公司於2006年4月7日申請的專利，該專利的申請號為2006100396682，公布號為CN1834000，公布日為2006年9月20日，發明人是華亞平、李宗亞、阮學華，該發明涉及到一種微機電系統的封裝技術。
《具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝》所提供的工藝流程設計方案，包括以下步驟：1.澱積；2.密封用空腔和“V”形開口形成；3.光刻通孔；4.形成絕緣層；5.電鍍；6.形成阻焊膜；7.焊接；8.填充。要讓圓片級封裝作為最終外封裝直接使用，最困難的問題是將蓋子圓片正面或MEMS圓片正面的信號引到在蓋子圓片背面或MEMS圓片背面的焊盤上。該發明的目的在於尋求一種具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝。即通過在蓋子圓片和MEMS圓片之間的金屬與金屬鍵合密封一空穴來達到氣密性封裝MEMS器件的目的。同時，通過“Y”形低深寬比通孔及引線將MEMS信號引到蓋子圓片背面的焊盤上。
2011年，《具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝》獲得第七屆江蘇省專利項目獎優秀獎。
（概述圖為《具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝
- 公布號：CN1834000
- 公布日：2006年9月20日
- 申請號：2006100396682
- 申請日：2006年4月7日
- 申請人：美新半導體（無錫）有限公司
- 地址：江蘇省無錫市新區107地塊
- 發明人：華亞平、李宗亞、阮學華
- 分類號：B81C3/00（2006.01）
- 代理機構：無錫市大為專利商標事務所
- 類別：發明專利
- 代理人：曹祖良
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
隨著微電子技術的發展，對於MEMS系統的氣密性封裝工藝的要求日益嚴格，要求小型化、輕量化、高性能化、多功能化、低功耗化和低成本化的氣密性封裝。圓片級MEMS系統氣密性封裝與傳統氣密性封裝相比，具有體積小、後續加工簡單、易與其它器件集成、成本低等優點。就其技術而言，2006年4月前主要有兩種封裝工藝：一是薄膜集成工藝。它通過在MEMS微結構釋放之前在犧牲層上沉積一層薄膜，然後通過薄膜上工藝腐蝕孔去掉犧牲層，再沉積一層薄膜密封這些工藝腐蝕孔，從而完成MEMS的氣密性封裝。此工藝具有工序簡單、成本低等優點，但沉積的薄膜只有幾微米的厚度，這很難在隨後的圓片切片和圓片拾取等操作中保證完好無損，成品率較低。而且沒有外引線，需要二次封裝，尚不能直接作為MEMS器件的最終外封裝。二是MEMS圓片和蓋子圓片通過矽與矽直接鍵合、玻璃與玻璃鍵合、金屬與金屬鍵合的工藝結合在一起，形成氣密性封裝。其中，金屬與金屬鍵合工藝是可靠性最高、適用性最廣的技術。若在蓋子圓片背面或MEMS圓片背面布上外引線及焊盤，就可作為最終外封裝直接使用。
發明內容
專利目的
要讓圓片級封裝作為最終外封裝直接使用，最困難的問題是將蓋子圓片正面或MEMS圓片正面的信號引到在蓋子圓片背面或MEMS圓片背面的焊盤上。《具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝》的目的在於尋求一種具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝。即通過在蓋子圓片和MEMS圓片之間的金屬與金屬鍵合密封一空穴來達到氣密性封裝MEMS器件的目的。同時，通過“Y”形低深寬比通孔及引線將MEMS信號引到蓋子圓片背面的焊盤上。
技術方案
按照《具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝》所提供的工藝流程設計方案，該發明包括以下步驟：
1、澱積：將矽基片兩面均拋光，或直接購買兩面拋光圓片，作為蓋子圓片。然後在表面通過氧化或CVD（化學氣相澱積）工藝生長或澱積二氧化矽，再用CVD（化學氣相澱積）澱積氮化矽，作為矽濕法腐蝕的掩模；
2、密封用空腔和“V”形開口形成：再在經過上述處理後的蓋子圓片的兩面塗光刻膠，將蓋子圓片通過雙面光刻機兩面光刻，刻蝕掉暴露部分的氮化矽和二氧化矽，然後用濕法或乾法去除光刻膠，再用濕法刻蝕溶液刻蝕矽，在蓋子圓片正面形成密封用空腔，在背面形成劃片槽空腔，作為“Y”形低深寬比通孔的“V”部分；
3、光刻通孔：用濕法刻蝕溶液H3PO4（磷酸）或乾法去除全部氮化矽，用HF（氫氟酸）溶液或BOE（緩衝氧化矽腐蝕液）去除全部二氧化矽，在背面劃片槽空腔對應位置的正面光刻通孔垂直部分。
4、形成絕緣層：乾法刻蝕垂直通孔，形成通孔垂直部分；用濕法或乾法去除光刻膠，通過氧化或CVD（化學氣相澱積）工藝在蓋子圓片的矽表面生長或澱積二氧化矽氧化矽，作為絕緣層，然後澱積UBM層（凸塊下金屬層）。UBM層作為電鍍種子層和提供電連線的阻焊層材料。
5、電鍍：用兩面光刻機兩面光刻蓋子圓片，電鍍金和焊料，然後除去光刻膠，在蓋子圓片上形成密封環、引線、焊盤和壓焊塊；
6、形成阻焊膜：光刻蓋子圓片，產生阻焊膜圖形，濕法刻蝕掉阻焊膜圖形上暴露部分的鍍金層和焊料層，然後去除光刻膠，退火形成阻焊膜。在隨後的蓋子圓片和MEMS圓片加熱焊接時，阻焊層起到阻制焊料到處流動的作用。在外引線上的阻焊層還在用戶將封裝好的MEMS器件焊接到PCB板上時起到阻制焊料沿引線流動的作用。
7、焊接：對準及加熱焊接蓋子圓片和具有相應密封環和壓焊塊的MEMS（微機電系統）圓片，形成密封腔和電連線，用寬刀片切蓋子圓片，但不切割MEMS（微機電系統）圓片，形成寬劃片槽，將相鄰蓋子的鍍金層和焊料層斷開。
8、填充：用液態絕緣材料，如環氧樹脂，填充劃片槽，加熱固化，使矽側壁和蓋子圓片上的鍍金層和焊料層絕緣；然後通過普通晶片切割方法切割焊接後的MEMS（微機電系統）圓片，得到單個封裝好的MEMS（微機電系統）器件。
在蓋子圓片和MEMS圓片之間的形成密封空穴的圓片級晶片尺寸密封封裝，蓋子圓片由空穴、V形開口和V形開口裡的通孔垂直部分組成。通孔垂直部分可以既是小孔，也可以是矩形開口。V形開口和通孔垂直部分組成Y形通孔，它有低深寬比的幾何圖形的特徵。這樣通孔可以很容易通過濺射和電鍍覆蓋金屬層。Y形通孔是用來連線蓋子圓片正面的壓焊塊及引線和蓋子圓片背面的引線及焊盤的。蓋子圓片正面的壓焊塊和密封環與MEMS圓片正面的壓焊塊和密封環通過加溫焊料密封焊接，形成MEMS圓片與蓋子背面焊盤的電連線，和保護MEMS結構的密封腔。蓋子圓片用寬刀片切割，將相鄰蓋子的金屬層斷開，然後在切割後的寬劃片槽填充液態絕緣材料，用來使矽側壁和蓋子圓片上的金屬層絕緣。當絕緣材料固化後，密封了的MEMS圓片通過普通劃片分割成單個封裝好的成品MEMS器件。
改善效果
相比於傳統的高深寬比通孔技術，《具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝》的低深寬比通孔製造技術具有設備投資少，成品率高的優點。蓋子圓片的製造不需要噴霧塗或電鍍光刻膠，從而減少了設備投資。
附圖說明
圖1-8為《具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝》的工藝流程圖。
圖中：1、蓋子圓片，2、二氧化矽和氮化矽薄膜（SiO2+SiN），3、蓋子圓片背面劃片槽空腔，4、蓋子圓片正面密封用空腔，5、刻蝕垂直通孔用的光刻膠（PR），6、UBM層（凸塊下金屬層），7、通孔垂直部分，8、通孔V開口形部分，9、電鍍用光刻膠，10、鍍金層+焊料層，11、阻焊膜，12、引線（鍍金層+焊料層引線部分），13、焊盤（鍍金層+焊料層焊盤部分），14、蓋子圓片上的密封環（鍍金層+焊料層密封環部分），15、蓋子圓片上的壓焊塊（鍍金層+焊料層壓焊塊部分），16、寬劃片槽，17、焊接後的壓焊塊，18、焊接後的密封環，19、MEMS圓片，20、MEMS圓片上的壓焊塊，21、MEMS圓片上的密封環，22、普通劃片槽，23、液態絕緣材料，24、密封腔。
技術領域
《具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝》專利涉及到一種微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System，簡稱MEMS）的封裝技術，特別涉及到一種具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝。
權利要求
1、《具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝》特徵在於，該工藝流程包括以下步驟：
a、澱積：將矽基片的兩面拋光，作為蓋子圓片材料；然後在表面通過氧化或化學氣相澱積生長二氧化矽，再用化學氣相澱積氮化矽；
b、密封用空腔和“V”形開口形成：再在經過上述處理後的蓋子圓片的兩面塗光刻膠，將蓋子圓片通過雙面光刻機兩面光刻，刻蝕掉暴露部分的氮化矽和二氧化矽，然後用濕法或乾法去除光刻膠，再用濕法刻蝕溶液刻蝕矽，在蓋子圓片正面形成密封用空腔，在背面形成劃片槽空腔，作為“Y”形低深寬比通孔的“V”部分；
c、光刻通孔：用濕法刻蝕溶液磷酸或乾法去除全部氮化矽，用氫氟酸溶液或緩衝氧化矽腐蝕液去除全部二氧化矽，在背面劃片槽空腔對應位置的正面光刻通孔垂直部分；
d、形成絕緣層：乾法刻蝕垂直通孔，形成通孔垂直部分；用濕法或乾法去除光刻膠，通過氧化或化學氣相澱積工藝在蓋子圓片的矽表面生長或澱積二氧化矽氧化矽，作為絕緣層，然後澱積凸塊下金屬層，作為電鍍種子層和提供電連線的阻焊層材料；
e、電鍍：用兩面光刻機兩面光刻蓋子圓片，電鍍金和焊料，形成密封環、壓焊塊、引線和焊盤；
f、形成阻焊膜：光刻蓋子圓片，產生阻焊膜圖形，濕法刻蝕掉阻焊膜圖形上暴露部分的鍍金層和焊料層，然後去除光刻膠，退火形成阻焊膜；
g、焊接：對準及加熱焊接蓋子圓片和具有相應密封環和壓焊塊的微機電系統圓片，形成密封腔和電連線，用寬刀片切蓋子圓片，形成寬劃片槽，將相鄰蓋子的鍍金層和焊料層斷開；
h、填充：用液態絕緣材料，填充劃片槽，加熱固化，使矽側壁和蓋子圓片上的鍍金層和焊料層絕緣；然後通過普通晶片切割方法切割焊接後的微機電系統圓片，得到單個封裝好的微機電系統器件。
2、如權利要求1所述的具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝，其特徵是：所述的蓋子圓片具有密封用空腔、V形開口和V形開口裡的通孔垂直部分、鍍金層+焊料層、阻焊層；通孔垂直部分是小孔或者矩形開口；V形開口和通孔垂直部分組成的“Y”形通孔具有低深寬比的幾何圖形。
3、如權利要求1所述的具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝，其特徵是：步驟（b）中的濕法刻蝕溶液為氫氧化鉀或乙二胺+鄰苯二酚水溶液或四甲基氫氧化銨，步驟（c）和步驟（e）中所述的光刻工藝不需要噴霧塗或電鍍光刻膠。
4、如權利要求2所述的具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝，其特徵是：利用濺射、電鍍工藝在蓋子圓片上的“Y”形通孔內填充金屬，使“Y”形通孔具有導電功能。
5、如權利要求2所述的具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝，其特徵是：利用濺射、光刻、電鍍、刻蝕工藝在蓋子圓片上形成引線、壓焊塊、密封環、焊盤。
6、如權利要求2所述的具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝，其特徵是：蓋子圓片上的“Y”形通孔、引線、壓焊塊將微機電系統圓片正面的壓焊塊和蓋子背面的焊盤相互連線。
7、如權利要求1所述的具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝，其特徵是：所述的步驟（g）中，蓋子圓片和微機電系統圓片利用加熱部驟（e）中電鍍在蓋子圓片上的焊料完成密封環焊接和壓焊塊焊接。
8、如權利要求1所述的具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝，其特徵是：蓋子圓片的密封用空腔、微機電系統圓片的正表面、和密封環構成了保護微機電系統結構的密封腔。
9、如權利要求1所述的具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝，其特徵是：在步驟（g）中，在蓋子圓片和微機電系統圓片焊接完成後，用寬刀片切割蓋子圓片。
10、如權利要求1所述的具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝，其特徵是：所述的步驟（h）中，在用寬刀片切割蓋子圓片後，用液態絕緣材料填充寬劃片槽，用來使蓋子圓片的矽和金屬層絕緣，當絕緣材料固化後，焊接好的微機電系統圓片通過劃片裂片。
實施方式
《具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝》涉及的圓片級MEMS氣密性封裝工藝流程，是在矽基片上完成蓋子圓片的製造，然後與MEMS圓片焊接，切割蓋子圓片和填充絕緣材料，最後分片。其包含的封裝工藝流程包括以下步驟：
1、澱積工序如圖1所示，將矽基片兩面均拋光，或直接購買兩面拋光圓片，作為蓋子圓片1的材料。通過氧化或CVD（化學氣相澱積）工藝生長或澱積二氧化矽，然後CVD（化學氣相澱積）澱積氮化矽，作為矽濕法腐蝕的掩模。其中氮化矽作為主要的矽濕法腐蝕的掩膜材料，二氧化矽的作用是作為氮化矽和蓋子片1的矽之間的應力緩衝層。
2、密封用空腔和“V”形開口的形成如圖2所示，在蓋子圓片1的兩面塗光刻膠，將蓋子圓片通過雙面光刻機兩面光刻，刻蝕掉暴露部分的氮化矽和二氧化矽2，然後去除光刻膠，用KOH，EPW或其它濕法刻蝕溶液刻蝕矽，在蓋子圓片1正面形成梯形密封用空腔4，在背面形成梯形劃片槽空腔3。
3、光刻通孔如圖3所示，用濕法刻蝕溶液去除全部氮化矽和二氧化矽2，蓋子圓片1正面塗光刻膠5，在背面劃片槽空腔對應位置的正面光刻出通孔垂直部分圖形。
4、形成絕緣層如圖4a所示，乾法刻蝕通孔垂直部分7。通孔垂直部分7和背面劃片槽空腔的一部分V形開口8構成“Y”形低深寬比通孔。去除光刻膠5，通過氧化或CVD（化學氣相澱積）工藝在蓋子圓片的矽表面生長或澱積二氧化矽氧化矽，作為絕緣層，然後通過濺射澱積UBM層（凸塊下金屬層）6。UBM層作為電鍍種子層和提供電連線的阻焊層材料。圖4b表示的是此時從蓋子圓片1背面自頂向下的俯視圖，其中密封用空腔4為虛線，實際看不到。
5、電鍍如圖5所示，在蓋子圓片1正背兩面塗光刻膠9，光刻蓋子圓片1，電鍍金和焊料10，然後除去光刻膠9，以鍍金層+焊料層10作為掩模去除密封環14與鍍金層+焊料層10其它部分間的UBM（凸塊下金屬層）層6，在蓋子圓片上形成鍍金層+焊料層10的密封環部分14。
6、形成阻焊膜如圖6所示，在蓋子圓片1正背兩面塗光刻膠，光刻阻焊膜11的圖形，將鍍金層和焊料層10分成引線部分12，壓焊塊15，和焊盤13。刻蝕掉暴露部分的鍍金層和焊料層10，然後去除光刻膠，退火形成阻焊膜11。在隨後的蓋子圓片1和MEMS圓片19加熱焊接時，阻焊層11起到阻制焊料到處流動的作用。在蓋子圓片背面的引線12（外引線）上的阻焊層還在用戶將封裝好的MEMS器件焊接到PCB板上時起到阻制焊料沿引線12流動的作用。
7、焊接如圖7a所示，對準及加熱焊接蓋子圓片1和具有相應密封環21和壓焊塊20的MEMS圓片19，形成焊接後的密封環17和焊接後的壓焊塊18。焊接後的密封環17，蓋子圓片1的密封用空腔4，和MEMS圓片19的表面構成了密封腔24。然後用寬刀片切蓋子圓片1，形成寬劃片槽16，將相鄰蓋子的鍍金層和焊料層10的引線部份12斷開。
圖7b所示為從蓋子圓片1背面自頂向下的單個蓋子的立體視圖。
圖7c所示為從蓋子圓片1正面自底向上的單個蓋子的立體視圖。
圖7d所示為從MEMS圓片19正面自頂向下的單個晶片的立體視圖。
8、填充如圖8a所示，用液態絕緣材料23，如環氧樹脂，填充寬劃片槽16，加熱固化，使蓋子圓片上1的矽和鍍金層和焊料層10絕緣。然後通過普通晶片切割方法裂片，形成封裝好的MEMS器件。液態絕緣材料23加熱固化後也可作為絕緣材料保護“Y”形通孔內的引線12。
圖8b所示為裂片後的最終單個MEMS器件立體視圖。
榮譽表彰
2011年，《具有低深寬比通孔的圓片級氣密性封裝工藝》獲得第七屆江蘇省專利項目獎優秀獎。
