[发明专利]圆片级MEMS惯性器件TSV堆叠封装结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种对应MEMS（Micro Electronics Mechanical Systems, 微机电系统）产品圆片级功能芯片垂直堆叠的先进封装结构，具体地说，使圆片级MEMS惯性器件TSV堆叠封装结构及制备方法，最少涉及两片功能性芯片的堆叠，特别涉及需要真空封装的MEMS产品，并且运用到两种不同的TSV技术（Through Silicon Via,硅通孔技术），运用此TSV技术可以实现硅正面及硅背面的垂直电性连接。

背景技术

MEMS惯性器件从20世纪90年代开始研制以及生产以来，一直保持高速增长，特别是进入21世纪，开始广泛运用于消费电子市场，工业市场及国防产业。惯性器件是利用惯性敏感元件和初始位置来确定载体的动态位置，姿态和速度及角速度,是一门涉及精密机械，计算机科学与技术，高频信号技术，微电子，自动控制，材料等多种学科及领域的综合技术。

陀螺仪和加速度计是惯性器件的核心部件，但现在市面上主流的陀螺仪和加速度计都是由MEMS芯片和ASIC芯片（Application Specific integrated circuit, 是一种专门为实现驱动，检测的目的而专门开发的集成电路） 加上封装材料组合形成可以实现驱动及检测功能的器件，就要求首先在这个器件中要置入一颗MEMS芯片，再置入一颗ASIC芯片，然后经过封装的处理，形成一颗完整的器件。

现在整个国际MEMS产业界对应MEMS惯性器件的封装基本上全部是基于器件级的单颗芯片封装，采用芯片平行放置或者两芯片

垂直摆放，通过有一定粘合力的材料固定，然后经过金丝焊，连接芯片间的焊垫及封装基板上的金手指，来实现两芯片间的电性互连及与封装基板的电性互连，互连完成后通过塑封实现整个芯片的保护。

但传统的封装工艺如引线键合及倒装芯片堆叠一直存在着单颗封装成本较高，且物料浪费较为严重的缺点，尤其是在金丝焊的过程中在焊垫和金丝的结合点易产生较大的寄生电容，影响惯性器件的性能。而且，MEMS大部分产品有真空封装要求，在晶圆加工的过程中就需要先做一次圆片级的真空封装，然后再做一次塑封封装，已经形成了成本，材料，工时的浪费。

 

发明内容

为了弥补以上不足，本发明提供了对应MEMS产品的一种基于TSV技术的圆片级封装，此封装TSV取代传统布线，垂直互连多芯片MEMS器件，缩短了连线距离，使得外形更小的、功能集成度和性能更高的器件成为可能。

本发明为解决其技术问题所采用的方案包括以下步骤，

将 MEMS芯片和ASIC芯片的金属焊垫及对应密封金属结构镜像对应，并且金属焊垫按照设计需求可以部分对应。经过对位过程，两晶圆贴近并且实现位置对应，然后进行真空环境下的金属键合，两片晶圆粘合在一起，形成了MEMS芯片和ASIC芯片金属焊垫的互

连导通及金属密封环的紧密键合。

其中MEMS芯片包括：第一硅基板1、沉积在第一硅基板上的第一绝缘层、位于第一绝缘层上的第一金属层、位于第一金属层上的孔硅连接点和氧化硅锚点、位于所述孔硅连接点和所述氧化硅锚点上的可动硅层、硅锚点、硅悬臂梁、可动结构，然后在上述可动硅层、硅锚点、硅悬臂梁、可动结构上形成第二金属层和MEMS金属焊垫。

ASIC芯片包括：第二硅基板层、位于部分所述第二硅基板层上表面的电路部分、覆盖所述第二硅基板层以及所述电路部分的第二绝缘层、以及位于所述第二绝缘层上的ASIC金属焊垫和第三金属层。

然后通过在所述ASIC晶圆的硅基板背面对应需要对外连接的ASIC金属焊垫运用干法刻蚀开硅通孔，所述孔贯通所述ASIC芯片的硅基板，所述孔可以是垂直孔，也可以是具有一定斜坡角度的倾斜孔，然后沉积二氧化硅覆盖整个所述硅通孔侧壁及硅基板背面，此步骤作用是作为之后沉积的第四金属层与硅层的绝缘。其后经过光刻、干法刻蚀露出硅通孔底部的ASIC金属焊垫，然后沉积第四金属层，所述第四金属层是铝铜合金，所述第四金属层全部覆盖第二硅基板的背面包括所述硅通孔侧壁及孔底的ASIC金属焊垫，实现了孔底金属焊垫和硅基板背面表面的互连，后经光刻、金属蚀刻、图形化形成所设计线路和锡球印刷区，所述锡球印刷区直径比随后形成在其上的锡球略大。然后在所述第四金属层表面旋涂一层深色负性光刻胶，在对应所述第四金属层上方留出即将制备的锡球位置处图形化去除光刻胶，露出所述锡球印刷区，其余部分作为保护层留下，用以保护金属线路，然后在所述锡球印刷区上形成锡球，完成整个芯片的对外连接部分。