[发明专利]基于Si导电柱的圆片级封装方法及其单片集成式MEMS芯片

说明书

技术领域

本发明属于芯片封装领域，具体是涉及一种单片集成式MEMS芯片，本发明还涉及这种MEMS芯片的圆片级封装方法。

背景技术

电子封装是将一个或多个电子芯片相互电连接，然后封装在一个保护结构中，其目的是为电子芯片提供电连接、机械保护或化学腐蚀保护等。然而有些电子产品，芯片表面不能与封装材料接触，特别是一些微传感器，如MEMS器件、表声波/体声波滤波器、震荡器等，需要用陶瓷管壳、金属管壳或塑料管壳等进行气密性封装，但这些封装方法成本高、体积大，不适用于消费类电子产品中。封装技术的发展趋势，是封装外形越来越小，器件功能越来越多，成本越来越低。随着MEMS器件在消费领域中的广泛使用，低成本，小体积的塑料封装方法，如LGA（栅格阵列封装）、QFN（方形扁平无引脚封装）、DFN（双边无铅封装）等被广泛采用。但这些封装方法中，塑封料是直接与芯片接触的，所以对那些表面有可动部件的MEMS芯片，必须先通过圆片级封装的方法将MEMS结构保护起来，然后再进行一般的塑料封装，这样塑封料接触圆片级封装的外围，而不会直接接触MEMS结构。圆片级封装技术是对整个制作有电子器件的圆片进行封装测试后再切割成单个成品电子器件的加工技术。圆片级封装后的成品具有重量轻、体积小、厚度薄、价格低的优点，是电子元器件封装技术的发展趋势。另外，圆片级封装后的芯片后续加工方便，不需要超净环境，圆片切割时也不需要特殊保护，节约了加工成本。

MEMS芯片的圆片级封装中，盖板一般是用与MEMS结构相同的材料制作，通常为Si，下部制作有一个凹腔。 盖板的主要作用是与底板一起，形成一个密封的空腔，向被密封于该空腔的MEMS结构提供一个可自由运动的空间，同时，保证MEMS结构不受外部环境的干扰。底板可以是集成电路芯片，也可以是不带电路的Si材料。

MEMS元器件成品通常由两个芯片组成，一个为微机械芯片，即MEMS芯片，另一个是用于控制MEMS芯片的专用集成电路芯片，即ASIC芯片。这两个芯片可以是独立的，通过装片，打线，包封等常规电子封装方法组合在一起，成为MEMS成品器件。MEMS芯片也可以和ASIC芯片在圆片加工过程中，通过圆片级封装集成在一起，成为单片集成式MEMS芯片，再通过常规封装，或植焊球形成MEMS成品。在单片集成式MEMS芯片中，MEMS芯片与ASIC芯片面对面紧贴在一起，信号通道短，受外界环境干扰信号的影响小，所以MEMS芯片的原始信号可以设计得较小，从而使得MEMS芯片面积小，降低了芯片成本。而且，单片集成式MEMS芯片的体积小，后封装简单、便宜。本发明就是关于单片集成式MEMS芯片圆片级封装的加工方法，特别是关于到带Si导电柱的MEMS圆片级封装方法。

现有圆片级封装的MEMS芯片主要有以下两种：

图1是现有圆片级封装的MEMS芯片的示意图，由盖板101和底板105构成的密封腔106为MEMS结构103a提供一个可自由活动的空间，MEMS层103与底板105间有密封层104提供气密性连接，MEMS层103与盖板101间有盖板绝缘层102电隔离，所以MEMS层103与盖板101是电绝缘的，盖板101上蚀刻有两个槽108，两个槽108之间的盖板形成导电柱101a；盖板绝缘层102中有导电层107，导电柱101a与MEMS结构103a通过导电层107电连接，导电柱101a上有金属焊块109，通过金属线110将MEMS的信号引出到ASIC芯片或封装基板上。该芯片只适用于独立的MEMS芯片的圆片级封装，不能用于单芯片集成式MEMS芯片的封装，而且由于导电柱在芯片一侧，不能通过植焊球的方式形成MEMS倒装芯片。在后续封装时，必须通过金属线将MEMS芯片和ASIC芯片进行电连接，然后再将两个或多个芯片封装在一起。这种芯片后续封装成本高，成品器件体积较大，且环境对信号干扰较大。