[发明专利]一种面向MEMS封装的纳米玻璃粉回流工艺

说明书

一种面向MEMS封装的纳米玻璃粉回流工艺，涉及一种纳米玻璃粉的回流工艺。硅微腔刻蚀；纳米玻璃粉填充；纳米玻璃粉热熔回流；硅盖帽与MEMS器件基底键合。采用纳米玻璃粉代替块状玻璃进行玻璃回流工艺，能够有效的解决玻璃块与硅需要进行复杂的键合、玻璃回流时间长、易形成晶体、腔体边缘填充不足或内部容易形成空腔无法满足真空度要求等缺点，采用该工艺回流后的玻璃还能够具有商用玻璃的优良特性。此外，该工艺便捷高效，易于推广。

技术领域

本发明涉及一种纳米玻璃粉的回流工艺，尤其是涉及一种面向MEMS封装的纳米玻璃粉回流工艺。

背景技术

微机电系统(MEMS)的敏感单元通常是微尺度的可动硅结构，其在温度、湿度、尘埃等因素的影响下都会造成器件性能的下降甚至损坏。因此，良好的封装工艺是提高MEMS器件性能和抗干扰能力的有效保障。

MEMS器件种类繁多，不同器件的封装技术各不相同，其中，采用圆片级封装(waferlevel package-WLP)技术形成的器件具有较高的一致性、可靠性和成本率，因此成为MEMS封装的发展趋势和研究的重点。圆片级封装是指在划片前，以硅晶圆片为单位真空封装的操作，封装为一次性完成，缩短了封装时间，降低了成本，且易于批量化生产。目前，WLP可分为表面键合、中间层键合和表面微处理封装。表面键合又根据不同封装材料分为阳极键合和硅硅键合；中间层键合又可分为玻璃浆料键合和共晶键合([1]Wolffenbuttel R F.Low-temperature intermediate Au-Si wafer bonding；eutectic or silicide bond[J].Sensors and Actuators A(Physical),1997,62(1-3):680-686.)。采用WLP封装的重点与难点问题主要有：一是高真空度。采用键合工艺进行封装时，键合过程会产生H₂、O₂等气体，限制了高真空度的形成，降低了MEMS器件的性能。二是应力失效。不同材料的热膨胀系数不同，键合后热失配引起的热应力会造成器件损坏。三是电学性能。垂直互联在传感器中充当电化学信号作用，应具有高电导率，同时互联之间不能互相影响，保证低的寄生电容。四是密闭性。加入纳米吸气剂能够长期的满足真空度要求，但额外增加的工艺导致成品率的降低及成本的升高。

盖帽封装是实现WLP的一种常见方法。盖帽微腔保证可动部件有足够运动空间，同时盖帽和基底紧密结合确保足够小的漏率，以满足腔体内的真空度要求。盖帽封装的电信号引出方式多为垂直互联。垂直互联是将电信号垂直引出，因此可以将引线结合(Wirebonding)或焊锡球(soldering)放在盖帽外面，能明显减少芯片的尺寸和封装尺寸([2]Heck J M,Arana L R,Read B,et al.Ceramic Via Wafer-Level Packaging for MEMS[J].2005.)。垂直互联可以实现三维芯片堆叠，还可以缩短电信号的传输距离，减少信号干扰。垂直互联可分为玻璃垂直互联(Through Glass Via-TGV)或硅垂直互联(ThroughSilicon Via-TSV)，其中，TGV使用范围更广，寄生电容小，隔热性好，键合简单(几乎都使用阳极键合)。玻璃不仅具有良好的绝缘性，而且和硅之间有较好的热匹配系数，能有效地避免键合后热应力过大导致器件失效的问题。TGV最大的难点在于通孔的设计，而采用玻璃回流工艺免除了在玻璃上刻蚀通孔的难点。传统的TGV工艺过程为先在硅片上刻蚀微腔后，将刻蚀好的硅片与玻璃进行阳极键合，再通过加热使玻璃填满微腔，最后进行机械化学抛光形成TGV盖帽。现有玻璃回流工艺的主要缺点为：一是阳极键合时，玻璃和硅都有表面粗糙度的要求和键合环境真空度要求。而且，键合后玻璃表面化学性质会变化；二是玻璃加热回流时存在回流时间长、容易形成晶体、微腔边缘填充不足、内部容易形成空腔、填充速度随腔体变小而变慢、填充宽度一般不小于100μm和侧壁角度小于90°的腔体填充困难等问题；三是抛光时存在抛光时间、物力成本高、表面凹凸不平容易造成碎片以及为了达到粗糙度要求需要进行粗抛和精抛两次抛光等问题。

发明内容