[发明专利]一种半导体气密封装结构及其制造方法

说明书

技术领域

本发明有关于一种半导体封装结构及制造方法，特别有关于一种半导体气密封装结构及其制造方法。

背景技术

微电子产业为提升电子系统的速度与效能，不断地将封装元件微小化，以致发展所谓超大型集成电路设计（VLSI,very large scale integrated circuit），并将数个电子元件，如集成电路芯片、被动元件或光纤耦合元件等集成至一个单一封装。针对水晶晶体谐振器(Crystal)或振荡器(Oscillator)等元件，微小化的趋势亦是如此。然而，针对此类元件，陶瓷电路板即为主要采用的封装基板材料，除晶体谐振器与振荡器外，亦可应用于表面声波滤波器、微机电元件或其他感测类元件等，以提供一牢固空气腔室，以及高可靠性与高气密性特性。而以高温共烧陶瓷技艺HTCC所制作的陶瓷基板，即为目前最广泛应用于晶体振荡器的封装材料。

高温共烧陶瓷(HTCC)与低温共烧陶瓷(LTCC)技艺，均以烧结方式将导体与陶瓷生胚一同共烧而成，以提供优异的机械强度与气密性。然而，无论HTCC或LTCC，都会因高温烧结制程而有缩小化和无法精确控制封装尺寸、导体厚度、线宽以及线间距等问题，因此相当难以形成小尺寸封装制作。此外，由于这两种技艺均为烧结前采印刷方式涂布导体，故导体均匀性不佳，且最小线宽和间距（L/S）无法做小（如：4mils），陶瓷基板更易于烧结过程中产生变形，对后续封装加工造成许多难度。

直接电镀铜制程（DPC,Direct Plated Copper）是将陶瓷基板技术是结合薄膜制程(thin film process)和电镀制程(electrolytic plating process)，利用影像转移方式于已烧结的陶瓷基板上，形成金属化线路与导通孔的成熟制程技术，现已成功应用于用高功率、高散热、与高可靠性的产品上。DPC制程开始于溅镀金属种子层于陶瓷基板上，以作为电镀时所需的导电金属层，然后利用影像转移以光阻曝光显影方式定义其线路图案，再以电镀铜（Cu）镀出其铜金属线路，以形成坚固线路结构，最后再以表面处理层(surface finish layer)（镍/金，镍/钯/金，银或镍/银等），以防止铜导体的氧化。然而，因所有DPC制程皆于已烧结的陶瓷基板完成，故不需经过任何高温制程，因此DPC基板不会有任何收缩和翘曲等问题。

DPC基板可提供几个关键属性，如与半导体材质较匹配的热膨胀系数（CTE,Coefficient ofThermal Expansion）、高导热特性、低导体电阻、高温可靠度（>340°），以及其精准的线路制作，相当易于后段的封装制程等。此外，藉由影像转移制程，使陶瓷基板实现良好线宽解析，以允许高密度元件与电路（2mils for min L/S）、以及合理的成本。DPC制程能运用于各类陶瓷或半导体材料，如氮化铝（AlN）、氧化铝（Al₂O₃）、氧化锆增韧氧化铝（ZTA）、硅（Si）、氮化硅（Si₃N₄）、氧化铍（BeO）等等。

藉由DPC制程形成的陶瓷电路板可提供非常精细的特性与可控制的铜厚度，厚度范围可以从非常薄（1微米）至非常厚（300μm），以因应各种需求和应用。因此，对于一些特定封装，如：需要空气腔结构的气密性要求，DPC基板也可轻易藉由电解电镀以产生腔室。如，电镀较薄的铜层可作为电路，以作为电性与热内连结，而另一个电镀较厚的铜层围绕较薄的铜层，即可作为铜墙以形成腔室结构。

具有空气腔结构的DPC基板，其腔室大小和石英板厚度可因不同应用而任意改变。此外，精准的线路与导体的一致性将可提高石英谐振器的组装良率；金锡层(AuSn)也可直接电镀于DPC基板的铜墙上，用以密封铁镍钴合金上盖(Kovar lid)。然而，由于陶瓷和电镀金属的均匀性，金锡层并不需要太厚以覆盖原HTCC基板的翘曲，并节省成本。

参照第19图，台湾专利368184，其内容纳入参考，揭示一种气密芯片封装结构。此结构包括一陶瓷基板、一金属框，以及一金属上盖。金属框藉由高温焊接陶瓷基板上。虽然此结构提供良好气密性，但仍存在尺寸无法精准控制与小尺寸封装难以形成的问题。

参照第20图，台湾专利331378，其内容纳入参考，揭示一种微机电(MEMS)气密芯片封装结构。此结构包括一陶瓷基板、一拦坝，以及一金属上盖。拦坝与陶瓷基板经由粘着连接。虽然此结构提供良好气密性，但仍存在尺寸无法精准控制与小尺寸封装难以形成的问题