MEMS器件的封装相容晶片级封盖制造技术

MEMS器件的可移动部分在呈晶片形式时被包封并保护，使得可以使用商品引线框架封装。外涂聚合物如环氧环己基多面体寡聚倍半硅氧烷(EPOSS)已用作图案化牺牲聚合物以及外涂空气腔室的掩模材料。所产生的空气腔室为清洁、无碎屑并且稳固的。腔室具有在MEMS器件的引线框架封装过程中耐受模塑压力的实质强度。已制造20μm x400μm至300μm x400μm的许多腔室且显示为机械稳定的。这些可能容纳许多尺寸的MEMS器件。已使用纳米压痕研究腔室的强度，并使用分析及有限元技术模拟。使用该方案封装的电容谐振器已显示清洁的感测电极和良好的功能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】MEMS器件的封装相容晶片级封盖 相关申请的交叉引用 该申请要求于2011年12月7日提交的第61/567, 877号美国临时申请的权益，将 其全部内容引入本文作为参考。
本专利技术涉及微机电系统（MEMS)器件封装。更具体地，本专利技术涉及制造微机电系统 (MEMS)器件封装的方法。 背景 最近，微机电系统（MEMS)结构和器件的制造已取得许多进步。然而，以降低的 成本进行适当的封装仍然是实现其总体潜能的关键挑战（参见例如，Fritz等人，Lead frame packaging of MEMS devices using wafer-level, air-gap structures,，^NSTI-Nan 〇tech2011，2, 2011，第314-317页）。例如，基于MEMS的产品的一般封装费用可高达该产 品总成本的20%至40%。因此，成本有效的集成电路（1C)相容的MEMS封装方法将显著改 进MEMS器件的总体潜能。 附图的简要说明 图1显示根据本专利技术的实施方案的用于晶片级封装的工艺流程。 图2显示根据本专利技术的实施方案的在较小的模拟器件上形成的腔室的SEM显微照 片，其显示牺牲层的无碎屑分解。 图3A、3B和3C分别显示在牺牲材料分解以形成腔室后的破裂的薄外涂层；具有由 60%外涂材料溶液的单一旋转涂布形成的厚的未破裂的外涂层的腔室；以及具有由40% 外涂材料溶液的多次旋转涂布形成的厚的未破裂的外涂层的腔室。 图4A、4B和4C分别显示在第一时间和温度下通过厚外涂层材料的不完全分解后 具有残留牺牲材料的空气腔室；在比第一温度更高的第二温度下牺牲材料的分解后具有破 裂的外涂层的空气腔室；和在优化的时间和温度下牺牲材料的分解后具有无残留物、机械 稳固外观的空气腔室。 图5显示根据本专利技术的实施方案形成的用于封装压电器件的大腔室，其中该腔室 显示宽的沟槽和不平坦的拓扑图（topography)，同时提供具有无残留物、机械稳固外观的 腔室。 图6显示以4mN的力对具有1 μ m铝外涂层的20 μ m宽腔室进行纳米压痕会导致 这样的腔室的完全塌陷（插图显示腔室上的纳米压痕点）。 图7A、7B和7C分别显示20 μ m宽的具有1 μ m A1外涂层的腔室在4MPa的压力下 的挤压模塑下保持完整；50 μ m宽的腔室在lOMPa的压力下的挤压模塑下完全塌陷；以及 50 μ m宽的腔室在lOMPa的压力下的挤压模塑下仅显示0. 5 μ m的偏斜（deflection)，其中 1 μ m A1外涂层被3 μ m的铜替换。 图8A和8B分别显示挤压腔室的归一化应力分布和有效腔室设计可以通过受控的 牺牲材料分解导致在模塑过程中的更低的应力/损坏。 图9显示在8小时内分解的聚碳酸酯的等温TGA。 图10A和10B分别显示横截面原位分解/固化芯片级封装：通过在190°C下的PPC 分解形成的2mm直径、18 μ m高的腔室（A);通过在185°C下的PEC分解形成的2mm直径、 12 μ m高的腔室⑶。 图11显示封装的电容谐振器器件：器件显示清洁感测电极㈧；且成功地测量器 件性能⑶。 专利技术详述 如本文所使用，术语腔室将理解为是指由牺牲材料的分解产生的空间。此外， 应理解该术语包括用于已知技术中的术语空气腔室、气体腔室、真空腔室、空气隙 和其他类似术语。 如本文所使用，术语渗透（permeate) 和渗透（permeation) 是指气体材料溶 于固体材料中，通过该固体材料扩散并从固体材料中蒸发的过程。 目前存在用于MEMS结构和器件的各种市售晶片级封装方法。这样的晶片级封装 方法尤其包括PYREX?玻璃盖的界面结合，所述PYREX?玻璃盖具有与硅类似的热 膨胀系数；将这样的盖与中间熔融材料结合，所述中间熔融材料如低熔融温度玻璃和焊料； 和使用表面微机械加工进行包封。可以通过在适当的高温下将负电压施加到玻璃而使玻璃 盖阳极结合到mems晶片或通过等离子体活化结合来实现界面结合。对于该类型的结合，通 常通过盖或晶片进行电馈通。中间熔融材料的使用可以应用于采用侧向电馈通的非平面表 面。在使用表面微机械加工的情况下，通常通过蚀刻牺牲层来制备腔室，然后通过沉积密封 材料而堵塞去除牺牲层所需的任何开口，从而包封MEMS结构/器件。当需要真空腔室时，如 通常在MEMS器件如谐振器和红外传感器的情况下，在适当的低压下实现以上方法中任一 种的最终密封。用于电互连的电馈通结构是晶片级封装不可缺少的。参见Esashi，Wafer level packaging of MEMS, ''J.Micromech.Microeng. 18(2008)，第 1-13 页。 空气隙结构或腔室已用于制造能够进行平面内及穿过平面运动的MEMS和 纳米机电系统（NEMS)的微表面和纳米表面微机械加工工艺中（参见例如，Saha等 人,Three dimensional air-gap structures for MEMS packaging，Proceedings of the2010Electronic Components and Technology Conference, NV, 2010,第 811-815 页）。这些腔室结构使用低温可热分解的牺牲材料，所述材料是隔离电和机械部分所希望 的。外涂材料通常用于这些结构上，并应当耐受应力和温度影响，以及对上述牺牲材料的 分解副产物是可渗透的。当希望密闭式密封或增强的机械强度时，可以采用金属外涂层 (参见 Gan 等人，Getter free vacuum packaging for MEMS,，'Sensors and Actuators A:Physical，149,（2009)，第159-164页）。总体而言，用于牺牲层、外涂层和密闭式密封的 材料应与现有工艺相容并提供良好的层间粘着。 已公布使用空气腔室技术进行MEMS结构的晶片级封装的许多报导。Joseph 等人使用通过薄Si02膜的UMITY? 2303聚合物分解来制造作为封装的MEMS谐振器 的部分的腔室（参见 Joseph 等人，Wafer-level packaging of micromechanical resonators，''IEEE Transactions on Advanced Packaging，30(1)，2007，第 19-26 页）。然 而，由于首先使用氧化物掩模来图案化UNITY层，因此Joseph等人的加工方案是复杂的。使 用氧化物/聚合物（AVATREl./:)外涂层以获得机械强度并暴露结合垫（bond-pad)。 类似的方法用于封装变容器和加速计。 在使用Monajemi等人空气腔室方法封装后，观察到MEMS器件的性能 改进（参 见，Monajemi，等人,Characterization of a polymer based MEMS packaging technique, 11th International Symposium on Advanced Packaging Materia本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造晶片级微机电系统(MEMS)器件封装的方法，其包括：a)提供具有独立可移动微机电结构的基底；b)形成覆盖所述基底的可热分解牺牲层，其中所述牺牲层基本上包封所述独立可移动微机电结构；c)图案化所述牺牲层；d)任选地形成毗邻的第二外涂层，所述第二外涂层包封所述图案化的牺牲层并覆盖所述基底的部分；e)任选地将所述基底结合到芯片级封装支撑件；f)在第一温度下在第一时间段内使用模塑化合物包封所述基底，且如果存在则包封所述芯片级封装支撑件，其中所述牺牲层基本上保持存在；和g)在第二温度下固化所述模塑化合物，使得所述图案化的牺牲层热分解以形成围绕所述独立可移动微机电结构的腔室。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.12.07 US 61/567,8771. 一种用于制造晶片级微机电系统（MEMS)器件封装的方法，其包括： a) 提供具有独立可移动微机电结构的基底； b) 形成覆盖所述基底的可热分解牺牲层，其中所述牺牲层基本上包封所述独立可移动 微机电结构； c) 图案化所述牺牲层； d) 任选地形成毗邻的第二外涂层，所述第二外涂层包封所述图案化的牺牲层并覆盖所 述基底的部分； e) 任选地将所述基底结合到芯片级封装支撑件； f) 在第一温度下在第一时间段内使用模塑化合物包封所述基底，且如果存在则包封所 述芯片级封装支撑件，其中所述牺牲层基本上保持存在；和 g) 在第二温度下固化所述模塑化合物，使得所述图案化的牺牲层热分解以形成围绕所 述独立可移动微机电结构的腔室。2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述基底包括硅材料。3. 根据权利要求2所述的方法，其中所述基底为硅晶片。4. 根据权利要求1所述的方法，其中所述基底包括非硅材料。5. 根据权利要求1所述的方法，其中所述牺牲层由选自以下的材料形成：聚碳酸酯、聚 降冰片烯、聚醚、聚酯及其组合。6. 根据权利要求1所述的方法，其中所述牺牲层由选自以下的聚碳酸酯形成：聚亚丙 基碳酸酯（PPC)、聚亚乙基碳酸酯（PEC)、聚环己烷碳酸酯（PCC)、聚环己烷亚丙基碳酸酯 (PCPC)、聚降冰片烯碳酸酯（PNC)及其组合。7. 根据权利要求1所述的方法，其中所述牺牲层由聚亚丙基碳酸酯（PPC)形成。8. 根据权利要求1所述的方法，其中所述牺牲层由聚亚乙基碳酸酯（PEC)形成。9. 根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中所述牺牲层还包含光酸产生剂 (PAG)。10. 根据权利要求9所述的方法，其中所述光酸产生剂（PAG)为二苯基碘鎗盐或三苯基 硫鐵盐。11. 根据权利要求9所述的方法，其中光酸产生剂（PAG)选自：四（五氟苯基）硼酸 4-甲基苯基[4-(1-甲基乙基）苯基碘鎗（DPITPFPB)、四-(五氟苯基）硼酸三（4-叔丁基 苯基）硫鎗（TTBPS-TPFPB)和六氟磷酸三（4-叔丁基苯基）硫鎗（TTBPS-HFP)。12. 根据权利要求1所述的方法，其还包括在图案化牺牲层之前提供覆盖所述牺牲层 的第一外涂层，其中所述第一外涂层...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·A·科尔，R·萨哈，N·弗里兹，
申请(专利权)人：佐治亚技术研究公司，
类型：发明
国别省市：美国;US