[发明专利]芯片圆片级封装及其封装方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种MEMS和微电子工艺制造技术领域，尤其是一种芯片圆片级封装及其封装方法。

背景技术

随着应用的需求和发展，无论对军用还是民用的各种电子系统，都提出了轻量化、小体积、多功能的要求。而通过目前大量使用的管壳和倒装焊封装技术来实现更小的体积、更高的封装密度，已经遇到了技术和成本上的巨大挑战。目前我们正在经历这样一个时期，即使用圆片级封装工艺WLP解决以上问题，有人称之为零级封装，因为它真正实现了最小化的体积，同时降低成本，不再使用管壳，甚至还可以在这项技术上延伸，进而发展为不同种类芯片在三维方向的堆叠，实现最高的封装密度。

圆片级封装技术作为这样一种关键的基础制造技术，最初是由MEMS技术提出并发展而来的。开始是考虑到消除灰尘、潮气对可动结构的影响，所以给可动结构加一个盖帽来保护它；后来发现还具有提高MEMS器件性能、减小体积、降低成本等优势。经过圆片级封装，可以控制腔体内的气压和阻尼，从而调整器件性能，这一点对于MEMS器件具有重要意义，因此提出了密封的问题。后来圆片级封装技术在很多微电子器件上都得到了应用，带来了封装概念的革新，如果能够保持密封，保证器件的长期可靠性，完全可以替代管壳或者外部的塑封和框架。

通过上述应用发现，圆片级封装的密封性至为关键，它影响到器件的长期可靠性和性能，决定了圆片封装技术能否最终大量应用。而能否实现密封并保持同工艺和结构的设计都有很大关系。

目前国内外发展的圆片级封装，主要有以下这些工艺手段：

阳极键合——阳极键合是最广泛使用的圆片级封装方式之一。硅和玻璃通过电场形成可靠的键合，可以保持气密性，但是玻璃通孔制备困难，而且玻璃和硅表面要求高，适用范围小；

硅直接键合——通过吸附的水分子群之间的范德华吸引力，由湿化学元素或等离子体激活所造成的亲水性表面可在接触孔处立即键合。键合之后，间歇性热退火可用于将键合转换为共价键的Si-O-Si键合，并获得相当于体硅的键合强度。可以保持气密性，但是键合难度大，适用范围小。

热压键合——热压键合包括三个主要子范畴：玻璃熔封，共晶和扩散。

玻璃熔封键合中，当加热超过玻璃软化温度时，中间层界面在压力的影响下开始流动。玻璃可用于过孔挤压、丝网印刷、喷涂或沉淀方法。目前正在开展工作改善玻璃熔料的性能，因此它与共晶和扩散键合在高真空封装方面的竞争已日趋激烈。这项工作的难点是材料键合温度高，而且微电子和MEMS需要的精细图形化技术比较困难。

共晶键合利用冶金相变，其中由组分形成的二元相比其中任一组分的熔点都低。键合技术采用金属作为媒介层，通常会形成密封以及高真空的兼容性(低除气材料与低渗透性)。本质上讲，共晶键合是扩散键合的一个特殊情况，允许在相对低的温度下形成很强的金属间化合键合。当两种材料的扩散时，就会在共晶的成分中形成熔点很低的混合物。一旦共晶形成并变成液体，在液相扩散的影响下，在液-固界面处加速反应。德国弗朗霍弗研究中心使用这种技术实现了真空封装。

固态热压键合类似于共晶键合，因为它也会形成合金。然而，这些反应不涉及扩散界面的熔融。在固态键合中，关键是找出系统的低温固相相变和快速扩散系数。最常见的相位形式是一种可为组装提供结构稳定性的金属间化合物。

扩散键合也是一种热压键合，普遍应用于在相对低的温度时扩散系数变得很快的系统中。这常常发生在如金(Au)、铜(Cu)的材料中，因此可进行Au-Au或者Cu-Cu键合，甚至在低温下利用温度驱动动力学进行Cu-Au键合。在这些情况下，没有形成合金，界面是两种溶质的混合物。在某些应用中，相对于金属间化合或共晶合金的形式，扩散键合是一种更好的选择，因为合金比较脆弱。

粘接键合——通过聚合物，环氧胶类等实现粘接键合，工艺简单，便于应用、材料成本低、有足够的粘结强度和渗透率，但是密封保持性能上，在更为严酷的考核时会遇到问题，使其应用范围受到限制。

通过比较可以发现，由于使用中间焊料或者粘接层的热压键合(含共晶、固态热压和扩散键合)和粘接键合工艺灵活性大，易于图形化，适用于微电子和微机械工艺，温度较低等，成为目前研究和应用较多的主流圆片级封装技术手段。