[发明专利]用于微机电系统器件的圆片级三维封装方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体工艺领域，特别涉及一种用于微机电系统器件的圆 片级三维封装方法。

背景技术

微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)是将微机械 元件、微型传感器、微型执行器、信号处理与控制电路等集成于一体的微 系统。随着MEMS与微电子、光电以及新兴纳米技术的融合，MEMS技 术已在越来越多的学科与领域内得到了更为广泛的应用。MEMS器件种 类繁多，没有标准化的封装方法。MEMS封装成本占制造成本的50％～ 80％。因此，研究开发低成本、高性能、圆片级的MEMS封装技术对推 动MEMS产业化至关重要^[1]。

三维封装技术是MEMS封装技术的发展趋势，又称立体封装技术， 是在X-Y平面二维封装的基础上，向三维方向发展的高密度封装技术， 与传统一维和两维封装相比，具有更小的封装体积、重量、延迟、噪声和 功耗，更高的速度和互连效率等^[2]。

三维封装的结构类型有三种：一是埋置型三维封装，即在多层基板底 层埋置IC芯片，顶层组装IC芯片，其间为高密度互连基板；二是有源 基板型三维封装，即在衬底上制造多层布线和多种集成电路，顶层组装模 拟芯片和其它元器件；三是叠层型三维封装，即把多个裸芯片或经过一级 封装的多芯片模块沿Z轴叠装、互连，组装成三维封装结构^[3]。

叠层型三维封装，不但应用了许多成熟的组装互连技术，还发展应用 了垂直互连技术，成本更低，体积更小，是目前得到广泛研究和应用的一 种三维封装技术^[4]。

叠层型三维封装的关键技术是垂直互连技术，它可用于电源、地以及 层间信号互连。垂直互连按互连方式的不同分为薄膜垂直互连、丝焊垂直 互连、凸点垂直互连和贯穿硅的通孔技术(through-silicon vias，TSV)。 薄膜垂直互连一般选用金属、导电环氧和各向异性导电胶等，丝焊垂直互 连则往往使用金丝和铝丝，而凸点垂直互连则选用焊膏^[4]。硅通孔技术 (TSV)是通过在芯片和芯片之间、晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之 间互连的最新技术，TSV能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大，外形 尺寸最小，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能。使用TSV互连的叠 层型三维封装所需的关键技术包括通孔的制作、绝缘材料的选择和填充、 互连导线的材料选择和制作、堆叠形式和键合方式^[5]。

TSV互连的叠层型三维封装可采取圆片级封装，圆片级封装降低了 封装的尺寸从而降低制造成本。实现圆片级封装最关键的工艺是圆片键 合。对其要求是：好的密封性，以防止湿气污染致使微结构失效；低键合 温度，避免高温引起器件的失效或者性能退化；低应力，避免应力对器件 性能产生不利影响^[6-7]。

为解决圆片键合工艺中器件经历高温的问题，近年来提出了局部加热 封装方法，在封装过程中使热量仅集中在键合微区，其它部位仍然保持低 温，从而避免了高温的不利影响，而且可以降低封装应力和杂质扩散，提 高器件性能和可靠性，成为近年来MEMS封装技术发展的主要方向^[8-9]。

针对上述MEMS三维封装面临的问题，本发明提出利用电磁力将微 纳尺度的金属线导入微孔中来实现高质量可靠的三维电学连接^[10]，损耗 低，寄生效应小；采用局域加热技术只对键合区域进行加热，不仅能实现 高键合强度和高气密性，而且保证器件区在整个键合过程中处于较低温 度，器件性能不受键合温度影响。圆片级封装保证了封装的低成本^[11]。这 一方法为MEMS器件提供了高质量的低成本三维封装方法，特别适用于射 频MEMS器件封装，不仅可以避免射频信号的衰减，保持低的插入损耗和 反射损耗，而且能最大程度降低对射频MEMS器件的电学性能影响。

参考文献

1.潘开林，李鹏，宁叶香，颜毅林，微机电系统封装技术，微细加工技术， 2008，(02)