一种MEMS封装过程中MEMS晶元的键合方法与流程

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种mems封装过程中mems晶元的键合方法。

背景技术：

mems(microelectromechanicalsystems)，即微机电系统，是集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。基于mems技术制作的产品，如微执行器、微传感器、微型构件在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事等领域的应用日益普遍，并且具有十分强大的市场竞争力。

mems制造封装技术基本沿用集成电路(ic)制造技术，但是一方面mems器件与外界交互信号不仅限于电信号，还包括机械、光、流体、气体等多种信号；另一方面一些mems器件包含多种材料、多种加工手段；这就使得mems封装工艺中的复杂性、多种外界因素需规避性，详见文献[1]。

键合技术广泛用于mems封装工艺中，主要解决mems器件的连接和密封问题，可分为直接热键合技术、中间介质层键合，直接热键合技术是没有中间介质的键合方法，其机理是在外部压力、高温的作用下，键合表面紧密接触，形成分子间作用力从而产生键合强度，根据不同机理可分为激光焊接键合、微波焊接键合、等离子体辅助键合、辐射降解键合等。中间介质层键合是在基片晶元处制备厚度均匀的胶膜从而进行基片晶元之间的胶键合，详见文献[2,4]。

中间介质层键合是一种高效、便捷的键合方式，适用材料范围广、成本较低、无需加热或只需较低温度即可。然而，均匀的胶膜制备技术是其技术发展的主要障碍，胶膜多孔性使难以获得完全紧密的密封性、粘液用于微流控、打印头芯片键合时易引起微通道的堵塞以及用于生物医疗场合的胶粘剂的生物兼容性问题等，详见文献[3]。

胶膜制备技术为中间层键合技术的关键，其制备方法包含多种，像高速甩胶旋涂法、精密点胶制备法、微凹辊涂布法等，但是对于mems器件，引起表面结构多样性，表面并非完整平面而是存在一定的微结构，高速甩胶旋涂一方面难以均匀、图案化进行胶结剂涂布，另一方面粘结剂在高速甩胶过程中胶体已进入微结构中，像微流控以及打印头芯片，会直接导致器件报废；微凹辊涂布法主要适用于柔性薄膜材料进行胶结剂涂布，对于一些刚性的晶元无法适用，而mems器件基本基于刚性材质进行加工；精密点胶技术虽可实现选择性涂胶以实现粘结剂图案化，但是其效率低下，且难以实现超薄胶体薄膜，详见文献[5]。

引用文献如下：

[1]towardsdisposablelab-on-a-chip:poly(meth-ylmethacrylate)microchipelectrophoresisdevicewithelectrochemicaldetection.

[2]聚合物微流控芯片的键合技术与方法

[3]adhesivewaferbondingformemsapplications

[4]applicationofadhesivesinmemsandmoemsassembly:areview

[5]methodforreducingtheadhesivepropertiesofmemsandanti-adhesion-coateddeviceus20050118742a1。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供了一种mems封装过程中mems晶元的键合方法，该方法解决了现有mems器件封装键合技术效率低、高温高压条件导致器件失效以及胶膜制备方法致使器件中微结构堵塞等问题。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种mems封装过程中mems晶元的键合方法，包括以下步骤：

步骤1：准备需要键合的两块mems晶元，在两块mems晶元上设有第一标记；

步骤2：图案化掩模的制备；

准备一张菲林片，按照其中一块mems晶元的微结构图案和第一标记的位置，在所述菲林片上通过光刻的方式设置比例放大的微结构图案以及第二标记，从而图案化掩模制作完成；

步骤3：胶粘剂的制备；

步骤4：制备键合胶膜；

步骤4.1：将步骤2中所述mems晶元放置在利用丝网设备工作台上，再将图案化掩模放置在步骤2中所述mems晶元上；

步骤4.2：使得图案化掩模中第二标记和步骤2中所述mems晶元中第一标记对准；

步骤4.3：在图案化掩模上表面涂抹胶粘剂，利用丝网设备中刮刀将胶粘剂从图案化掩模上表面挤压至步骤2中所述mems晶元上；

步骤4.4：取走图案化掩模，步骤2中所述mems晶元上形成图案化键合胶膜；

步骤5：两块mems晶元粘接；

将两块mems晶元上的第一标记对准，采用压合工装将两块mems晶元粘接在一起；

步骤6：将粘接完成的两块mems晶元进行加温固化，从而实现了mems晶元的键合。

进一步地，上述胶粘剂采用体积比为2:1的聚酰亚胺和环氧树脂，在高速旋转及真空吸附的条件下均匀混合制成。

进一步地，上述胶粘剂在加温固化过程中的扩散系数为0.05---0.5。

进一步地，上述第一标记为至少两个第一定位孔，所述第二标记为至少两个第二定位孔，第一定位孔和第二定位孔的开设位置及尺寸均相同。

进一步地，上述压合工装包括上压板以及下底板；所述下底板上设置有螺纹孔、两个第一定位销孔；所述上压板上设置有与所述螺纹孔相配合的通孔以及与两个第一定位销孔相配合两个第二定位销孔，且两个第一定位销孔的位置与所述mems晶元中两个第一定位孔的位置相对应。

进一步地，上述步骤5的具体实现步骤为：

步骤5.1：在下底板的两个第一定位销孔上分别插装定位销；

步骤5.2：将具有胶膜的mems晶元的两个第一定位孔分别对准两个定位销将其定位放置在下底板上；

步骤5.3：再将另一块ems晶元的两个第一定位孔分别对准两个定位销将其定位放置在具有胶膜的mems晶元上；

步骤5.4：将上压板的两个第二定位销孔对两个定位销定位放置在另一块mems晶元上；

步骤5.5：利用螺钉穿过上压板的通孔后与下底板的螺纹孔配合，拧紧螺钉，从而实现两块mems晶元粘接。

进一步地，上述图案化掩膜上的微结构图案与mems晶元上的微结构图案比例为0.5-0.95。

进一步地，上述加温固化的温度为100℃-120℃。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用一定比例的图案化掩膜作为刮胶过程的中间介质，避免了胶粘剂在mems晶元扩散所引起mems晶元微结构堵塞，从而导致器件失效的问题。该方法方法简单、便捷且可高效实施。

2、本发明中的胶膜固化后厚度小于10um，通过胶粘剂的配方以及高速旋转及高真空吸附的制备工艺，确保了胶粘剂混合均匀及胶粘剂内部气泡的去除。

3、本发明中采用丝网设备的刮刀一次性将胶粘剂刮至mems晶元上，保证了胶膜厚度的一致性以及工艺的高效性，解决了现有方法中精密点胶虽可实现区域选择性，但是通过单点点胶方式效率较低且难以保证均匀性的问题。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为图案化掩膜的结构图；

图3为mems晶元的结构图；

图4为压合工装的结构图。

附图标记如下：

1-第一定位孔、2-第二定位孔、3-上压板、4-下底板、5-螺纹孔、6-第一定位销孔、7-通孔、8-第二定位销孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种mems封装过程中mems晶元的键合方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分；再次，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

实施例

本实施例给出一种mems封装过程中mems晶元的键合方法，下面结合附图1对具体的实现步骤进行详细的描述：

步骤1：准备需要键合的两块mems晶元，在两块mems晶元上设有第一标记；如图2所示，本实施例中给出的第一标记为两个第一定位孔1，当然也可是多个定位孔；另外，本实施例中两块mems晶元形状、长、宽尺寸完全相同(由于长宽尺寸完全相同，因此两块mems晶元上的两个第一定位孔位置和大小均相同)，根据不同需求两块mems晶元上的微结构图案不同；

步骤2：图案化掩模的制备；

准备一张形状、大小与所述mems晶元相同的菲林片，按照其中一块mems晶元的微结构图案和第一标记(两个第一定位孔1)的位置，在所述菲林片上通过光刻的方式设置比例放大的微结构图案以及第二标记(此处第二标记为与所述两个第一定位孔1相对应且尺寸形同的第二定位孔2)，从而图案化掩模制作完成，如图3所示；由于图案化掩模上的微结构图案比mems晶元上的微结构图案大，因此可以使后期胶粘剂在加温固化过程中更好的扩散在mems晶元上。优选地，图案化掩膜上的微结构图案与mems晶元上的微结构图案比例为0.5-0.95。

步骤3：胶粘剂的制备；

本实施例中胶粘剂采用体积比为2:1的聚酰亚胺和环氧树脂，在高速旋转及真空吸附的条件下均匀混合制成，本实施例中胶粘剂的配方和混合方式确保了胶粘剂混合均匀及胶粘剂内部气泡的去除，避免了后期使用时，由于胶粘剂性能差，导致的键合效果不好的问题。注：胶粘剂在加温固化过程中的扩散系数为0.05-0.5。

步骤4：制备键合胶膜；

步骤4.1：将步骤2中所述mems晶元放置在利用丝网设备工作台上，再将图案化掩模放置在步骤2中所述mems晶元上；

步骤4.2：使得图案化掩模中第二标记和步骤2中所述mems晶元中第一标记对准(即就是两个第二定位孔2与两个第一定位孔1分别同心对准)；对于对准过程可以人工实现，但是对准效果很难保证，因此本实施例中采用了丝网设备上的相机进行实时拍照，获取实时图像，从而完成对准，对准精度更高。

步骤4.3：在图案化掩模上表面涂抹胶粘剂，利用丝网设备中刮刀将胶粘剂从图案化掩模上表面挤压至步骤2中所述mems晶元上；

步骤4.4：取走图案化掩模，步骤2中所述mems晶元上形成图案化键合胶膜；

步骤5：两块mems晶元粘接；

将两块mems晶元上的第一标记对准，采用压合工装将两块mems晶元粘接在一起；

本实施例中采用的压合工装具体结构如图4所示，包括上压板3以及下底板4；所述下底板4上设置有螺纹孔5、两个第一定位销孔6；上压板3上设置有与所述螺纹孔5相配合的通孔7以及与两个第一定位销孔6相配合两个第二定位销孔8，且两个第一定位销孔6的位置与所述mems晶元中两个第一定位孔1的位置相对应。本实施例的压合工装结构简单、易于加工和使用，但是实际工作中并不仅仅限于这种压合工装的结构形式。

因此，利用本实施例中的压合工装实现两块mems晶元粘接的具体过程如下：

步骤5.1、在下底板4的两个第一定位销孔6上分别插装定位销；

步骤5.2、将具有胶膜的mems晶元的两个第一定位孔1分别对准两个定位销将其定位放置在下底板4上；

步骤5.3、再将另一块ems晶元的两个第一定位孔1分别对准两个定位销将其定位放置在具有胶膜的mems晶元上；

步骤5.4、将上压板3的两个第二定位销孔8对两个定位销定位放置在另一块mems晶元上；

步骤5.5、利用螺钉穿过上压板3的通孔7后与下底板4的螺纹孔5配合，拧紧螺钉，从而实现两块ems晶元粘接。

步骤6：将粘接完成的两块mems晶元进行加温固化(加温固化的温度一般选取100℃-120℃)，从而实现了mems晶元的键合。

最后所应说明的是，上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。