一种MEMS器件的晶圆级封装方法及晶圆级封装结构与流程

本发明涉及mems器件的封装技术领域，尤其涉及一种mems器件的晶圆级封装方法及晶圆级封装结构。

背景技术：

mems(micro-electro-mechanicalsystem，微机电系统)芯片最常用的是承担传感功能，如mems麦克风芯片及mems压力芯片等。mems器件就是把一颗mems芯片和一颗asic(applicationspecificintegratedcircuit，专用集成电路)芯片封装在一块后形成的mems器件。现有技术中，mems芯片与asic芯片的封装结构主要存在以下问题，一是asic芯片与mems芯片并排放置于基板上，导致mems器件体积大；二是生产过程中，需将asic芯片与mems芯片一颗颗贴合于基板上，效率低下；三是外壳使用金属冲压方式，芯片之间采用金丝球焊接，导致制作成本高。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种mems器件的晶圆级封装方法，结构体积小，生产成本低，生产效率高。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种mems器件的晶圆级封装方法，包括

硅本体的端面上设有氧化硅层，在所述氧化硅层的端面上设置第一预设区，所述第一预设区上设置第一金属层，所述第一金属层周围设置第一树脂层；

所述第一树脂层设置在载体上；

在所述硅本体背离所述氧化硅层的一端的端面上设置第二预设区，沿第二预设区的外周去除所述硅本体及所述氧化硅层的材料，使所述第一金属层背离所述载体的端面露出；在所述硅本体的第二预设区表面及露出的所述第一金属层的端面上设置第三预设区，在所述第三预设区设置第二金属层，所述第二金属层与所述第一金属层接触连接；在所述第二金属层上的第四预设区设置焊接凸点，形成带有所述载体的转接体；

mems晶圆与所述第二金属层粘接，所述焊接凸点与所述mems晶圆上的第一导电柱一一对应设置；

去除所述载体，所述第一树脂层设置在第五预设区和第六预设区的外周，asic芯片与所述第一金属层粘接，所述asic芯片上的第二导电柱与所述第一金属层上的第五预设区连接；

在所述第一金属层上的第六预设区焊锡，形成mems器件的晶圆级封装结构。

可选地，在所述第二金属层上的第四预设区设置焊接凸点的同时还包括，在所述焊接凸点的外周设置焊锡形成密封环，所述密封环与所述焊接凸点间隔设置。

可选地，在所述焊接凸点的外周设置焊锡形成密封环之前还包括，在所述密封环的外圈设置干膜，及在各个所述焊接凸点之间设置所述干膜，所述干膜形成密封圈。

可选地，所述第一金属层设置在所述载体上之后，还包括，

去除所述硅本体背离氧化硅层一端的端面上的材料，以降低所述硅本体的厚度。

可选地，所述硅本体为

普通硅片，沿第二预设区的外周去除所述硅本体及所述氧化硅层的材料之后还包括，在所述硅本体的表面与所述第二金属层之间设置绝缘层；或

高阻硅片。

可选地，设置所述焊接凸点之前还包括，在所述第四预设区的外周设置第二树脂胶层。

可选地，所述第一预设区设置所述第一金属层之后还包括，在所述第一金属层上设置第一保护层；

所述第三预设区设置所述第二金属层之后还包括，在所述第二金属层上设置有第二保护层。

可选地，切割所述mems器件的晶圆级封装结构以形成单颗的mems器件的封装结构。

本发明的另一个目的在于提供一种mems器件的晶圆级封装结构，结构体积小，生产成本低，生产效率高。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种mems器件的晶圆级封装结构，通过上述的mems器件的晶圆级封装方法制成，封装结构包括mems晶圆、asic芯片和转接体，所述转接体包括：

硅本体；

第一金属层，设置在所述硅本体上；

氧化硅层，设置在所述硅本体和所述第一金属层之间；

第二金属层，设置在所述硅本体和所述氧化硅层的表面，所述第一金属层与所述第二金属层接触连接，所述第二金属层上设置有焊接凸点；

第一树脂层，设置在所述第一金属层上；

所述第二金属层与所述mems晶圆粘接，所述焊接凸点与所述mems晶圆上的第一导电柱一一对应设置，所述第一金属层与所述asic芯片粘接，所述asic芯片上的第二导电柱与所述第一金属层连接，所述第一金属层上还设置有焊锡，所述第一树脂层沿所述第二导电柱的外周和所述焊锡的外周设置。

可选地，所述焊接凸点的外周设置有密封环，所述密封环与所述焊接凸点间隔设置，所述密封环的外圈、及各个所述焊接凸点之间均设置有干膜，所述干膜形成密封圈，所述mems晶圆和所述转接体分别通过所述密封环和所述密封圈粘接。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种mems器件的晶圆级封装方法，应用晶圆级方法制作转接体，将asic芯片和mems晶圆分别通过转接体将其在纵向方向上进行堆叠连接，形成mems器件的晶圆级封装结构，减小了mems器件的体积；mems晶圆和asic芯片分别与转接体通过金属键合和有机材料键合相结合的方式相连接，提高了结构连接的可靠性，且制作成本低，封闭性好；可选地，切割mems器件的晶圆级封装结构以形成单颗的mems器件的封装结构，单片晶圆上多则几万颗芯片，晶圆上的各个芯片同时做封装之后进行切割，提高了封装效率，进而提高了生产效率；加工可行性高，本实施例的制作方法可适用于硅麦克风及压力传感器等多种mems器件的晶圆级封装结构制作。

本发明提供的一种mems器件的晶圆级封装结构，通过上述mems器件的晶圆级封装方法制成，即应用晶圆级方法制作转接体，将asic芯片和mems晶圆分别通过转接体将其在纵向方向上进行堆叠连接，形成mems器件的晶圆级封装结构，减小了mems器件的体积；mems晶圆和asic芯片分别与转接体通过金属键合和有机材料键合相结合的方式相连接，提高了结构连接的可靠性，且制作成本低，封闭性好；可选地，切割mems器件的晶圆级封装结构以形成单颗的mems器件的封装结构，单片晶圆上多则几万颗芯片，晶圆上的各个芯片同时做封装之后进行切割，提高了封装效率，进而提高了生产效率；加工可行性高，本实施例的制作方法可适用于硅麦克风及压力传感器等多种mems器件的晶圆级封装结构制作。

附图说明

图1是本发明的具体实施方式提供的氧化硅层、硅本体和第一金属层的结构示意图；

图2是本发明的具体实施方式提供的第一金属层的第一预设区设置光刻胶层的结构示意图；

图3是本发明的具体实施方式提供的在第一预设区外周刻蚀第一金属层的结构示意图；

图4是本发明的具体实施方式提供的去除光刻胶层的结构示意图；

图5是本发明的具体实施方式提供的在第一金属层设置第一树脂胶层的结构示意图；

图6是本发明的具体实施方式提供的在第一金属胶层安装载体的结构示意图；

图7是本发明的具体实施方式提供的将硅本体减薄处理的结构示意图；

图8是本发明的具体实施方式提供的沿第二预设区外周对硅本体开槽的结构示意图；

图9是本发明的具体实施方式提供的在硅本体上设置绝缘层的结构示意图；

图10是本发明的具体实施方式提供的去除开槽位置的绝缘层、氧化硅层的结构示意图；

图11是本发明的具体实施方式提供的设置第二金属层的结构示意图；

图12是本发明的具体实施方式提供的在第二金属层上的第三预设区设置光刻胶层的结构示意图；

图13是本发明的具体实施方式提供的去除第三预设区外周的第二金属层的结构示意图；

图14是本发明的具体实施方式提供的在第二金属层上的第一预设区外周设置第二树脂胶层的结构示意图；

图15是本发明的具体实施方式提供的在第四预设区设置焊接凸点、密封环的结构示意图；

图16是本发明的具体实施方式提供的设置密封圈的结构示意图；

图17是图16的a处放大图；

图18是本发明的具体实施方式提供的转接体的俯视图；

图19是本发明的具体实施方式提供的mems晶圆与转接体连接的结构示意图；

图20是本发明的具体实施方式提供的去除载体的结构示意图；

图21是本发明的具体实施方式提供的asic芯片与转接体连接的结构示意图；

图22是本发明的具体实施方式提供的mems器件的晶圆级封装结构的结构示意图；

图23是本发明的具体实施方式提供的mems器件的晶圆级封装结构的俯视图；

图24是本发明的具体实施方式提供的mems器件的晶圆级封装方法的流程图。

图中：

1000-mems器件的晶圆级封装结构；

101-氧化硅层；102-硅本体；103-第一金属层；104-光刻胶层；105-第一树脂胶层；106-载体；107-胶水层；108-绝缘层；109-第二金属层；110-第二树脂胶层；111-焊接凸点；112-密封环；113-密封圈；114-锡球；

2-mems晶圆；

3-asic芯片；301-第二导电柱。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本实施例提供了一种mems器件的晶圆级封装方法，如图1-图24所示，其包括以下步骤：

s1：硅本体102的端面上设有氧化硅层101，在氧化硅层101的端面上设置第一预设区，第一预设区上设置第一金属层103第一金属层103周围设置第一树脂层105；

s2：第一树脂层105设置在载体106上；

s3：在硅本体102背离氧化硅层101的一端的端面上设置第二预设区，沿第二预设区的外周去除硅本体102及氧化硅层101的材料，使第一金属层103背离载体106的端面露出；在硅本体102的第二预设区表面及露出的第一金属层103的端面上设置第三预设区，在第三预设区设置第二金属层109，第二金属层109与第一金属层103接触连接；在第二金属层109上的第四预设区设置焊接凸点111，形成带有载体106的转接体；

s4：mems晶圆2与第二金属层109粘接，焊接凸点111与mems晶圆2上的第一导电柱一一对应设置；

s5：去除载体106，asic芯片3与第一金属层103粘接，第一树脂层105设置在第五预设区和第六预设区的外周，asic芯片3上的第二导电柱301与第一金属层103上的第五预设区连接；

s6：在第一金属层103上的第六预设区焊锡，形成mems器件的晶圆级封装结构1000。

应用晶圆级方法制作转接体，将asic芯片3和mems晶圆2通过转接体将其在纵向方向上进行堆叠连接，形成mems器件的晶圆级封装结构1000，减小了mems器件的体积；可选地，切割mems器件的晶圆级封装结构1000以形成单颗的mems器件的封装结构，单片晶圆上多则几万颗芯片，同时做封装，提高了生产效率；mems晶圆2和asic芯片3分别与转接体通过金属键合和有机材料键合相结合的方式相连接，提高了结构连接的可靠性，且制作成本低，封闭性好；加工可行性高，本实施例的制作方法可适用于硅麦克风及压力传感器等多种mems器件的晶圆级封装结构制作。载体106起到中间承载辅助作用，当第一金属层103背离载体106的端面露出时，硅本体102及氧化硅层101被分割为一个一个的小单元，载体106用于连接一个一个的小单元，以便于将被分割的所有硅本体102及氧化硅层101小单元同时粘接在mems晶圆2上，以实现晶圆级封装。

具体地，转接体的制作包括以下步骤：

如图1所示，选用含有氧化硅层101的硅本体102，可选地，硅本体102的厚度为原始厚度，在600微米-800微米之间。之后，在氧化硅层101的端面上设置第一金属层103，该第一金属层103的主要作用是为后续的电路做准备，该第一金属层103可以是铝层、铝铜层或者是钛铜层等，优选的厚度在5微米以内，避免厚度过大而使封装结构的厚度过大。

本实施例中，如图2所示，根据电路走线设计需要，在第一金属层103上涂覆光刻胶层104，之后进行曝光显影，制作出匹配电路走线的光阻图案，光阻图案对应的位置为第一预设区。

本实施例中，如图3所示，将带有光阻图案的第一金属层103进行刻蚀，其作用是无光阻遮挡的区域经过药水的化学反应，可以去除相应位置的第一金属层103。有光阻遮挡的区域的第一金属层103则保留，即第一预设区保留了第一金属层103，此部分即为电路走线区域；通过以上步骤，实现了在第一预设区设置第一金属层103，便于设置第一金属层103，且能保证设置的位置和尺寸精度，提高了可靠性。

如图4所示，刻蚀之后去除辅助作用的光刻胶层104光阻，以免影响后续制作。为保护第一金属层103，防止其氧化，可选地，第一预设区设置第一金属层103之后还包括，在第一金属层103上设置第一保护层，具体地，在第一金属层103的表面继续镀上一层保护金属，保护金属可以是镍金或者是镍钯等。

如图5所示，为了保护电路层不会暴露在空气中，同时为了硅本体便于操作。可选地，设置载体106之前还包括，在第五预设区的外周和第六预设区的外周设置第一树脂胶层105；具体地，在第一金属层103的表面涂覆一层具有光阻特性的树脂胶，这层树脂胶的颜色一般为绿色或者是黑色等等，之后通过曝光显影将第五预设区和第六预设区的位置打开，便于后续焊接连接等操作。

可选地，靠近第一金属层103的一端设置载体106后，还包括，去除硅本体102背离氧化硅层101一端的端面上的材料，以降低硅本体102的厚度，降低封装结构的厚度，满足使用需求。

具体地，如图6所示，硅本体102的临时键合：为降低硅本体102的厚度，为满足使用需求，其厚度一般在0.05mm-0.2mm之间，然而这个厚度无法在制程中正常运转操作，所以在硅本体102减薄之前增加支撑的载体106，载体106与硅本体102之间使用一种易拆除的胶水层107粘合。

如图7所示，有支撑载体106后，将硅本体102进行减薄处理，载体106对硅本体102起到支撑作用，便于减薄处理等操作。

如图8所示，可选地，在减薄后的硅本体102表面涂覆一层光刻胶层104形成光刻胶层104，通过曝光显影的方式将第二预设区的外周位置的光刻胶层104去除，第二预设区对应的位置为后续需要开槽的位置。之后，经过刻蚀的工艺，将开槽位置的硅本体102去除，使氧化硅层101的端面露出，以便于后续使用。可选地，开槽的槽壁与氧化硅层101的端面之间的夹角为80°-90°，即去除位置的硅本体102的角度接近90°，以便于使氧化硅层101的端面露出和便于后续使用。最后，开槽工艺完成后，将辅助使用的光刻胶层104去除。

如图9所示，本实施例中，硅本体102选用普通硅片，即含有氧化硅的硅片，其具有一定的导电性，在硅本体102开槽之后还包括，在硅本体102的表面设置绝缘层108，即在带有开槽结构的硅本体102表面铺一层绝缘材质，以防止硅本体102与后续金属的直接导通，后续金属指的是第二金属层109，即将绝缘层108设置在之间硅本体102和第二金属层109之间。其他实施例中，硅本体102也可选用高阻硅片，其具有绝缘性，则可省去上述在硅本体102上设置绝缘层108进行钝化的步骤。

如图10所示，本实施例中，为了将第一金属层103功能转换到开槽面上，将开槽位置的绝缘层108、氧化硅层101依次去除，此步骤采用的是专用刻蚀氧化硅的设备完成。

如图11所示，将开槽位置的氧化硅层101去除后，露出背面的第一金属层103后，沿着开槽结构在表层铺一层第二金属层109，第一金属层103和第二金属层109接触连接。

如图12所示，根据电路走线设计需要，在第二金属层109的表面涂覆一层光刻胶层104，之后进行曝光显影，制作出匹配电路走线的光阻图案，光阻图案对应的位置为第三预设区。如图13所示，根据光阻图案，将表面无光阻的区域经过药水的化学反应去除第二金属层109，有光阻遮挡的区域的第二金属层109则保留，即第三预设区保留了第二金属层109，此部分即为电路走线区域；通过以上步骤实现了在第三预设区设置第二金属层109，便于设置第二金属层109，且能保证设置的位置和尺寸精度，提高了可靠性。之后，再去除辅助的光刻胶层104。

可选地，第三预设区设置第二金属层109之后还包括，在第二金属层109上设置有第二保护层，如图14所示，以保护第二金属层109，防止其氧化；具体地，在第二金属层109的表面继续镀上一层保护金属，金属可以是镍金或者是镍钯等。

可选地，设置焊接凸点111之前还包括，在第四预设区的外周设置第二树脂胶层110，以保护电路走线结构不会暴露在空气中，具体地，第四预设区设置在第二金属层109或者第二保护层上，第四预设区用于后期焊锡。如图14所示，本实施例中，在第二保护层上涂覆一层具有光阻特性的树脂胶，通过曝光显影等方式将后期用于焊接锡球114的位置打开，第二树脂胶的颜色一般为绿色或者是黑色等等。

如图15所示，在第二金属层109上的第四预设区设置焊接凸点111，具体地，在第二树脂胶开口位置，使用高温回炉的方式印刷锡膏，形成焊接凸点111。可选地，继续参照图15，在第二金属层109上的第四预设区设置焊接凸点111的同时，在焊接凸点111的外周设置有焊锡形成密封环112，密封环112与焊接凸点111间隔设置，通过密封环112的设置，加强了mems晶圆2与转接体之间的结合力，具体地，使用印刷锡膏的方式，形成密封环112。

如图16-图18所示，可选地，在焊接凸点111的外周设置有焊锡形成密封环112之前还包括，在密封环112的外圈设置有干膜，在各个焊接凸点111之间设置有干膜，干膜形成密封圈113，通过密封圈113进一步加强了后续转接体与mems晶圆2之间连接时的密封性。通过以上具体步骤实现了转接体的制作。

具体地，带有载体106的转接体和mems晶圆2的粘合，包括以下具体步骤：

如图19所示，将焊接凸点111与mems晶圆2上的导电柱位置一一对应之后，采用高温的方式，将mems晶圆2与转接体通过密封环112和密封圈113粘合在一起。mems晶圆2与转接体之间通过金属共晶和有机胶材同时键合的方法，金属共晶键合实现电学信号互联的同时通过密封环112和密封圈113进行密封，密封环112和密封圈113将上、下两层的mems晶圆2和转接体紧密粘合在一起，增强密封性和键合强度，提高了封装结构的可靠性。

具体地，带有载体106的转接体和asic芯片3的粘合，包括以下具体步骤：

如图20所示，转接体与mems晶圆2粘合之后，拆除用于辅助支撑的载体106以及用于粘接载体106和用于粘合载体106与硅本体102之间的胶水层107，从而暴露出第一金属层103，本实施例中，暴露出第一金属层103上设置的第一保护层及第一保护层上的第一树脂胶层105。

如图21所示，asic芯片3上先焊接第二导电柱301，第二导电柱301与第五预设区对应设置，通过贴片的方式，将asic芯片3贴合在转接体上。

如图22所示，具体地，在第一金属层103上的第六预设区焊锡，包括以下具体步骤：在第六预设区印刷一层锡膏，通过低温回炉的方式，形成一个个锡球114，通过预设锡球114，以便于与外部结构焊接连接。进一步可选地，锡球114设置在asic芯片3的外周，以便于锡球114与外部结构连接。

本实施例还提供了一种mems器件的晶圆级封装结构1000，其上述的mems器件的晶圆级封装方法制成。具体地，封装结构包括mems晶圆2、asic芯片3和转接体，转接体包括依次设置的第一金属层103、氧化硅层101、第一树脂层105、硅本体102和第二金属层109，其中，第一金属层103设置在硅本体102上，氧化硅层101设置在硅本体102和第一金属层103之间，第二金属层109设置在硅本体102和氧化硅层101的表面，第一金属层103与第二金属层109接触连接，第二金属层109上设置有焊接凸点111；第一树脂层105设置在第一金属层103上；第二金属层109与mems晶圆2粘接，焊接凸点111与mems晶圆2上的第一导电柱一一对应设置，第一金属层103与asic芯片3粘接，asic芯片3上的第二导电柱301与第一金属层103连接，第一金属层103上还设置有焊锡，第一树脂层105沿第二导电柱301的外周和焊锡的外周设置。

可通过上述mems器件的晶圆级封装方法制成，即应用晶圆级方法制作转接体，将asic芯片3和mems晶圆2分别通过转接体将其在纵向方向上进行堆叠连接，形成mems器件的晶圆级封装结构1000，减小了mems器件的体积；可选地，切割mems器件的晶圆级封装结构1000以形成单颗的mems器件的封装结构，单片晶圆上多则几万颗芯片，同时做封装，提高了生产效率；mems晶圆2和asic芯片3分别与转接体通过金属键合和有机材料键合相结合的方式相连接，提高了结构连接的可靠性，且制作成本低，封闭性好；加工可行性高，本实施例的制作方法可适用于硅麦克风及压力传感器等多种mems器件的晶圆级封装结构1000制作。

可选地，第一金属层103上的焊锡为锡球114，外观性好，便于后续与外部结构焊接连接。

可选地，锡球114设置在asic芯片3的外周。

可选地，第一金属层103上设置有连接区，连接区与第二导电柱301连接，第一金属层103上设置有第一树脂胶层105，第一树脂胶层105设置在锡球114及连接区的外周。

可选地，第二金属层109上设置有第二树脂胶层110，第二树脂胶层110设置在焊接凸点111的外周。

可选地，硅本体102为普通硅片，硅本体102的表面设置绝缘层108；或硅本体102为高阻硅片。可选地，焊接凸点111的外周设置有密封环112，密封环112与焊接凸点111间隔设置，mems晶圆2和转接体分别通过密封环112粘接。

可选地，密封环112的外圈、及各个焊接凸点111之间均设置有干膜，干膜形成密封圈113，mems晶圆2和转接体分别通过密封圈113粘接。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。