一种用于复杂微机械封装的硬掩膜板结构及其焊料键合方法与流程

本发明属于微电子机械系统技术领域，具体地说，涉及一种用于复杂微机械封装的硬掩膜板结构及其焊料键合方法。

背景技术：

焊料键合是一种常用的微机械封装工艺，具有实用性广、稳定性高等优点。焊料键合通过键合面的共熔合金材料将上下层基材紧密结合，常用的共熔合金体系包括金-硅体系、铝-锗体系、金-锡体系等等。这些金属材料一般通过溅射、双源蒸镀、电镀等方法，在掩膜版存在的情况下选择性地沉积在指定区域（比如器件的密封环区域）。

大多数情况下，金属材料沉积是在微结构成型之前进行的，因此金属材料可以采用刻蚀或剥离（lift-off）方法图形化，无需考虑对微结构的影响，掩膜版的设计也相对简单。但是，部分情况下金属材料沉积需要在微结构成型之后进行，因此如何避免沉积材料引起微结构的堵塞成为一个很重要的问题。一个可行的解决方案是沉积时用硬掩膜板将微结构区域遮挡，比如以微阀门器件为例。微阀门器件一般包括阀座、可运动的轴壳包板、驱动器几部分，其中阀座包含进气口、出气口、气体通道等结构。器件加工中通常会先形成两层分离的结构，其中一层为轴壳包板和驱动器，另外一层为阀座，最终两层结构需要通过焊料键合封装形成完整的器件。焊料键合前需要在两层结构的结合面分别沉积金属材料，沉积区域通常为围绕器件结构的封闭环形。沉积时硬掩膜板不仅需要遮挡封装环外侧，还需要遮挡器件结构，这造成硬掩膜板图形的不连续，带来加工的困难（具体见实施例）。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供了一种用于复杂微机械封装的硬掩膜板结构及其焊料键合方法，用于避免以往焊料键合中金属材料沉积的图形化问题。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种用于复杂微机械封装的硬掩膜板结构，其包括硬掩膜板的微结构区；

微结构区阻挡块，微结构区阻挡块用于阻挡金属材料沉积到微结构区，并定义金属材料沉积区域的内部边界，金属材料沉积区域设置为镂空区；

外环，外环用于支撑整个硬掩膜板结构，并定义金属材料沉积区域的外部边界；

连接条，连接条位于外环与微结构区阻挡块之间，将二者连接从而保证硬掩膜板的拓扑连续性；

对位标记，对位标记镂空设置于微结构区阻挡块内，设置为数个中心对称的“十”字结构。

根据本发明一实施方式，其中上述连接条为多根，且非中心对称设计。

根据本发明一实施方式，其中上述连接条为两根，其中一根位于微结构区阻挡块的上部，另外一根位于微结构区阻挡块的下部。

根据本发明一实施方式，其中上述连接条为两根，其中一根位于微结构区阻挡块的左侧，另外一根位于微结构区阻挡块的右侧。

根据本发明一实施方式，其中上述连接条为两根，其中一根位于微结构区阻挡块的右上45°方向，另外一根位于微结构区阻挡块的左下45°方向。

根据本发明一实施方式，其中上述连接条为两根，其中一根位于微结构区阻挡块的左上45°方向，另外一根位于微结构区阻挡块的右下45°方向。

本发明还公开了一种用于复杂微机械封装的硬掩膜板结构的焊料键合方法，包括：

步骤a.将硬掩膜板与微机械第一组件的键合面相贴合，然后沉积金属焊料；

步骤b.将硬掩膜板旋转90°后再次与第一组件的键合面相贴合，按照键合面留下的对位标记进行对准，并再次沉积金属焊料；

步骤c.将硬掩膜板与微机械第二组件的键合面相贴合，然后沉积金属焊料；

步骤d.将硬掩膜板旋转90°后再次与第二组件的键合面相贴合，按照键合面留下的对位标记进行对准，并再次沉积金属焊料；

步骤e.将第一组件和第二组件的键合面贴合，进行焊料键合，完成器件封装

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

本发明提供的硬掩膜板图形设计方案适用于微机械器件分离结构的封装，对于封装中焊料键合的金属材料沉积，采用本发明提供的硬掩膜板图形设计方案，能够避免金属材料沉积对已成型微结构的影响，同时通过一块硬掩膜板两次沉积的方法，保证器件封装键合环的连续性。本发明提供了一种简单同时有效的用于已成型微结构封装用的金属材料沉积硬掩膜板图形方案。

当然，实施本发明的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1显示为本发明中微阀门器件的结构示意图；

图2显示为图1延aa’线的剖面示意图；

图3显示为微阀门器件封装焊料键合中合金材料沉积用硬掩膜板的第一种图形设计方案；

图4显示为微阀门器件封装焊料键合中合金材料沉积用硬掩膜板的第二种图形设计方案；

图5显示为微阀门器件封装焊料键合中合金材料沉积用硬掩膜板的第三种图形设计方案；

图6显示为微阀门器件封装焊料键合中合金材料沉积用硬掩膜板的第四种图形设计方案；

图7显示为微阀门器件封装的工艺流程图。

附图标记

101进气口

102出气口

103气体通道

104中央气孔

105阀座

106器件微结构区

201轴壳包板

202弹性膜

203压电驱动器

300焊料键合密封环

401硬掩膜板外环

402硬掩膜板镂空区（金属沉积区）

4031~4038连接条

404器件微结构区硬掩膜板对应区域

405对位标记

406硬掩膜板微结构区阻挡块。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

请一并参考图1至图7，图1显示为本发明中微阀门器件的结构示意图；图2显示为图1延aa’线的剖面示意图；图3显示为微阀门器件封装焊料键合中合金材料沉积用硬掩膜板的第一种图形设计方案；图4显示为微阀门器件封装焊料键合中合金材料沉积用硬掩膜板的第二种图形设计方案；图5显示为微阀门器件封装焊料键合中合金材料沉积用硬掩膜板的第三种图形设计方案；图6显示为微阀门器件封装焊料键合中合金材料沉积用硬掩膜板的第四种图形设计方案；图7显示为微阀门器件封装的工艺流程图。

本发明提供一种用于已成型分离结构微阀门器件封装的金属沉积用硬掩膜板图形设计方案。已成型的微阀门器件包括阀座和轴壳包板-驱动器两层分离结构。其中阀座结构包括进气口101、出气口102、气体通道103、中央气孔104、阀座105等组件，轴壳包板-驱动器结构包括轴壳包板201、弹性膜202、压电驱动器203等组件。两层结构通过上下堆叠形成完整结构（如图1），本实施例采用焊料键合进行结构堆叠，如图1中键合环300。

进气口101通过气体通道103与中央气孔104连接，图2显示了这种连接关系。微阀门器件工作时，气体从进气口101流入，延气体通道103到中央气孔104，最终从出气口102流出。压电驱动器203通过控制轴壳包板201的升降控制微阀门的流速及打开关闭。

本实施例选择铝-锗焊料体系说明微阀门器件的封装方法。阀座结构和轴壳包板-驱动器结构进行焊料键合前，需要在二者的键合面分别沉积金属铝和金属锗。为避免金属沉积对阀座结构中中央气孔104、出气口102等的影响，本实施例展示了四种金属沉积用硬掩膜板的图形设计方案，分别如图3~图6所示。硬掩膜板的图形设计方案包括外环401、镂空区402、对位标记405、微结构区阻挡块406以及连接外环401和微结构区阻挡块406的连接条。

金属沉积时，硬掩膜板贴合阀门结构或轴壳包板-驱动器结构的键合面，然后通过溅射、双源蒸镀、电镀等方法将金属沉积在镂空区。由于外环和微结构区阻挡块的阻挡，金属沉积为密封环状（连接条区域断开），避免了对已成型微结构的影响。由于连接条的阻挡，金属密封环在连接条处断开。通过将硬掩膜板旋转90°，按照对位标记进行对准，并进行二次金属沉积，即可形成连续的金属密封环。连接条可采用不同的设计，或者如图3中连接条4031和4032所示位于微结构区阻挡块的上下，或者如图4中连接条4033和4034所示位于微结构区阻挡块的左右，或者如图5中连接条4035和4036所示位于微结构区阻挡块的+45°对角线，或者如图6中连接条4037和4038所示位于微结构区阻挡块的-45°对角线。

本实施例中微阀门器件的封装工艺流程图如图7所示，包括以下步骤：

（1）将图3所示的硬掩膜板与轴壳包板-驱动器结构的键合面相贴合，然后使用溅射方法沉积金属铝，所形成的的剖面示意图和金属图案分别如图7（a）的左、右图所示；

（2）将硬掩膜板旋转90°后再次与轴壳包板-驱动器结构的键合面相贴合，按照键合面留下的对位标记进行对准，并再次沉积金属铝，所形成的的剖面示意图和金属图案分别如图7（b）的左、右图所示；

（3）将硬掩膜板与阀座结构的键合面相贴合，然后使用溅射方法沉积金属锗，所形成的的剖面示意图和金属图案分别如图7（c）的左、右图所示；

（4）将硬掩膜板旋转90°后再次与阀座结构的键合面相贴合，按照键合面留下的对位标记进行对准，并再次沉积金属锗，所形成的的剖面示意图和金属图案分别如图7（d）的左、右图所示；

（5）将轴壳包板-驱动器结构和阀座结构的键合面贴合，在一定温度下进行焊料键合，完成器件封装。

综上所述，本发明提供的硬掩膜板图形设计方案适用于微机械器件分离结构的封装，对于封装中焊料键合的金属材料沉积，采用本发明提供的硬掩膜板图形设计方案，能够避免金属材料沉积对已成型微结构的影响，同时通过一块硬掩膜板两次沉积的方法，保证器件封装键合环的连续性。本发明提供了一种简单同时有效的用于已成型微结构封装用的金属材料沉积硬掩膜板图形方案。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。