一种应用于多传感器集成的逐级真空封装方法

本发明涉及一种微器件真空封装方法，特别是涉及一种应用于多传感器集成的逐级真空封装方法。

背景技术：

1、圆片级真空封装由于具有大批量、低成本、高良率、小尺寸等优点而逐渐取代传统器件级封装成为当今的主流封装技术。然而，由于其固有的封装形式(键合行为在界面通常以推进式的方式成键)以及键合过程中的放气行为，严重降低封装器件的初始真空度和真空度一致性。针对提升封装器件的初始真空度，业界普遍的做法是封装前材料的除气、增加吸气剂材料以及改善封装腔室的真空环境等。但对于如何提升圆片级真空封装的一致性，目前并没有较好的解决方案。此外，随着时代的发展，汽车、航空航天、生物医疗以及消费电子等领域对真空mems器件在高性能、高集成度以及微型化等方面提出愈发严苛的要求，如何将多种不同真空度要求或工作气氛条件差异的mems传感器在同一圆片上实现集成封装是今后亟待解决的问题，急需在真空封装方式上进行变革，探究出一种具有更大真空度调节能力的真空封装方法。

2、针对如何提升圆片级真空封装真空度及其一致性，一种解决办法是在封装腔室上预留一个抽气微孔，待完成圆片键合后将其置于高温、高真空环境下进行除气，使器件内部的压强与封装腔室的压强相同，最后利用其它工艺(如：热压焊、激光加热、钉头凸点等)将预留的放气孔堵住，从而实现器件高真空度、高一致性的圆片级真空封装，druck公司对压力传感器的真空封装正是基于此原理。

3、中国专利cn102358616a公开一种玻璃管与mems芯片气密烧结装置，解决传统装置中玻璃浆料在烧结时会大量释放有机气体但又无法排出真空微腔的问题，使封装器件的真空度高达5x10-6pa，极大提升封装器件的性能、寿命及合格率。但该工艺仅适用于器件级封装，效率较低，且制备的器件存在整体尺寸偏大的缺点。

4、针对如何将多种不同真空度要求或工作气氛条件差异的mems传感器在同一圆片上实现集成封装，文献(j.classen et al.,"evolution of bosch inertial measurementunits for consumer electronics,"2020ieee sensors,rotterdam,netherlands,2020,pp.1-4)提出一种多传感器集成封装的方法，用以提升器件性能并减小整体封装尺寸。该文献给出博世惯性测量单元的演变历史，该测量单元由微陀螺仪、加速度传感器及其专用集成电路组成，其封装历经bmi055、bmi160以及bmi260三代产品的优化。由于微陀螺仪与加速度传感器的最优工作压力相差较大(微陀螺仪约1mbar左右，加速度传感器约100mbar左右)，在同一真空度下对其进行封装，二者很难同时处于最佳工作状态。若采用传统制备工艺(先对二者进行独立封装，然后再整合到一起)又存在步骤繁琐、封装体积大、成本高昂等弊端。因此，博世公司在其第三代惯性测量单元上实现微陀螺仪、加速度传感器及其专用集成电路的集成封装，通过在盖帽上预留抽气微孔，并结合脉冲激光束的局部加热功能，实现对微孔的逐级熔封，最后得到体积更小、性能更优的惯性测量单元；但激光局部加热方式引入的热应力会很大程度影响器件性能，限制该方法的实际应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供采用真空脉冲电磁喷射技术实现多传感器集成的一种应用于多传感器集成的逐级真空封装方法。可用于加速度传感器、微陀螺仪、谐振式压力传感器和mems谐振器等需要工作在某一真空环境下的微小器件。

2、本发明包括以下步骤：

3、1)在玻璃晶圆上表面加工若干锥形盲孔，以锥形盲孔为中心加工微流道以及垂直互连通孔，垂直贯穿玻璃晶圆形成锥形孔，微流道及垂直互连通孔直径远小于锥形孔开口直径；

4、2)在玻璃晶圆下表面加工若干个微腔，用于分别封装各传感器；

5、3)在玻璃晶圆下表面预留键合区加工若干台阶，每个台阶对应一个微腔，台阶内部含有步骤1)加工的微流道，微流道通过台阶分别与对应微腔相连通；

6、4)在锥形孔侧壁溅射凸点下金属层，将垂直互连通孔内电镀金属铜，其余与微腔相连用以排气的微流道不作处理；

7、5)在器件晶圆上加工出若干传感器、金属引线及电极；

8、6)将玻璃晶圆与器件晶圆键合在一起得到键合晶圆；

9、7)将键合晶圆置于真空脉冲电磁喷射系统中，调整微喷阀位置使之对准第一喷射点；

10、8)抽真空至m pa，使微腔内气体通过微流道抽走，外部触发使脉冲电磁喷射系统产生一颗金锡焊料熔滴，落在与第一微腔相连通的微流道顶端锥形孔内，实现第一传感器的封装；

11、9)继续抽真空至n pa，调整微喷阀位置使之对准第二喷射点，外部触发使脉冲电磁喷射系统产生一颗金锡焊料熔滴，落在与第二微腔相连通的微流道顶端锥形孔内，实现第二传感器的封装，以此类推，实现若干传感器的封装；

12、10)将垂直互连通孔顶部的锥形孔内喷射填充金锡焊料熔滴，实现电学信号的引出。

13、在步骤1)中，所述锥形盲孔采用微加工工艺，具体方法是通过各向异性湿法腐蚀制作，锥形盲孔开口直径在100～110μm(略大于金锡熔滴直径)，所述玻璃可采用7740玻璃片。

14、在步骤2)中，所述若干个微腔为至少两个微腔，微腔个数视集成传感器个数来定；所述微腔可采用各向异性湿法腐蚀方法制作。

15、在步骤3)中，所述台阶可采用各向异性湿法腐蚀或喷砂工艺制作，所述微流道可采用激光或电化学加工法，微流道尺寸为微米量级，最好为1～3μm。

16、在步骤4)中，所述锥形孔的侧壁可由粘附层、扩散阻挡层、焊料浸润层和抗氧化层等多层金属薄膜组成，所述粘附层可采用cr、ti、v、tin、tiw等金属中的一种，所述扩散阻挡层可采用ni、cu、pd、pt等金属中的一种，所述焊料浸润层和抗氧化层可采用au；所述垂直互连通孔需先在其内壁制备一层金属催化剂，可以是cu或co；然后，将整个材料浸泡在含有cu离子的电解液中，并施加电流；通过电解作用，cu离子在垂直互连通孔内逐渐还原成固体金属，填满整个通孔，完成cu引线的电镀。

17、在步骤4)中，所述凸点下金属层通常由多层金属膜组成，可以采用ti/ni/au或ti/pt/ni组合。)

18、在步骤5)中，所述器件晶圆采用单晶硅片、soi片或sog片；所述传感器采用微加工工艺，金属引线及电极选择与硅热匹配系数更接近的铜，采用溅射和光刻方法制备；所述传感器的数量与微腔个数相匹配。

19、在步骤6)中，所述键合可采用阳极键合或玻璃浆料键合方式；若采用阳极键合方式，键合温度和电压分别为300℃、1000v；若采用玻璃浆料键合方式，键合温度控制在200～450℃；优选采用玻璃浆料键合方式，玻璃浆料键合方式可有效减小步骤4)中金属电极凸起造成的气密性问题，对键合面质量要求更低；键合完成后继续保温并抽真空，使玻璃浆料中的溶剂以及键合过程产生的气体通过微流道抽出。

20、在步骤7)中，所述真空脉冲电磁喷射系统利用强大的安培力作为金属液滴的驱动力，具有结构简单、无需外部动力源和背压等优点，非常适用于真空封装领域；为提高定位精度，调整真空脉冲电磁喷射系统的喷射阀出液口至键合圆片上表面1～3mm位置。

21、在步骤8)中，所述喷射材料为金锡焊料，熔点为280℃，质量分数比为au∶sn＝80∶20。为保证金锡熔滴与锥形孔实现良好密封，控制喷射阀温度为330℃、喷射熔滴的直径为100μm。

22、在步骤8)中，所述锥形孔的密封通过液态金属脉冲电磁喷射方式实现的，在真空度为mpa环境下实现第一传感器的封装，此处称为1级封装。

23、在步骤9)中，所述锥形孔的密封是通过液态金属脉冲电磁喷射方式实现的，在真空度为n pa环境下实现第二传感器的封装，且n<m，此处称为2级封装。

24、在步骤10)中，所述锥形孔的密封是通过液态金属脉冲电磁喷射方式实现的，在真空度为n pa环境下实现垂直互连锥形孔内金锡焊料的喷射填充，实现电学信号的引出。

25、本发明最技术关键在于金锡焊料的喷射、沉积及微流道的密封。通过调节电磁微喷阀腔体的加热温度(一般高于喷射材料熔点50℃以上)、喷射参数(脉宽、电流、磁场强度等)、喷嘴离锥形孔的间距以及基板加热温度等，实现喷射与密封一步化。在真空脉冲电磁喷射系统中，微器件内部的气体通过微流道抽出，当封装腔室真空度达到1级封装要求后，外部触发使脉冲电磁喷射系统产生一颗金锡焊料熔滴，落在与第一微腔相连通的微流道顶端锥形孔内，完成第一传感器的1级封装。继续抽真空，当封装腔室真空度达到2级封装要求后，外部触发使脉冲电磁喷射系统产生一颗金锡焊料熔滴，落在与第二微腔相连通的微流道顶端锥形孔内，完成第二传感器的2级封装。最后，完成垂直互连锥形孔内金锡焊料的喷射填充，实现电学信号的引出。

26、相对于传统多传感器封装集成技术(先将二者在不同真空度下进行独立封装，然后再整合到一起)存在的步骤繁琐、封装体积大、成本高昂、真空度低以及真空度封装一致性差等问题，本发明不仅能获得更高的真空度，还能提升封装的真空度一致性，并且还能在同一圆片上实现两种及以上不同真空度要求或工作气氛条件差异的mems传感器的集成封装，在减小封装器件尺寸的同时还提升集成传感器的整体性能。此外，本发明还适用于真空封装与电极引线垂直互连。整个封装过程中涉及的喷砂、激光打孔、硅/玻璃微加工工艺、阳极键合、玻璃浆料键合、溅射沉积和液态金属喷射技术均较为成熟，可以保证mems器件真空封装的顺利实现。