微機電系統器件的真空封裝方法
2023-07-10 23:31:56
專利名稱：微機電系統器件的真空封裝方法
技術領域：
本發明屬於微機電系統領域，尤其涉及一種射頻、慣性、真空微電子等微機電系統(以下簡稱MEMS)器件的真空封裝方法。
背景技術：
在微電子技術的基礎上發展而來的微機電系統(MEMS)技術是一個新興的多學科交叉的高科技領域，相應的MEMS器件產品將在國民經濟和國家安全等方面發揮越來越重要的作用。與微電子技術相類似，採用微機械加工技術製作的MEMS器件需要相應的、穩妥可靠的封裝以保證其最終產品的性能，其形式多樣，工藝要求高，難度大，費用在產品成本價格中佔有很高的比例(超過50％)。封裝的真空度保持性能在很大程度上決定了器件的最終性能、工作的可靠性及其壽命。
真空封裝是MEMS封裝的一種重要形式，它能在射頻、慣性、真空微電子類MEMS產品晶片(chip)周圍形成一個真空環境，可以使MEMS器件處於10-2帕以下的高真空環境工作，並保證其中的微機械結構具有優良的振動性能(例如使各種機械諧振器有高的品質因數)或長期穩定工作(例如防止射頻微機械開關運動觸點的玷汙、粘附或保證真空微電子器件的電流特性)，使其能正常工作，並提高其可靠性，是目前國際上正在積極研究開發的一項重要的MEMS封裝技術。
MEMS的真空封裝的實現，往往採用傳統的用於混合集成電路的金屬、陶瓷封裝外殼或與之類似的專門加工的外殼，或者利用矽或玻璃等材料，以微機械方法製作出尺寸與MEMS器件大小相近的外殼，通過鍵合等方法與MEMS器件封接在一起。存在的困難是尺寸小，由於引線和管腳的存在，漏率偏高，真空度保持困難。
現有的MEMS器件真空封裝技術主要有1、傳統真空電子器件的封裝真空度保持技術大量採用蒸散型(如鋇鋁化合物等)和非蒸散型吸氣劑(如鋯鋁化合物)來保持器件內部的真空狀態。但都針對大尺寸(最小為釐米級)的封裝外殼，外殼的形狀、結構與微電子行業所用的外殼不同。蒸散型吸氣劑需要放在天線狀容器中置入外殼中進行蒸鍍，非蒸散型吸氣劑往往呈塊狀或條狀，需要設法固定在外殼上。封裝設備體積大，結構複雜，很難應用於小尺寸的MEMS封裝外殼。其工藝屬單件操作，與現有整個矽基微機械加工流程兼容性不好，特別對於採用非蒸散型吸氣劑的工藝流程。
2、在片低壓封裝技術中的真空保持技術在專用真空設備中，對其上已由微機械加工方法製作出相應結構的三層玻璃片/矽片/玻璃片、或矽片/矽片/矽片等進行對準和鍵合，從而形成三明治封裝結構。鍵合前在每個器件對應的小腔體中依次置入小塊非蒸散型吸氣劑。這種封裝工藝實際上採用了已有的微機械加工工藝，方便了MEMS器件的包封，但也存在如下問題工藝複雜，與半導體加工工藝設備不兼容；對一個圓片上並行加工出來的成百上千個腔體，每個腔體都要置入一塊吸氣劑，效率低，而且腔體體積受到限制，不能過小；吸氣劑的固定困難；成品率低，吸氣劑的放置和加溫激活時的高溫容易損傷MEMS產品微小外殼中的活動結構；如何固定吸氣劑是個問題。因此這種真空保持技術在體積越來越小的MEMS器件中應用將十分有限。
總體說來，這些問題妨礙了MEMS真空封裝的效果，制約了相關MEMS研究的深入和器件的商品化。
發明內容
本發明的目的是提供一種新型、低成本的MEMS器件晶片級和器件級真空封裝方法，在無需對現有矽微機械加工及封裝工藝進行較大改動的情況下，實現簡便實用、高效可靠的晶片級和器件級MEMS真空封裝中的真空保持。
本發明的微機電系統器件的真空封裝方法，封裝過程中將蒸散型吸氣劑蒸鍍在微機電系統器件一個或一批多個封裝外殼的一部分或全部內壁上，形成吸氣薄膜結構，並用此種封裝外殼對微機電系統器件進行真空封裝。
封裝外殼採用傳統的混合集成電路金屬封裝外殼，由管座和管帽構成，外形為矩形或圓形；或者已通過微機械加工方法製作出封裝外殼管座和/或管帽的、尚未劃片的矽或玻璃圓片(Wafer)。
本發明技術新穎，採用了蒸鍍的方法，可在一批多個封裝外殼內壁同時建立真空保持(吸氣)結構採用蒸鍍而成的、覆蓋封裝外殼的一部分或全部的吸氣薄膜。薄膜能有效吸附真空封裝過程中釋放的殘餘氣體和器件壽命期漏入或內部結構放出的氣體，從而起到維持真空的作用。其有效面積大，吸氣能力強，真空度保持效果好；附著力強，固定性好，幾乎不佔用空間，而且適用於形狀各異、尺寸微小的封裝腔體，能在形狀各異的各類微小的封裝外殼腔體(包括已有的集成電路、混合集成電路封裝外殼和新出現的採用微機械方法製作的矽或玻璃封裝外殼)內壁方便地形成能有效吸附氣體分子的薄膜狀吸氣結構，從而方便有效的實現MEMS器件真空封裝中真空度的保持。
本發明提出的真空保持技術，具有工藝流程與現有微機械加工技術銜接好、成本低、便於批量加工、成品率高、真空保持時效長、真空度高等特點，可用於射頻、慣性、真空微電子等MEMS器件晶片的器件級封裝和晶片級封裝的真空封裝。
實施方案實施例1採用蒸散型吸氣劑的器件級真空封裝，其步驟為1、在一個或一批多個封裝外殼的管座上定位並固定好完成劃片的MEMS器件晶片，同時焊接好電連接引線；2、將蒸散型吸氣劑放入直接加熱裝置或高頻電磁渦流加熱裝置中，每個封裝外殼的管座和管帽封裝均放置在各自的定位架上，懸於吸氣劑蒸散加熱容器上方，一起移入帶有真空獲得系統的真空室中；3、啟動真空獲得系統，使真空室內的真空度達到10-3帕以上；4、啟動加熱裝置加熱吸氣劑，加熱溫度維持在吸氣劑蒸散所需溫度上，在各封裝外殼內壁的一部分或全部蒸鍍上吸氣膜，通過調整各定位架上封裝外殼的管座和管帽的位置確定各封裝外殼內壁的吸氣劑蒸鍍區域，同時完成除氣；5、用機械手完成管帽和管座的對接，並加熱，封口；6、在真空狀態下逐步降溫，完成全部封裝過程。
實施例2採用蒸散型吸氣劑的晶片級真空封裝，其步驟為1、將吸氣劑放入加熱裝置中，將其上已通過微機械加工方法製作出封裝外殼的、尚未劃片的矽或玻璃圓片以及製作有MEMS器件的尚未劃片的圓片放置在各自的定位架上，一起移入帶有真空獲得系統的真空室中；2、啟動真空獲得系統，使真空室內的真空度達到10-3帕以上，然後啟動加熱裝置加熱吸氣劑，加熱溫度維持在吸氣劑蒸散溫度以上，在封裝外殼內壁的一部分或全部蒸鍍上吸氣膜，通過調整定位架上封裝外殼的管座和管帽的位置確定封裝外殼內壁的吸氣劑蒸鍍區域，必要時，在玻璃/矽片前放置掩膜片，形成掩膜吸氣圖形；3、降溫後，通過機械手完成未劃片的MEMS器件圓片和加工有封裝外殼的圓片的對準，並用夾具夾持在一起；4、將夾持在一起的MEMS器件圓片和加工有封裝外殼的圓片在矽/矽或矽/玻璃鍵合所需溫度下保溫數小時，完成鍵合，並使管帽、管座及其它零件徹底除氣，實現封口；5、在真空狀態下逐步降溫，完成全部封裝過程。
必要時，將完成封裝的玻璃片/矽片/玻璃片或矽片/矽片/矽片結構在劃片後進行外封裝，以加強氣密型，提高真空保持能力。
權利要求
1.一種微機電系統器件的真空封裝方法，其特徵在於封裝過程中將蒸散型吸氣劑蒸鍍在微機電系統器件一個或一批多個封裝外殼的一部分或全部內壁上，形成吸氣薄膜結構，並用此種封裝外殼對微機電系統器件進行真空封裝。
2.如權利要求1所述的微機電系統器件的真空封裝方法，其特徵在於封裝外殼採用傳統的混合集成電路金屬封裝外殼，由管座和管帽構成，外形為矩形或圓形；或者已通過微機械加工方法製作出封裝外殼管座和/或管帽的、尚未劃片的矽或玻璃圓片。
3.如權利要求1或2所述的微機電系統器件的真空封裝方法，其特徵在於對於採用蒸散型吸氣劑的器件級封裝，其步驟包括1)在一個或一個以上封裝外殼的管座上定位並固定好完成劃片的MEMS器件晶片，同時焊接好電連接引線；2)將蒸散型吸氣劑放入加熱裝置中，每個封裝外殼的管座和管帽封裝均放置在各自的定位架上，懸於吸氣劑蒸散加熱容器上方，一起移入帶有真空獲得系統的真空室中；3)啟動真空獲得系統，使真空室內的真空度達到10-3帕以上；4)啟動加熱裝置加熱吸氣劑，加熱溫度維持在吸氣劑蒸散所需溫度上，在各封裝外殼內壁的一部分或全部蒸鍍上吸氣膜；5)用機械手完成管帽和管座的對接，並加熱，封口；6)在真空狀態下逐步降溫，完成全部封裝過程。
4.如權利要求3所述的微機電系統器件的真空封裝方法，其特徵在於通過調整各定位架上封裝外殼的管座和管帽的位置確定各封裝外殼內壁的吸氣劑蒸鍍區域。
5.如權利要求1或2所述的微機電系統器件的真空封裝方法，其特徵在於採用蒸散型吸氣劑的晶片級封裝，其步驟包括1)將蒸散型吸氣劑放入加熱裝置中，將其上已通過微機械加工方法製作出封裝外殼的、尚未劃片的矽或玻璃圓片以及製作有MEMS器件的尚未劃片的圓片放置在各自的定位架上，一起移入帶有真空獲得系統的真空室中；2)啟動真空獲得系統，使真空室內的真空度達到10-3帕以上，然後啟動加熱裝置加熱吸氣劑，加熱溫度維持在吸氣劑蒸散溫度以上，在封裝外殼內壁的一部分或全部蒸鍍上吸氣膜；3)降溫後，通過機械手完成未劃片的MEMS器件圓片和加工有封裝外殼的圓片的對準，並用夾具夾持在一起；4)將夾持在一起的MEMS器件圓片和加工有封裝外殼的圓片在矽/矽或矽/玻璃鍵合所需溫度下保溫數小時，完成鍵合，並使管座和/或管帽及其它零件徹底除氣，實現封口；5)在真空狀態下逐步降溫，完成全部封裝過程。
6.如權利要求5所述的微機電系統器件的真空封裝方法，其特徵在於通過調整定位架上封裝外殼的管座和管帽的位置確定封裝外殼內壁的吸氣劑蒸鍍區域。
7.如權利要求5所述的微機電系統器件的真空封裝方法，其特徵在於在玻璃/矽片前放置掩膜片，形成掩膜吸氣圖形，確定吸氣劑的蒸鍍區域。
8.如權利要求5所述的微機電系統器件的真空封裝方法，其特徵在於將完成封裝的玻璃片/矽片/玻璃片或矽片/矽片/矽片結構在劃片後進行外封裝。
全文摘要
本發明涉及一種微機電系統器件的真空封裝方法,採用了蒸鍍的方法,在一批多個封裝外殼內壁的一部或全部同時建立吸氣薄膜結構,能有效吸附真空封裝過程中釋放的殘餘氣體和器件壽命期漏入或內部結構放出的氣體,從而起到維持真空的作用。其有效面積大,吸氣能力強,真空度保持效果好;附著力強,固定性好,幾乎不佔用空間,而且適用於形狀各異、尺寸微小的封裝腔體。其工藝流程與現有微機械加工技術銜接好、成本低、便於批量加工、成品率高、真空保持時效長、真空度高等特點,可用於射頻、慣性、真空微電子等MEMS器件晶片的器件級封裝和晶片級封裝的真空封裝。
文檔編號B81C99/00GK1363509SQ02100469
公開日2002年8月14日 申請日期2002年2月1日 優先權日2002年2月1日
發明者金玉豐, 張錦文, 繆旻, 郝一龍 申請人:北京大學