專利名稱：基于圓片級玻璃微腔的低溫玻璃焊料鍵合封裝方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種MEMS (微電子機械系統(tǒng))制造封裝技術，尤其涉及一種基于圓 片級玻璃微腔的低溫玻璃焊料鍵合封裝方法。
背景技術：
在MEMS制造技術領域，Pyrex7740玻璃(一種含有堿性離子的玻璃，Pyrex 是Coming公司的產(chǎn)品品牌)是一種重要的材料，它有著和半導體硅材料(常溫300K 下，Pyrex7740玻璃熱膨脹系數(shù)為28X10力K，硅的熱膨脹系數(shù)為23~40X 1(T7/K) 相近的熱膨脹系數(shù)，有著高透光率和較高的強度，可與硅進行高強度的陽極鍵合， 也可以通過金屬焊料鍵合或者聚合物鍵合的方式和硅襯底進行整片鍵合。由于這樣 的特性，使得Pyrex7740玻璃廣泛應用于MEMS封裝、微流體和MOEMS (微光學 機電系統(tǒng))等領域。
在MEMS封裝領域，由于器件普遍含有可動部件，在封裝時需要使用微米尺寸 的微腔結構對器件進行密閉封裝，讓可動部件擁有活動空間，并且對器件起到物理 保護的作用， 一些如諧振器、陀螺儀、加速度計等器件，還需要真空氣密的封裝環(huán) 境。表面鍵合工藝可以提供良好的氣密性，是常用的氣密封裝工藝。在Pyrex7740 玻璃上形成微腔結構，或者用鍵合焊料撐起空間，與含有可動部件的硅襯底進行鍵 合，便可以實現(xiàn)MEMS器件的真空封裝。
在傳統(tǒng)的利用Pyrex7740玻璃基板進行圓片級封裝工藝中，通常采用陽極鍵合、 金屬焊料鍵合或者聚合物鍵合工藝。
如果采用含有玻璃微腔的Pyrex7740玻璃基板，采用陽極鍵合對器件進行圓片 級封裝工藝，其工藝對鍵合表面平整度要求很高，普遍采用表面微加工工藝的 MEMS器件襯底無法達到要求。而且由于工藝引入了 400V以上的鍵合電壓，易對 MEMS的微納米尺寸量級的可動部件產(chǎn)生不可逆的破壞。
現(xiàn)今采用金屬焊料鍵合或者聚合物鍵合工藝，大多采用一整塊無微腔結構的硅 基板或者Pyrex7740玻璃基板來與含有器件的襯底圓片鍵合，僅僅靠鍵合焊料層撐起的高度來實現(xiàn)封裝空間，其局限性很大，高度只有l(wèi) 6nm左右，極易損壞襯底
上的器件。而且鍵合焊料層與硅襯底易產(chǎn)生較大的熱失配，容易產(chǎn)生失效，從而使氣密封裝失效，其封裝可靠性很差。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種熱失配小、工藝溫度低、鍵合強度高的基于圓片級玻璃微腔的低溫玻璃焊料鍵合封裝方法。
一種基于圓片級玻璃微腔的低溫玻璃焊料鍵合封裝方法，包括以下步驟第一步，利用絲網(wǎng)印刷工藝，將低溫玻璃焊料涂覆在具有微腔結構的Pyrex7740
玻璃基板的封裝接觸部分,對低溫玻璃焊料進行預烘，使低溫玻璃焊料固化并緊貼于
上述具有微腔結構的Pyrex7740玻璃基板上，
第二步，將上述固化有低溫玻璃焊料的Pyrex7740玻璃封裝圓片，與含有MEMS器件或CMOS電路的硅襯底圓片進行對準，使所述Pyrex7740玻璃基板上的微腔結構與所述硅襯底所含有待封裝MEMS器件或CMOS電路的位置相對應。
第三步，將上述完成對準的兩圓片，用夾具夾緊施以壓力，在特定封裝氣氛中，燒結玻璃焊料，并冷卻。
本技術方案中，第一步涂覆過程中，低溫玻璃焊料涂覆在具有微腔結構的Pyrex7740玻璃基板的鍵合接觸部分，采用了精密絲網(wǎng)印刷技術；第二步預烘工藝中，采用的預烘溫度略高于低溫玻璃焊料的玻璃化溫度點Tg, —般在350'C ~450。C左右；第三步對準工藝中，需要將涂覆并固化有低溫玻璃焊料的Pyrex7740玻璃封裝圓片，同含有CMOS電路或者MEMS器件的硅襯底進行對準，使微腔結構正對襯底上的被封裝部分；第四步燒結鍵合工藝中，需要在特定鍵合氣氛通常是特定氣壓或者氮氣環(huán)境，對已經(jīng)完成對準的兩鍵合片，使用一定的夾力(在100N 600N范圍內依照低溫玻璃焊料粘度和密度進行選擇)進行這步工藝，隨后在鍵合溫度(鍵合溫度由低溫玻璃焊料的軟化點溫度決定，選用的低溫玻璃焊料燒結溫度通常在380°C 48(TC之間)下完成燒結鍵合工藝。在完成燒結鍵合工藝后，采用緩慢冷卻的方法以降低燒結中引入的應力。
本發(fā)明獲得如下效果
1.本發(fā)明屬于MEMS表面鍵合工藝。工藝引入低熱失配的有玻璃微腔結構的Pyrex7740玻璃基板和低溫玻璃焊料作為鍵合基本材料，在完成氣密封裝的同時保證了封裝的可靠性，并且采用圓片級封裝的形式，大大降低了MEMS器件封裝成本。2. 本發(fā)明采用熱成型方法制備的玻璃微腔結構可以獲得封裝的充足空間，高度 可以達到100um左右，遠遠高于單純用鍵合焊料撐起的高度(1 6um)，可以滿 足各種MEMS可動部件的封裝要求。而且，該玻璃微腔結構的尺寸可以在20-300 微米的空間內調節(jié)，可以滿足對于空腔高度要求可控的不同MEMS封裝的需求，即 可以設計玻璃微腔的高度的大小。進一步采用深反應離子刻蝕工藝，可以在硅片模 具上，獲得高的深寬比，而且深度可調，因此獲得的玻璃微腔的深度可調，而且可 以獲得高的深寬比，因此，采用該方法制作的玻璃微腔尤其可以應用于要求高深寬 比的MEMS器件，具有使用范圍寬的特點。
3. 低溫玻璃焊料鍵合具有對鍵合表面平整度要求低，氣密性好的特點，非常適 合于采用了硅表面微加工工藝制造出來的MEMS器件的封裝。
4. 采用的第四步中的緩慢冷卻工藝可以有效的降低燒結鍵合過程中引入的應 力，從而使封裝結構可靠性更高。
5. 本發(fā)明使用具有高透光性能的Pyrex7740玻璃作為基本封裝材料，可廣泛應 用與MEMS微流道結構和MOEMS (微光電子機械系統(tǒng))的制造和封裝。
6. 本發(fā)明的工藝過程由于將低溫玻璃焊料鍵合、絲網(wǎng)印刷技術以及圓片級玻璃 微腔制作技術三者結合起來，是一種圓片級技術，因此使得本發(fā)明具有簡單可靠， 成本相對低廉的特點。
7. 本發(fā)明采用的美國Ferro公司的EG2805型低溫玻璃焊料漿料，具有玻璃化 溫度適中，熱膨脹系數(shù)與硅相近的特點。過高的玻璃化溫度會使得由于工藝溫度過 高損壞MEMS器件以及引線的缺點，熱膨脹系數(shù)過高，將會增加封裝過程的熱應力。
總之與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明采用的低溫玻璃焊料熱膨脹系數(shù)為40-60X 1(T7/K 左右，與硅和Pyrex7740玻璃基本無熱失配。本發(fā)明具有工藝簡單、封裝空間大(封 裝空間高度可以達到100"m)、熱失配小、工藝溫度低、鍵合強度高等特點?？梢?廣泛應用于MEMS技術中的圓片級封裝工藝。
圖l為具有微腔結構的Pyrex7740玻璃基板。
圖2利用絲網(wǎng)印刷工藝，將低溫玻璃焊料涂覆在鍵合接觸部分并預烘。 圖3將兩鍵合片對準并在特定溫度和氣氛下完成鍵合封裝。實施例l
一種基于圓片級玻璃微腔的低溫玻璃焊料鍵合封裝方法，包括以下步驟-第一步，利用絲網(wǎng)印刷工藝，所述的絲網(wǎng)印刷技術可采用精密絲網(wǎng)印刷技術， 將低溫玻璃焊料涂覆在具有微腔結構的Pyrex7740玻璃基板的封裝接觸部分,對低溫 玻璃焊料進行預烘，預烘溫度為350°C ~ 45(TC，通常略高于低溫玻璃焊料玻璃態(tài) 溫度。使低溫玻璃焊料固化并緊貼于上述具有微腔結構的Pyrex7740玻璃基板上， 此處所用的低溫玻璃焊料為玻璃化溫度為330-50(TC，譬如36(TC， 375°C， 400°C， 430°C， 470°C，熱膨脹系數(shù)為(20-50) X10力K的玻璃焊料(對應于常溫溫度下的 熱膨脹系數(shù))，25X10-7/K， 35X1(T7/K， 40X1(T7/K， 48X10力K，譬如，譬如可以 用美國Ferro公司的EG2805型低溫玻璃焊料漿料，其玻璃化溫度為440°C ，熱膨脹 系數(shù)為40X10力K。
第二步，將上述固化有低溫玻璃焊料的Pyrex7740玻璃封裝圓片，與含有MEMS 器件或CMOS電路的硅襯底圓片進行對準，使所述Pyrex7740玻璃基板上的微腔結 構與所述硅襯底所含有待封裝MEMS器件或CMOS電路的位置相對應。
第三步，將上述完成對準的兩圓片，用夾具夾緊施以壓力，夾具施加的壓力為 100N ~ 1600N,例如200 N， 300 N， 800 N， 900 N, 1300 N， 1500 N，在特定封裝 氣氛中，這里，特定氣氛根據(jù)器件或電路的封裝要求確定，譬如在氮氣氣氛中，或 者在特定的真空度下，譬如1Pa， 10"Pa， 10—2Pa， l(T3Pa，燒結玻璃焊料，燒結溫度 處于380。C ~ 480°C，例如選取為390， 400， 430， 470，選取的燒結溫度比玻璃態(tài) 溫度略高。再冷卻，冷卻速度可緩慢冷卻，可使得冷卻過程中產(chǎn)生的應力較小。
本實施例中，采用的玻璃微腔可以采用刻蝕法在玻璃表面刻蝕形成圓片級的玻 璃微腔，也可以采用熱成型制備的玻璃微腔，熱成型玻璃制備的微腔的方法見實施 例2。 實施例2
一種基于圓片級玻璃微腔的低溫玻璃焊料鍵合封裝方法，封裝方法的步驟同實
施例l，但是制備玻璃微腔用以下方法來進行
本實施例中，所述Pyrex7740玻璃基板上的微腔結構的制備方法為第一步， 利用硅微加工工藝在雙面拋光硅圓片上制造玻璃微腔圖案結構，第二步，將上述硅 圓片與相同尺寸的Pyrex7740玻璃圓片在小于1Pa的壓力下進行鍵合，使玻璃微腔 圖案結構密封成真空腔體，第三步，將上述鍵合好的圓片在一個大氣壓下加熱至810 。C 890。C，譬如830。C， 850°C， 870°C，保溫3-5min，時間可以選取為，4分鐘， 腔內外壓差使軟化后的玻璃形成與上述微腔圖案結構相應的結構，冷卻到20~25°C，
6將上述圓片在常壓下退火消除應力，形成所述微腔結構。通常玻璃微腔的深度與硅 微加工工藝制備的硅圓片上腐蝕形成槽，熱成型后的玻璃微腔將具有與硅上所述槽 基本相同的深度和深寬比，所述硅微加工工藝采用深反應離子刻蝕工藝可獲得高的 深寬比，因此容易獲得高深寬比的玻璃微腔。 實施例3 -
一種新型圓片級玻璃微腔的低溫玻璃焊料鍵合封裝的方法，包括以下步驟
第一步，利用絲網(wǎng)印刷工藝，將低溫玻璃焊料涂覆在具有微腔結構的Pyrex7740 玻璃基板的鍵合接觸部分。
第二步，在低溫玻璃焊料玻璃化溫度Tg附近進行預烘，使焊料中的有機溶劑 揮發(fā)，同時使焊料緊緊粘附在玻璃基板上。
第三步，將涂覆并固化有低溫玻璃焊料的Pyrex7740玻璃封裝圓片，同含有 CMOS電路或者MEMS器件的硅襯底進行對準，使微腔結構正對襯底上的被封裝 部分。
第四步，完成對準的兩鍵合片，由夾具夾緊施以壓力，在鍵合溫度和特定鍵合 氣氛中燒結并冷卻。鍵合溫度由低溫玻璃焊料的軟化點溫度決定，；特定鍵合氣氛通 常是特定氣壓或者氮氣環(huán)境。燒結鍵合工藝完成后緩慢冷卻，低溫玻璃焊料固化， 圓片級玻璃微腔的低溫玻璃焊料鍵合封裝完成。
實施需要注意第一步涂覆過程中，低溫玻璃焊料涂覆在具有微腔結構的 Pyrcx7740玻璃基板的鍵合接觸部分，采用了精密絲網(wǎng)印刷技術；第二步預烘工藝 中，采用的預烘溫度略高于低溫玻璃焊料的玻璃化溫度點Tg， 一般在35(TC ~450 t:左右；第三步對準工藝中，需要將涂覆并固化有低溫玻璃焊料的Pyrex7740玻璃 封裝圓片，同含有CMOS電路或者MEMS器件的硅襯底進行對準，使微腔結構正 對襯底上的被封裝部分；第四步燒結鍵合工藝中，需要在特定鍵合氣氛通常是特定 氣壓或者氮氣環(huán)境，對已經(jīng)完成對準的兩鍵合片，使用一定的夾力進行這步工藝， 壓力在100N ~ 1600N范圍內依照低溫玻璃焊料粘度和密度進行選擇。隨后在鍵合 溫度下完成燒結鍵合工藝。鍵合溫度由低溫玻璃焊料的軟化點溫度決定，選用的低 溫玻璃焊料燒結溫度通常在380°C ~ 48(TC之間。在完成燒結鍵合工藝后，采用緩 慢冷卻的方法以降低燒結中引入的應力。
在此處的絲網(wǎng)印刷技術，將精密不銹鋼網(wǎng)狀模板對準具有微腔結構的Pyrex7740 玻璃基板，模板上露出的網(wǎng)點部分對應玻璃基板上的封裝部分。將低溫玻璃焊料用
7刮刀刷在精密模板上，焊料由于其本身的自然重力，滲入網(wǎng)眼，則焊料涂覆完成。
對于MEMS器件，氣密封裝時通常采用氮氣氣氛封裝，并同時調節(jié)氮氣的氣壓， 以調整MEMS器件中可動部件的阻尼系數(shù)。所以此時封裝的氣氛應該視器件性能需 要進行調節(jié)。
實施例4 一種氣密圓片級玻璃微腔的低溫玻璃焊料鍵合封裝的方法，
第一步，利用絲網(wǎng)印刷工藝，將美國Ferro公司的EG2805型低溫玻璃焊料漿料
涂覆在具有微腔結構的Pyrex7740玻璃基板的鍵合接觸部分。其中Pyrex7740玻璃
基板的微腔深度為100 u m， EG2805低溫玻璃焊料的熱膨脹系數(shù)為40X 10—7/K。 第二步，在低溫玻璃焊料玻璃化溫度Tg附近，在40(TC環(huán)境下預烘10min，使
焊料中的有機溶劑揮發(fā)，同時使焊料緊緊粘附在玻璃基板上。
第三步，將涂覆并固化有低溫玻璃焊料的Pyrex7740玻璃封裝圓片，同含有
CMOS電路或者MEMS器件的硅襯底進行雙面對準，使微腔結構正對襯底上的被
封裝部分。
第四步，完成對準的兩鍵合片，由夾具夾緊施以800N的壓力，在38(TC的鍵合 溫度和氣壓為1 X l(T3Pa的鍵合氣氛中燒結20min。隨后在風冷環(huán)境下緩慢冷卻到室 溫25'C，至此氣密圓片級玻璃微腔的低溫玻璃焊料鍵合封裝完成。封裝空間高度達 到100um，封裝氣壓為1X10,a，封裝氣密性優(yōu)秀。
本發(fā)明通過MEMS圓片級表面鍵合技術帶有玻璃微腔結構的Pyrex7740玻璃圓 片與含有MEMS器件的硅襯底進行低溫玻璃焊料鍵合封裝，并在封裝中引入高真空環(huán) 境，制造出具有封裝空間大(封裝空間高度可以達到100ym)、工藝簡單、熱失配 小、工藝溫度低、鍵合強度的MEMS封裝結構，可以廣泛應用于MEMS器件的圓 片級封裝工藝。
權利要求
1. 一種基于圓片級玻璃微腔的低溫玻璃焊料鍵合封裝方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，利用絲網(wǎng)印刷工藝，將低溫玻璃焊料涂覆在具有微腔結構的Pyrex7740玻璃基板的封裝接觸部分，對低溫玻璃焊料進行預烘，使低溫玻璃焊料固化并緊貼于上述具有微腔結構的Pyrex7740玻璃基板上，第二步，將上述固化有低溫玻璃焊料的Pyrex7740玻璃封裝圓片，與含有MEMS器件或CMOS電路的硅襯底圓片進行對準，使所述Pyrex7740玻璃基板上的微腔結構與所述硅襯底所含有待封裝MEMS器件或CMOS電路的位置相對應，第三步，將上述完成對準的兩圓片，用夾具夾緊施以壓力，在特定封裝氣氛中，燒結玻璃焊料，并冷卻。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于圓片級玻璃微腔的低溫玻璃焊料鍵合封裝方法，其特 征在于，所述低溫玻璃焊料的玻璃化溫度為330-500°C，熱膨脹系數(shù)為(20~50) xlO-7/K。
3. 根據(jù)權利要求1所述的基于圓片級玻璃微腔的低溫玻璃焊料鍵合封裝方法，其特 征在于，所用的低溫玻璃焊料為美國Ferro公司的EG2805型低溫玻璃焊料漿料。
4. 根據(jù)權利要求1所述的基于圓片級玻璃微腔的低溫玻璃焊料鍵合封裝方法，其特 征在于，上述第三步中低溫玻璃焊料的燒結溫度處于38(TC 48(TC。
5. 根據(jù)權利要求1所述的基于圓片級玻璃微腔的低溫玻璃焊料鍵合封裝方法，其特 征在于，所述第一步的預烘溫度為35(TC ~450°C。
6. 根據(jù)權利要求1所述的基于圓片級玻璃微腔的低溫玻璃焊料鍵合封裝方法，其特 征在于所述第一步所述的絲網(wǎng)印刷技術采用精密絲網(wǎng)印刷技術。
7. 根據(jù)權利要求1所述的基于圓片級玻璃微腔的低溫玻璃焊料鍵合封裝方法，其特 征在于所述第四步的夾具施加的壓力為100N ~ 1600N。
8. 根據(jù)權利要求l或2或3或4或5或6或7所述的基于圓片級玻璃微腔的低溫玻 璃焊料鍵合封裝方法，其特征在于所述Pyrex7740玻璃基板上的微腔結構釆用熱成 型方法制備第一步，利用硅微加工工藝在雙面拋光硅圓片上制造玻璃微腔圖案結 構，第二步，將上述硅圓片與相同尺寸的Pyrex7740玻璃圓片在小于1Pa的壓力下 進行鍵合，使玻璃微腔圖案結構密封成真空腔體，第三步，將上述鍵合好的圓片在 一個大氣壓下加熱至81(TC 89(TC，保溫3 5min，腔內外壓差使軟化后的玻璃形成 與上述微腔圖案結構相應的結構，冷卻到20~25°C，將上述圓片在常壓下退火消除 應力，形成所述微腔結構。
9. 根據(jù)權利要求8所述的基于圓片級玻璃微腔的低溫玻璃焊料鍵合封裝方法，其特 征在于，所述的硅微加工工藝為深反應離子刻蝕工藝。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于圓片級玻璃微腔的低溫玻璃焊料鍵合封裝方法，包括以下步驟第一步，利用絲網(wǎng)印刷工藝，將低溫玻璃焊料涂覆在具有微腔結構的Pyrex7740玻璃基板的封裝接觸部分，對低溫玻璃焊料進行預烘，使低溫玻璃焊料固化并緊貼于上述具有微腔結構的Pyrex7740玻璃基板上，第二步，將上述固化有低溫玻璃焊料的Pyrex7740玻璃封裝圓片，與含有MEMS器件或CMOS電路的硅襯底圓片進行對準，使所述Pyrex7740玻璃基板上的微腔結構與所述硅襯底所含有待封裝MEMS器件或CMOS電路的位置相對應。第三步，將上述完成對準的兩圓片，用夾具夾緊施以壓力，在特定封裝氣氛中，燒結玻璃焊料，并冷卻。整個過程基于硅和Pyrex7740玻璃圓片整體加工，屬于圓片級MEMS制造封裝工藝，具有方法簡單，封裝空間可調，低成本的特點。
文檔編號B81B7/02GK101497422SQ20091002846
公開日2009年8月5日 申請日期2009年1月20日 優(yōu)先權日2009年1月20日
發(fā)明者唐潔影, 尚金堂, 柳俊文, 黃慶安 申請人:東南大學