[發明專利]MEMS圓片級三維混合集成封裝結構及方法

有效

• 申請號: 201110129333.0
• 申請日: 2011-05-18
• 公開（公告）號: CN102241388A
• 公開（公告）日: 2011-11-16
• 發明（設計）人: 徐高衛;羅樂;陳驍;焦繼偉;宓斌瑋
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: B81B7/00
• 分類號: B81B7/00;B81C1/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 潘振甦

1.一種MEMS圓片級三維混合集成封裝結構，其特征在于通過MEMS器件圓片和硅蓋板圓片的鍵合，實現圓片級氣密/真空封裝；采取芯片到圓片疊層方式在硅蓋板圓片表面貼裝互連ASIC和運放IC兩個CMOS芯片，實現CMOS芯片與MEMS器件圓片的三維混合集成；將分立的集成微系統貼裝在有機基板上并進行塑封保護和引出；ASIC為專用集成電路英文縮寫。

2.按權利要求1所述的封裝結構，其特征在于MEMS器件圓片和蓋板圓片的鍵合是通過玻璃漿料低溫鍵合實現的，完成MEMS器件可動部件的保護。

3.按權利要求1所述的封裝結構，其特征在于兩個CMOS芯片、MEMS器件以及有機基板之間均通過引線鍵合方式進行多層電氣互連，兩個CMOS芯片之間直接通過引線鍵合方式橋接互連。

4.按權利要求1所述的封裝結構，其特征在于引出時引腳的輸出方式為周邊式球柵陣列，球柵陣列是采用植球的方式制備的。

5.按權利要求1所述的封裝結構，其特征在于：

A)兩個CMOS芯片非限定為ASIC和運放芯片，根據MEMS器件的種類和電路設計的不同而有變動，從封裝角度可以籠統地設定兩個CMOS芯片為COMOS?1和CMOS?2；

B)CMOS芯片的數量為兩個，但不限于此，取而代之以一個高集成度的信號處理CMOS芯片，在這種情況下，多層電氣互連為CMOS芯片、MEMS器件和有機基板三者之間的多層電氣互連。

6.制備如權利要求1-5中任一項所述的封裝結構的方法，其特征在于采用芯片到圓片疊層方式，具體工藝步驟是：

(1)通過玻璃漿料低溫鍵合進行圓片級氣密/真空封裝

a.在硅圓片上用MEMS工藝制作MEMS器件，Al金屬引線與焊盤和MEMS器件形成電連接；

b.在硅蓋板上用精密絲網印刷機通過網板印刷方式印刷玻璃漿料密封環；對密封環在400-425℃范圍內進行預燒，去除有機成分及揮發物；

c.在鍵合機內在425-450℃溫度范圍內和200-400mBar的壓力下將預先對準的硅蓋板和器件圓片進行燒結，形成氣密/真空腔體；

(2)采用芯片到圓片疊層方式進行兩個IC芯片與MEMS圓片的三維混合集成封裝

a.完成步驟1后，用低溫固化膠將ASIC和運放IC兩個CMOS芯片正面貼裝于硅蓋板上，并低溫加熱固化；

b.利用劃片工藝將疊裝CMOS芯片后的MEMS器件陣列圓片分割為單個分立的集成微系統；

(3)采用植球工藝在有機基板的下表面制作周邊式球柵陣列BGA

a.采用鋼網印刷工藝在BGA焊盤上印刷無鉛焊料焊膏；

b.將無鉛焊球放置在印刷好焊膏的BGA焊盤上；

c.將植球后的封裝基板進行按照高溫回流曲線進行回流固化；

(4)采用板上芯片工藝將分立的集成微系統組裝于有機基板

a.完成步驟2和步驟3后，用低溫固化膠將分立的集成微系統用板上芯片方式貼裝至基板，并低溫加熱固化；

b.用引線鍵合工藝將ASIC、運放芯片、MEMS器件和有機基板上的焊盤進行多層鍵合，將ASIC與運放芯片互連，將CMOS芯片和MEMS器件的輸出端子與基板互連，從而實現上述四者之間的電氣互連；

(5)采用“圍壩+灌注”包封方式進行集成微系統的保護封裝

a.完成步驟4后，在有機基板上，利用自動點膠機在集成微系統四周用非流動性熱塑性塑封料圍成一個方形壩，固化，形成高硬度的保護外殼；

b.用自動點膠機將流動性好粘度低的塑封料灌注于方形壩內，涂覆整個集成微系統。固化，形成低硬度的涂覆層；

c.有機基板分割和分片，即成混合集成MEMS。

7.按權利要求6所述的方法，其特征在于：

a)步驟1中c鍵合在真空環境下，真空度為1×10^-5～1×10^-4mBar；氣密封裝是在氮氣或惰性氣體中進行；

b)步驟2中a的固化溫度為150℃，固化時間為60分鐘；

c)步驟3所述的有機基板或為多拼板；

d)步驟4中a的固化溫度為150℃，固化時間為60分鐘。

8.按權利要求6所述的方法，其特征在于：

①步驟5中a所述的方形壩的壩高大于集成微系統的高度；

②步驟5中b所述的方形壩的厚度與高度相等。