一種基于LCP多層堆疊技術的MEMS器件的封裝方法與流程

本發明屬于實現小型化、高性能、通用化程度高的微波通信、雷達系統/子系統的關鍵技術領域，具體涉及一種適用于基于lcp多層堆疊技術的mems器件的封裝方法。

背景技術：

隨著通信系統、相控陣雷達系統中的t/r組件、微波/毫米波模塊的小型化需求日益突出，電子裝備逐漸向小型化、高性能等方向發展，模塊、組件的集成度和性能相應提高。mems器件在其中發揮了越來越重要的作用，成為系統中實現可重構的關鍵部件，其性能和體積直接影響通信、雷達系統/子系統的性能和集成度。

mems器件含有可動部件，其使用壽命和可靠性受到封裝效果的影響。傳統的封裝多采用硅、玻璃等材料，通過鍵合的方式進行封裝。硅硅鍵合的方式需要很高的溫度，對設備要求高；硅玻璃鍵合需要外加電壓，對表面平整度要求嚴格；同時，這兩種封裝方式都在鍵合對準方面存在較大的難度。除此之外，也有采用多層陶瓷、pcb等材料進行mems器件封裝的先例，這些結構需要額外制備鍵合層以及引出過孔，工藝過程相對復雜。與上面的材料和方法相比，lcp材料具有良好的高頻特性和物理特性，其吸濕率低，不容易發生變性，介電常數和高頻性能穩定，適宜作為封裝材料。此外，lcp可通過多層堆疊、層壓的方式進行加工，在蓋帽成型過程中具有很大的靈活性，可隨意設計蓋帽尺寸和層數。更重要的是，通過在硅mems器件上進行凹槽設計，使信號引出端通過凹槽側壁和底部進行引出，確保lcp蓋帽與硅器件形成良好的尺寸匹配，封裝過程中無需額外鍵合層、固定膠及過孔引出等，便于操作，同時大幅度提高封裝精度和封裝強度。通過lcp多層堆疊層壓方式封裝的mems器件，具有便于裝配、損耗低、隔離度高、氣密性好的優點。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種基于lcp多層堆疊技術的mems器件的封裝方法，用于解決mems器件通用化程度低、氣密性差、損耗高的技術難題。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于lcp多層堆疊技術的mems器件的封裝方法，其特征在于包括以下步驟：

(1)使用有機清洗液對硅基片進行清洗；

(2)對步驟(1)中清洗后的硅基片正面進行光刻，在硅基片正面上形成干法刻蝕硅用掩膜圖形；

(3)對步驟(2)中光刻后的硅基片正面進行干法硅刻蝕，在硅基片正面上形成硅槽圖形；

(4)對步驟(3)中刻蝕后的硅基片正面進行去膠處理，去除作為掩膜的光刻膠；

(5)對步驟(4)中去膠后的硅基片正面進行絕緣層生長；

(6)對步驟(5)中生長有絕緣層的硅基片正面進行磁控濺射，在硅基片正面上形成鈦鎢粘附層和金種子層電路；

(7)對步驟(6)中磁控濺射后的硅基片正面進行光刻，用光刻膠覆蓋cpw圖形中需要電鍍加厚的線條圖形以外的部位，其中，凹槽內同時進行光刻，確保外引線通過凹槽側壁和底部金屬線引出，之后對線條圖形進行鍍金加厚，再進行去膠處理；

(8)在步驟(7)處理后的硅基板表面，生長絕緣層；

(9)在步驟(8)生長絕緣層后的硅基板表面，用光刻膠光刻、刻蝕和去膠，在cpw上形成二氧化硅絕緣層；

(10)在步驟(9)形成絕緣層圖形的硅基板上，用光刻膠將處于薄膜微橋橋墩以外的所有部位覆蓋，得到犧牲層；

(11)將步驟(10)制備有犧牲層的硅基片進行磁控濺射，濺射金薄膜；

(12)將步驟(11)濺射后的硅基片進行光刻、電鍍處理，之后再進行去膠、刻蝕處理，得到包含薄膜微橋的mems器件；

(13)將第一lcp粘結層裁切成與步驟(12)中硅槽相同形狀的結構，之后裝入步驟(12)形成的mems器件的硅槽中；

(14)將無覆銅lcp切割成與步驟(13)中與第一lcp粘結層相同的結構，形成封裝蓋帽立壁，之后將封裝蓋帽立壁裝入步驟(13)含第一lcp粘結層的硅槽中，裝入后封裝蓋帽立壁一部分陷入硅槽內，另一部分露出硅槽；

(15)將第二lcp粘結層切割成薄片狀，形成封裝蓋帽的頂部內壁，封裝蓋帽的頂部內壁的形狀與封裝蓋帽立壁圍合而成的正投影相一致；

(16)將無覆銅lcp切割成與第二lcp粘結層形狀形同的薄片，形成封裝蓋帽的頂部外壁；

(17)將封裝蓋帽的頂部內壁和頂部外壁堆疊在一起，層壓后形成封裝蓋帽的頂部；

(18)將封裝蓋帽的頂部與配裝有封裝蓋帽立壁和第一lcp粘結層的mems器件進行層壓封裝；

完成基于lcp多層堆疊技術的mems器件封裝。

其中，步驟(3)中刻蝕硅槽深度大于單層lcp粘結層厚度，且小于lcp粘結層加lcp無銅層的厚度和，寬度為100μm～200μm。

其中，步驟(13)中第一lcp粘結層的形成采用激光高精度劃切方式。

其中，步驟(15)中第二lcp粘結層外形與步驟(13)第一粘結層一致，但不含有通腔。

其中，步驟(16)中封裝蓋帽的頂部外壁外形與步驟(15)粘結層一致，且不含有通腔。

其中，步驟(17)中各層lcp堆疊時應對準，層壓為真空層壓，層壓溫度不低于285℃。

其中，步驟(18)中通過熱壓的方式實現封裝，熱壓溫度不低于285℃。

本發明與現有技術相比所取得的有益效果為：

(1)本發明采用多層lcp堆疊層壓方式制備mems器件所用蓋帽，與現有蓋帽材料硅、陶瓷、金屬等相比，lcp材料的絕緣性好、吸濕率低、介電常數穩定，無需額外絕緣層制備，且微波性能優異、物理性能優異，便于實現高頻率器件的氣密封裝。

(2)本發明采用mems器件上制備硅槽的方式，在其內進行lcp粘結層的預置，無需額外的鍵合層及其他粘合劑和固定膠，便于引出端的引出，同時，該方式可提升封裝的精度，提高封裝強度。

(3)本發明采用低溫封裝方式進行mems器件的氣密性封裝，使mems器件免受常規鍵合封裝方式帶來的高溫沖擊，使器件保持原有性能。

附圖說明

圖1是基于lcp多層堆疊技術的mems器件封裝工藝流程圖，其中，虛線分別框出基于mems器件制造和lcp蓋帽制造部分。

圖2是基于lcp多層堆疊技術的mems器件封裝加工過程示意圖。

圖3是含lcp多層堆疊技術的mems器件封裝示意圖。

具體實施方式

下面，結合圖1、圖2和圖3對本發明作進一步說明。

一種基于lcp多層堆疊技術的mems器件封裝方法，其加工工藝流程如圖1所示，具體包括以下步驟：

(1)使用有機清洗液對硅基片進行清洗。

將直徑為100mm、厚度為0.4mm、雙面拋光的硅基片放置于盛有丙酮的燒杯中，使用超聲波清洗5分鐘～10分鐘，然后將硅基片取出放置于盛有酒精的燒杯中，使用超聲波清洗5分鐘～10分鐘，以清洗硅基片表面污物，清洗結束后取出備用。

(2)對步驟(1)中清洗后的硅基片正面進行光刻，在硅基片正面上形成干法刻蝕硅凹槽的掩膜圖形；

對清洗后的硅基片正面進行涂覆光刻膠層，光刻膠層厚度為6μm～7μm，然后在100℃下烘干2分鐘～5分鐘，之后將帶有圖形的掩膜版覆蓋在光刻膠層上進行曝光處理，曝光后的硅基片放入配套的顯影液中進行顯影處理，去除硅基片上與孔圖形位置相對應處的光刻膠層，形成刻蝕圖形。

(3)對步驟(2)中光刻后的硅基片正面進行深硅刻蝕，在硅基片正面上形成凹槽圖形；

將光刻后的硅基片正面放入深硅刻蝕設備中，其中，刻蝕硅槽深度為50μm～100μm，寬度為100μm～200μm。

(4)對步驟(3)中刻蝕后的硅基片正面進行去膠處理，去除作為掩膜的光刻膠；

將刻蝕后的硅基片放入丙酮去膠液中，去除硅基片上剩余的光刻膠。

(5)對步驟(4)中去膠后的硅基片正面進行絕緣層生長；

將去除光刻膠的硅基片放入氧化設備中進行sio2絕緣層生長，其中，絕緣層厚度為1.5μm～2.5μm。

(6)對步驟(5)中生長有絕緣層的硅基片正面進行磁控濺射，在硅基片正面上形成鈦粘附層和銅種子層電路；

將生長有絕緣層后的硅基片放入磁控濺射設備中，在硅基片上依次濺射鈦鎢粘附層和金種子層，其中鈦鎢粘附層厚度為50nm～100nm，金種子層厚度為100nm～200nm。

(7)對步驟(6)中磁控濺射后的硅基片正面進行光刻，用光刻膠覆蓋cpw圖形中需要電鍍加厚的線條圖形以外的部位，之后對線條圖形進行鍍金加厚，再進行去膠處理；

對線條進行電鍍加厚，其中，電鍍層厚度為2μm～3μm。

(8)在步驟(7)處理后的硅基板表面，生長絕緣層；

(9)在步驟(8)生長絕緣層后的硅基板表面，用光刻膠光刻、刻蝕和去膠，在cpw上形成二氧化硅絕緣層；

(10)在步驟(9)形成絕緣層圖形的硅基板上，用光刻膠將處于薄膜微橋橋墩以外的所有部位覆蓋，得到犧牲層；

(11)將步驟(10)制備有犧牲層的硅基片進行磁控濺射，濺射金薄膜；

(12)將步驟(11)濺射后的硅基片進行光刻、電鍍處理，之后再進行去膠、刻蝕處理，得到薄膜微橋；

mems器件放入異丙醇中浸泡，然后放入臨界點干燥儀的腔室中，進行二氧化碳超臨界干燥，完成犧牲層釋放。

(13)將帶有通腔的lcp粘結層裁切成與步驟(12)中硅槽相同的形狀，裝入步驟(12)形成的mems器件的硅槽中；

lcp粘結層的形成采用激光高精度劃切方式，lcp粘結層厚度比硅槽的深度小10μm～20μm，lcp粘結層的寬度和長度比硅槽的寬度和長度小5μm～10μm。

(14)將lcp覆銅層上的銅層去除，形成無覆銅lcp，并切割成與步驟(13)中lcp粘結層相同的結構；

lcp覆銅層去除采用硝酸溶液或三氯化鐵溶液，外形與步驟(13)中lcp粘結層一致。

(15)將lcp粘結層切割成與步驟(14)外形一致的大小；

lcp粘結層外形與步驟(13)粘結層一致，但不含有通腔。

(16)將lcp覆銅層上的銅層去除，并在其上切割通腔，形成與步驟(15)外形一致、帶有通腔的無覆銅lcp；

其中，步驟(16)中lcp層外形與步驟(15)粘結層一致，且不含有通腔。

(17)將步驟(14)、步驟(15)、步驟(16)形成的lcp結構堆疊在一起，層壓形成封裝蓋帽；

其中，步驟(17)中各層lcp堆疊時應對準，層壓為真空層壓，層壓溫度不低于285℃。

(18)將步驟(17)形成的封裝蓋帽與步驟(13)形成的帶有lcp粘結層的mems器件進行封裝；

其中，步驟(18)中lcp蓋帽放置在步驟(13)的mems器件上，lcp帽部分陷入硅槽內，通過熱壓的方式實現封裝，熱壓溫度不低于285℃。

完成基于lcp多層堆疊技術的mems器件封裝。

實施例中，我們將上述方法應用于mems開關的封裝，并對樣件的相關性能進行測試，性能指標為：在20ghz～40ghz頻率范圍內，插入損耗≤0.2db，隔離度≥20db，驅動電壓30v～50v，氣密性≤1.3×10^-9pa﹒m³/s。