TWI396311B - Manufacturing Method of Wafer - level Packaging Structure for Through - hole Oscillator - Google Patents

Description

貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法

本發明係有關一種振子裝置之製造方法，其應用於譬如為手機、筆記型電腦、汽車電子等各種電子產品，特別是指一種貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法。

石英元件具有穩定的壓電特性，能夠提供精準且寬廣的參考頻率、時脈控制、定時功能與過濾雜訊等功能，此外，石英元件也能做為運動及壓力等感測器，以及重要的光學元件；因此，對於電子產品而言，石英元件扮演著舉足輕重的地位。

而針對石英振子晶體的封裝，前案提出了許多種方案，譬如美國專利公告第5030875號專利「犧牲式石英晶體支撐架」(sacrificial quartz-crystal mount)，屬於早期金屬蓋體(Metal Cap)的封裝方式，整體封裝結構複雜、體積無法縮小。美國專利公告第6545392號專利「壓電共振器之封裝結構」(Package structure for a piezoelectric resonator)，主要採用陶瓷封裝體來封裝石英音叉振子，並改良陶瓷基座(Package)與上蓋(Lid)結構，使得石英音叉振子具有較佳的抗震性，然而，該封裝體成本高且尺寸無法進一步降低。

美國專利公告第6531807號專利「壓電裝置」(Piezoelectric Device)，主要針對在不同區域之陶瓷基座進行石英振子與振盪電路晶片之封裝，並利用陶瓷基座上之導線做電氣連接，同時振盪電路晶片以樹脂封裝，石英振子則以上蓋做焊接封裝(seam welding)；然而，由於兩晶片各放在不同區塊，且以陶瓷基座為封裝體，因此使得面積加大且製作成本居高不下。

又如美國專利公告第7098580號專利「壓電振盪器」(Piezoelectric Oscillator)，主要將石英晶片與積體電路分別以陶瓷封裝體封裝後，再進行電氣連接的動作，雖可有效縮小面積問題，但整體體積仍無法有效降低，同時該封裝方式之製作成本也相對較高。

而美國專利公告第7608986號專利「石英晶體振盪器」(Quartz crystal resonator)，主要為晶圓級封裝形式，其主要將玻璃材質(blue plate glass)之上蓋與下基座，與石英晶片藉由陽極接合完成一三明治結構。然而，此一三明治結構由於基材與石英之熱膨脹係數不同，因此當溫度變化時會造成內部石英晶片產生熱應力，使得頻率隨溫度而產生偏移現象。因此，需要特別選擇石英晶片之切角與上蓋和下基座材料之熱膨脹係數，才有辦法克服此困難點，然而在製作上和成本上都比較費工。

上述專利之先前技術，皆無法跳脫目前採用陶瓷基座封裝的窘境，不僅產品成本高且貨源不穩定，且三明治狀的封裝結構所導致之熱應力問題，仍舊無法有效予以解決。

鑒於以上的問題，本發明的主要目的在於提供一種貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法，跳脫目前採用陶瓷基座封裝的窘境，產品成本降低且貨源穩定，並改善三明治封裝結構所導致之熱應力問題，利用貫孔連接方式，使得製程可批次生產並在晶圓上完成整體封裝；同時，藉由外緣無溝槽平面的設計，大幅減少污染物的堆積，且藉由封裝環來作為蝕刻之遮罩，不僅簡化製程，同時亦降低了製程的成本。

因此，為達上述目的，本發明所揭露之一種貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法，首先提供上蓋，並於上蓋形成封裝環層，其製作方法依材料性質而不同；當封裝環層為金屬材質時，譬如為銅、錫、金、銀、銦及上述金屬之合金，可藉由濺鍍方式(Sputter)或蒸鍍方式(Evaporator)製作；當封裝環層為有機聚合物材質時，則可藉由旋塗(spin coating)的方式製作；又或者當封裝環層為氧化物材質時，則可藉由化學氣相沉積(CVD)或熱氧化製程(thermal Oxidation)等陽極氧化接合技術(anodic bonding)來達成。

接著，針對封裝環層進行圖案化以形成封裝環，並利用封裝環作為遮罩而於上蓋蝕刻出凹槽；接著提供基座，此基座具有至少一個導電通孔，並黏合振子單元於基座，且與導電通孔構成電氣連接；然後結合上蓋與基座，且上蓋之封裝環係對準基座之封裝環，封裝環之外緣與上蓋、基座切齊，而構成完整無溝槽的平面，以減少污染物的堆積；而封裝環與上蓋或基座之凹槽的邊緣切齊，而增加了封裝環的面積，可提高接合強度與密封效果；最後，於基座底部製作基座金屬焊墊，完成整體封裝製程。

為使對本發明之目的、特徵及其功能有進一步的了解，茲配合圖式詳細說明如下：

根據本發明所揭露之貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法，首先請參閱第1圖，為本發明貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構第一實施例之示意圖。

根據本發明所揭露之貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構包含有振子單元20、上蓋10、基座40、封裝環30以及導電通孔50，振子單元20可為溫度穩定切角(AT-cut)石英晶體振子、音叉型石英晶體振子等石英晶體振子或其它機械共振型式振子，且振子單元20之上、下表面分別具有上表面電極21與下表面電極22(見第2圖)，藉以激振振子單元20，並透過導電凸塊23電性連接至底部基座40之基座金屬焊墊41。其中，上表面電極21與下表面電極22分別位於振子單元20之相對側，且導電凸塊23可為銀粉顆粒與樹脂等組成之導電膠材或金屬凸塊，其中金屬凸塊可由金、銅、錫、銀、銦或其合金之一構成。

因此，振子單元20配置於基座40之上，而基座40外緣設置有封裝環30，此封裝環30可藉由銅、錫、金、銀、銦及上述金屬之合金、有機聚合物、氧化物等材質所構成；若封裝環30為金屬材質，且上蓋10及基座40若可導電，則兩者間必須有一層絕緣物，以避免上蓋10及基座40發生導通之情形。藉由封裝環30用以提供上蓋10予以封裝設置，且上蓋10具有凹槽11來容設振子單元20。故，上蓋10、基座40透過封裝環30，而可將振子單元20作氣密封裝，其內部環境可為真空或是充填氮氣；上蓋10的材質可為矽、玻璃、石英、陶瓷、金屬材料等，基座40的材質亦可為矽、玻璃、石英、陶瓷等非導電材料，再者，若將其兩者(上蓋10與基座40)選用相同材質，可進一步防止熱應力之問題。

且封裝環30之外緣與上蓋10、基座40切齊，而構成完整無溝槽的平面，以減少污染物的堆積；而封裝環30之內緣與上蓋10之凹槽11的邊緣切齊，可增加了封裝環30的面積，提高接合強度與密封效果。

導電通孔50垂直貫穿基座40設置，其材質可為金屬導電材質，譬如銅、鎢、鋁、銀、金及上述金屬之合金等，或者，導電通孔50亦可為多晶矽或是導電高分子，只要能導電均可，並且利用矽導通孔(Through silicon via；TSV)技術予以成型。導電通孔50上面電性連接於振子單元20之上表面電極21與下表面電極22，並將其電性連接至基座金屬焊墊41，使其可與外部做電性連接，提供電能與訊號輸入與輸出。

請參閱第3A~3E圖，為本發明貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構第一實施例之上蓋的製作流程示意圖。

首先，提供上蓋10(見第3A圖)，並於上蓋10上製作一層封裝環層301(見第3B圖)，其製作方法依材料性質而不同；當封裝環層301為金屬材質時，譬如為銅、錫、金、銀、銦及上述金屬之合金，可藉由濺鍍方式(Sputter)或蒸鍍方式(Evaporator)製作；當封裝環層301為有機聚合物材質時，則可藉由旋塗(spin coating)的方式製作；又或者當封裝環層301為氧化物材質時，則可藉由化學氣相沉積(CVD)或熱氧化製程(thermal Oxidation)等陽極氧化接合技術(anodic bonding)來達成。

接著藉由黃光顯影製程，將封裝環層301圖形化而形成封裝環30，並予以開孔露出部分上蓋10之區域(見第3C圖)。接著，利用溼式蝕刻製程來於上蓋10上製作凹槽11(見第3D圖)，譬如為KOH或TMAH溶液等蝕刻液蝕刻；此時，圖形化封裝環30可作為此一製程之遮罩，藉以更進一步簡化製作流程，並降低製作成本。另一方面，如第3E圖所示，亦可藉由乾式蝕刻製程製作凹槽11，如感應耦合電漿離子蝕刻(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching)製程。

請參閱第4A~4G圖，為本發明貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構第一實施例之基座的製作流程示意圖。

首先，提供基座40(見第4A圖)，接著在基座40上製作一層金屬層60(見第4B圖)，其製作方法可藉由濺鍍方式(Sputter)或蒸鍍方式(Evaporator)製作，且金屬層60可為鋁、銀、金等金屬材質。然後藉由黃光顯影製程，將金屬層60予以圖形化，並開孔露出部分基座40之區域(見第4C圖)；接著，請參閱第4D圖，藉由乾式蝕刻製程蝕刻出凹洞401，如感應耦合電漿離子蝕刻(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching)製程，接著並利用溼蝕刻製程將金屬層60去除。

如第4E圖所示，利用電鍍製程，將凹洞401填滿並於其上形成電鍍層70；隨之利用精密研磨製程，研磨電鍍層70之上表面，直至露出基座40(見第4F圖)。

接著，如第4G圖所示，在基座40上製作一層封裝環30，其製作方法依材料性質而不同；當封裝環30為金屬材質時，譬如為銅、錫、金、銀、銦及上述金屬之合金，可藉由濺鍍方式(Sputter)或蒸鍍方式(Evaporator)製作；當封裝環30為有機聚合物材質時，則可藉由旋塗(spin coating)的方式製作；又或者當封裝環30為氧化物材質時，則可藉由化學氣相沉積(CVD)或熱氧化製程(thermal Oxidation)等陽極氧化接合技術(anodic bonding)達成封裝；並藉由黃光顯影與蝕刻製程將封裝環30圖形化。

接著進行振子單元20之封裝，請參閱第5A～5D圖，首先將振子單元20透過點膠與自動夾取定位(auto-mount)在導電通孔50上，並透過高溫烘烤製程使導電凸塊23固化，而固定振子單元20於導電通孔50上，同時完成電氣連結，如第5A圖所示。

請參閱第5B圖，進行基座40與上蓋10之對準與接合製程，同樣的，將視封裝環30材質特性，分別以金屬融接結合、膠合技術或陽極氧化接合技術完成該封裝製程。接著利用精密研磨技術，將晶圓薄化並露出導電通孔50，上蓋10則視應用與尺寸規格來決定是否進行薄化製程(見第5C圖)。最後，利用金屬沉積製程、黃光顯影製程與電鍍製程等，製作基座金屬焊墊41，如第5D圖所示；圖中所繪示為雙顆元件，因此需要予以切割後使用。而上述薄化製程(見第5C圖)，亦可於上蓋10、基座40完成時即進行，而無須等到結合後方進行薄化。

另一方面，除了上述上表面電極21與下表面電極22位於振子單元20之相對側外，亦可將其設計為位於相同側。請參閱第6圖，為本發明貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構第二實施例之示意圖；其中繪示有上表面電極21與下表面電極22位於振子單元20之相同側(見第7圖)。

相同地，上蓋10之凹槽11的設計，乃是為了容設振子單元20，故亦可將基座40設計具有凹槽42，而上蓋10設計為平坦，也可達到相同之效果，如第8A、8B圖所示，分別對應於上述第一實施例、第二實施例之變化態樣；此時，封裝環30之內緣則切齊於基座40之凹槽42的邊緣，同樣，亦可作為形成基座40之凹槽42的遮罩。而相對於製程上來說，凹槽11、金屬層60、以及電鍍層70則都形成於基座40上，上蓋10僅需結合封裝環30即可。

請參閱第9、10圖，為本發明貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構第三實施例之示意圖。上述實施例中，導電通孔50設計位於貫穿於概略在振子單元20之導電凸塊23的下方；而本實施例中，將導電通孔50設計垂直貫穿於封裝環30下方，因導電通孔50乃是藉由矽導通孔技術來形成，而矽導通孔為影響內部氣密性的因素之一，因此，本實施例中，藉由走線的方式將導電通孔50開設於封裝環30之下方，則當進行封裝製程時，影響封裝氣密性之因素，僅剩下封裝環30接合的好壞，內部封裝氣體不會經由矽導通孔走線而與外界產生交換。因此，整體封裝結構的氣密性將更容易獲得控制。當然，凹槽11的變化、上表面電極21與下表面電極22的相對位置亦可如上述實施例、態樣般予以變化(圖中未示)。

本發明所揭露之貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法，藉由垂直貫穿開設於基座的導電通孔，來使振子單元與底部的基座金屬焊墊形成電性連接，因此，跳脫目前採用陶瓷基座封裝的窘境(包括產品成本高且貨源不穩定等)，並改善三明治封裝結構所導致之熱應力問題；同時，減少貴金屬材料用料與進一步微縮尺寸，減少連接線之長度，從而降低因高頻化而衍生的寄生電容/電感效應。且藉由晶圓接合技術可批次生產石英晶體振子，減少人力與生產時間，降低生產成本。同時，封裝環之外緣與上蓋、基座切齊，而構成完整無溝槽的平面，以減少污染物的堆積；封裝環之內緣與上蓋之凹槽的邊緣切齊，可增加了封裝環的面積，提高接合強度與密封效果。且封裝環可作為後續蝕刻製程之遮罩，將可大幅簡化製程。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

10．．．上蓋

11．．．凹槽

20．．．振子單元

21．．．上表面電極

22．．．下表面電極

23．．．導電凸塊

30．．．封裝環

301．．．封裝環層

40．．．基座

401．．．凹洞

41．．．基座金屬焊墊

42．．．凹槽

50．．．導電通孔

60．．．金屬層

70．．．電鍍層

第1圖為本發明貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法的第一實施例之示意圖。

第2圖為本發明貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法的第一實施例中振子單元上、下電極之示意圖。

第3A~3E圖為本發明貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構第一實施例之上蓋的製作流程示意圖。

第4A~4G圖為本發明貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構第一實施例之基座的製作流程示意圖。

第5A~5D圖為本發明貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構第一實施例之組裝的製作流程示意圖。

第6圖為本發明貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法的第二實施例之示意圖。

第7圖為本發明貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法的第二實施例中振子單元上、下電極之示意圖。

第8A圖為本發明貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法的第一實施例中凹槽之變化實施態樣示意圖。

第8B圖為本發明貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法的第二實施例中凹槽之變化實施態樣示意圖。

第9圖為本發明貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法的第三實施例之示意圖。

第10圖為本發明貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法的第三實施例中振子單元上、下電極與封裝環走線之示意圖。

10．．．上蓋

11．．．凹槽

20．．．振子單元

21．．．上表面電極

22．．．下表面電極

23．．．導電凸塊

30．．．封裝環

40．．．基座

41．．．基座金屬焊墊

50．．．導電通孔

Claims (14)

1. 一種貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法，其包含下列步驟：提供一上蓋；於該上蓋形成一封裝環層；針對該封裝環層進行圖案化以形成一封裝環；利用該封裝環作為遮罩而於該上蓋蝕刻出一凹槽；提供一基座，該基座具有至少一導電通孔，垂直設置於該基座；黏合一振子單元於該基座，並與該導電通孔構成電氣連接；結合該上蓋與該基座，且該上蓋之該封裝環係對準該基座之封裝環；以及於該基座底部製作一基座金屬焊墊。
2. 如申請專利範圍第1項所述之貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法，其中該振子單元係為一石英晶體振子或機械共振型式振子，且該石英晶體振子係為溫度穩定切角(AT-cut)石英晶體振子或音叉型石英晶體振子。
3. 如申請專利範圍第1項所述之貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法，其中該上蓋係由矽、玻璃、石英、陶瓷或金屬材料之一所構成，該封裝環係由銅、錫、金、銀、銦或上述合金、有機聚合物或氧化物之材質之一所構成，該基座係由矽、玻璃、石英或陶瓷材料之一所構成，且該導電通孔係選自由銅、銀、金、鎢、或其合金所構成之組合。
4. 如申請專利範圍第1項所述之貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法，其中該振子單元包含有一上表面電極與一下表面電極，該上表面電極與該下表面電極係分別藉由一導電凸塊與該導電通孔電性連接，且該導電凸塊係為銀粉顆粒與樹脂之混合導電膠材或金屬凸塊之一所構成，該金屬凸塊可由金、銅、錫、銀、銦或其合金之一構成。
5. 如申請專利範圍第4項所述之貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法，其中該上表面電極與該下表面電極設置於該振子單元之相同側或相對側。
6. 如申請專利範圍第1項所述之貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法，其中該上蓋之該封裝環、該基座之該封裝環之外緣係與該上蓋、該基座切齊。
7. 如申請專利範圍第1項所述之貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法，其中該封裝環之內緣係與該凹槽切齊。
8. 如申請專利範圍第1項所述之貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法，其中該導電通孔設置於該上蓋之該封裝環下方。
9. 如申請專利範圍第1項所述之貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法，更包含有薄化該上蓋的步驟。
10. 如申請專利範圍第9項所述之貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法，其中該薄化該上蓋的步驟，係於蝕刻出該凹槽後進行。
11. 如申請專利範圍第9項所述之貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法，其中該薄化該上蓋的步驟，係於結合該上蓋與該基座後進行。
12. 如申請專利範圍第1項所述之貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法，更包含有薄化該基座的步驟。
13. 如申請專利範圍第12項所述之貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法，其中該薄化該基座的步驟，係於提供該基座時進行。
14. 如申請專利範圍第12項所述之貫孔式振子裝置晶圓級封裝結構之製造方法，其中該薄化該基座的步驟，係於結合該上蓋與該基座後進行。