微机电系统封装件及其制造方法

专利名称：微机电系统封装件及其制造方法
技术领域：
本发明总体上涉及微机电器件，特别涉及微机电器件的封装件。
背景技术：
使微电子封装件适配于微机电系统(MEMS)器件涉及一些具有挑战性的封装要求。许多MEMS器件的典型三维和移动元件通常要求使用某种类型的凹腔式封装(cavity package)，以在MEMS器件的有效表面(active surface)上方提供自由空间。凹腔内部通常必须没有污染，包括没有材料的过度脱气。MEMS器件还可能要求在封装中热绝缘，以及需要采用能够使器件上的机械应力最小化的安装方法。凹腔可以被抽真空或被充填气氛控制剂例如吸气剂。
除了这些要求以外，MEMS器件在常规的微封装过程中容易受损。存在可移动的三维机械结构使得未封装MEMS器件变得更为脆弱。作为示例，如果被粗放地搬运，则可移动的MEMS结构会接触并永久性附着在一起(粘连作用)。
此外，MEMS封装件的成本也成为许多应用的关键因素。例如，MEMS器件的制造成本的50-90％消耗在封装MEMS器件。例如，表面结构和凹腔要求MEMS器件通常要求禁止使用大部分集成电路中所用的低成本转移模塑塑料封装。另外，普通密封技术，例如注射成型，通常要求高压力，这容易损坏微结构。
因此，本行业中迄今为止未能解决前述低效和不充分问题。

发明内容
本发明的实施例提供了用于制造微机电器件封装件的系统和方法。从整个体系上综合地讲，系统的实施例之一包括微机电器件，其形成在基底层上；以及热分解性(thermally decomposable)牺牲结构，其保护微机电器件的至少一部分，其中，牺牲结构形成在基底层上并且包围气体凹腔，该气体凹腔围绕着微机电器件的有效表面。
本发明的实施例还可以提供用于制造微机电器件封装件的方法。在这方面，这种方法的实施例之一可以被广义地概括为包括一下步骤在微机电器件的基底上形成热分解性牺牲层，其中牺牲层包围气体凹腔，该气体凹腔围绕着微机电器件的一部分；围绕牺牲层形成保护层；以及热分解牺牲层，其中牺牲层的分解分子渗透穿过保护层，并且气体凹腔形成在热分解性牺牲层的形成位置。
通过查阅附图和下面的详细描述，本领域技术人员可以得知属于本发明的其它系统、方法、特征和优点。可以认为所有这些其它系统、方法、特征和优点都被本说明书涵盖，并且落入本发明的保护范围。


参照附图可以更好地理解本发明。图中的元件并未完全按比例绘制，而是为了清楚地展现本发明的原理而有所夸大。另外，在附图中，相同的附图标记表示不同图中相应的元件。
图1是根据本发明一个实施例的MEMS封装件的视图。
图2是用于制造图1所示MEMS封装件的代表性过程的流程图。
图3是图2所示过程的制造步骤的视图。
图4是用于执行图2中描述的施加牺牲层的步骤的一个过程的实施例的视图。
图5是适于实施图4所示过程的MEMS器件的实施例的视图。
图6是用于执行图2中描述的施加牺牲层的步骤的一个过程的实施例的视图。
图7是适于实施图6所示过程的MEMS器件的实施例的视图。
图8是MEMS器件的一个实施例的视图，该器件适于执行图2中描述的施加牺牲层的步骤的一个蚀刻过程。
图9A-9D是用于SOI梁谐振器的图4所示封装过程的视图。
图10A-10F是用于HARPSS多晶硅环陀螺仪的图6所示封装过程的视图。
图11A-11B是图9A-9D所示SOI梁谐振器在封装之前和之后的频率响应的视图。
图12-15是可利用图2所示过程的一些部分实现的MEMS封装件的不同实施例的视图。
图16是根据本发明将MEMS器件附着到引线框封装上的制造过程的视图。
图17是本发明MEMS封装件可以采用的各种封装技术的视图。
具体实施例方式
图1示出了根据本发明一个实施例的MEMS器件封装件100。在这一点上，MEMS器件封装件100用于封装独立式(freestanding)MEMS结构110，并且大致包括基底层105；形成在基底层105上的一或多个MEMS结构110；围绕着独立式MEMS结构110的空腔或气隙或气体凹腔108；包围凹腔108的屏蔽层120，用于为MEMS器件提供机械、电气、化学和/或环境保护；多根电连线，它们从凹腔内侧延伸到外侧(穿过屏蔽层120或位于其下面，以从外侧向内侧传导电信号)；以及形成在基底105上的触点130，用于将封装件100连接到外部点或终端。在将独立式或释放的MEMS结构110封装到MEMS封装件100中后，封装件100可以通过各式各样的独特且不同的措施而被附加到电路板或系统上，如后文中详细描述。
基底层105可以由适合用于特定MEMS系统或器件的材料制成。示例性的材料包括但不局限于玻璃、钻石、石英、蓝宝石、硅、硅化合物、锗、锗化合物、镓、镓化合物、铟、铟化合物或其它半导体和/或化合物。此外，基底层105可以包括例如非半导体基底材料，包括任何的介电材料、金属(例如铜和铝)、或是印刷电路板中所用的陶瓷或有机材料。触点130可以由导体形成，例如金属和/或金属合金，其中要考虑到适宜的条件例如粘着性和热性能。
如前所述，包围凹腔108的屏蔽层120为MEMS器件提供机械、电气、化学和/或环境保护。基于特定的MEMS器件或特定的应用，要求不同级别的保护。一般而言，气隙或凹腔是容纳着气体的封闭区域，其不需要透气，并且在某些实施例中，气隙处于真空状态。该气隙或凹腔通常被上层结构覆盖。
一般而言，MEMS结构110被封装，以确保保护器件不受工作环境的影响，并且保护环境不受材料和操作的影响。作为示例，一个级别的保护提供不与其它机械结构或对象干涉的保护，以确保MEMS结构110的结构完整性。在这种类型的封罩结构中，屏蔽层120应当由这样的材料制成，即能够承受特定MEMS器件操作环境的一般苛刻条件。另一附加级别的保护可以进一步提供不暴露于氧气或水的保护(例如，密闭的封罩)。因此，对于这种类型的保护，屏蔽层120一般由金属材料制成，其包围空气凹腔108提供气密性密封。此外，一些级别的屏蔽层120还可以提供附加级别的保护，以进一步提供防止暴露于任何外界气体的保护。对于最后级别的保护，真空产生在空气凹腔108内，并且屏蔽层120一般由金属材料制成，其在空气凹腔108内维持真空。
根据本发明一个实施例，一种用于制造MEMS器件封装件100的过程(方法)200将参照图2和图3进行描述。该过程200基于牺牲材料的热分解，如这里的描述。应指出，为了清楚，制造过程的某些部分未包含在图2中。同样地，下面描述的制造过程不意味着以穷尽的方式列举了用于制造MEMS器件封装件100所需的所有步骤。此外，制造过程是柔性的，因为加工步骤可以以不同于图2所示顺序的顺序实施，或者，某些步骤可以同时实施。
现在参看图2和3，热分解性牺牲聚合物(例如，美国俄亥俄州Brecksville的Promerus，LLC的Unity 200)被应用到(210)释放的(released)MEMS器件310的表面上，以产生具有牺牲层325的MEMS器件封装件320。牺牲聚合物材料被图案化，以封罩MEMS器件310的表面或部分表面，从而制作出牺牲层325。作为示例，感光或可光定型的(photodefinable)牺牲聚合物材料可以被用于制作牺牲层325。因此，可光定型的聚合物可以利用诸如旋涂、刮刀涂布、溅镀、层合、丝网或蜡纸印刷、熔化发放、化学气相沉积(CVD)和基于等离子体的沉积系统等技术沉积在基底328上。
接下来，在利用牺牲材料325形成图案后，MEMS器件被外涂介电材料(例如，Avatrel、Polyamide、SU8)335于牺牲层325的顶部以及MEMS结构上的任何其它预期区域。在这一点上，外涂层被施加(220)到MEMS结构320上，以产生具有牺牲层325和外涂层335的MEMS器件封装件330。外涂层335可以利用诸如旋涂、光定型方法、刮刀涂布、溅镀、层合、丝网或蜡纸印刷、熔化发放、化学气相沉积(CVD)和基于等离子体的沉积系统等技术沉积在基底328上。外涂材料还可以被图案化以暴露各种特征，例如接合垫(焊盘)或触点。
在外涂层335被制备后，通过将牺牲层325的牺牲聚合物材料加热到足以分解聚合物的温度(例如，200-250℃)，牺牲层325被分解。作为示例，牺牲层325可以这样被分解(230)，即在炉中高于牺牲层325的热分解温度，以产生具有基本上无残余物的低残余气隙或无残余物凹腔348的MEMS器件封装件340，该凹腔由外涂层335覆盖。如果残余物低于一个″实质性的″值，则对最终产品影响很小或没有影响，可以被认为是″无残余物″。作为示例，在MEMS器件中，小于10nm的残余物通常对最终产品没有影响，并被认为是无残余物。
在这个过程中，牺牲层325的分解产物扩散或渗透穿过外涂层335。在一个附加步骤中，附加的金属材料355被添加(240)到MEMS结构上，以覆盖外涂层335(例如，通过溅镀和图案化金属材料)，以产生具有金属罩盖或屏蔽体355的MEMS器件封装件350，以保护MEMS器件的有效表面358。金属屏蔽体355为MEMS器件310提供了一种类型的保护，以防止受到外力或外部元件的作用。特别地，金属已知可以提供气密性屏蔽体。因此，金属气密性屏蔽体355使得MEMS器件可以接触外界条件。
在一些实施例中，希望对MEMS器件进行真空封装。用于实施MEMS器件真空封装的实施例之一采用前面描述的过程200。然而，为了在步骤335添加附加的金属材料，MEMS器件340被安置在真空室中，例如蒸发器中，空气凹腔区域348内的空气被抽空。然后，在真空下，金属被沉积到外涂材料上，如前面在步骤255中所描述。金属屏蔽体355防止空气进入金属封罩的区域，因此为MEMS器件提供真空封装。情注意，在一些实施例中，用于去除牺牲层的步骤还可以在真空室中实施，从而多个步骤可以同时实施。
还需要指出，在一些实施例中，MEMS封装件的制造不需要经历图2中的前述步骤中每一个步骤，但也能够适应于进一步的处理以向外部点或终端提供电连接部，如下文所讨论。
用于产生牺牲层325的牺牲聚合物可以是这样的聚合物，当在外围材料内形成空气凹腔区域348时，其缓慢地分解并且不产生过度的压力积累。。此外，牺牲聚合物分解产生的气体分子小至足以渗透通过外涂层335。此外，牺牲聚合物的分解温度低于MEMS结构和外涂材料的分解或降解温度。此外，牺牲材料的分解温度应当高于外涂材料的沉积或固化温度，但低于使用牺牲聚合物的结构中的元件的降解温度。
牺牲聚合物可以包括化合物，例如，但不局限于，聚降冰片烯类，聚碳酸酯类，聚醚类，聚酯类，它们每个的官能化化合物，以及它们的组合。聚降冰片烯可以包括，但不局限于，烯基取代的降冰片烯(例如，降冰片烯环丙烯酸脂)。聚碳酸酯可以包括，但不局限于，降冰片烯碳酸酯，聚丙烯碳酸酯，聚乙烯碳酸酯，聚环己烯碳酸酯，以及它们的组合。
此外，牺牲聚合物可以包括可改变牺牲聚合物加工性能(例如，提高或降低牺牲聚合物对热和/或光辐射的稳定性)的附加成分。在这方面，所述可以包括，但不局限于，光引发剂和光酸引发剂。
所公开的牺牲成分的实施例包括，但不局限于，牺牲聚合物和一或多种正色性(positive tone)或负色性(negative tone)成分。正色性成分可以包括光酸产生剂。
作为示例，牺牲元件可以包括负色性成分和/或正色性成分中的任何一种。负色性成分可以包括这样的化合物，其产生可在牺牲聚合物中引起交联的反应剂。负色性成分可以包括这样的化合物，例如，但不局限于，感光自由基产生剂。也可以使用其它负色性成分，例如光酸产生剂(例如，在环氧官能化系统中)。
负色性感光自由基产生剂是这样的化合物，其在暴露于光时会断裂成两或更多种化合物，其中至少一种是自由基。特别地，负色性光引发剂可以包括，但不局限于，双(2，4，6-三甲基苯甲酰基)-苯基氧化膦(汽巴精化公司的Irgacure 819，)；2-苄基-2-二甲基氨基-1-(4-吗啉苯基)-丁酮-1(汽巴精化公司的Irgacure369)；2，2-二甲氧基-1，2-二苯基乙-1-酮(汽巴精化公司的Irgacure651)；2-甲基-1[4-(甲硫基)-苯基]-2-吗啉丙-1-酮(汽巴精化公司的Irgacure 907)；苯偶姻乙醚(BEE，Aldrich公司)；2-甲基-4’(甲硫基)-2-吗啉基-苯丙酮 2，2’-二甲氧基-2-苯基-苯乙酮(汽巴精化公司的Irgacure 1300)；2，6-双(4-叠氮苯亚甲基)-4-乙基环己酮(BAC-E)；以及它们的组合。
正色性成分可以包括，但不局限于，光酸产生剂。具体地讲，正色性光酸产生剂可以包括，但不局限于，亲核性卤化物(例如二苯碘盐，二苯氟盐)以及络和金属卤化物阴离子(例如三苯硫盐)。特别地，光酸产生剂可以是四(五氟化苯基)硼酸-4-甲基苯基[4-(1-甲基乙基)苯基]鎓(DPI-TPFPB)；四-(五氟化苯基)硼酸三(4-叔丁基苯基)锍(TTBPS-TPFBP)；六氟磷酸三(4-叔丁基苯基)锍(TTBPS-HFP)；三氟甲磺酸三苯硫盐(TPS-Tf)；三氟甲磺酸双(4-叔丁基苯基)鎓(DTBPI-Tf)；三嗪(TAZ-101)；六氟磷酸三苯硫盐(TPS-103)；RhodosilTMPhotoinitiator 2074(FABA)；双(全氟甲磺酰)酰亚胺三苯硫盐(TPS-N1)；双(全氟甲磺酰)酰亚胺二-(对叔丁基)苯基鎓(DTBPI-N1)；三苯基硫；三(全氟甲磺酰)甲基化物(TPS-C1)；三(全氟甲磺酰)甲基二-(对叔丁基苯基)鎓(DTBPI-C1)；以及它们的组合。
光酸产生剂可以为牺牲成分的重量的大约0.5％至5％。特别地，光酸产生剂可以为牺牲成分的重量的大约1％至3％。
除了光酸产生剂和牺牲聚合物(例如大约50％至大约99％)，牺牲成分中的剩余比例可以包括溶剂，例如，但不局限于，三甲苯，N-甲基-2-吡咯烷酮，碳酸丙烯酯，茴香醚，环己酮，丙二醇，-甲基醚乙酸酯，乙酸正丁酯，二甘醇二甲醚，乙氧基丙酸乙酯，以及它们的组合。
牺牲材料的热解可以这样实现，即加热MEMS器件至牺牲聚合物的热解温度，并且在该温度保持一段时间(例如1-2小时)。然后，热解产物扩散或渗透穿过外涂聚合物层，留下几乎没有残余物的中空结构(空气凹腔)。
外涂层35可以是任何模式的聚合物或沉积膜(例如二氧化硅，氮化硅等)，其具有这样的特性，即对于牺牲聚合物分解产生的分解气体而言是透过性或半透过性的，同时可形成气隙或凹腔。此外，外涂聚合物层具有弹性，从而在制造和使用状态下不会断裂或破碎。此外，外涂层335在牺牲聚合物分解的温度下是稳定的。外涂层335的例子包括化合物例如聚酰亚胺，聚降冰片烯，环氧化物，聚芳基醚，以及聚对二甲苯。具体地讲，外涂层3 3 5包括化合物例如Amoco UltradelTM7501，BF Goodrich AvatrelTMDieelectric Polymer，DuPont 2611，DuPont 2734，DuPont 2771，以及DuPont 2555。外涂层335可以利用诸如旋涂、刮刀涂布、溅镀、层合、丝网或蜡纸印刷、熔化发放、化学气相沉积(CVD)和基于等离子体的沉积系统等技术沉积在基底上。
各种措施可以用于向MEMS器件施加热解性牺牲层和外涂层。在这一点上，图4描绘了一种这样的方法，其适合于封装微加工的MEMS器件，例如绝缘体上硅(SOI)谐振器或其它带有小孔的MEMS器件(例如，H＞＞g且t＜＜50μm，其中H是空气凹腔的高度，g是孔的宽度，t是牺牲层的厚度)，如图5所示。
在这种通过图案化(PVP)途径实施的封装中，可光定型的牺牲聚合物Unity 200(美国俄亥俄州Brecksville的Promerus，LLC)首先被旋涂在MEMS器件410的表面，以产生薄牺牲层412，并且MEMS器件被软性烘烤(420)。然后进行远紫外线曝光(λ＝248nm)(420)，以图案化薄牺牲层412。牺牲层412在大约110℃被烘烤显影(430)，以分解曝光区域，然后利用可光定型的聚合物外涂层Avatrel(Promerus，LLC)414密封(封罩)牺牲材料(440)。
在密封(440)之后，通过对外涂层材料414进行光刻图案形成处理而显露出接合垫416。然后，外涂层下面的覆盖着MEMS结构的牺牲材料在大约200-300℃被热分解(460)，以产生空气凹腔418。这是整个过程中温度最高的步骤。热分解的副产品可以通过外涂层414而容易地扩散出去。可以溅镀铝层417，以气密性地密封所述封装的MEMS器件。
在牺牲材料分解后，凹腔418的内部被清除了牺牲材料，而且器件结构419完整无缺并且是可自由移动的，没有任何残余物留在器件上。例如，在一项试验中，具有1μm气隙的25μm厚SOI梁谐振器(2.6MHz的频率)通过PVP方法被Unity牺牲材料封装。Unity牺牲材料是一种可光定型的聚碳酸酯，其造硅、氧化物和金属上的粘着性良好，并且可以在低温下热分解。另外，Unity牺牲材料的特点是可在窄温度范围内彻底分解。在该试验中，器件的Q因数(Q＝8000)在封装之后和去除牺牲材料后没有改变。
作为替代，图6示出了一种通过发放技术(PVD)施加热解性牺牲材料层的封装方法。该方法更适合于利用脆性元件以及宽且深的凹腔(例如，L＞＞g，其中L表示空气凹腔710的长度，g表示孔720的宽度)来封装体型微加工结构(例如HARPSS陀螺仪/加速度计)，如图7所示。
在这种方法中，热分解性牺牲材料610(不是必须是可光定型的)通过注射器式发放工具(例如，手工或自动地)而以可调的液滴尺寸(例如，1mm至1cm)被施加(620)，以覆盖空气凹腔612。然后，牺牲材料610被外涂(630)Avatrel外涂材料，接下来持续进行的加工顺序类似于PVP方法，包括用于分解牺牲层610的热释放步骤(640)以及用于向空气凹腔616上添加金属屏蔽层617的金属化步骤(650)。最终的金属化步骤(650)可以实现气密性密封的封装件618。
前面描述的方法是用于向MEMS器件上施加牺牲材料105和/或屏蔽材料120(例如外涂材料，金属层，其它保护屏蔽体等)的方法的例子。然而，本发明并不局限于前面参照图4-7所描述的方法。例如，半导体制造过程中使用的其它光刻或蚀刻技术可被采用。在这一点上，MEMS器件还可以通过在厚牺牲材料上进行掩模蚀刻加工而封装，这种方法适合于利用脆性元件或宽且深的凹腔(例如t＞L＞50μm，其中t表示牺牲层810的厚度，L表示空气凹腔820的长度)封装小的MEMS结构(例如HARPSS谐振器，RF开关)，如图8所示。在这一点上，氧气罩可以被用于借助于氧气等离子体由非预期区域去除牺牲材料。
实施前述方法以封装MEMS器件的可行性已得到成功证实。作为示例，具有1μm间隙空间的15μm厚、2.6MHz的SOI梁谐振器(已释放)如图9A所示(其中SCS梁和隔离沟被标出)，其通过PVP而被封装。窄沟槽被向下蚀刻至隐埋的氧化物，以限定出谐振器和传感器/驱动垫的形状，然后在HF溶液中去除隐埋的氧化物。图9B示出了谐振器在经历了PVP之后的情形。如图所示，谐振器呈现出一个15μm高的凹腔，具有20μm厚的外涂层。
图9C示出了DC溅镀了金以气密性地密封器件之后的未封装的谐振器。在该器件中，Avatrel外涂层延伸在隔离沟槽的顶部。图9D示出了封装的谐振器(其中SCS梁被标出)的断开后的横截面，显示出一个15μm高、80μm宽的凹腔，带有20μm厚的Avatrel罩盖。
为了评估PVD方法，制作出50μm厚的多晶硅HARPSS环陀螺仪，其具有1μm的间隙和200μm深的凹腔，如显示于图10A。HARPSS加工顺序起始于图案化氮固接部并且限定出沟槽。牺牲氧化物薄层被沉积，以均匀地覆盖沟槽侧壁，并且在SCS和多晶硅电极之间限定出电容间隙。沟槽被重填掺杂型多晶硅，以形成环、弹簧和电极。最后，传感器在DRAIE工具中被释放，然后在HF溶液中去除牺牲氧化物。图10B示出了手工消除牺牲材料后的该器件。图10C是器件形成了厚的(120μm)外涂层罩盖并由凹腔内侧分解牺牲材料后的情形。图10D示出了器件在弄破2mm宽Avatrel封罩后的情形，证实具有清洁的凹腔和完好无损的器件结构(器件是可自由振动的)。
图10E和10F是电极的近距离视图，显示了1μm电容间隙，以及4μm宽的多晶硅环和支撑弹簧。图中清楚地示出了牺牲材料可通过非常厚的外涂层而分解，以产生坚硬的罩盖。在室温下，在真空室内空气分子通过Avatrel罩盖脱出需要几个小时的时间，结构可以以高Q因数开始谐振。
图9A-9D所示的未封装的谐振器以晶片级别在真空探测台内被测试。70-80V范围内的DC极化电压被施加，同时电极直接连结至网络分析仪。图11A示出了封装以前谐振器在真空中的频率响应，图11B示出了封装后谐振器在真空中的频率响应。器件的大约为5000的高Q因数没有变化，证明封装之后Unity牺牲材料热分解对器件性能没有影响。
如前所述，各种MEMS器件封装件可以被制造成具有各种级别的抵抗环境因素的保护。因此，MEMS封装件的各实施例包括但不局限于下面所述。
在图12中，MEMS器件封装件1200的一个实施例被示出。在这个实施例中，MEMS器件封装件1200包括基底层1210，MEMS器件有效区域1220，真空密封的空气凹腔区域1225，触点1230，外涂层1240，以及屏蔽层1250。封装件1200以类似于前面参照图2所描述的过程被制造，其中牺牲层325被去除以形成外涂层1240和屏蔽层1250，屏蔽层可以为MEMS器件提供不同程度的气密性保护。在这个过程中，凹腔1225内的空气被抽空以在凹腔1225内产生真空，其中金属隔离层1250防止空气进入空气凹腔区域1225。
通过将牺牲材料325转变成渗透通过外涂层1240的气体材料，凹腔1225中没有残余物，包括任何残余牺牲材料。相应地，外涂层1240也没有残余物并且可维持结构完整性，因为不需要对外涂层穿孔就能去除任何牺牲材料。
MEMS封装件1200可以通过各种方法连接至外部点或经受额外封装，所述方法包括线接合技术，倒装贴片技术，利用引线框进行封装，表面安装封装，陶瓷封装或其它高性能技术，如后文所述。可用于MEMS器件的特定加工技术可能取决于外涂层和屏蔽层所提供的保护级别，因为不同的技术会向微电子器件施加不同程度的压力和精密都。
现在参看图13，MEMS封装件1300的另一实施例被示出。在图13中，MEMS器件封装件1300包括基底层1310，MEMS器件的有效表面1320，围绕着MEMS器件的有效表面的空气凹腔1325，触点1330，外涂层1340，以及屏蔽层1350。封装件1300以类似于前面参照图2所描述的过程被制造，其中牺牲层325被去除以形成外涂层1340和屏蔽层1350。然而，在本实施例中，没有实施在空气凹腔1325内形成真空的过程，因为有很多MEMS器件不需要真空密封。在这一点上，屏蔽层1350仍可以防止空气和湿气进入由屏蔽层1350(例如，金属层)封罩的空气凹腔区域1325。此外，通过将牺牲材料325转变成渗透通过外涂层1340的气体材料，空气凹腔1325中没有残余物，包括任何残余牺牲材料。相应地，外涂层1340也没有残余物并且可维持结构完整性，因为不需要对外涂层穿孔就能去除任何牺牲材料。MEMS器件封装件1300可以通过各种方法连接至外部点，所述方法包括引线接合技术，倒装贴片技术，利用引线框进行封装，表面安装封装，陶瓷封装，或其它高性能技术，如后文所述。可用于MEMS器件的特定加工技术可能取决于外涂层和屏蔽层所提供的保护级别，因为不同的技术会向微电子器件施加不同程度的压力和精密都。
在另一实施例中，图14示出的MEMS器件封装件1400具有基底层1410，MEMS器件的有效表面1420，围绕着MEMS器件的有效表面的空气凹腔区域1425，触点1430，以及同时用作保护层的外涂层1440。该封装件1400以类似于前面参照图2所描述的部分过程被制造，其中牺牲层325被去除以形成外涂层1440。然而，在本例中，在牺牲层325被去除后(230)就完成了封装件1400，而外涂层1440被保留。
因此，作为添加外涂层(220)步骤的一部分，外涂材料一般被烘烤，以使外涂层坚硬和固化，这对于MEMS器件的许多应用和类型来说可以用作适宜的保护以抵抗外力。另外，通过将牺牲材料325转变成气体材料渗透通过外涂层1440，空气凹腔1425中没有残余物，包括任何残余牺牲材料。相应地，外涂层1440也没有残余物并且可维持结构完整性，因为不需要对外涂层穿孔就能去除任何牺牲材料。MEMS器件封装件1400可以通过各种方法连接至外部点，所述方法包括引线接合技术，倒装贴片技术，利用引线框封装，表面安装封装，陶瓷封装，或其它高性能技术，取决于封装过程的特定质量和特定MEMS器件的保护要求。
现在参看图15，MEMS器件封装件1500的另一实施例被示出。在这个实施例中，MEMS器件封装件1500包括基底层1510，MEMS器件的有效表面1520，围绕着MEMS器件的有效表面的空气凹腔1525，触点1530，以及牺牲层1540。封装件1500以类似于前面参照图2所描述的部分过程被制造，其中牺牲材料被施加以形成牺牲层325。然而，在这个特定的例子中，添加牺牲层(210)的步骤被实施之后，加工过程就结束了。因此，作为添加牺牲层步骤的一部分，牺牲材料围绕着MEMS器件的有效表面1520封罩，其可以用作适宜的保护以抵抗外力，此后，MEMS器件可以通过目前的引线接合技术和/或表面安装方法而被附加到外部点或终端上。
在MEMS器件被封装后，MEMS器件不仅仅可以组装集成电路(例如其具有引线接合垫、涂覆表面等)，而是还可以被类似于许多集成电路那样被处理，并且可以像许多集成电路那样被封装。例如，可以考虑下面的用于将MEMS器件向支撑结构上安装的过程，所述支撑结构可以是传统用于附着集成电路的金属框架(例如引线框)。
如图16所示，一种用于附着MEMS器件1500的方法被描述，该MEMS器件具有牺牲层1540，其包围MEMS器件。在这一点上，设有引线框1600。在本例中，薄金属板(例如铜)被加工成引线框1600，其具有用于安装微电子器件封装件的成型垫1610以及用于将引线连接到微电子器件的接合垫或触点上的引线指片1620。相应地，具有牺牲层1540的MEMS器件封装件1630被附加(1625)到引线框1600上(通过将封装件1630安装或接合到引线框1600成型垫1610上)。此外，金属引线1640被连接(1625)至引线框1600的引线指片1620或终端以及MEMS器件封装件1630的接合垫或触点130。然后，作为成型过程的一部分，涂覆材料1650(例如塑料成型化合物，热固性聚合物，环氧树脂等)被施加(1645)至MEMS器件封装件和一部分引线框1600的表面。
这个处理过程中使用的涂覆材料1650的固化温度低于MEMS器件封装件1500中的牺牲材料1540的热分解温度。因此，涂覆材料1650在较低温度(即低于牺牲材料的热分解温度)固化，以使涂覆材料硬化。涂覆材料1650具有以下特性，即对于牺牲层1540的牺牲聚合物分解产生的分解气体而言是透过性或半透过性的。
涂覆材料1650用于向MEMS器件和引线框组件的组件即″芯片″的表面上提供耐湿材料，以使芯片的表面上的封装应力最小化，并且提供额外的保护以抵抗腐蚀。这是集成电路低成本微电子封装的标准步骤。然而，对于MEMS器件，例如，这样的步骤通常会负面干扰并危害不具有保护涂层的MEMS结构的操作。因此，通过牺牲层1540，涂覆材料1650不接触MEMS器件的有效表面。
在涂覆材料1650固化且硬化后，MEMS芯片在高于牺牲材料热分解温度的温度下被烘焙。之后，牺牲材料被转化为气体状态，并且渗透或扩散通过涂覆材料1650。在牺牲层分解之后，围绕着MEMS器件的有效表面形成空气凹腔，并且涂覆材料1650被整体上用作保护层，以防止各种元素进入空气凹腔，并且保护MEMS器件。然后，作为标准芯片封装过程的一部分，MEMS芯片1660通过切割分离过程而从引线框去除(1655)，并且芯片的引线被弯曲成预期的形状。
上面刚刚描述的处理过程对于薄环氧树脂封装(例如TSOP(薄且小的外轮廓封装)和TQFP(薄方形扁平封装)而言工作良好。然而，所述处理过程并不局限于薄环氧树脂涂层，而是还可以用于其它涂层形式。此外，MEMS器件封装件的其它各实施例也可以用在类似的处理过程中。
作为示例，对于这样的一个实施例(如图14所示)，即MEMS器件封装件包括外涂层1440，其为MEMS器件提供附加的支撑，而不会影响牺牲材料1425的热分解。因此，这样的MEMS器件封装件也可以利用图16中描述的处理过程附加到引线框上。
另外，在其它各实施例(如图12和13所示)中，MEMS器件封装件可以不包括牺牲层，并且作为替代，包括附加支撑结构，例如屏蔽层1250、1350。在这一点上，由于不存在牺牲材料，因此这些MEMS器件封装件不需要在高于涂覆材料固化温度的温度下烘焙。否则，图16中描述的处理过程可以通过采用普通集成电路封装过程(例如，引线框封装)而附加封装这种MEMS器件封装件。
根据本发明，微机电器件封装件的一些实施例大致包括一或多个MEMS器件；由器件至封装的互联结构；用于同时提供机械以及电气、化学和环境保护的围绕或包含结构；以及用于将封装件附着至电路板或系统的结合结构。这样的实施例提供了MEMS器件的晶片级通用封装过程，其一般适用于封装由用于各种用途的工艺制成的器件。因此，本发明的各实施例能够适用于很好地研制的集成电路封装技术，如图17所示。
现在参看图17，本发明的MEMS器件封装件1710可被制作成满足各种各样的封装要求和期望。作为示例，MEMS器件封装件1710可被封装成为MEMS器件提供各种级别或程度的气密性保护。如显示于图17，气密性保护级别包括，但不局限于，机械保护1720(例如，防止意外触及，提供额外封装等)，除了机械保护以外还防止接触氧气和水的保护1730，以及除了机械保护以外还防止以任何形式暴露于任何气体的保护(例如，具有纯粹真空)1740。
除了不同程度的气密性保护，MEMS器件封装件1710还可以利用各种接合技术来提供与外部点或终端的电连接。这样的接合技术包括，但不局限于，引线接合技术1750和倒装芯片接合技术1760。
另外，本发明的MEMS器件封装件1710还可以适用于已经常用的各种微电子器件封装技术。作为示例，MEMS器件封装件可以使用常规集成电路技术，其中包括，但不局限于，低成本塑料封装技术1770，以及陶瓷或其它高性能封装技术1780。对于这些途径中的任何一种，其它封装技术也是可用的，其中包括，但不局限于，表面安装工艺1790和通孔插入式安装工艺1795。
有益地，本发明的各实施例提供了各种改进的途径来保护MEMS器件。作为示例，根据本发明，MEMS器件上的牺牲层可以被去除，而不需要对包围MEMS器件的牺牲层和有效结构的外涂层进行穿孔。此外，外涂层和/或屏蔽层的厚度可以被调节或定制(例如，在50nm至500μm的范围内)，以承受外界压力和封装过程中遇到的压力，并且为MEMS器件提供适宜的保护。作为示例，外涂层可以以不同的速度旋涂，或者外涂材料的粘度可以改变，以调节形成在MEMS器件上的外涂层的厚度。因此，外涂材料的厚度可以在合理需求范围内制作得尽可能厚(例如，5cm)。
有益地，因为牺牲材料和外涂材料是聚合物物质并且具有与普通基底材料具有良好的热失配特性，因此本发明的各实施例还可以在任何基底材料上提供保护层，从而不会导致MEMS结构变形。另外，有大范围的牺牲材料可以在大范围的热分解温度下采用本发明。因此，可以选择预期的热分解温度(例如，80℃至400℃)，并且基于选择的温度，可以选择牺牲材料。因此，对于基于外涂层厚度的每种应用，分解时间和温度可以被最优化。此外，可以基于是否期望使用感光牺牲材料来选择牺牲材料。
应当强调的是，前面描述的本发明实施例只是可能实施的一些例子，仅仅是为了清楚地理解本发明的原理而提出的。在不脱离本发明的精神和原理的前提下，可以对前面描述的本发明实施例作出多种变更和修改。所有这些变更和修改都应认为包含在本发明的范围内。
权利要求
1.一种封装的微机电器件系统，包括微机电器件，其形成在基底层上；以及保护结构，其保护微机电器件的至少一部分，其中，保护结构形成在基底层上并且围绕着气体凹腔，该气体凹腔围绕着微机电器件的有效表面，保护结构是一实体。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，基底层包括硅材料。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，基底层包括非硅材料。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，保护结构包括金属材料。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，金属材料是通过溅镀而沉积的。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，保护结构包括外涂聚合物材料。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，外涂聚合物材料是通过旋涂而沉积的。
8.如权利要求6所述的系统，还包括附加保护结构，其围绕着外涂聚合物材料。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，附加保护结构包括金属材料。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，保护结构包括具有以下特性的模制聚合物，即可被牺牲聚合物分解产生的分解气体透过，与此同时形成气体凹腔。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，气体凹腔基本上没有残余物。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，气体凹腔是真空密封的。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，保护结构未在施加到基底层之前被穿孔。
14.如权利要求13所述的系统，还包括金属封装框架，所述微机电器件附着在该金属封装框架上；以及涂覆材料，其封罩着微机电器件与金属封装框架的组件的一部分。
15.一种封装的微机电器件系统，包括微机电器件，其形成在基底层上；以及热分解性牺牲结构，其保护微机电器件的至少一部分，其中，牺牲结构被形成在气体凹腔中，该气体凹腔围绕着微机电器件的有效表面。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，牺牲结构包括可光定型的聚碳酸酯材料。
17.如权利要求15所述的系统，其特征在于，牺牲结构是通过旋涂而沉积的，然后被图案化。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，牺牲结构包括可光定型的材料。
19.如权利要求15所述的系统，其特征在于，牺牲结构是通过注射器式发放工具投放的。
20.如权利要求19所述的系统，其特征在于，牺牲结构包括不可光定型的材料。
21.如权利要求15所述的系统，还包括金属封装框架，所述微机电器件附着在该金属封装框架上；以及涂覆材料，其封罩着微机电器件与金属封装框架的组件的一部分，涂覆材料具有以下特性，即可被牺牲聚合物在高于涂覆材料固化温度的温度下分解产生的分解气体透过。
22.如权利要求21所述的系统，其特征在于，涂覆材料包括环氧树脂。
23.如权利要求21所述的系统，还包括围绕着牺牲结构的外涂结构，所述外涂结构包括具有以下特性的模制聚合物，即可被牺牲聚合物由气体凹腔内部分解产生的分解气体透过。
24.一种用于制造微机电器件封装件的方法，包括以下步骤在微机电器件的基底上形成热分解性牺牲层，牺牲层封罩着微机电器件的一部分；围绕牺牲层形成保护层；以及热分解牺牲层，其中牺牲层的分解分子渗透穿过保护层，并且气体凹腔形成在热分解性牺牲层的形成位置。
25.如权利要求24所述的方法，还包括以下步骤通过旋涂沉积牺牲层；以及图案化所述牺牲层。
26.如权利要求24所述的方法，其特征在于，牺牲层的分解温度低于基底分解温度和保护层分解温度。
27.如权利要求24所述的方法，其特征在于，基底包括硅材料。
28.如权利要求24所述的方法，其特征在于，基底包括非硅材料。
29.如权利要求24所述的方法，其特征在于，保护层的厚度在50nm至500μm的范围内。
30.如权利要求24所述的方法，其特征在于，保护层未被穿孔。
31.如权利要求24所述的方法，其特征在于，在牺牲材料被热分解后，保护层基本上没有牺牲材料。
32.如权利要求24所述的方法，其特征在于，保护层提供了围绕气体凹腔的气密性密封。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，保护层提供了防止受到机械力的保护。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，保护层进一步提供了防止受到水的作用的保护。
35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，保护层进一步提供了防止受到氧气作用的保护。
36.如权利要求34所述的方法，其特征在于，保护层进一步提供防止暴露于气体材料的保护。
37.如权利要求24所述的方法，其特征在于，微机电器件包括在牺牲材料形成之前释放的机械结构。
38.如权利要求24所述的方法，还包括以下步骤在保护层形成之前，将微机电器件附着至金属封装框架，其中，保护层包括封罩着微机电器件与金属封装框架的组件的环氧树脂。
39.如权利要求38所述的方法，还包括以下步骤以适于固化保护层的温度加热所述微组件；以及以适于分解牺牲层的温度加热微组件，所述适于分解牺牲层的温度高于所述适于固化保护层的温度。
40.如权利要求24所述的方法，还包括以下步骤围绕保护层形成屏蔽层，所述屏蔽层比所述保护层提供更强的抵抗机械力的保护。
41.如权利要求40所述的方法，其特征在于，屏蔽层包括金属材料。
42.如权利要求40所述的方法，还包括以下步骤通过在一个室内加热微机电器件而在气体凹腔内产生真空；以及在真空产生后，在所述室内围绕保护层形成屏蔽层，以围绕气体凹腔提供真空密封封罩，所述屏蔽层包括金属材料。
43.如权利要求42所述的方法，还包括以下步骤在屏蔽层形成后，将微机电器件附着到集成电路封装结构上；以及将机电器件和集成电路封装结构封罩在保护涂层中。
44.如权利要求42所述的方法，其特征在于，集成电路封装结构包括引线框。
45.如权利要求42所述的方法，其特征在于，集成电路封装结构包括陶瓷封装。
46.如权利要求42所述的方法，其特征在于，热分解牺牲层的步骤是在真空室内进行的。
47.如权利要求24所述的方法，还包括以下步骤在牺牲层分解后，将微机电器件附着到集成电路封装结构上；以及将机电器件和封装结构封罩在保护涂层中。
48.如权利要求47所述的方法，其特征在于，集成电路封装结构包括引线框。
49.如权利要求47所述的方法，其特征在于，集成电路封装结构包括陶瓷封装。
50.如权利要求24所述的方法，其特征在于，牺牲材料的热分解温度低于100摄氏度。
全文摘要
本发明的各实施例提供了用于制造微机电器件封装件的系统和方法。在结构上综合地讲，所述系统的实施例之一包括微机电器件，其形成在基底层上；以及热分解性牺牲结构，其保护微机电器件的至少一部分，其中牺牲结构形成在基底层上并且包围凹腔，以封闭微机电器件的有效表面。还提供了其它系统和方法。
文档编号B81C1/00GK101094804SQ200580015419
公开日2007年12月26日 申请日期2005年3月15日 优先权日2004年3月15日
发明者保罗·A·科尔, 法鲁克·阿亚兹, 保罗·约瑟夫 申请人:佐治亚技术研究公司