微机电系统麦克风封装及封装方法

微机电系统麦克风封装及封装方法
【专利摘要】一种芯片封装，包括：印刷电路板，第一芯片，第二芯片以及外壳，第一芯片放置于印刷电路板，第二芯片布置于第一芯片的上方且通过焊料与第一芯片直接连接。根据本封装技术，具有将集成电路芯片和微机电系统传感器芯片的不同相对位置与倒装电焊技术的优势相结合的芯片层叠结构，可以较少地影响声波与微机电系统传感器芯片振膜的相互作用，其空间设计也可以提高麦克风的灵敏度和信噪比等性能指标。
【专利说明】微机电系统麦克风封装及封装方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种芯片封装及封装方法，具体而言，涉及一种用于微机电系统麦克风的芯片封装及封装方法。

【背景技术】
[0002]无线电及其它手持式通讯设备变得越来越微型化，与此同时，这些设备还必须具有目前无线电和手持式通讯设备的所有功能。这种需要促使其封装变得越来越小。
[0003]微机电系统(MEMS)器件逐渐成为许多消费电子应用中的主要部分。微机电系统芯片成本也在随着加工技术的日趋成熟而逐渐降低。但是，封装仍是目前主要的成本动因。
[0004]通过限制在封装内使用的用于连接微机电系统和专用集成电路芯片的连线数量和质量来控制封装尺寸。已开发的传统互连技术，如线焊(wire-bonding),料带连接(tapeconnect1n)等，以其可靠性闻名。典型组装工艺包括:为实现电气连接，并排放置微机电系统和专用集成电路芯片并使用金丝连接线。线焊受一些参数的限制，如不适用于封装尺寸微型化的线圈高度。
[0005]另一方面，消费电子(如，无绳电话或其它手持式媒体设备)生产商及供应商正不断地尝试开发新的封装技术，进一步缩小封装尺寸。在无绳电话及移动通讯行业中，首要的问题是开发确保电声性能好且可稳定操作的微型封装技术。重要的技术参数包括灵敏度、噪音水平、紧密度、鲁棒性、以及对电磁干扰及其它环境因素，如湿度和温度的抵御能力。
[0006]由于微机电系统麦克风体积小且高温稳定性好，使其与表面贴装技术(surface-mount, SMT)相兼容，微机电系统麦克风将逐渐取代传统的驻极体麦克风。
[0007]微机电产品商产化的一个重要步骤就是封装环节，也就是微机电系统传感器与专用集成电路芯片的电气连接，并放置在同一个封装里。专用集成电路芯片提供微机电系统传感器芯片工作所需的偏压，并且微机电系统传感器芯片的输出信号被转化成放大的电信号，从而形成一个工作的微机电传感器产品。
[0008]声学微机电传感器的封装一般是通过丝焊的工艺进行的，也就是用金丝作为微机电传感器和专用集成电路芯片设备之间的电气连接。就像在第6781231号美国专利和第20050185812号美国专利申请中描述的那样，这样的封装方法是指将微机电传感器和专用集成电路芯片并排安放在一个基板上，用金属盖罩住，从而使微机电传感器免受环境的(物理的和化学的)损坏，金属盖上有一个孔隙可以使声音压力波进入封装。
[0009]图1A示出了使用常规的微机电系统传感器和专用集成电路芯片丝焊连接技术的一个典型的微机电系统麦克风封装结构的横切面。如图1所示，封装包括多层印刷电路板基板100。印刷电路板基板100是由传导层103及与之交织的电介质中间过渡层102组成的，其上下两个表面中都有金属接触垫101。微机电系统传感器200是通过胶水粘接或者半导体行业其他合适的方法安装在印刷电路板基板100上的。微机电系统传感器200是通过行业通用的微机电系统制造技术在硅基片201的基础上生产出来的，这样微机电系统传感器200的结构是由坚硬的背极板202、可以移动的振膜204以及两者间的空气间隙203组成的。微机电系统传感器一般设计有一个背部空腔205，背室腔205是通过在芯片制造工艺中刻蚀硅基片形成的，它对麦克风的正常工作是很关键的。最后，微机电系统传感器200的上部表面具有金属垫206，可以通过丝焊的方式与专用集成电路芯片300相连接。然后整个装配被金属盖罩500起来，金属盖500通过焊锡膏(或其它导电胶)与印刷电路板基板100相连接，而且金属盖500在微机电系统芯片上方附近有一个小孔501以供声波进来。这样的顶部有进声小孔501的封装安排被称作前进声封装。由于采用了丝焊连接技术，封装包含在基板100、微机电系统传感器200和专业集成电路板芯片300之间连接的金丝400。
[0010]声学孔隙也可以在基板上，而不是在金属盖上，从而使声波进入封装。图1B示出了后进声封装，在这种安排下进声小孔502在微机电系统芯片200位置下方的印刷电路板基板100上。
[0011]包装的大小与部件芯片大小以及彼此之间的位置有关。当芯片按照常规的方法并排放置的时候，封装的大小至少大于两个芯片加起来的尺寸以及焊线连接所需要的额外空间。
[0012]如果这个部件芯片可以叠放的话，那么封装的大小可以大为减小，这是因为封装里芯片所占用的面积可以大为减小。尽管行业通常的做法是使用丝焊技术，目前人们对于倒装焊接工序非常感兴趣，从而通过尽可能地减少或者不用丝焊达到减小封装尺寸的目的。
[0013]为了解决常规封装方法的封装尺寸较大的问题，很多专利(例如美国第6133626、7436054,63666678,6538312和6178249号专利)已经对新型的封装技术进行了描述。封装部件芯片是垂直叠放的，这就具有减小表面积需求的优点，从而减小封装尺寸。部件芯片之间的连接是通过各种连接技术实现的，例如丝焊、焊接或倒装焊接。由于具有倒装焊接工艺的特点，其能够减少微机电麦克风封装的覆盖面积。
[0014]图2A不出了另一种微机电系统麦克风封装的横切面，微机电系统传感器芯片200与印刷电路板基板100之间及专用集成电路芯片300与印刷电路板基板100之间均使用了倒装焊接的连接方式。倒装焊接方式应用在封装上是为了减少丝焊连接的数量，这样可以减少由于使用多个丝焊连接而带来的各种封装尺寸的限制。印刷电路板基板100和微机电系统传感器200之间的倒装焊接凸点600是通过半导体行业经常用来堆叠多个记忆芯片的凸点焊接方法实现的。如图2A和图2B所示的封装结构，印刷电路板100里有一个有足够空间的凹槽可以容纳专用集成电路芯片300，这样做可以使封装高度更小。这种方法尽管实现了较小的封装高度的目标，但是在印刷电路板里挖这样一个凹槽的成本很高，最终将限制这种封装技术的商业化。同样，按照应用的需求，进声孔的位置可以在外壳500部分(前进声，图2A)或者在印刷电路板100部分(后进声，图2B)。
[0015]即使实现了较小的封装尺寸,微机电系统麦克风封装的工作性能也大大取决于声音/压力波中的声能如何与微机电系统传感器的可移动振膜作用而产生电容式娃麦克风工作所需要的电能信号。微机电系统的所有设计参数(例如膜的面积和厚度、膜材料、背室腔大小和膜间空气间隙等)经过优化以取得最大信噪比(SNR)以及在可听音频范围(20Hz-20KHz)内平坦的频谱响应。而且，封装设计和工艺参数的最优化还可以确保产出的微机电系统麦克风器件满足所需的性能规范，同时整体上达到成本和尺寸的要求。即使迷你化可以通过垂直叠放专用集成电路芯片和微机电系统传感器芯片的方式有效地减小封装器件的尺寸来实现，封装器件的性能还是受到芯片相对位置的影响，例如专用集成电路芯片和微机电系统传感器芯片尺寸的不吻合。因此，封装的设计要保证声音/压力波与微机电系统传感器芯片的振膜的相互作用不会受到影响。
[0016]因此有必要开发一种可以的微机电系统麦克风封装结构，同时这种结构不影响声波与微机电系统传感器芯片振膜的相互作用。


【发明内容】

[0017]本发明提供了一种微机电系统麦克风封装，其具有将专用集成电路芯片和微机电系统传感器芯片的不同相对位置与倒装电焊技术的优势相结合的芯片层叠结构，可以较少地影响声波与微机电系统传感器芯片振膜的相互作用。
[0018]这样的叠层芯片(stacked chip)封装及封装方法,通过不使用微机电系统传感器与专用集成电路芯片之间的线焊连接线，来缩小封装尺寸。
[0019]根据本发明实施例的芯片封装，包括:印刷电路板，第一芯片，第二芯片以及外壳，第一芯片正面朝上放置于印刷电路板，第二芯片布置于第一芯片的上方且通过焊料与第一芯片直接连接。
[0020]在根据本发明实施例的芯片封装中，第一芯片是微机电系统传感器芯片,第二芯片是集成电路芯片。
[0021]在根据本发明实施例的芯片封装中，集成电路芯片在微机电系统传感器芯片上的投影不会覆盖或者至少不会完全覆盖设置于微机电系统传感器芯片的振膜。
[0022]在根据本发明实施例的芯片封装中，集成电路芯片在微机电系统传感器芯片上的投影覆盖设置于微机电系统传感器芯片的振膜，集成电路芯片在投影覆盖了所述振膜的部分具有一个或多个通孔。
[0023]根据本发明实施例的芯片封装方法，包括:将微机电系统芯片和其它组件安装在印刷电路板的上表面；将集成电路芯片焊接在微机电系统芯片的上表面；以及将外壳焊接在印刷电路板的对应位置。
[0024]本发明还提供了一种通过上述芯片封装方法来实现的芯片封装。
[0025]根据本发明的封装技术，具有将集成电路芯片和微机电系统传感器芯片的不同相对位置与倒装电焊技术的优势相结合的芯片层叠结构，可以较少地影响声波与微机电系统传感器芯片振膜的相互作用，其空间设计也可以提高麦克风的灵敏度和信噪比等性能指标。

【专利附图】

【附图说明】
[0026]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
[0027]图1A和IB是现有技术中使用丝焊技术实现微机电系统麦克风封装的一组例子的示意图；
[0028]图2A和2B是现有技术中使用倒装焊接技术实现微机电系统麦克风封装的一组例子的不意图；
[0029]图3A和图3B是根据本发明第一实施例的微机电系统传感器封装的示意图；
[0030]图4A和图4B是根据本发明第二实施例的微机电系统传感器封装的示意图；
[0031]图5A和图5B是根据本发明第三实施例的微机电系统传感器封装的示意图；
[0032]图6A和图6B是根据本发明第四实施例的微机电系统传感器封装的示意图。

【具体实施方式】
[0033]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。
[0035]根据本发明的技术方案，按照微机电系统麦克风器件的工作性能要求，同时保持微机电系统传感器芯片振膜与入射压力波/声波之间的耦合，提供了一种使用倒装芯片焊接工艺使微机电系统传感器芯片和专用集成电路芯片层叠的微机电系统封装结构及方法，从而实现更小的封装尺寸。
[0036]根据本发明的微机电系统麦克风的层叠封装结构，其中，所用的专用集成电路芯片在一边与微机电系统传感器芯片对齐，但另一边的长度较长，专用集成电路芯片的通心孔位置与微机电系统传感器芯片的振膜对齐，这样声音/压力波与振膜的稱合不会受到影响
[0037]根据本发明的微机电系统麦克风的另一种层叠封装结构，其中，所用的专用集成电路芯片在一边与微机电系统传感器芯片对齐，而另一边的长度较小，虽然可以延伸到微机电系统传感器芯片的振膜区域，但是不影响声音/压力波与振膜的相互作用。
[0038]根据本发明的微机电系统麦克风封装是通过以下的组装工艺来实现的:
[0039](a)设置在基板的顶端和底端有一个或多个传导面或传导图案的多层印刷电路板，其中，印刷电路板的顶层、底层以及中间层通过板中的导电通孔连接起来，印刷电路板的传导层可以是接触垫，用于倒装工艺中的凸点接触，也可以是导电连线，把同一层的接触垫、导电通孔或不同层的接触垫连接起来，印刷电路板基板上有预先设计的面积可以容纳微机电系统传感器；
[0040](b)将用于将金属盖和微机电系统传感器芯片粘接在印刷电路板上的焊锡膏和芯片粘接材料涂在印刷电路板上；
[0041](c)将微机电传感器芯片放置在芯片粘接材料上部；
[0042](d)将集成电路芯片以焊球倒装焊接的方式放置在微机电系统传感器上，并且其下部的焊球与微机电系统传感器芯片的接触垫对齐，其中，集成电路芯片具有与设置在外壳上的通孔在空间上匹配的较小尺寸或者通心孔；
[0043](e)将微机电系统传感器、集成电路芯片和印刷电路板基板组成的装配暴露在较高温度之下，从而使集成电路芯片和微机电系统传感器芯片之间的焊球回流形成倒装键合；
[0044](f)在焊锡膏区域上面放置金属盖并使之与印刷电路板在较高温度下结合。
[0045]图3A和3B示出了根据本发明第一实施例的微机电系统传感器封装。在图3A所示的封装中，包括:印刷电路板100，微机电系统传感器芯片200，集成电路芯片300，外壳500。其中，微机电系统传感器芯片200和集成电路芯片300以层叠的方式设置于印刷电路板100上方。
[0046]根据本发明的实施例，印刷电路板100的基板是多层结构，由聚合物或陶瓷材料组成。由于在倒装芯片焊接加工过程中需要进行高温焊接和锤击，采用陶瓷材料的印刷电路板基板可以保持良好的热膨胀系数性能。
[0047]可选地，采用表面贴装技术在印刷电路板基板100上实现电子元件的快速自动安装。此外，可选地，印刷电路板基板100的每一层都通过机械钻孔或激光加工后的小孔或通道进行电气互连。然后，这些通道内衬一个环孔或配备一个环孔，如中空圆柱金属环，可以使中间层之间、印刷电路板基板顶端与印刷电路板基板底端之间进行电气连接。印刷电路板基板的顶端可能有一个或多个专用集成电路芯片，来确保相同封装下的多种功能。印刷电路板基板100的底端具有装配到成品(如手机或电脑)的电路板上的接合焊盘(bondingpad)或接触垫(contact pad) 101。
[0048]印刷电路板基板100包括多个独立的导电层103。导电层103主要由铜箔制成，经电镀加工后，导电层103转化为互连线。导电层103的厚度可以为25-30微米。这些导电层103由绝缘层102分开。例如，绝缘层102可以是FR-4层压板，其中，FR指的是阻燃剂，4指的是玻璃强化环氧树脂的类型。导电层103和绝缘层102 (介电层)通过热气和压力相互层压实现堆叠，从而形成成品形状的印刷电路板基板100。
[0049]印刷电路板的最顶层镀可以设置有一层阻焊层，用来阻止焊接材料翻转而远离金属面。这个阻焊层可以使印刷电路板呈现为绿色。印刷电路板表面的金属层可以是铜(Cu)结合其它金属的表面抛光，该其它金属可以是足够厚(例如为3微米)的镍(Ni)/黄金(Au)，以便根据封装加工的需要来进行焊接。
[0050]在制造印刷电路板100时预先设置接触垫和金属互连线，以与放置于其上的微机电系统芯片200相匹配，而实现固定和电气连接。例如，印刷电路板100的上表面有带着定位记号的预设位置，可以安装微机电系统芯片200及其它组件，如电容器或其它专用集成电路芯片等。例如，在印刷电路板100的上表面还设置有接触垫，用于将微机电系统芯片200与印刷电路板100粘合在一起。
[0051]根据本发明实施例的微机电系统传感器200可以是微机电系统麦克风(传感器芯片)，根据本发明实施例的叠层芯片封装也可以适用于其它类型的微机电系统芯片，诸如微机电系统光传感器芯片。微机电系统麦克风可以包括多个薄膜层、稱合电路和接收器。其中，薄膜层由硅材料制成。硅材料可以是多晶硅、氮化硅，也可以是聚合物，如聚酰亚胺、聚对二甲苯等。这些薄膜层有2-4微米厚，平行放置，每层之间有空气间隙203，因此，当撞击声波使任一层振动时，其它层保持不动。另外，薄膜层有许多小孔，当声波撞击在面对声波的薄膜上时，可以保持声压平衡。除此之外，传感器芯片200还可以包括一个与移动振膜204进行声耦合的背室腔205，撞击声波可以穿过振动的薄膜204并与背室腔205相互作用来达到压力平衡。声波造成的薄膜层的振动被耦合电路耦合为电容的变化△ C，再由接收器将该电容变化信号转换为电信号，从而得到声信号。
[0052]集成电路芯片300可以是专用的集成电路芯片。在该芯片的加工过程中，可以采用半导体行业中常用的工艺来制造专用集成电路晶片(ASIC wafer)。具体来讲，采用沉积法、光刻法、蚀刻法、退镀法等加工工艺在硅晶片(集成电路晶片)上形成集成电路。这样，在每一个连续晶片上可以形成大量的集成电路芯片。然后，将集成电路晶片顶部的金属层做成接触垫206，可选地，再在其上制作一层保护层，用来防止电路受到环境的干扰。
[0053]可选地，通过集成电路芯片300来驱动微机电系统芯片200。例如，微机电系统芯片200 (传感器芯片)可以是无源的，依靠集成电路芯片300上的电压泵供电。具体而言，将集成电路芯片300连接到微机电系统芯片200上来提供电源(1.5-3伏)，并且从微机电系统芯片200向集成电路芯片300输出声音测量信号。这里，集成电路芯片300与微机电系统芯片200在尺寸和电气性能上相匹配。
[0054]外壳500由聚合物、金属或合金材料制成,其表面为金属处理面,有利于焊料焊接。外壳500焊接于印刷电路板100的上表面，用来防止外部环境的污染物，湿气及其它损害。外壳500的尺寸可使其容纳微机电系统芯片200和集成电路芯片300及封装内的其它兀器件。在一种实施方式中，夕卜壳500由铜、招或铜招合金制成。
[0055]集成电路芯片300的下表面上设置有接触垫301，根据一种实施方式，可以在接触垫301上设置焊接凸点(solder bump)，用来实现与微机电系统芯片200的倒装芯片焊接。该焊接凸点可以回流(reflow)，从而在集成电路芯片300下表面的接触垫301和微机电系统芯片200上表面的接触垫206之间形成均匀的球形焊锡球600，如图3A所示。
[0056]接触垫206或301可以包括有源接触垫，还可以包括无源接触垫。其中，有源接触垫可以提供有效焊接凸点(active solder bump),用于实现电气连接；无源接触垫可以提供伪焊接凸点(dummy solder bump),当在微机电系统芯片200上堆叠时，向集成电路芯片300提供支撑。伪焊接凸点与集成电路芯片300的形状和尺寸相匹配，利用伪焊接凸点可以维持封装的长期稳定性和可靠性。
[0057]可选地,利用蒸镀(evaporat1n)、电镀、焊料柱焊接等工艺来实现焊接凸点,包括有效焊接凸点和伪焊接凸点。
[0058]此外，有效焊接凸点和伪焊接凸点也能起到将微机电系统芯片200和专用集成电路芯片300相分离的作用。
[0059]可选地，在微机电系统芯片200的上表面设置惰性金属垫，以与集成电路芯片300下表面的伪焊接凸点匹配。
[0060]在图3A中，微机电系统芯片200粘帖放置在印刷电路板100上，集成电路芯片300上设置的接触垫301通过倒装焊接的方式连接到微机电系统芯片200上对应的接触垫(焊盘)206上。微机电系统芯片200设置有电路，该电路将接触垫206与设置在微机电系统芯片200上的金属垫207电气连接，然后通过丝焊的方式用金属丝400将金属垫207连接到印刷电路板100。由此实现了集成电路芯片300与印刷电路板100的电气连接，进而实现了集成电路芯片300与外部电源、时钟等信号连接以及模拟或数字信号的输出。
[0061]如图3A所示，集成电路芯片300设置在微机电系统传感器200的上方，并与传感器芯片200的一个边缘对齐，另一边缘只是部分或者最小化地延伸至微机电系统传感器芯片200的振膜区域。由于集成电路芯片300在微机电系统传感器芯片200上的投影不会覆盖或者至少不会完全覆盖振膜(204)，微机电系统传感器200的声学性能就不会受到影响。
[0062]图3A示出了前进声封装方式，进声孔501设置在外壳500上；图3B展示的是后进声封装方式，进声孔502设置在印刷电路板100上。
[0063]与图3A所示的封装结构相比，图3B所示的封装结构的不同之处在于进声孔的位置。如图3B所示，封装依然是采用将传感器芯片和集成电路芯片层叠的方式，与图3A中的封装相比，声音从印刷电路板100上的进声孔502进入，经过微机电系统传感器芯片200的背室腔205到达移动振膜204。在这种结构中，由于声音从微机电系统传感器芯片200的背面方向到达振膜204，因此背室腔205变为了声音通道，而不再起到背室腔的作用，起到该作用的是在振膜204另一侧的空腔205’。从麦克风的设计角度，大的背室腔可以提高麦克风的灵敏度。因此，在图3B所示的封装方案中，可以相对增大麦克风的背室腔体积，从而提高麦克风的灵敏度和信噪比等性能指标。
[0064]图4A和图4B示出了根据本发明第二实施例的微机电系统传感器封装。与图3A和图3B所示的封装结构相比，图4A和图4B所示的封装结构中，采用了尺寸较大的集成电路芯片300。
[0065]如图4A和图4B所示，集成电路芯片300的尺寸与微机电系统传感器芯片200基本相同，并且具有一个与进声孔501空间匹配的通心孔302让声波通过。这样的封装不需要集成电路芯片300与微机电系统传感器芯片200之间的丝焊，可以实现不改变微机电系统传感器声学性能前提下的减少封装尺寸的目的。
[0066]图4A示出了前进声封装方式，进声孔501设置在外壳500上；图4B展示的是后进声封装方式，进声孔502设置在印刷电路板100上。与图4A所示的封装机构相比，图4B所示的封装结构的不同之处在于进声孔的位置。虽然没有进来的声音受到阻挡的问题，但与图3B的方案类似，在振膜204另一侧的空腔起205’到了背室腔的作用；进一步，由于集成电路芯片300上设置的通孔302可以使空腔205’连通成整个封装内除了芯片所占空间的腔体，可以进一步增大麦克风的背室腔体积，从而提高麦克风的灵敏度和信噪比等性能指标。
[0067]图5A和图5B示出了根据本发明第三实施例的微机电系统传感器封装。与图4A和图4B所示的封装结构相比，图5A和图5B所示的封装结构中，集成电路芯片300具有多个小的通心孔。这些通心孔与图4A和图4B中的大的通心孔具有相同的功能，但占用的面积更小，可以为集成电路芯片300留下更大的功能区域，从而可能容纳更多功能。
[0068]图5A示出了前进声封装方式，进声孔501设置在外壳500上；图5B展示的是后进声封装方式，进声孔502设置在印刷电路板100上。与图5A所示的封装机构相比，图5B所示的封装结构的不同之处在于进声孔的位置。
[0069]图6A和6B示出了根据本发明第四实施例的微机电系统传感器封装。如图6A所示，微机电系统传感器芯片200倒装焊接在集成电路芯片300上表面。集成电路芯片300的下表面通过倒装焊接的方法安装在印刷电路板100上。此外，可以通过在印刷电路板100中设置的连接线104将集成电路芯片300上的凸焊点301连接到印刷电路板100的接触垫101，如图6A中实线所示。采用这种连接方法，可以省去连接芯片和印刷电路板的丝焊，从而进一步节省封装内的空间，减少封装的尺寸。
[0070]可选的，用芯片粘接材料700将微机电系统传感器芯片200粘接在上外壳500的上盖部分下方，这样可以加固微机电系统传感器芯片200，并且有利于将其倒装焊接到集成电路芯片300上。
[0071]在图6A中，进声孔501设置于印刷电路板100，因此，可以采用在集成电路芯片300上设置对应通心孔302的方式，从而实现在不改变微机电系统传感器声学性能前提下的减少封装尺寸的目的。可选地，该通孔302可以是如图4A和4B所示的大通孔，也可以是如图5A和5B所示的小通孔。与图6A所示的封装机构相比，图6B所示的封装结构的不同之处在于进声孔的位置。
[0072]为了实现前述的封装，根据本发明的实施例，提供了一种封装方法，包括:将微机电系统芯片200和其它组件安装在印刷电路板100的上表面；将集成电路芯片300焊接在微机电系统芯片200的上表面；以及将外壳500焊接在印刷电路板100的对应位置。
[0073]具体而言，首先，利用表面贴装技术(surface mounting technique, SMT)将微机电系统芯片200和其它组件，例如电容器等，安装在印刷电路板100的上表面。印刷电路板100的上表面有以定位记号作向导的预设位置，可以安装微机电系统芯片200和其它组件。在晶片扩展为独立芯片后，安装之前，将微机电系统芯片200固定在紫外光固化带上。可选地，使用晶片切割工艺，如叶片切割或激光切割，使微机电系统芯片200与原始晶片分离，从而变成独立的芯片单元。在安装微机电系统芯片200和其它组件之前，在电子元件的相关连接位置使用焊锡膏。同时，在印刷电路板100上表面的边缘处，以及连接外壳500和印刷电路板基板以形成封装的位置处，也使用焊锡膏。表面安装技术可以提供整装设备的自动化及所需的速度，从而达到预定的生产量及收益率，实现产品的商业和经济价值。
[0074]使用焊锡膏后，在印刷电路板100上表面的预定位置用胶来粘合无源元件，如微机电系统麦克风。例如，根据预定的胶层宽度和厚度来涂抹胶。在安装微机电系统芯片200时，胶层宽度和厚度往往决定用胶量，从而避免胶扩散或由于用胶量不足造成焊接不牢的问题。可选地，使用自动拾取和放置设备来处理微机电系统芯片200，从而以较佳的力度将微机电系统芯片200缓慢降低到胶层上。在声孔设置在印刷电路板基板中的实施方式中，注意勿使得胶层覆盖该声孔。
[0075]接下来，在微机电系统芯片200的上表面进行集成电路芯片300的倒装芯片安装。微机电系统芯片200的上表面预设有接合焊盘(接触垫)，从而可以与集成电路芯片300的接触垫上的焊锡球连接。利用凸点下金属化(Under-bump Metalizat1n,UBM)处理和焊接凸点处理，在集成电路芯片3的接触垫上设置焊接凸点。
[0076]经过焊锡膏、粘合剂的芯片粘合及倒装芯片安装处理后，将外壳500放置在印刷电路板100基板的上表面，围住微机电系统芯片200,防止与外界环境接触。可选地,夕卜壳500的外周与印刷电路板I基板的边缘匹配，以容纳封装内的所有组件。具体而言，先将外壳500浸在热焊接溶剂中，再与印刷电路板100连接。按照预设时间和温度，对不牢固安装的印刷电路板100与外壳500进行热处理，以回流焊料并在外壳和基板之间形成稳定密封的焊接。
[0077]根据本发明的实施例，可以实现批量封装。在封装时，先将批量的印刷电路板基板，例如500-600个，放置在一个操作板(panel)里。然后进行组件贴装、倒装芯片焊接和外壳焊接处理。在封装结束时，将制成的各个器件与操作板脱离，实现预定的微机电系统麦克风封装。在封装过程中，当从一台处理设备到另一台处理设备进行运输和操作时，使用操作板更加灵活、高效。
[0078]下面进一步阐释上述倒装芯片焊接处理。
[0079]焊接凸点的质量是倒装芯片焊接加工的关键，这可以实现两个芯片表面之间优质可靠的焊接凸点互连。焊接凸点的结构与组成是长期可靠性与倒装芯片处理成本的关键因素。根据应用与实现凸起的可用表面，选择凸点的尺寸与材料。因此，分两步进行凸起处理以实现焊接凸点互连的高度可靠性:第一步称为凸点下金属化，第二步生成焊接凸点。凸点下金属化主要提供了用于后续的焊接凸点沉积的浸润表面，也可以形成一个有效的焊料扩散式叠层。因此，焊接凸点处理并不伤害进行凸起处理的接触垫。
[0080]可以使用蒸镀、电镀、化学镀及其它方法，如洗印、柱形凸起等来设置焊接凸点。蒸镀是集成电路与微机电系统器件行业中设置金属层常用的物理气相沉积(physical vaporcbp0Siti0n，PVD)工艺。在进行物理气相沉积之前，用溅镀酸洗来清洗晶片，去除上一个(前端)处理过程中产生的如光刻胶等聚合物的氧化层或跟踪层。这样就确保了接触垫表面干净粗糙，便于与凸点下金属化材料的粘合。根据本发明的实施例，焊接凸点可以被设置为球面球，如图2中圆形阴影部分所示。
[0081]将凸点下金属化材料储存在印刷电路板设备室里，该设备室可以使种晶层(铬/铜)不断的沉积，然后是凸点下金属化，在晶片上形成凸点下金属层，该晶片被金属膜片隔离，从而确保材料仅在晶片的预定位置上沉积。在凸点下金属层堆积的顶部，焊接材料沉积/蒸镀为铅锡合金。去除膜片材料之后，对晶片进行回流焊处理，将焊接凸点转化为一个焊接凸点的球面球。
[0082]电镀处理使用与蒸镀/物理气相沉积相同的晶片清洁和凸点下金属层沉积材料和工艺，但是电镀采用了不同的焊接凸点工艺，与定性为干法工艺的物理气相沉积相比，电镀为湿法工艺。在晶片清洁和凸点下金属层沉积之后，将晶片浸在电镀化学浴中，晶片可以作为由铅和锡沉积的其中一个电极。电镀参数必须严格控制，才能达到锡-金焊接凸点层的预定形态及厚度。聚合物掩蔽层，如光刻胶，用于掩蔽不需要焊接凸点(以后需要去除)的晶片位置。晶片经热处理后使得焊接凸点回流焊成一个球面球。相比于物理气相沉积和蒸镀，电镀具有易伸缩性及材料成本和加工成本低的特点。
[0083]根据本发明的实施例，与微机电系统芯片200和集成电路芯片300之间的倒装芯片焊接加工工艺相关的步骤如下:
[0084]首先，用半导体加工技术(如沉积法、光刻法、蚀刻法、退镀法等)，在硅晶片(集成电路晶片)上生成集成电路。如果采用批量生成的方式，在每一个连续晶片上会有大量的集成电路芯片。
[0085]接下来，对晶片进行金属喷镀和成形处理，生成用于与其它芯片或基片连接的接触垫/焊接垫。
[0086]接下来，在集成电路晶片上涂敷钝化材料，并在接触垫的顶部生成用于形成凸点下金属层堆叠的其它金属层，从而使得这些金属层与接触凸点更加兼容。
[0087]接下来，使用诸如蒸镀、电镀、接触凸点、无电镀等焊料焊接工艺在每一个接触垫上沉积接触凸点。
[0088]接下来，将接触凸点经过高温炉或熔炉，熔化并回流为均匀的球形焊锡球。
[0089]接下来，如果批量加工集成电路芯片及封装，则使用晶片切割技术将集成电路晶片切割为独立的集成电路芯片。晶片切割技术可以包括机械回转叶轮锯切或隐性激光切割技术。
[0090]接下来，使用正确的拾取和放置设备，翻转具有焊锡球的集成电路芯片，使焊接凸点朝向所要焊接的载体基片。焊接的位置可以是在载体基片表面的预设位置。该载体基片可以是印刷电路板，或其它集成电路芯片，也可以是其它功能器件，如微机电系统芯片。在载体基片是微机电系统芯片的实施方式中，将集成电路芯片的焊锡球放置在其接触垫上，并在微机电系统芯片的上表面上与微机电系统芯片的接触垫连接，从而使得集成电路芯片层叠在微机电系统芯片的顶部，二芯片之间的距离等于焊锡球的高度。
[0091]再接下来，再一次进入高温炉或熔炉，使得焊锡球重新熔化并回流成均匀成型的焊锡球接头。待冷却后即实现焊料焊接。
[0092]由于倒装芯片在尺寸、性能、灵活性、可靠性及成本上的优势，倒装芯片封装技术的开发和各种倒装芯片材料、设备及服务的实用性使其逐渐取代其它封装方法。芯片之间、芯片与基板之间的直接连接大大缩小了引线结合互连所占用的面积，同时，也降低了引线结合方法中封装对高度的要求。
[0093]根据本发明的封装技术，使用了倒装芯片焊接工艺来连接微机电系统传感器和集成电路芯片，从而实现微机电系统传感器的封装。这样，集成电路芯片可以以叠层式芯片的方式与微机电系统传感器相对放置，封装体积也可以进一步缩小。
[0094]此外，优化设置集成电路芯片和微机电系统传感器的空间位置关系，采用倒装焊接和丝焊结合或者采用完全倒装焊接的方式，既可以减少芯片占用的面积以及封装的丝焊数量，使得封装尺寸更小，同时又可以避免在印刷电路板里挖凹槽造成的高昂成本。
[0095]最后，根据本发明的封装技术，具有将集成电路芯片和微机电系统传感器芯片的不同相对位置与倒装电焊技术的优势相结合的芯片层叠结构，可以较少地影响声波与微机电系统传感器芯片振膜的相互作用，其空间设计也可以提高麦克风的灵敏度和信噪比等性能指标。
[0096]以上所述仅是本发明的示范性实施方式，而非用于限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。
【权利要求】
1.一种芯片封装，包括:印刷电路板(100)，第一芯片，第二芯片以及外壳(500)，其特征在于，所述第一芯片粘贴放置于所述印刷电路板(100)，所述第二芯片倒装焊接于所述第一芯片的上方且通过焊料(600)与所述第一芯片直接连接。
2.根据权利要求1所述的芯片封装，其特征在于，所述第一芯片是微机电系统传感器芯片(200)，所述第二芯片是集成电路芯片(300)。
3.根据权利要求2所述的芯片封装，其特征在于，所述集成电路芯片(300)向所述微机电系统传感器芯片(200)供电，并且从所述微机电系统传感器芯片(200)向所述集成电路芯片(300)输出传感信号。
4.根据权利要求3所述的芯片封装，其特征在于，所述微机电系统传感器芯片(200)是微机电系统麦克风芯片。
5.根据权利要求4所述的芯片封装，其特征在于，所述集成电路芯片(300)在所述微机电系统传感器芯片(200)上的投影不会覆盖或者至少不会完全覆盖设置于所述微机电系统传感器芯片(200)的振膜(204)。
6.根据权利要求5所述的芯片封装，其特征在于，在所述外壳(500)设置有进声孔(501)，或者在所述印刷电路板(100 )设置有进声孔(502 )。
7.根据权利要求4所述的芯片封装，其特征在于，所述集成电路芯片(300)在所述微机电系统传感器芯片(200)上的投影覆盖设置于所述微机电系统传感器芯片(200)的振膜(204)，所述集成电路芯片(300)在投影覆盖了所述振膜(204)的部分具有一个或多个通孔。
8.根据权利要求7所述的芯片封装，其特征在于，在所述外壳(500)设置有进声孔(501),或者在所述印刷电路板(100)设置有进声孔(502)。
9.根据权利要求1所述的芯片封装，其特征在于，所述第一芯片是集成电路芯片(300),所述第二芯片是微机电系统传感器芯片(200)。
10.根据权利要求9所述的芯片封装，其特征在于，所述集成电路芯片(300)在所述微机电系统传感器芯片(200)上的投影覆盖设置于所述微机电系统传感器芯片(200)的振膜(204)，所述集成电路芯片(300)在投影覆盖了所述振膜(204)的部分具有一个或多个通孔。
11.根据权利要求10所述的芯片封装，其特征在于，在所述外壳(500)设置有进声孔(501)，或者在所述印刷电路板(100 )设置有进声孔(502 )。
12.—种芯片封装方法，其特征在于，包括:将微机电系统传感器芯片(200)和其它组件安装在印刷电路板(100)的上表面；将集成电路芯片(300)焊接在所述微机电系统传感器芯片(200)的上表面；以及将外壳(500)焊接在印刷电路板(100)的对应位置。
13.根据权利要求12所述的芯片封装方法，其特征在于，所述将集成电路芯片(300)焊接在所述微机电系统传感器芯片(200)的上表面的步骤进一步包括: 对所述集成电路芯片(300)进行金属喷镀和成形处理，生成用于与其它芯片或基片连接的接触垫； 在所述集成电路芯片(300)上涂敷钝化材料，并在接触垫的顶部生成用于形成凸点下金属层堆叠的其它金属层； 在每一个所述接触垫上沉积接触凸点。 将所述接触凸点经过高温炉或熔炉，熔化并回流为均匀的球形焊锡球； 翻转具有所述焊锡球的集成电路芯片(300)，使所述焊接凸点朝向所要焊接的芯片或基片; 再一次进入高温炉或熔炉，使得所述焊锡球重新熔化并回流成均匀成型的焊锡球接头。
14.一种芯片封装，其特征在于，通过权利要求12或13所述的芯片封装方法来实现所述封装。
【文档编号】B81B7/00GK104244152SQ201310234338
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月13日 优先权日:2013年6月13日
【发明者】王云龙 申请人:无锡芯奥微传感技术有限公司