Tsv-mems组合的制作方法
【专利摘要】一种穿衬底通孔TSV-MEMS组合包含TSV裸片，所述TSV裸片包含一个衬底和多个TSV，所述TSV延伸所述衬底的完整厚度。所述TSV裸片包含：顶面表面，其上包含电路和顶面结合衬垫；底面表面，其上包含底面结合特征；以及通孔，其穿过所述衬底的完整厚度。一种具有上面包含焊料球的浮动感测结构的微机电系统MEMS裸片结合到所述TSV裸片的顶面结合衬垫或底面结合特征。粘合剂材料层围绕所述焊料球，这可以为所述TSV-MEMS结合提供密封剂环圈。
【专利说明】TSV-MEMS 组合
【技术领域】
[0001]所揭示的实施例涉及穿娃通孔(TSV)-微机电系统(MEMS)组合。
【背景技术】
[0002]CMOS微机电系统(MEMS)装置是机电系统(MEMS)裸片和CMOS集成电路(IC)裸片的结合组合。CMOS IC裸片总体上是穿硅通孔(TSV)裸片。MEMS裸片具有至少一个MEMS装置，所述MEMS装置包含用于感测的振动捕获端口(例如，浮动结构，例如薄膜)，并且所产生的感测信号被TSV裸片上的电路放大，并且总体上被滤波。
[0003]MEMS装置的一个实例是微惯性传感器。MEMS装置的传统封装使用引线结合和注射模制来保护装置的结合区域。这种类型的封装产生相对大的总大小。
【发明内容】
[0004]所揭示的实施例包含穿衬底通孔(TSV) -MEMS组合和组装TSV-MEMS组合的方法。一个方法实施例包括提供TSV衬底(例如，TSV硅晶片)，其包含多个TSV裸片。所述TSV裸片各自包含多个TSV，所述TSV延伸TSV衬底的完整厚度。所述TSV裸片的顶面表面(通常是半导体表面)上包含电路和顶面结合衬垫，底面表面上包含底面结合特征，例如重定向层(RDL)，包含焊盘网格阵列(LGA)衬垫或突出TSV尖端。所述TSV衬底的底面或顶面表面在支撑物上，所述支撑物附接到耐热胶带或支撑板。对所述TSV衬底进行干式蚀刻以穿过其完整厚度形成至少一个通孔(声学孔)。在所述TSV裸片的暴露顶面表面或底面表面(暴露表面)上形成粘合剂材料的图案化层。
[0005]一种具有多个MEMS裸片的MEMS晶片结合到所述多个TSV裸片的暴露表面，所述多个MEMS裸片各自具有其上包含焊料球的浮动感测结构，其中所述焊料球被对准到所述TSV裸片的暴露的顶面结合衬垫或底面结合特征。接着移除支撑物，并且至少MEMS晶片的单体化将MEMS晶片分成所述多个MEMS裸片以形成多个所揭示的TSV-MEMS组合。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]现在将参考附图，附图未必是按比例绘制，其中:
[0007]图1是展示了根据一实例实施例的用于形成其中TSV裸片具有通孔的TSV-MEMS组合的实例方法中的步骤的流程图。
[0008]图2A-2E是展示用于实例组装过程的组装过程进程的一系列简化截面描绘，其中包含:图2A展示附接到胶带的TSV衬底(例如，晶片)的TSV裸片；图2B是展示单体化的TSV裸片的简化截面描绘，所述TSV裸片在干式蚀刻了 TSV衬底之后具有使TSV裸片单体化的通孔和开口划线；图2(:是展示在形成粘合剂材料的图案化层之后的TSV裸片的顶面表面上的图案化粘合剂材料的简化截面描绘；图2D是展示在形成粘合剂材料的图案化层之后的MEMS裸片的焊料球上的图案化粘合剂材料的简化截面描绘，其是图2C中展示的实施例的替代方案；并且图2E是展示顶部夹头的简化截面描绘，所述顶部夹头将一个具有多个MEMS裸片的MEMS晶片结合到TSV裸片的顶面表面上，所述MEMS裸片各自具有一个上面有若干焊料球的浮动感测结构。
[0009]图3A是根据一实例实施例在其顶表面上具有凹槽的TSV裸片的俯视图描绘，所述凹槽在粘合剂材料(未图示)被分配以在回焊之后为TSV-MEMS组合提供气密环圈时有助于使粘合剂材料成形。
[0010]图3B是根据一实例实施例在其顶表面上具有凹槽的MEMS裸片的俯视图描绘，所述凹槽有助于使密封成形。MEMS裸片被展示为包含任选的通孔。
[0011]图3C是根据一实例实施例的实例TSV-MEMS组合的截面描绘，所述TSV-MEMS组合包括一个结合到MEMS裸片的TSV裸片，其展示了焊料球周围的粘合剂材料在接合过程期间和/或固化之后提供密封环圈。
[0012]图3D是根据一实例实施例的实例TSV-MEMS组合的截面描绘，所述TSV-MEMS组合包括一个在其底面上具有突出TSV尖端的TSV裸片，其顶面结合衬垫结合到MEMS裸片上的焊料球，其展示了焊料球周围的粘合剂材料在接合过程期间和/或固化之后提供密封环圈。
[0013]图3E是根据一实例实施例的实例TSV-MEMS组合的截面描绘，所述TSV-MEMS组合包括一个在其底面上具有突出TSV尖端的TSV裸片，其中所述TSV尖端结合到MEMS裸片上的焊料球，其展示了焊料球周围的粘合剂材料在接合过程期间和/或固化之后提供密封环圈。
[0014]图4A是根据一实例实施例的TSV-MEMS组合/封装的截面描绘，所述TSV-MEMS组合/封装包含图3C中展示的结合到封装衬底的TSV-MEMS组合。
[0015]图4B是根据一实例实施例的TSV-MEMS组合/封装的截面描绘，所述TSV-MEMS组合/封装包含TSV-MEMS组合，其通过使MEMS裸片包含任选的通孔而修改了图3C中展示的TSV-MEMS组合，所述通孔结合到自身具有通孔的封装衬底。
【具体实施方式】
[0016]参看图式描述实例实施例，其中相同的参考标号用于标明类似或等效的元件。图解说明的动作或事件的排序不应被视为限制性的，因为一些动作或事件可能用不同的次序发生和/或与其它动作或事件并行地发生。此外，实施根据本发明的方法可能不需要一些图解说明的动作或事件。
[0017]所揭示的实施例包含TSV-MEMS组合和用于形成TSV裸片到MEMS裸片的互连的组装方法。TSV-MEMS组合可通过裸片到晶片方法形成，其中TSV衬底(例如，晶片)在结合之前被单体化，或通过晶片到晶片方法形成。在没有任选的封装衬底的情况下，所揭示的TSV-MEMS组合可被视为晶片芯片级封装(WCSP)。TSV裸片包含在本文中称为通孔的声学通孔，并且MEMS裸片具有用于感测的浮动结构，所述浮动结构可任选地包含通孔。所揭示的TSV-MEMS组合可任选地安装到封装衬底(例如，印刷电路板(PCB)或母板)上。
[0018]图1是展示了根据一实例实施例的用于形成TSV-MEMS组合的实例组装方法100中的步骤的流程图。步骤101包括提供TSV衬底(例如，晶片，例如硅晶片)，其包含多个TSV裸片。TSV裸片包含多个TSV，所述TSV延伸TSV衬底的完整厚度。TSV裸片具有顶面表面(例如，硅表面)和底面表面，所述顶面表面上包含电路(例如，PMOS和NMOS晶体管)和顶面结合衬垫，所述底面表面上包含底面结合特征。
[0019]底面结合特征可包括焊盘网格阵列(LGA)衬垫，作为重定向层(RDL)的一部分，其中一些LGA衬垫连接到TSV，或者其中TSV包含突出TSV尖端。TSV裸片的底面表面或顶面表面在支撑物上。所述支撑物可包括胶带(例如，耐热划线胶带)或支撑板。
[0020]TSV衬底(例如，TSV晶片)可以通过以下方式制备:提供具有嵌入金属填充通孔且上面有顶面结合衬垫的晶片，将TSV晶片附接到载体晶片，以及将晶片薄化(总体上包含背磨)以便能暴露先前嵌入的金属填充通孔以形成TSV。
[0021]步骤102包括对TSV衬底进行干式蚀刻以穿过TSV衬底的完整厚度形成通孔。干式蚀刻包含等离子蚀刻和反应性离子蚀刻(RIE)。对于裸片到晶片(D2W)实施例来说，步骤102还将所述多个TSV裸片单体化。步骤103包括在TSV裸片上与支撑物相反地形成粘合剂材料的图案化层，或在具有多个MEMS裸片的MEMS晶片上形成粘合剂材料的图案化层，所述MEMS裸片各自具有上面包含焊料球的浮动感测结构。步骤104包括将MEMS晶片结合到所述多个TSV裸片。使所述焊料球对准以便向用于顶面结合到TSV裸片的顶面结合衬垫提供互连，或向用于底面结合到TSV裸片的底面结合特征提供互连。
[0022]MEMS裸片可包含使用常规CMOS制造处理形成的结构，并且可包含形成于金属、多晶硅、电介质和/或其它材料上的多个元件。MEMS裸片可以使用CMOS制造中使用的典型工艺形成，所述典型工艺例如是光刻、离子植入、蚀刻工艺(例如，湿式蚀刻、干式蚀刻)、沉积工艺、镀敷工艺等。浮动感测结构可以提供多种传感器，例如运动传感器(例如，陀螺仪、力口速计等)。
[0023]步骤105包括从TSV裸片移除支撑物。方法100可以进一步包括在结合(步骤104)之后回焊粘合剂材料，其中回焊之后的粘合剂材料为所述TSV-MEMS组合中的所述多个组合提供密封剂环圈。步骤106包括至少使MEMS晶片单体化以使所述多个MEMS裸片彼此分开，以形成多个所揭示的TSV-MEMS组合。
[0024]本文所述的组装方法100有三个实例实施例，被称作组装“过程1”、“过程2”和“过程3”。组装过程I在以下步骤之后形成TSV裸片的通孔:将薄化的TSV衬底(例如，TSV晶片)从用于薄化TSV衬底和暴露嵌入金属填充通孔以形成TSV的载体晶片松解，以及将薄化的TSV衬底层压到胶带上。组装过程2在以下步骤之后形成TSV裸片的通孔:将薄化的TSV衬底从用于薄化TSV衬底和形成TSV的载体晶片松解，以及将薄化的TSV衬底安装在支撑板上，所述支撑板可使用真空来固持薄化的TSV衬底。组装过程3在衬底薄化以形成TSV步骤之后形成TSV裸片的通孔，但在载体晶片松解之前，其中在将MEMS晶片结合到TSV裸片之前在载体晶片下添加支撑板，并且在将MEMS晶片结合到TSV裸片之后移除支撑板和载体晶片。
[0025]参看图2A-E描述组装过程I。图2A是展示TSV晶片210的TSV裸片211的简化截面描绘200，所述TSV裸片211包含附接到胶带230的衬底205。胶带230可以包括热耐胶带。TSV裸片211包含多个TSV217，其延伸衬底205/TSV晶片210的完整厚度，衬底205/TSV晶片210可以是大约75μπι到125 μ m(例如，100 μ m)厚。
[0026]TSV217可包括例如铜的金属芯，并且总体上包含外部电介质衬套和势垒层(未图示)。TSV裸片211包含顶面表面212，其总体上是包含电路223和顶面结合特征的半导体表面，所述顶面结合特征被展示为顶面结合衬垫218，顶面结合衬垫218耦合到TSV裸片211上的节点，包含耦合到某些TSV217。电路223包含晶体管(例如，NMOS和/或PMOS晶体管)和与晶体管相关联的电路，例如电阻器和电容器。为简单起见未图示互连件。
[0027]TSV裸片211包含底面表面213，其被展示为包含具有展示的RDL的焊盘网格阵列(LGA)衬垫219的重定向层(RDL)。虽然未图示，但TSV217可包含突出尖端(例如，5到15 μ m长)，而非RDL (参见如下所述的图3D)。TSV裸片211的底面表面213上的LGA衬垫219被展示为附接到胶带230。
[0028]图2B是在干式蚀刻之后用于单体化成TSV裸片211 (通过形成开放的划线233和形成通孔241)的TSV晶片210的简化截面描绘220。在典型实施例中，例如聚酰亚胺、阻焊剂或其它有机层的掩蔽层243如图所示经图案化，以便允许选择性干式蚀刻(例如，等离子蚀刻或反应性离子蚀刻(RIE))以形成开放划线233和通孔241，同时使得TSV裸片211上的其它区域不受影响(不被蚀刻)。阻焊剂和光致抗蚀剂是容易通过灰化移除的材料。通孔241如图所示总体上位于TSV裸片211上的中央，但是通孔241并不是必须在中央。
[0029]将因干式蚀刻形成的用于TSV裸片211的通孔241和用于MEMs裸片的任选的通孔(如下所述)具有以下中的至少一者:(i)基本上垂直的侧壁，其可以在具有弯曲壁的湿式蚀刻形成的通孔上方突出，因为垂直湿式蚀刻速率大致等于水平湿式蚀刻速率；和(ii)< 3nm均方根(RMS)的侧壁粗糙度。如本文所使用，“基本上垂直的侧壁”是指90° ±5的侧壁曲线。
[0030]图2C是展示在于TSV裸片211的顶面表面212上形成粘合剂材料的图案化层之后TSV裸片211上的图案化的粘合剂材料229的简化截面描绘240。粘合剂材料229可以是丝网印刷的，并且在一个实施例中可以是包含印刷的溶剂的B级粘合剂。图2D是展示在形成粘合剂材料的图案化层之后的MEMS裸片266的焊料球271上的图案化的粘合剂材料229的简化截面描绘250，其是图2C中展示的实施例的替代方案。
[0031]B级粘合剂被定义为某些热固树脂的反应的中间级，其中材料在被加热时软化并且在与某些液体接触时膨胀，但可能不会完全熔化或溶解。未固化热固粘合剂中的树脂通常处在这个级。这些粘合剂被以类似于传统的环氧树脂膏的方式分配或施加到一个衬底。在分配之后，粘合剂暴露于指定的热状态，所述热状态被设计成使大部分溶剂从材料中离析，但是不会明显地推进树脂的交联。使粘合剂变成B级准许粘合剂和衬底构造在结合过程之前被“级化”，这可以减少与传统的热固膏相关联的工艺瓶颈。
[0032]图2E是展示顶部夹头255在将具有多个MEMS裸片266的MEMS晶片262结合到TSV裸片211的顶面表面212上的顶面结合衬垫218时的简化截面描绘260，所述多个MEMS裸片266各自具有一个耦合到焊料球271的浮动感测结构261。顶部夹头255可以用于压缩结合。在所述过程中的这个点，在焊料球271与顶面结合衬垫218之间形成暂时(初始)粘合/结合。如上文所描述，接着可以移除胶带230，接着使MEMS晶片单体化以形成多个所揭示的TSV-MEMS组合。最终粘合剂材料229的形状可以被设计成围绕焊料球271并且在接合过程期间和/或在固化之后提供气密密封。
[0033]图3A是在其顶面表面212上具有凹槽315的实例TSV裸片300的俯视图描绘，所述凹槽在粘合剂材料229 (未图示)被分配以在回焊之后为TSV-MEMS组合提供密封环圈时有助于使粘合剂材料229成形。凹槽315形成于没有掩蔽层243 (例如聚酰亚胺)的区域中，使得掩蔽层243下方的钝化层暴露在凹槽315中。[0034]图3B是在其顶表面上具有凹槽365以有助于使密封材料成形的MEMS裸片340的俯视图描绘。凹槽365可类似于图3A中关于TSV裸片300描述的凹槽315而形成。MEMS裸片340被展示为包含任选的通孔372。
[0035]图3C是实例TSV-MEMS组合370的截面描绘，所述TSV-MEMS组合370包括一个结合到MEMS裸片266的TSV裸片211'，其展示了围绕焊料球271的粘合剂材料229，其在接合过程期间和/或固化之后可以变为密封环圈。图3D是根据一实例实施例的实例TSV-MEMS组合390的截面描绘，所述TSV-MEMS组合390包括一个在其底面上具有突出TSV尖端217a的TSV裸片21，其顶面结合衬垫218结合到MEMS裸片266上的焊料球271，其展示了焊料球271周围的粘合剂材料229在接合过程期间和/或固化之后提供密封环圈。TSV尖端217a从TSV裸片21的底面表面213突出大概5到15 μ m，并且被展示为包含金属尖端217b，金属尖端217b可包括例如镍的金属。
[0036]图3E是根据一实例实施例的实例TSV-MEMS组合395的截面描绘，所述TSV-MEMS组合395包括一个在其底面213上具有带有金属尖端217b的突出TSV尖端217a的TSV裸片21，其中TSV尖端217a的金属尖端217b结合到MEMS裸片266上的焊料球271，其展示了焊料球271周围的粘合剂材料229在接合过程期间和/或固化之后提供密封环圈。在另一个实施例(未示出)中，TSV裸片211'具有一个底面RDL层，其包含结合到MEMS裸片266上的焊料球271的LGA衬垫。
[0037]图4A是TSV-MEMS组合/封装430的截面描绘，所述TSV-MEMS组合/封装430包含图3C中展示的结合到封装衬底415 (例如聚合物或陶瓷衬底，举例来说印刷电路板(PCB))的TSV-MEMS组合370。TSV裸片211'具有底面RDL层，其包含通过焊料437结合到封装衬底415上的衬垫416的LGA衬垫219。在一个实施例中，封装衬底是客户的母板(例如，比如FR4 (环氧树脂玻璃纤维层合物)母板)。
[0038]图4B是TSV-MEMS组合/封装460的截面描绘，所述TSV-MEMS组合/封装460包含TSV-MEMS组合370 ,，其修改了图3C中展示的TSV-MEMS组合370，方式是通过使展示为266'的MEMS裸片包含任选的通孔372，所述通孔结合到自身具有通孔463的封装衬底415/。
[0039]所揭示的实施例可以集成到多种组装流中以形成多种不同的半导体集成电路(IC)装置和相关产品。所述组合件可包括单一半导体裸片或多个半导体裸片，例如包括多个堆叠半导体裸片的PoP配置。可使用多种封装衬底。半导体裸片中可包含各种元件和/或其上可包含各种层，包含势垒层、电介质层、装置结构、有源元件和无源元件，包含源极区域、漏极区域、位线、基极、发射级、集极、导电线路、导电通孔等。此外，半导体裸片可以由多种工艺形成，所述工艺包含双极工艺、CMOS、BiCMOS和MEMS。
[0040]本发明涉及的领域的技术人员将明白，本发明的范围内可以有许多其它实施例和实施例的变化，并且在不脱离本发明的范围的情况下可以对所描述的实施例进行进一步的添加、删除、替代和修改。
【权利要求】
1.一种穿衬底通孔TSV-MEMS组合，其包括: TSV裸片，其包含:一个衬底和多个TSV，所述TSV延伸所述衬底的完整厚度；顶面表面，其上包含电路和顶面结合衬垫；和底面表面，其上包含底面结合特征；和穿过所述衬底的所述完整厚度的通孔； 微机电系统MEMS裸片，其具有浮动感测结构，所述浮动感测结构上包含结合到所述TSV裸片的焊料球，其中所述焊料球结合到所述顶面结合衬垫或所述底面结合特征；以及 粘合剂材料层，其围绕所述焊料球。
2.根据权利要求1所述的TSV-MEMS组合，其中所述顶面表面上的所述顶面结合衬垫结合到所述MEMS裸片的所述焊料球。
3.根据权利要求1所述的TSV-MEMS组合，其中所述底面表面上的所述底面结合特征结合到所述MEMS裸片的所述焊料球。
4.根据权利要求1所述的TSV-MEMS组合，其中所述底面结合特征包括具有焊盘网格阵列LGA衬垫的重定向层RDL。
5.根据权利要求1所述的TSV-MEMS组合，其中所述多个TSV包含突出TSV尖端，并且其中所述底面结合特征包括所述突出TSV尖端。
6.根据权利要求1所述的TSV-MEMS组合，其中所述粘合剂材料包括环氧树脂。
7.根据权利要求1所述的TSV-MEMS组合，其中所述粘合剂材料为所述TSV-MEMS组合提供底层填料和密封剂环圈。
8.根据权利要求1所述的TSV-MEMS组合，其中所述MEMS裸片包含通孔。
9.根据权利要求1所述的TSV-MEMS组合，其进一步包括封装衬底，其中所述TSV-MEMS组合结合到所述封装衬底。
10.根据权利要求1所述的TSV-MEMS组合，其中所述顶面表面包含多个凹槽，并且其中所述粘合剂材料层在所述多个凹槽上方延伸。
11.根据权利要求1所述的TSV-MEMS组合，其中所述衬底包括硅并且所述多个TSV包括铜。
12.—种组装穿衬底通孔TSV-MEMS组合的方法，其包括: 提供TSV衬底，所述TSV衬底包含多个TSV裸片，所述TSV裸片包含:多个TSV，所述多个TSV延伸所述TSV衬底的完整厚度；顶面表面，其上包含电路和顶面结合衬垫；和底面表面，其上包含底面结合特征，其中所述底面表面或所述顶面表面在支撑物上； 对所述TSV衬底进行干式蚀刻以形成穿过所述TSV衬底的所述完整厚度的通孔； 在所述TSV裸片上与所述支撑物相反地形成粘合剂材料的图案化层； 将具有多个MEMS裸片的MEMS晶片结合到所述多个TSV裸片，所述多个MEMS裸片各自具有浮动感测结构，所述浮动感测结构上包含焊料球； 移除所述支撑物；以及 至少使所述MEMS晶片单体化以分开所述多个MEMS裸片并且形成多个所述TSV-MEMS组合。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述干式蚀刻包括等离子蚀刻。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述粘合剂材料包括B级粘合剂。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述干式蚀刻进一步提供所述TSV衬底的单体化以分开所述多个TSV裸片。
16.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括在所述结合之后回焊所述粘合剂材料，其中在所述回焊之后，所述粘合剂材料为所述多个所述TSV-MEMS组合提供密封剂环圈。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述多个MEMS裸片包含通孔。
18.根据权利要求12所述的方法，其中在所述单体化之后，所述方法进一步包括将所述TSV-MEMS组合结合到封装衬底。
19.根据权利要求12所述的方法，其中所述顶面表面包含多个凹槽。
20.根据权利要求12所述的方`法，其中所述TSV衬底包括硅并且所述多个TSV包括铜。
【文档编号】B81C1/00GK103787262SQ201310511778
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2012年10月26日
【发明者】高桥吉见, 久保田宏一 申请人:德州仪器公司