用于制造封装器件的工艺和由此得到的封装器件的制作方法
【专利摘要】为了制造封装器件，将具有感测区域的裸片键合到支撑物，并在所述支撑物上模制可模制材料的封装块使得围绕所述裸片。在封装块的模制期间形成腔室，该腔室面对感测区域并连接到外部环境。为此，在感测区域上滴涂可以蒸发/升华的材料的牺牲块；在牺牲块上模制封装块；在封装块中形成通孔以延伸至牺牲块；牺牲块通过该孔蒸发/升华。
【专利说明】用于制造封装器件的工艺和由此得到的封装器件
【技术领域】
[0001]本公开涉及用于制造封装器件的工艺以及由此得到的封装器件，该封装器件特别是具有诸如MEMS麦克风之类的可访问结构的封装微机电(MEMS)传感器。
【背景技术】
[0002]如已知的那样，例如诸如电容性麦克风之类的声换能器的MEMS传感器通常包括微机械感测结构，该微机械感测结构被设计用于将机械应力(例如声压力波)转换成电学量(例如，对于具有电容性结构的声换能器而言，利用由电容性结构中的声压力波引起的电学量的变化)。而且，传感器可以包括读取电子设备，该读取电子设备被设计为执行电学量的适当处理操作(包括放大和滤波)以输出电信号(例如电压)。
[0003]通常，MEMS传感器形成在裸片中，该裸片包括例如硅的半导体材料的体或结构层。裸片可以包含空腔并且可以限定柔性薄膜或膜片。例如，对于上面指出的声换能器，柔性薄膜根据进入的声波的压力经受变形。
[0004]实现声换能器的裸片被包封在封装体中，该封装体也可以包含相关联的读取电子设备，该读取电子设备例如以专用集成电路(ASIC)的形式继而集成在半导体材料的相应裸片中。
[0005]在这种类型的传感器中，感测结构(薄膜)连接到外界使得能够检测诸如声波压力的量。
[0006]实践中，薄膜悬置在参考的背腔室和连接到外界的前腔室之间，并且具有适当的形状和尺寸使得确保使用中的频率响应。
[0007]已知各种类型的封装体，其能够实现至外部环境的连接。
[0008]典型地，对于MEMS器件而言，使用预模制金属或塑料帽，并将其固定到MEMS裸片的支撑物，例如印刷电路板。在一些实施例中，这些帽具有盖子形状，该盖子具有顶表面和侧壁使得划定容纳MEMS器件的腔室的界限。盖子通过布置在支撑物和面对支撑物的帽底部边缘之间的粘附材料的条带固定到支撑物。如果期望，粘附材料可以是导电胶例如导电环氧树脂，使得也得到朝向支撑物的接地连接。通常在顶表面中的孔能够实现容纳裸片的腔室与外部环境之间的连接。
[0009]备选地，MEMS裸片的支撑物可以具有容纳裸片且在顶部通过平面帽闭合的空腔。同样在这种情况下，帽通过粘附材料的条带固定到支撑物，粘附材料的条带在划定空腔界限的衬底的边缘之上延伸。
[0010]这些已知的解决方案可以进行改进。具体地，如果帽是预模制帽，则例如在硅尺寸差异的情况下或在存在不同定制规格的情况下，针对尺寸和形状的每种差异，利用专用模制工具(例如包括模具和冲孔机)。此外，模制和冲孔工具的间距和布局总是与接触阵列的配置和尺寸不兼容。
[0011]此外，利用帽得到的封装体不总是足够刚性的，并且在具体操作条件下，特别是在存在振动的情况下或在传感器的碰撞或跌落的情况下，可以从支撑物脱离。
[0012]不同类型的MEMS器件共同存在相同类型的问题，其中形成在裸片之上或形成在裸片中的感测部分与外部连接用于感测化学物质诸如各种气味、湿度和气体。
【发明内容】
[0013]根据本公开的一个或多个实施例，提供有一种用于制造封装器件的工艺和因而得到的封装器件。
[0014]在一个实施例中，在支撑物之上形成完全模制封装体，并且在模制期间形成经由通孔与外部环境连接的腔室或空腔。该腔室或空腔可以面对裸片的一部分、裸片的这种感测部分或在顶部处和侧向地围绕裸片。通过在模制期间创建空腔，经由具有可靠和可重复结果的标准模制步骤在支撑物上直接得到帽，所以所得的封装体并不昂贵且非常坚固。此夕卜，通过适当材料块的蒸发/升华创建空腔或腔室(因而操作为封装体的模制期间用于空腔/腔室的“模具”)能够实现腔室的构建，使得它具有适于特定应用的尺寸，这在MEMS麦克风的情况下特别重要。
[0015]使用能够在形成通过封装体的接入孔之后升华/蒸发的材料能够使得以简单且经济有利的方式释放腔室，而不需要复杂或昂贵的去除操作。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]为了更好地理解本公开，现在参照附图，单纯地通过非限制性示例的方式描述其优选实施例，在附图中:
[0017]图1示出了通过封装器件的实施例的截面；
[0018]图2至图7示出了在本工艺的一个实施例中的用于同时封装多个器件的连续步骤期间结构的截面；
[0019]图8至图10示出了可以利用图2至图7的工艺得到的不同器件；
[0020]图11至图15示出了根据本工艺的不同实施例的用于同时封装多个器件的连续步骤期间的结构的截面；
[0021]图16和图17示出了可以利用图11至图15的工艺得到的不同器件；
[0022]图18至图23示出了根据本工艺的另一实施例的用于同时封装多个器件的连续步骤期间结构的截面；
[0023]图24至图27示出了可以利用图18至图23的工艺得到的不同器件；以及
[0024]图28是根据本公开实施例的包括封装器件的电子设备的框图。
【具体实施方式】
[0025]图1示出了包括承载裸片3的支撑物2的集成器件I。裸片3由主体4形成，主体4典型地具有平行六面体形状，该平行六面体形状具有第一主面6、第二主面7和侧表面8。主体4典型地由诸如硅之类的半导体材料的结构层形成，并且导电/绝缘层(未示出)可以在其之上延伸。裸片3在第二主面7 (底表面)处键合到支撑物2并且具有面对第一主面6(顶表面)的感测区域5。如以下更详细描述的那样，感测区域5可以形成在主体4的第一主面4内或第一主面4之上。例如，感测区域5可以是通过主体中的掩埋空腔在底部界定的薄膜或膜片，或者悬置薄膜，或者可以包括在第一主面6之上延伸的一个或多个层。
[0026]支撑物2具有平行六面体形状，其具有大于裸片3的面积或基座。封装块10侧向地且在裸片3的顶部上形成在支撑物2上。封装块10划定腔室或空腔11的界限，该腔室或空腔11是空的并且在图1的实施例的示例中容纳裸片3。阻挡层13在腔室11的壁之上延伸，并且电连接导线15将裸片3连接到支撑物2。以已知方式，通过路径和连接(未示出)将电连接导线15连接到支撑物2的背部。
[0027]腔室11经由延伸通过封装块10和阻挡层13的孔12连接到外界。在所示实施例中，孔12垂直地位于感测区域5之上并因而位于腔室11之上，但可以侧向偏移或以任意合适位置和配置布置。
[0028]支撑物2可以是任意已知类型的。例如，支撑物2可以是有机材料的印刷电路板(PCB)或其它例如焊接区栅格阵列(LGA)或球栅阵列(BGA)类型的有机多层衬底(诸如例如双马来酰亚胺三嗪-BT层)。备选地，支撑物2可以是典型为硅的半导体材料的支撑裸片。
[0029]形成模制封装体的封装块10由模制封装体的标准材料，典型地为诸如树脂之类的塑性材料形成。
[0030]阻挡层13可以是低粘性聚合材料或导电材料，典型地为金属，例如可以经由喷墨涂敷或经由导电墨的气溶胶喷射涂覆有银或金的导电墨，或者通常用于衬底上的丝网印制路径的一些其它材料。阻挡层13相当薄；例如它可以具有20 μ m到50 μ m之间的厚度。阻挡层在制造步骤期间可以是有用的(如以下详细描述的那样)并且在封装器件I的操作期间可以具有干扰屏蔽功能。
[0031]根据制造工艺的可能实施例之一，如下文具体描述的那样，通过去除牺牲材料得到腔室11，该牺牲材料能够蒸发/升华而不留下残留。
[0032]参照图2至图7，现在描述用于制造图1的封装器件I的工艺的实施例。
[0033]具体地，图2示出了承载例如经由粘附材料(未示出)键合的多个裸片3的板状衬底20。裸片3经由相应的电连接导线15电连接到板状衬底20。在每个裸片3上滴涂如下材料的牺牲滴状物21，该材料可以蒸发或升华而不溶解、具有蜡状稠度，诸如可熔的碳氢化合物。例如，牺牲滴状物21的材料可以是可在操作温度下滴涂且然后升华的聚合物。材料可以是可在室温下滴涂并且可能在受控温度和/或在受控条件下、可能在固化处理之后可以缓慢升华的类型。
[0034]具体地，牺牲滴状物21的材料可以是短链聚合物，诸如以纯态形式或在非极性有机溶剂中溶解的具有萘、环十二烷、蒽、芘、二萘嵌苯和乙酸锌的聚合物。
[0035]在图2所示示例中，每个牺牲滴状物21完全覆盖和包住相应裸片3，包括电连接导线15。
[0036]接下来(图3)，阻挡层13涂覆在每个牺牲滴状物21上，并且如果利用适当粘度滴涂，如本领域技术人员已知的那样，则完全涂敷相应的牺牲滴状物21，而与衬底20基本不接触。在涂覆之后，可以在室温下例如10分钟到60分钟之间的时间固化牺牲滴状物21的材料(RT固化)，或者通过紫外线辐射固化牺牲滴状物21的材料，在任一情况下以蒸发溶剂。
[0037]接下来(图4)，执行标准类型的压缩模制，并且例如树脂的封装层23完全覆盖板状衬底20，板状衬底20嵌入裸片3、牺牲滴状物21和对应的阻挡层13。在该步骤中，阻挡层13可以防止封装层23的材料和牺牲滴状物21的材料之间的混合。
[0038]如图5所示，执行穿孔，并且制作多个孔24通过封装层23，每个裸片23 —个孔。具体地，每个孔24延伸通过封装层23和阻挡层直至牺牲滴状物21。例如，可以通过激光钻孔执行穿孔。本领域技术人员将认识到，在另一实施例中，在模制工艺期间制作孔24。
[0039]然后蒸发或升华牺牲滴状物21，以形成腔室11(图6)。根据所使用的材料，可以在炉中(例如在100°C到200°C )、在室温下、在周围压力下或在低压下执行蒸发或升华，并且可以持续10分钟到I小时之间。在这种条件下，牺牲滴状物21的材料蒸发或升华，并且形成的气体(在图6中由粒子25示意性地表示)通过孔24出去，使腔室11变空或基本变空(是指其充满氛围气体)。同样在该步骤中，特别是在牺牲滴状物21在高于室温的温度下蒸发或升华的情况下，阻挡层13防止在任意可能的固态-液态转变期间在牺牲滴状物的材料和封装层23的材料之间的可能混合。在封装器件23中并且在阻挡层13中，因而保留了孔 12。
[0040]如图7中通过垂直线26示意性表示的那样，然后使用标准技术切割由此得到的结构。如图1所示，因而形成多个封装器件I。
[0041]以此方式，最终器件具有完全模制的封装体，与使用特意设计的帽的解决方案相t匕，可以以更低成本制造该封装体。而且，与已知的解决方案相比，封装器件更具抵抗性。此夕卜，使用在半导体技术中广泛使用的技术(模制)确保得到的器件的高可靠性。
[0042]图8示出了封装器件60，其中感测区域由悬置在主体4的顶表面6之上的薄膜27形成。图8也示出了通过路径(未示出)连接到电连接导线15之一的导电过孔28以及电连接到阻挡层13的通孔29，用于其偏置到例如接地。该解决方案特别适用于例如提供MEMS麦克风，即使封装器件60可以是不同类型的致动器/传感器。
[0043]图9示出了封装器件61，其中由形成在裸片3的主体4内的薄膜30形成感测区域。掩埋空腔31在底部界定薄膜30，薄膜30因而是单片式的(因而由与裸片3的主体4相同的材料制成并且具有与其表面部分相同的晶体结构)。该解决方案特别适用于例如提供电容式MEMS压力传感器，即使封装器件61可以是不同类型的致动器/传感器(例如电容式湿度传感器)或基于不同传感原理(例如铁电类型)。而且，代替由掩埋空腔31界定，薄膜30可以由利用体微机械技术形成并且从裸片3的背部(键合到支撑物2的、裸片3的第二主面7)延伸的空腔(未示出)界定。
[0044]此外，在图9中，不存在阻挡层13。在这种情况下，制造工艺类似于参照图2、图4至图7描述的制造工艺，但不执行图3的阻挡层的涂覆。
[0045]显而易见，根据另一变体，可以提供不具有如图9的阻挡层但具有如图8的悬置薄膜27的封装器件。
[0046]图10示出了集成器件62，其中感测区域由位于裸片3的顶表面6之上的感测层35形成。该解决方案例如特别适用于提供气体传感器或用于检测其它化学物质的传感器，其中感测层35根据待检测的物质(例如它包括卟啉)进行优化，即使封装器件62可以是不同类型的致动器/传感器。
[0047]而且，在图10中，裸片3安装在第二裸片37上，第二裸片37例如为诸如ASIC之类的集成电路。第三裸片38沿着第二裸片37键合到支撑物2。裸片3、第二裸片37和第三裸片38都容纳在腔室11中。
[0048]显而易见，根据另一变体，同一腔室11内的裸片数目和/或它们的相互位置(都叠置在彼此顶部上，都沿着彼此布置，或部分地布置在彼此顶部上且部分地沿着彼此布置)可以变化，在给定腔室11的尺寸的情况下，受封装块10的强度考虑的限制。此外，感测区域5的实现也可以变化，并且代替覆盖在顶表面6之上的感测层35可以包括悬置或集成的薄膜，并且可以设置或不设置阻挡层13。
[0049]图11至图15示出了本工艺的不同实施例。这里，如图11所示，每个牺牲滴状物40不完全包封相应的裸片3，但在感测区域5之上延伸。典型地，牺牲滴状物40的润湿区域(即牺牲滴状物40与裸片3的主面6之间的接触区域)大于感测区域5的表面并且完全围绕感测区域5的表面。
[0050]接下来，执行类似于先前参照图2所述的步骤(不存在阻挡层13)，并且包括模制封装层43 (图12);提供孔41 (图13);通过孔41蒸发或升华来去除牺牲滴状物40，由此形成腔室42 (图14);以及单片化(图15)。在这种情况下，同样作为湿度的结果，可以出现牺牲滴状物40的固化。
[0051]因而形成多个封装器件63，多个封装器件63之一在图16中示出，其中腔室42和孔41(由封装块44围绕)使感测区域5暴露于外部环境。同样在该情况下，可以按照上述方式中的任意方式来得到感测区域5，并且因而作为悬置在裸片3的主体4之上的薄膜，如在图8中那样；作为集成在裸片3的王体4中的薄I吴，如在图9中那样；或作为沉积在裸片3的主体4上的层，如在图10中那样。
[0052]图17示出了叠置类型的封装器件64，其中裸片3 (为清晰起见也称为“第一裸片3”)在第二裸片37上键合，第二裸片37又键合到支撑物2。第二裸片37可以形成将第一裸片3连接到支撑物2的通孔(未示出)。
[0053]备选地，特别是如果第二裸片37形成诸如ASIC之类的集成电路，则电互连导线(未示出)可以在第一裸片3和第二裸片37之间和/或在第二裸片37和支撑物2之间延伸。
[0054]图18示出封装器件65，封装器件65包括第二裸片46，第二裸片46沿着第一裸片3键合到支撑物2。这里，与图10的实施例不同，第二裸片46完全嵌入在封装块44中(远离键合到支撑物2的侧)并因而不容纳在腔室42中。
[0055]类似地，在叠置配置的情况下，键合到支撑物2并承载第一裸片3 (三明治配置)的另一可能的裸片(未示出)将由封装块44围绕并且不容纳在腔室42中。
[0056]图19至图24示出了本工艺的另一实施例，其中(类似于图11至图15)每个牺牲滴状物40覆盖裸片3的主面6的一部分，包括感测区域5。这里，特别地，分开保护电连接导线15。
[0057]具体地，根据本实施例，在裸片3的感测区域5上滴涂牺牲滴状物40(如图11所示)之后，在电连接导线15上滴涂典型地为环氧树脂的封装密封化合物(球顶块50)的滴状物(图19)。特别地，球顶块50均可以覆盖一个或多个电连接导线15，但在任意情况下，基本不在牺牲滴状物40之上延伸(即使容忍轻微的叠置)。
[0058]作为上述的备选方案，假设可以确保球顶50不覆盖感测区域5，则可以首先提供球顶块50，然后提供牺牲滴状物40。
[0059]然后(图20)，沉积阻挡层51，这里阻挡层51完全涂敷球顶滴状物50和每个裸片的牺牲滴状物40。同样这里如上所述，阻挡层51可以是金属并且可以模制或溅射。
[0060]执行类似于图3至图7的实施例所述的步骤，包括:固化牺牲滴状物40的材料；压缩模制封装层53 (图21);创建孔52 (每个孔52延伸通过封装层43和阻挡层51)(图22);通过蒸发或升华去除牺牲滴状物40，由此形成腔室54 (图23);以及单片化(图24)。
[0061]因而形成多个封装器件，多个封装器件之一在图25中示出，其中电连接导线15由球顶滴状物50保护并且因而并不暴露于外部环境，即使封装块57不保证充分气密密封。同样在这种情况下，可以按照上述方式中的任意方式得到感测区域5。
[0062]因而当优选地保护电连接导线15免于外部环境时该解决方案特别适用。
[0063]图26示出其中电连接导线15由球顶滴状物50覆盖并且第二裸片38沿着第一裸片3键合到支撑物2的实施例。同样这里，第二裸片38由封装块57围绕并且不容纳在腔室42中。
[0064]根据图27，另一裸片可以夹在第一裸片3与支撑物2之间，类似于图10或图17所示的情况，其中在第一裸片和第二裸片之间的连接导线15和/或在第二裸片和衬底2之间的连接导线由阻挡层围绕的球顶滴状物50覆盖并由封装块10覆盖。
[0065]最后，清楚的是，可以对这里图示和描述的封装器件和制造工艺进行修改和变化，而不会由此偏离本公开的范围。
[0066]具体地，如所指出的，封装器件的类型可以是任意类型的，只要它包括面对封装裸片区域的腔室即可。
[0067]而且，根据阻挡层和/或遮蔽层的存在与否以及电子组件和电气组件之间的电连接类型，腔室内或封装裸片附近的裸片和/或其它结构的位置和数目可以变化。
[0068]最后，封装器件可以包括如图1至图10的宽腔室，其中导线15由球顶滴状物保护，如图19至图27中所示。
[0069]图28示出电子设备100的框图，包括诸如封装器件60-65之类的封装器件中的至少一个。电子设备进一步包括耦合到封装器件的微处理器(CPU) 104。电子设备可以进一步包括耦合到微处理器的存储器105和诸如键盘和/或显示设备之类的也耦合到微处理器的输入/输出接口 106。此外，电子设备100可以进一步包括诸如电池的电源108或用于耦合到外部电源的结构。电子设备100可以是包括诸如60-65的封装器件的任意电子设备。例如，电子设备100可以是蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、可穿戴设备、录音机、警报器等。
[0070]上述各种实施例可以组合以提供其它实施例。根据上面详细的描述可以对实施例进行这些以及其它变化。通常，在下面的权利要求中，使用的术语不应被认为是将权利要求限于在说明书和权利要求书中公开的特定实施例，但应认为包括所有可能的实施例以及这种权利要求赋予的等同方案的全部范围。因此，权利要求不受此公开的限制。
【权利要求】
1.一种用于制造封装器件的工艺，所述工艺包括: 将第一裸片键合到支撑物，所述第一裸片具有感测区域； 在所述支撑物上且围绕所述第一裸片模制可模制材料的封装块；以及在所述封装块的表面与所述感测区域之间形成腔室，所述腔室与所述封装器件外的环境流体连通。
2.根据权利要求1所述的工艺，其中形成所述腔室包括: 在所述感测区域上滴涂被配置成蒸发/升华的材料的牺牲块； 在所述牺牲块上模制所述封装块，所述封装块具有外表面； 在所述封装块中形成从所述外表面延伸直至所述牺牲块的孔；以及 通过所述孔蒸发/升华所述牺牲块。
3.根据权利要求2所述的工艺，其中，在滴涂所述牺牲块之后且在模制所述封装块之前，在所述牺牲块上形成阻挡层。
4.根据权利要求3所述的工艺，其中所述阻挡层是导电材料，并且形成所述阻挡层包括在所述牺牲块上喷涂或喷射所述导电材料。
5.根据权利要求2所述的工艺，其中所述牺牲块是可滴涂聚合物。
6.根据权利要求5所述的工艺，其中所述可滴涂聚合物包括萘、环十二烷、蒽、芘、二萘嵌苯和乙酸锌中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的工艺，进一步包括: 将连接导线的第一端电耦合到所述第一裸片的焊盘，并且将所述连接导线的第二端电耦合到所述支撑物和键合到所述支撑物的第二裸片中的至少一个；以及在模制所述封装块之前在所述电连接导线上涂覆密封区域。
8.一种封装器件，包括: 支撑物； 第一裸片，耦合到所述支撑物，所述第一裸片具有感测区域； 可模制材料的封装块，耦合到所述支撑物并围绕所述裸片；以及位于所述封装块与所述感测区域之间的腔室，所述腔室与所述封装器件外的环境流体连通。
9.根据权利要求8所述的封装器件，其中所述腔室通过延伸通过所述封装块的孔与所述封装器件外的环境流体连通。
10.根据权利要求8所述的封装器件，其中所述第一裸片包括具有主面和侧表面的半导体材料的主体，所述感测区域面对所述主体的主面，所述腔室面对所述主面，并且所述封装块围绕所述主体的侧表面。
11.根据权利要求8所述的封装器件，其中所述第一裸片包括具有主面和侧表面的半导体材料的主体，所述感测区域面对所述主体的主面，并且所述腔室围绕所述主体并且在所述主体的侧表面周围延伸。
12.根据权利要求11所述的封装器件，包括容纳在所述腔室内的第二裸片。
13.根据权利要求12所述的封装器件，其中所述第二裸片位于所述支撑物和所述第一裸片之间。
14.根据权利要求8所述的封装器件，进一步包括第二裸片和电连接导线，所述电连接导线具有耦合到所述第一裸片的第一端以及耦合到所述支撑物和所述第二裸片中的一个的第二端，所述电连接导线嵌入在密封区域中。
15.根据权利要求8所述的封装器件，进一步包括面对所述腔室的阻挡层，其中所述腔室部分地通过所述阻挡层的侧向界定壁形成。
16.根据权利要求15所述的封装器件，其中所述阻挡层是聚合物或导电墨。
17.根据权利要求8所述的封装器件，其中所述封装器件是压力传感器、麦克风、湿度传感器、气体传感器和化学传感器中的一种。
18.—种电子设备,包括: 微处理器； 封装器件，耦合到所述微处理器，所述封装器件包括: 支撑物； 第一裸片，耦合到所述支撑物，所述裸片具有感测区域； 可模制材料的封装块，耦合到所述支撑物并围绕所述裸片，所述封装块包括接入端口 ；以及 位于所述封装块和所述感测区域之间的腔室，所述腔室通过所述封装块的接入端口与所述封装器件外的环境流体连通。
19.根据权利要求18所述的电子设备，其中所述封装器件进一步包括在所述封装块与所述腔室之间的阻挡层。
20.根据权利要求18所述的电子设备，进一步包括电连接导线，所述电连接导线具有耦合到所述第一裸片的第一端和耦合到所述支撑物的第二端，其中所述封装块围绕所述电连接导线。
21.根据权利要求18所述的电子设备，其中所述封装器件进一步包括在所述第一裸片和所述支撑物之间的包括集成电路的第二裸片。
22.根据权利要求18所述的电子设备，其中所述电子设备是蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、可穿戴设备、语音记录器和警报器中的至少一种。
【文档编号】B81B7/02GK104340949SQ201410370739
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2013年7月31日
【发明者】F·G·齐格里欧里 申请人:意法半导体股份有限公司