专利名称：Mems麦克风及其封装方法
技术领域：
本发明涉及麦克风技术领域，具体说，涉及ー种MEMS麦克风及其封装方法。
背景技术：
硅基MEMS麦克风，也就是所说的声学换能器，正在助听器、移动通信系统、数字相机、摄影机以及玩具エ业中扮演越来越重要的角色。ー个主 要的问题是，将MEMS麦克风小型化，同时仍然保持性能(诸如灵敏度、噪声、紧凑性、健壮性、电磁干扰(EMI)屏蔽)非常好。在这方面已经做出了一些尝试。美国专利No. 6，324，907公开了ー种包括柔韧细长件、换能器系统以及盖子的柔韧基底换能器组件，其中，安装在柔韧细长件上并由盖子盖住的换能器系统包括至少两个芯片，分别用于检测物理信号和处理电学信号。所述盖子和柔韧印刷电路基底提供了良好的EMI屏蔽，然而，由于所述细长基底之故，所述换能器组件的封装尺寸很大，并且传感元件和调节集成电路的分离要求有很大的封装外売。美国专利No. 6，781，231公开了ー种包括MEMS麦克风、用于支撑MEMS麦克风的基底以及用于盖住MEMS麦克风的导电盖子的MEMS封装，其中MEMS麦克风包括MEMS声学传感元件和调节集成电路。所述导电盖子和基底可以形成ー个外壳以及容纳MEMS麦克风，并对MEMS麦克风进行电磁干扰屏蔽。然而，此处有两个限制因素妨碍了该封装的尺寸减小，即，(I)所述MEMS声学传感元件与所述调节集成电路是分开的，以及(2 )所述集成电路元件和基底之间的连线占据空间。欧洲专利EP 1214864公开了ー种包含载体件、换能器元件和电子器件的传感器系统，其中，所述换能器元件和电子器件均键合到所述载体件上，并通过保持在该载体件上的接触元件电互联。然而，该传感器系统没有良好的屏蔽，并且在硅器件和应用印刷电路板(PCB)之间没有应カ缓冲。因此，需要ー种具有小型化尺寸以及良好性能的MEMS麦克风，以及该MEMS麦克风的封装方法。
发明内容
考虑到上述问题，本发明提供ー种MEMS麦克风及其封装方法。在本发明所述的MEMS麦克风中，包含声学传感元件以及ー个或多个调节CMOS集成电路的单片芯片利用晶片级封装技术与具有声腔的硅载体芯片键合，其中，所述硅载体芯片具有倒装键合垫，并且所述声学传感元件包括顺应性振膜、具有通孔的穿孔背板、以及在所述顺应性振膜和所述背板之间的空气间隙。这样，所述MEMS麦克风可以具有小型化尺寸，同时具有良好的性能。根据本发明的ー个方面，提供ー种MEMS麦克风,其包括单片娃芯片,该单片娃芯片包含声学传感元件以及ー个或多个调节CMOS集成电路，其中，所述声学传感元件包括顺应性振膜、具有通孔的穿孔背板、以及在所述顺应性振膜和所述背板之间的空气间隙；硅基载体芯片，该硅基载体芯片具有声腔、金属穿过硅通孔引线、以及在每个金属穿过硅通孔引线的两端上的金属垫，其中，所述硅基载体芯片与所述单片硅芯片在所述单片硅芯片的背板侧上密封键合和电连接；基底，用于将所述单片芯片和所述硅基载体芯片的组件倒装安装在该基底上；导电盖子，该导电盖子具有以其边缘为界的中心空腔，所述边缘附着并电连接到所述基底上，所述中心空腔容纳所述单片芯片和所述硅基载体芯片的组件；以及声孔，该声孔形成在所述导电盖子上或所述基底上，以使外部声波抵达所述声学传感元件，其中，所述单片硅芯片、所述硅基载体芯片和所述声孔设置为使外部声波从所述声学传感元件的顺应性振膜的一侧来振动该振膜。在一个或多个实施例中，所述硅基载体芯片可 以形成有金属穿过硅通孔引线以及金属垫，所述金属垫在每个金属穿过硅通孔引线的两端上，其中，在所述硅基载体芯片的ー侧上的金属垫与所述单片硅芯片键合，而另ー侧上的金属垫与所述基底键合，并且所述基底形成有电引线和垫。在一个例子中，所述声孔可以形成在所述导电盖子的任ー侧，在所述声腔的底部无开孔。在另ー个例子中，所述声孔可以形成在所述导电盖子的任ー侧，在所述声腔的底部可以形成ー个或多个孔，以及所述硅基载体芯片与所述基底密封键合。在另ー个例子中，所述声孔可以形成在所述基底上，所述硅基载体芯片的声腔可以在其底部具有一个或多个开孔，以及所述硅基载体芯片与所述基底密封键合并电连接。此外，在另ー个例子中，优选地，所述声孔可以与所述硅基载体芯片中的空腔的底部上的至少ー个开孔对齐。在另ー个例子中，所述硅基载体芯片的声腔可以与所述单片硅芯片的背板对齐。此外，在另ー个例子中，所述单片硅芯片和所述硅基载体芯片之间的键合可以为低于400°C的低温下的金属共晶键合。此外，在另ー个例子中，所述导电盖子可以锡焊到所述基底上，或者利用导电粘合剂粘接到所述基底上。或者，优选地，所述硅基载体芯片和所述基底之间的键合可以为使用焊锡的倒装法键合。此外，所述基底可以为具有单个或多个FR4层的任何印刷电路板，以及所述基底可以形成有电引线以及在该电引线两端的垫。此外，所述导电盖子可以由金属或者由涂有或镀有金属的塑料制成根据本发明的另一方面，提供ー种MEMS麦克风的制造方法，该方法包括制备单片硅芯片，该单片硅芯片集成有声学传感元件以及ー个或多个调节CMOS集成电路，其中，所述声学传感元件包括顺应性振膜、具有通孔的背板以及在所述顺应性振膜和所述背板之间的空气间隙；制备硅基载体芯片，该硅基载体芯片具有声腔、金属穿过硅通孔引线、以及在每个金属穿过硅通孔引线的两端上的金属垫；利用金属共晶键合，将所述硅基载体芯片与所述单片芯片在所述声学传感元件的背板侧上键合；将所述单片芯片和所述硅基载体芯片的组件倒装键合在基底上；将具有中心空腔的导电盖子附着到所述基底的边缘上，其中，所述中心空腔以该导电盖子的边缘为界，所述中心空腔容纳所述单片硅芯片和硅基载体芯片的组件，其中，在所述导电盖子或所述基底上形成有声孔，以使外部声波抵达所述声学传感元件。尽管上面简述了各个实施例，但应该明白，不一定所有的实施例都包括同样的特征，在一些实施例中，上述ー些特征并非必须，而是希望存在。下面将详细描述各种其它特征、实施例和益处。
从下面结合附图对实施例的描述中，本发明的目的和特征将变得很清楚，在附图中图I是剖视图，示出了本发明的第一实施例所述的MEMS麦克风的结构；图2A至图2E是剖视图，示出了本发明的第一实施例所述的MEMS麦克风的制造方法；以及图3是剖视图，示出了本发明的第二实施例所述的MEMS麦克风的结构。
具体实施例方式下面參考附图来描述要求保护的主题的各个方面，其中，附图中的图是示意性的， 未按比例来画，并且在所有的附图中使用同样的附图标记来指示同样的元件。在下面的描述中，为了说明的目的，阐述了很多具体细节，以便提供ー个或多个方面的透彻理解。然而很显然，在没有这些具体细节的情况下也可以实现这些方面。在其它情形中，公知的结构和器件以方框图形式来示出，以便于描述ー个或多个方面。下面将參考附图来描述本发明的各种实施例。(第一实施例)图I是剖视图，示出了本发明的第一实施例所述的MEMS麦克风10的示例性结构。如图I所示，MEMS麦克风10可以包括结合有声学传感元件100及调节CMOS集成电路(未示出)、硅基载体芯片200、基底300以及上面形成有声孔420的导电性盖子400的单片硅芯片。本实施例所述的单片硅芯片可以包括声学传感元件100和调节CMOS集成电路(未示出)。该单片硅芯片可以由声学传感元件100接收声学信号并将接收到的声学信号转换为电信号，以及由所述调节CMOS集成电路处理并输出所述电信号。如图I所示，声学传感元件100可以包括顺应性薄膜(诸如振膜)120、穿孔背板140、以及空气间隙115，其中，穿孔背板140具有多个形成在其与振膜120相対的部分中的通孔143，空气间隙115在振膜120和背板140之间，用于将振膜120与麦克风背板140分开。本实施例中的振膜120用作振动膜以及电极，所述振动膜响应从其外部抵达振膜120的外部声波进行振动。背板140提供声学传感元件100的另ー个电极，并在其上形成有多个通孔143，多个通孔143用于空气流通，以减小振膜120开始振动时将遇到的空气阻尼。上述声学传感元件100的一个例子在国际申请NO.PCT/CN2010/075514中有详细的描述，其内容通过引述结合于此。此外，调节CMOS集成电路及其与声学传感元件100的集成在本领域中是已知的，其详细描述省略。所述单片硅芯片也可以具有在同侧(例如在所述单片硅芯片的背板140侧)延展的电极垫141和电极垫142，其中，电极垫141从调节IC的信号输出端引出，电极垫142从电源引出到调节1C。硅基载体芯片200可以具有形成在其中心的空腔220以及形成在空腔220周围的多个通孔，其中，空腔220从硅基载体芯片200的上表面延伸到某一深度，并与所述单片硅芯片的声学传感兀件100的背板140相对。所述多个通孔从娃基载体芯片200的上表面延伸到下表面，并在其中填充有金属240。填充在所述多个通孔中的金属引线240中的每条金属引线的两端分别与在硅基载体芯片200的上表面和下表面上展开的两个金属垫电连接。所述单片硅芯片的背板140 —侧上的电极垫(即，垫141、垫142和/或其它垫)利用例如金属共晶键合(例如，SnAu等)与所述硅基载体芯片的上表面上的相应金属垫250键合，使得所述单片硅芯片与硅基载体芯片200键合并电连接。注意，金属共晶键合块500构成了环绕空腔220的密封环的一部分，这意味着外部声波不能穿过所述密封环。基底300可以由例如双层PCB板形成。在本例中，基底300在其两侧具有PCB布线层350、360。基底300在其两侧也形成有电引线和垫。硅基载体芯片200的下表面上的金属垫260例如通过锡焊或利用导电粘合剂600与基底300的上表面上的PCB布线层350的预定部分倒装键合，使得与所述单片硅芯片键合的硅基载体芯片200安装在基底300上并与其电连接。基底300在上表面并沿着基底300的周边还具有金属环垫380，金属环垫380用来使基底300与导电盖子400附着并电连接，如后面所述。上述只是基底300的ー个例子。在其它例子中，基底300可以由多层PCB板或柔韧印刷电路(FPC)板制成。
导电盖子400可以由金属或由内表面或外表面上涂有导电层的塑料制成，并具有中心腔，该中心腔的边缘通过例如锡焊或利用导电粘合剂700与基底300的金属环垫380附着并电连接。因此，导电盖子400和基底300构成了封闭空间，以容纳所述单片硅芯片和硅基载体芯片200，井能使其屏蔽掉外部电磁干扰。导电盖子400还可以在其上(优选为在盖子的上表面上)具有声孔420，以便使外部声波抵达在盖子中容纳的单片硅芯片的声学传感元件100。显然，声孔420可以形成在所述盖子的另ー个表面上。如上所述,在本发明的第一实施例所述的MEMS麦克风10中，导电盖子400和基底300形成腔，以容纳所述单片硅芯片和硅基载体芯片200，该腔通过导电盖子400上的声孔420与外部连通，同时，所述单片硅芯片中的空气间隙115与硅基载体芯片200中的空腔220通过声学传感元件100的背板140上的通孔143彼此连通，并形成内空间，该内空间在声学上相对于与外部连通的所述腔是密封的。因此，外部声波能够通过导电盖子400上的声孔420进入所述腔中，并只能从所述单片硅芯片的声学传感元件100的振膜120的外侧(即，从图I中的振膜120的上側)抵达振膜120并使其振动，这就能确保不会有任何外部声波从振膜120的另ー侧抵达振膜120，从而抵消振膜120的振动。硅基载体芯片200的空腔220提供更多的背腔空间，以减小振膜120开始振动时将遇到的空气阻力，该空气阻力是由所述内空间中的受压缩空气引起的。此外，硅基载体芯片200也可以用作所述单片硅芯片和基底300之间的应カ缓冲件。在本实施例的另ー种变型中，硅基载体芯片200的空腔220的底部可以具有通孔，同时所述单片硅芯片和硅基载体芯片的组件则密封键合到所述PCB基底上，其优点是，这种变型中所描述的单片硅芯片和硅基载体的同一组件既可以用于本实施例中，也可以用于后面所描述的第二实施例中。在本实施例的另ー种变型中，所述键合材料可以使用电学上各向异性的导电聚合物或各向异性的导电膜(ACF)来替代，这类材料的特征在干，它可以只在ー个方向上导电，而在与该方向垂直的其它两个方向上不导电。使用这种材料作为键合材料的优点在干，该键合材料可以靠自身形成密封环，而不会引起短路。下面，将參考图2A到图2F来描述本发明的第一实施例所述的MEMS麦克风10的制造方法。图2A到图2F是剖视图，示出了本发明的第一实施例所述的MEMS麦克风10的制造方法。在下面的描述中，为了清楚简明起见，省略了大量的エ艺细节，诸如设备、条件、參数等，这是考虑到它们为本领域中的技术人员所公知。在步骤S201中，如图2A所示，制备如上所述的包含声学传感元件100和调节CMOS集成电路的单片硅芯片，其中，所述单片硅芯片的声学传感元件100包括顺应性振膜120 ；背板140，该背板在其与振膜120相対的部分中形成有多个通孔143 ;空气间隙115，该空气间隙115在振膜120和背板140之间，用于将振膜120与背板140分开；以及延展在所述单片娃芯片的背板140 —侧的多个电极垫,它们包括可以从电源或振膜120引出的电极垫141、从信号输出端或背板140引出的电极垫142以及从调节CMOS集成电路引出的其它电极垫(未示出)。所述单片硅芯片的制造方法在例如国际申请NO.PCT/CN2010/075514中有详细的描述，这里就不再重复了。 在步骤S203中，如图2B所示，制备上述硅基载体芯片200。硅基载体芯片200可以通过下述步骤形成首先，准备硅基基底；然后，例如，图案化所述硅基基底并通过硅深槽反应离子刻蚀(DRIE)或湿法刻蚀将其刻蚀到一定深度以在所述硅基基底中形成空腔；在所述空腔220的周围以类似的方法图案化所述硅基基底并对其进行刻蚀，以形成多个通孔；通过镀法用金属填充所述通孔以形成电引线240，并在所述硅基基底的两个表面上蒸发金属，以便在电引线240的两端形成金属垫250、260。注意,在本领域中，娃基载体芯片200的制造方法是已知的，并且能够在不偏离本发明的范围和精神的情况下以其它方式进行修改。在步骤S205中，如图2C所不,利用金属共晶键合(例如，SnAu等),使所述娃基载体芯片与所述单片芯片在声学传感元件100的背板140 —侧上密封键合，以便使所述空气间隙和所述声学空腔彼此连通。例如，将步骤201中制备的单片硅芯片朝下翻转，使得所述单片硅芯片的声学传感元件100的背板140面对硅基芯片200的空腔220，以及形成在所述单片娃芯片的背板140 —侧上的电极垫(例如，电极垫141、142等)面对形成在娃基载体芯片200的上表面上的相应的金属垫250。随后，在400°C以下的低温中利用例如金属共晶键合500将所述单片硅芯片的电极垫与硅基载体芯片200的相应的金属垫250键合，从而将所述单片硅芯片键合到硅基载体芯片200上。在步骤S207中，如图2D所示，将所述单片芯片和硅基载体芯片200的组件倒装键合到基底300上。例如，利用例如导电粘合剂或焊锡600将硅基载体芯片200的下表面上的金属垫260键合到基底300的上表面上的PCB布线层350中的预定部分上，使得与所述单片硅芯片键合的硅基载体芯片200安装在基底300上并与其电连接。在步骤S209中，如图2E所示，将具有中心空腔的导电盖子(所述中心空腔以该导电盖子的边缘为界)附着到所述基底的边缘上，所述中心空腔容纳所述单片硅芯片和硅基载体芯片的组件。例如，通过锡焊或利用例如导电粘合剂700使导电盖子400的敞ロ端的边缘附着并电连接到基底300的上表面上的金属环垫380上。因此，导电盖子400和基底300构成封闭空间以容纳所述单片硅芯片和硅基载体芯片200，并且导电盖子400上的声孔420允许外部声波进入该封闭空间并从声学传感元件100的ー侧(例如，图I中的振膜120的上側)抵达声学传感元件100。到此，提供了本发明的第一实施例所述的MEMS麦克风的制造方法。然而，在上述方法中，步骤S201-S203可以以不同的顺序进行处理。(第二实施例)下面，将參考图3来描述本发明的第二实施例所述的MEMS麦克风的示例性结构。图3是剖视图，示出了本发明的第二实施例所述的MEMS麦克风10’的结构，与图I对比，图3不同于图I之处在于，在第二实施例中，声孔320形成在PCB基底300’上；多个通孔280形成在硅基载体芯片200’的空腔220的底部；以及所述硅基载体芯片与所述基底密封键合并电连接。例如，焊剂或导电性粘合剂600在硅基载体芯片200’和PCB基底300’之间形成密封环，这意味着，外部声波不能穿过所述密封环并从振膜120的上侧(如图3)抵达振膜120，这就防止外部声波从振膜120的上侧对振膜120进行振动，因而，外部声波只能从振膜120的下侧(如图3)对振膜120进行振动。如上所述，在第一实施例所述的MEMS麦克风10中，由盖子400和PCB基底300构成的腔通过形成在盖子400上的孔420与外部环境连通，该腔通过振膜120分为两个空间，·其中，根据声音进入路径，振膜120和声孔420之间的ー个空间为前通道，而振膜120和空腔220之间的另一空间用作背腔(如图I)。相反，在第二实施例所述的MEMS麦克风10’中，由盖子400和PCB基底300’构成的腔通过形成在基底300’上的孔320与外部环境连通，并且该腔由振膜120分为两个空间，其中，根据声音进入通道，振膜120和声孔320之间的一个空间为前通道，而振膜120和盖子400之间的另一个空间用作背腔(如图3)。本发明第二实施例所述的MEMS麦克风的制造方法类似于第一实施例中的制造方法，因此，其详细描述省略。应该注意，所述MEMS麦克风通常优选为圆形形状，但其它形状，例如方形、长方形或其它多边形形状也是可以的。前面提供的本发明的描述能使本领域中的任何技术人员制造或使用本发明。对于本领域中的技术人员来说，对所述公开作各种修改是很显然的，并且在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以将这里所界定的一般原理运用到其它变型中。因此，本公开不是用来限制在这里所描述的例子上，而是用来与符合这里所公开的原理和新特征的最宽范围ー致。
权利要求
1.ー种MEMS麦克风，包括 单片硅芯片，该单片硅芯片包含声学传感元件以及ー个或多个调节CMOS集成电路，其中，所述声学传感元件包括顺应性振膜、具有通孔的穿孔背板、以及在所述顺应性振膜和所述背板之间的空气间隙； 硅基载体芯片，该硅基载体芯片具有声腔、金属穿过硅通孔引线、以及在每个金属穿过硅通孔引线的两端上的金属垫，其中，所述硅基载体芯片与所述单片硅芯片在所述单片硅芯片的背板侧上密封键合和电连接； 基底，用于将所述单片芯片和所述硅基载体芯片的组件倒装安装在该基底上； 导电盖子，该导电盖子具有以其边缘为界的中心空腔，所述边缘附着并电连接到所述基底上，所述中心空腔容纳所述单片芯片和所述硅基载体芯片的组件；以及 声孔，该声孔形成在所述导电盖子上或所述基底上，以使外部声波抵达所述声学传感元件，其中，所述单片硅芯片、所述硅基载体芯片和所述声孔设置为使外部声波从所述声学传感元件的顺应性振膜的一侧来振动该振膜。
2.根据权利要求I所述的MEMS麦克风，其中，所述硅基载体芯片形成有金属穿过硅通孔引线以及金属垫，所述金属垫在每个金属穿过硅通孔引线的两端上，其中，在所述硅基载体芯片的ー侧上的金属垫与所述单片硅芯片键合，而另ー侧上的金属垫与所述基底键合。
3.根据权利要求I所述的MEMS麦克风，其中，所述声孔形成在所述导电盖子的上侧，在所述硅基载体芯片的声腔的底部无开孔。
4.根据权利要求I所述的MEMS麦克风，其中，所述声孔形成在所述导电盖子的任ー侧，在所述声腔的底部形成ー个或多个孔，以及所述硅基载体芯片与所述基底密封键合。
5.根据权利要求I所述的MEMS麦克风，其中，所述声孔形成在所述基底上，所述硅基载体芯片的声腔在其底部具有一个或多个开孔，以及所述硅基载体芯片与所述基底密封键合并电连接。
6.根据权利要求5所述的MEMS麦克风，其中，所述声孔与所述硅基载体芯片中的空腔的底部上的至少ー个开孔对齐。
7.根据权利要求I所述的MEMS麦克风，其中，所述硅基载体芯片的声腔与所述单片硅芯片的背板对齐。
8.根据权利要求I所述的MEMS麦克风，其中，所述单片硅芯片和所述硅基载体芯片之间的键合为低于400°C的低温下的金属共晶键合。
9.根据权利要求I所述的MEMS麦克风，其中，所述导电盖子锡焊到所述基底上，或者利用导电粘合剂粘接到所述基底上。
10.根据权利要求I所述的MEMS麦克风，其中，所述导电盖子由金属或者由涂有或镀有金属的塑料制成。
11.根据权利要求I所述的MEMS麦克风，其中，所述基底为具有单个或多个FR4层的任何印刷电路板，以及所述基底形成有电引线以及在该电引线两端的垫。
12.根据权利要求I所述的MEMS麦克风，其中，所述硅基载体芯片和所述基底之间的键合为倒装法锡焊。
13.ー种MEMS麦克风的制造方法，包括 制备单片硅芯片，该单片硅芯片集成有声学传感元件以及ー个或多个调节CMOS集成电路，其中，所述声学传感元件包括顺应性振膜、具有通孔的背板以及在所述顺应性振膜和所述背板之间的空气间隙； 制备硅基载体芯片，该硅基载体芯片具有声腔、金属穿过硅通孔弓I线、以及在每个金属穿过硅通孔引线的两端上的金属垫； 利用金属共晶键合，将所述硅基载体芯片与所述单片芯片在所述声学传感元件的背板侧上密封键合； 将所述单片芯片和所述硅基载体芯片的组件倒装键合在基底上； 将具有中心空腔的导电盖子附着到所述基底的边缘上，其中，所述中心空腔以该导电盖子的边缘为界，所述中心空腔容纳所述单片硅芯片和硅基载体芯片的组件， 其中，在所述导电盖子或所述基底上形成有声孔，以使外部声波抵达所述声学传感元件。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述声孔形成在所述导电盖子的上，并且在制备所述硅基载体芯片期间，在所述声腔的底部不形成开孔。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述声孔形成在所述导电盖子上，在制备所述娃基载体芯片期间在所述声腔的底部形成一个或多个开孔，以及所述硅基载体芯片与所述基底密封键合。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述声孔形成在所述基底上，在制备所述硅基载体芯片期间在所述声腔的底部形成一个或多个开孔，以及所述硅基载体芯片与所述基底密封键合。
全文摘要
本发明涉及一种MEMS麦克风及其制造方法，所述MEMS麦克风包括包含声学传感元件以及一个或多个调节CMOS集成电路的单片硅芯片；具有声腔的硅基载体芯片；用于在其上表面安装单片芯片和硅基载体芯片的组件的基底；附着并电连接到基底上以容纳单片芯片和硅基载体芯片的组件的导电盖子；以及形成在导电盖子上或基底上以使外部声波抵达所述声学传感元件的声孔，其中，所述单片硅芯片、所述硅基载体芯片和所述声孔设置为使外部声波从所述声学传感元件的振膜的一侧来振动该振膜。
文档编号H04R19/00GK102726065SQ201080062318
公开日2012年10月10日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者宋青林, 庞胜利, 王喆, 谷芳辉 申请人:歌尔声学股份有限公司