微机电系统芯片尺寸封装的制作方法
【专利摘要】本发明涉及倒装芯片微机电系统器件和这种微机电系统器件的制造。所述器件包括衬底和微机电系统管芯。所述衬底具有多个凸块、配置用于将所述微机电系统器件电连接至其它器件的多个连接点、以及将凸块电连接至所述连接点的多个通孔。微机电系统管芯使用倒装芯片的制造技术附装至衬底上，但微机电系统管芯不经受通常为倒装芯片制造而生成凸起结构的相关工艺。
【专利说明】微机电系统芯片尺寸封装
【技术领域】
[0001]本发明涉及微机电系统(MEMS)器件的制造。具体地说，本发明涉及使用倒装芯片互连方法(flip chip interconnect methods)将微机电系统器件接合至衬底、电路板或载体上的倒装芯片接合，倒装芯片互连方法提供微机电系统器件与载体之间的电互连以及微机电系统器件与载体之间的气密密封。此外，通过移除与微机电系统管芯至衬底不相兼容的工艺，本发明解决了与通常与晶圆焊凸(wafer bumping)和微机电系统器件相关联的电镀工艺有关的兼容性问题。
【背景技术】
[0002]引线接合(wire bonding)是一种将电子元件或芯片面朝上放置并用引线连接的方式连接至电路板或衬底上的技术。倒装芯片微电子组装是借助于芯片接合垫与衬底、电路板或载体之间的导电互连将面朝下(因此，“倒装”)的电子元件直接电连接至衬底、电路板或载体上。
【发明内容】
[0003]目前微机电系统器件的封装尺寸受到管芯与衬底之间的引线接合的空间要求和在微机电系统芯片(chip)与衬底之间形成适当密封所需的表面积的限制。移至倒装芯片组装允许封装尺寸的减少、管芯至衬底互连的批量处理、以及微机电系统至衬底的密封的规格的增强。由于包含在微机电系统器件内的敏感自由移动的机械结构，在微机电系统器件制造中，使用印刷或湿化学焊凸技术(printed or wet chemistry bumping technology)对工艺开发是一个重要的挑战。
[0004]在一个实施例中，本发明提供了一种倒装芯片制造的微机电系统器件。所述器件包括衬底和微机电系统管芯(MEMS die)。所述衬底具有多个凸起结构、被配置于将微机电系统器件电连接至其它器件的多个连接点，以及将所述凸起结构电连接至所述连接点的多个通孔。使用倒装芯片制造技术将微机电系统管芯附装至衬底上，但微机电系统管芯不经受通常为倒装芯片制造而生成凸起结构的相关工艺。换言之，管芯被附装，但在管芯上不设置凸块。
[0005]除了提供用于倒装芯片安装器件的电互连，本发明的实施例还提供了现行的微机电系统管芯和衬底之间的声学密封。
[0006]参照详细的说明书和附图，本发明其它方面将变得明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1a是顶部端口微机电系统麦克风的俯视图。
[0008]图1b是顶部端口微机电系统麦克风的侧视图。
[0009]图1c是顶部端口微机电系统麦克风的仰视图。
[0010]图1d是顶部端口麦克风的透视图。
[0011]图1e是顶部端口麦克风沿Ie-1e线的剖视图。
[0012]图2a是顶部端口麦克风硅罩的俯视图。
[0013]图2b是顶部端口麦克风硅罩的侧视图。
[0014]图2c是顶部端口麦克风硅罩的透视图。
[0015]图2d是顶部端口麦克风硅罩沿2d_2d线的剖视图。
[0016]图3a是底部端口微机电系统麦克风的俯视图。
[0017]图3b是底部端口微机电系统麦克风的侧视图。
[0018]图3c是底部端口微机电系统麦克风的仰视图。
[0019]图3d是底部端口微机电系统麦克风的透视图。
[0020]图3e是底部端口微机电系统麦克风沿3e_3e线的剖视图。
[0021]图4a是底部端口微机电系统麦克风娃罩的俯视图。
[0022]图4b是底部端口微机电系统麦克风娃罩的侧视图。
[0023]图4c是底部端口微机电系统麦克风娃罩的仰视图。
[0024]图4d是硅罩沿4d_4d线的第一剖视图。
[0025]图4e是硅罩沿4e_4e线的第二剖视图。
[0026]图5a是用于底部端口微机电系统麦克风的衬底载体的仰视图。
[0027]图5b是用于底部端口微机电系统麦克风的衬底载体的侧视图。
[0028]图6a是在单个衬底载体上的多个底部端口微机电系统麦克风的俯视图。
[0029]图6b是在单个衬底载体上的多个底部端口微机电系统麦克风的侧视图。
[0030]图6c是在单个衬底载体上的多个底部端口微机电系统麦克风的透视图。
[0031]图7是一个底部端口微机电系统麦克风的替代实施例的不意图。
【具体实施方式】
[0032]在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解本发明并不限于以下说明书提出的或在以下附图中示出的详细结构和部件安置的应用。本发明能够具有其它实施例并且以各种方式得以实践或实施。
[0033]倒装芯片制造技术允许更高密度的电连接，其能利用通常在微机电系统器件制造中使用的引线接合技术实现。然而，涉及倒装芯片制造的工艺会损坏微机电系统管芯。本发明解决了这些问题，并能够使倒装芯片制造技术用于微机电系统器件。下面给出了对微机电系统麦克风的描述；然而，本发明在其它装置(微机电系统或非微机电系统)上可以应用。
[0034]下面描述的一些实施例使用铜柱(copper pillar)技术。美国专利号6，681，982,2002年6月12日提交，其全部内容通过引用并入本文参考，描述了这样的铜柱技术。
[0035]图la, lb, lc, Id和Ie不出了结合本发明的一个实施例的顶部端口微机电系统麦克风100。麦克风100包括盖105，CMOS(互补金属氧化物)微机电系统管芯110和硅罩115。图2a，2b，2c更详细地示出了硅罩115。硅罩115包括多个第一凸起结构120 ( S卩，连接点)，多个娃通孔(through-silicon-vias,简称TSVs) 125,凸环130,和多个第二凸起结构135。多个第一凸起结构120用于将成品麦克风100电连接至一装置(例如，移动电话)。多个第二凸起结构135电连接至微机电系统管芯110。硅通孔125将第一凸起结构120中的每一个电连接至多个第二凸起结构135中的相应一个上。使用倒装芯片方法将微机电系统管芯110附装至娃罩115上。凸环130与微机电系统管芯110形成密封,并连同在娃罩115中形成的腔140，生成了麦克风100的后容腔(back volume)。在所示的实施例中，凸起结构120和135以及凸环130形成为铜柱。
[0036]在一些实施例中，顶部端口微机电系统麦克风100使用具有腔的有机衬底替代娃罩115。在这些实施例中，互连可以是标准的印刷电路板(PCB)通孔，而不是用于硅罩115的娃通孔。此外，凸起结构可以使用接线柱焊凸(stud bumping)和各向异性导电环氧树脂(ACE)或铜柱形成。
[0037]使用倒装芯片安装微机电系统管芯110至硅罩115，以及将支柱/凸块附装至硅罩115保护微机电系统管芯110的可动机械结构在制造工艺中不被损坏。盖105包括声学端口 145，且在用倒装芯片安装管芯110至罩115之前或之后附装至微机电系统管芯110。
[0038]图3a,3b,3c,3d和3e不出结合本发明的一个实施例的底部端口微机电系统麦克风100’。麦克风100’包括盖105’，CMOS微机电系统管芯110’和硅罩115’。图4a，4d和4e更详细地不出了娃罩115’。娃罩115’包括多个第一凸起结构120’、多个娃通孔125’、凸环130’、和多个第二凸起结构135’。多个第一凸起结构120’用于将成品麦克风100’电连接至一装置(例如，蜂窝电话)。多个第二凸起结构135’电连接至微机电系统管芯110’。硅通孔125’将第一凸起结构120’中的每一个电连接至多个第二凸起结构135’中的相应一个上。使用倒装芯片方法将微机电系统管芯110’附装至硅罩115’上。凸环130’与微机电系统芯片110’形成密封。在所示的实施例中，凸起结构120’和135’，及凸环130’形成为铜柱。
[0039]嵌入或机加工至载体中的附加的微粒筛可以充当进入器件腔的微粒的屏障。所述筛也可以作为用于封装器件内部敏感结构的EMI/ESD(电磁干扰/静电放电)屏蔽物。
[0040]在一些实施例中，底部端口微机电系统麦克风100’使用有机衬底替代娃罩115’。在这些实施例中，互连可以是标准的印刷电路板通孔，而不是用于硅罩115’的硅通孔。此夕卜，凸起结构可以使用接线柱焊凸和各向异性导电环氧树脂(ACE)或铜柱形成。盖105’可以使用若干互连技术(包括环氧、软焊等)中的任意技术来形成。
[0041]麦克风100’类似于图1和图2中的麦克风100，不同之处在于硅罩115’包括声学端口 145’(它可以通过蚀刻或机加工技术形成为孔或网状结构)，并且盖105’不包括声学端口。此外，盖105’与微机电系统管芯110’结合以形成后容腔。
[0042]图5a和5b不出了用于底部端口微机电系统麦克风的衬底载体115"。载体115"已被多个凸环130〃以及多个凸起结构互连135〃占据。载体115〃还被修改为包括多个声学端口 145"。图6a，6b和6c示出了已经使用倒装芯片安装至衬底载体115〃的多个微机电系统管芯110〃和盖105"。在微机电系统管芯110〃安装后，衬底载体115〃被切割以生成多个底部端口微机电系统麦克风100"(参见图3和图4)。
[0043]图7示出倒装芯片组装的微机电系统麦克风200的另一实施例。衬底205包括在顶侧210上用于保持接线柱凸块215的焊垫。接线柱凸块可以施加到衬底205上，或微机电系统管芯220上。微机电系统管芯220通过倒装芯片方法定位在衬底205上。随后添加底部填充剂(underfill) 225以密封麦克风200的后容腔和稳定麦克风200的部件。
[0044]在另一个实施例中，在接线柱焊凸之后，但在将微机电系统管芯以倒装芯片安装方法安装至衬底之前，各向异性导电环氧树脂(ACE) 225被施加至衬底或微机电系统管芯。各向异性导电环氧树脂(ACE)密封麦克风200的后容腔并机械地稳定麦克风200的部件。
[0045]上面的实施例是示例性的，而不是限制性的。例如，通孔125可电连接多于一个第一凸起结构120至一个或多个第二凸起结构135上和/或反之亦然。
[0046]本发明的各种特征和优点在以下的权利要求中阐述。
【权利要求】
1.一种微机电系统器件，所述器件包括: 衬底，所述衬底具有: 多个凸起结构， 配置为将所述微机电系统器件电连接至其它器件的多个连接点，和 多个通孔，所述多个通孔将一些所述凸起结构电连接至所述连接点；和 微机电系统管芯，其使用倒装芯片制造技术附装至所述衬底而不将所述凸起结构设置于管芯上。
2.如权利要求1所述的微机电系统器件，其中所述多个凸起结构中的至少一个是环，所述环形成所述微机电系统管芯和所述衬底之间的声学密封。
3.如权利要求1所述的微机电系统器件，其中所述微机电系统管芯使用倒装芯片制造技术附装至衬底上。
4.如权利要求1所述的微机电系统器件，其中所述多个凸起结构提供与引线接合相比密度相对高的电连接。
5.如权利要求1所述的微机电系统器件，其中所述多个凸起结构采用湿法工艺形成在所述衬底上。
6.如权利要求1所述的微机电系统器件，其中所述多个凸起结构是位于所述衬底上的凹槽中的焊球，所述微机电系统管芯通过底部填充剂安装至所述衬底上。
7.一种制造微机电系统器件的方法，所述方法包括: 生成具有多个通孔的衬底； 在所述衬底上形成多个凸起结构，所述凸起结构连接至所述通孔； 在所述衬底上形成多个连接点，所述连接点连接至所述通孔；和 使用倒装芯片技术将微机电系统管芯安装在所述多个凸起结构上。
8.如权利要求7所述的方法，还包括由所述多个凸起结构中的至少一个形成声学密封，其中所述凸起结构是环。
9.如权利要求7所述的方法，还包括使用倒装芯片制造技术将所述微机电系统管芯附装至所述衬底上。
10.如权利要求7所述的方法，还包括由所述多个凸起结构提供与引线接合相比密度相对高的电连接。
11.如权利要求7所述的方法，还包括采用湿法工艺在衬底上形成所述多个凸起结构。
12.如权利要求7所述的方法，还包括由底部填充剂将上述微机电系统管芯安装至上述衬底上，其中所述多个凸起结构是位于上述衬底上的凹槽中的焊球。
【文档编号】H04R19/00GK104136364SQ201280060142
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2012年12月6日 优先权日:2011年12月9日
【发明者】E·奥克斯, J·S·萨尔蒙, R·艾伦普福特 申请人:罗伯特·博世有限公司