专利名称：微机电系统(mems)封装的制作方法
技术领域：
本发明涉及微机电系统(MEMS)封装。
背景技术：
换能器通常将电信号转换为机械信号或振动，和/或将机械信号或振动转换为电 信号。特别地，声换能器在发送模式下(例如，扬声器应用)将电信号转换为声信号(声波)，和/或在接收模式下(例如，麦克风应用)将接收到的声波转换为电信号。诸如超声换能器等的换能器在包括过滤器的各种电子应用中设置。随着减小很多组件的尺寸的需求在持续，对减小了尺寸的换能器的需求也在増加。这已经引出了相对较小的换能器，其可以根据诸如微机电系统(MEMS)技术等各种技术来微加工。诸如压电超声换能器(PMUT)等各种类型的MEMS换能器包括形成在薄膜上的谐振器堆叠，该谐振器堆叠具有在两个导电板(电极)之间的压电材料层。膜可以在穿过基板的腔的上方、形成在基板上。通常，基板由诸如硅(Si)等与半导体エ艺兼容的材料形成。换能器可通过抛光换能器基板的背面并且将经过抛光的换能器基板直接安装到封装基板上来进行封装。例如，当换能器被包括在引线框架封装中时，换能器基板通常不安装在金属封装基板上。在已知的封装中，换能器的热膨胀系数(CTE)与其安装在其中的封装的CTE明显不同。通常，CTE指示材料或结构相对于温度变化的变化率或比例。换能器CTE和封装CTE之间的差导致在封装エ艺期间和操作期间对温度变化的不同反应，这在换能器上强加了物理应カ。换句话说，在MEMS弯曲模式和/或厚度模式换能器中由于芯片安装和操作温度变化而引起的參数转变的起因，是换能器材料和封装材料之间的热性质的配合不当。由于密切的物理接触以及各自材料之间明显的CTE配合不当，在换能器基板和换能器基板所连接到的封装基板之间应カ最明显。在MEMS换能器被封装以后，该封装与系统级印刷电路板对准并且安装在系统级印刷电路板上。在已知的MEMS封装中，对准エ艺增加了制作エ艺的复杂性并且经常不能提供MEMS换能器的适当的对准。需要至少克服了上述已知MEMS封装的缺点的MEMS封装。
发明内容
在代表实施例中,微机电系统(MEMS)换能器器件被安装到基板上。微机电系统换能器器件包括封装基板，其具有第一热膨胀系数(CTE);以及换能器基板，其包括换能器，换能器基板布置在封装基板的上方，其中换能器基板具有与第一 CTE基本相同的第二 CTE。在另ー个代表实施例中，微机电系统(MEMS)换能器器件包括封装基板,其具有第一热膨胀系数(CTE);换能器基板，其包括换能器，换能器基板布置在封装基板的上方，其中换能器基板具有与第一 CTE基本相同的第二 CTE。
參考附图阅读时、根据下面的详细描述能最好地理解示例实施例。需要强调的是，各种特征不一定是按比例绘制的。事实上，为了清楚的讨论，尺寸可以任意 増大或减小。无论是应用和实践，相似的參考标记指的是相似的元件。图IA和IB是根据代表实施例、MEMS封装的等距分解视图。图2A-2B是根据代表实施例、MEMS封装的等距分解视图。图3是根据代表实施例、安装到基板上的MEMS封装的截面图。
具体实施例方式在下面的详细描述中，出于说明且不进行限制的目的，公开为了提供对本教导的彻底理解，陈述了公开具体细节的代表实施例。然而，已经受益于本公开的本领域的普通技术人员将明白，不脱离这里所公开的具体细节的、根据本教导的其他实施例仍然在所附权利要求的范围内。而且，可以省略已知装置和方法的描述以不模糊代表实施例的描述。这样的方法和装置显然在本教导的范围内。通常，认为这里所描绘的附图和各种元件不是按比例绘制的。此外，诸如“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”、“上面”、“下面”、“左”、“右”、“竖直”和“水平”等相对概念用于描述如附图所示的、各种元件与其他元件的关系。认为这些相对概念除了在附图中描绘的取向夕卜、还意图包括器件和/或组件的不同取向。例如，如果器件相对于附图中的视图反转，则例如被描述为在另ー个元件“上方”的元件现在将会在那个元件的“下方”。类似地，如果器件相对于附图中的视图旋转90度，则例如被描述为“竖直”的元件现在将是“水平”的。根据各种实施例，诸如MEMS超声换能器或PMUT等的换能器器件，包括封装基板，其具有第一热膨胀系数(CTE);换能器，其包括布置在换能器基板上方的有效区域、具有与第一 CTE基本相同的第二 CTE的换能器基板；以及在封装基板中的开ロ，该开ロ被配置为接收并且发送来自换能器的机械波。图IA是根据代表实施例的MEMS换能器器件100的等距分解视图。MEMS换能器器件100包括封装基板101、换能器基板102、封盖103和隔板104。如下面更充分描述地，在封装基板101中的开ロ 105被配置为从设置在换能器基板102上方的多个换能器106接收并且向其发送机械波(例如，超声波)。在当前所示的实施例中，有三个(3)换能器106。需要强调的是这仅仅是说明性的，并且可在换能器基板102的上方设置更多或更少的换能器106。虽然认为在不脱离本教导的范围内可以结合其他类型的换能器，但是例如换能器106可以是超声MEMS换能器。换能器106被示出为环形谐振器，其中截面是从中间获取的。虽然在不脱离本教导的范围内、可以设想其他的形状，包括但不限于椭圆形、正方形、矩形等，但是例如换能器106可以基本上是圆形形状。换能器基板102包括硅(Si)、或者硅锗(SiGe)、或者绝缘硅(SOI)、或者神化镓(GaAs)、或者磷化铟(InP)、或者蓝宝石、或者氧化铝、或者掺杂的Si02(例如，硼硅玻璃(BSG)或Pyrex )。在其他的考虑当中，为换能器基板102选取的材料对于将电连接和电子器件一体化有用，从而减小尺寸和成本。在代表实施例中，封装基板101可以是氧化铝、蓝宝石或者在已经受益于本公开的背景技术的本领域的普通技术人员的见识范围内的具有相对较高密度的陶瓷材料。为封装基板101选取的材料被选择为提供与换能器基板102的CTE基本匹配的CTE。特别地，封装基板101的CTE被选择为尽可能接近换能器基本102的CTE，同时考虑到其他期望的材料性质，诸如容易在其上制作有用特征(例如，金属化、触点、开ロ)、容易将电连接和电子器件一体化、可靠性和成本等。例如，在代表实施例中，换能器基板102是硅(Si)，其具有约3. Oppm/0C的CTE，并且封装基板101是氧化铝，其具有约
6.Oppm/°C 的 CTE。
在代表实施例中，换能器106可以是利用MEMS技术制作的PMUT。换能器106的组件和配置的进ー步细节可以在与Timothy LeClair等共有的、于2010年7月28日提交的题为 “MEMS Transducer Device having Stress Mitigation Structure and Method ofFabricating the Same”的美国专利申请No. 12/844，857中找到。该申请的公开内容通过引用具体地结合于此。一般地，在与Ruby等共有的美国专利No. 5，587，620,5, 583，153，6，384，697 以及 7，275，292 ;与 Bradley 共有的美国专利 No. 6，828，713 ;与 Fazzio 等共有的美国专利申请公开No. 2008/0122320和No. 2008/0122317 ;与Jameala等共有的美国专利申请公开No. 2007/0205850 ;与Ruby等共有的美国专利申请公开No. 2008/0258842 ;与Feng等共有的美国专利申请公开No. 2006/0103492 ;以及与Martin等共有的美国专利申请No. 12/495, 443中，描述了用于制作换能器106的方法、材料和结构的示例。这些共有的专利、专利申请公开和专利申请通过引用具体地结合于此。当换能器106是PMUT时，例如，通过压电材料(未示出)进行转换。在各种替换实施例中，MEMS换能器器件100可以是具有以应力作为重要參数的膜的任意类型的微机械换能器，诸如电容微机械超声换能器(CMUT)等，在这种情况下，通过电容变化来进行转换。应该理解，在不脱离本教导的范围的条件下，可以结合其他类型和布局的换能器。封盖103设置在封装基板101的上方并且包围换能器基板102。在其他功能中，封盖103提供防止碎屑接触换能器106的保护。在代表实施例中，封盖103包括塑料、铝、钢、铜、黄铜或其他适合的材料。如这里所更充分描述地，封盖的尺寸适合通过在MEMS换能器器件100所安装到的电路板(在图IA中未示出)或其他基板中的开ロ。开ロ 108设置在封装基板101中，并且定位成容纳各个柱109 (在图IA中仅能看见ー个柱109)以将封盖103固定在换能器基板102的上方并且固定到封装基板101上。开ロ 108可延伸通过封装基板101并且通过激光钻孔或其他已知技术形成。可使用适合的粘合剂将109固定到封装基板101。隔板104设置在封装基板101中的开ロ 105的上方。隔板104包括多个孔107，以使得从换能器106发射的或者入射到换能器106上的机械波可以在没有明显干扰或阻碍的情况下穿过隔板104。隔板104保护换能器106避免对换能器106的性能有不利影响的碎屑或其他物体的伤害。作为说明，隔板104包括与封装基板101相同的材料。通过已知的激光钻孔方法在毛坯基板上加工孔107。作为说明，孔107具有O. 015in(15mils)的直径。通常，当使用激光钻孔技术来形成孔107吋，孔107的直径与封装基板101的厚度基本相同。在代表实施例中，利用弓丨线接合110来实现到换能器106的电连接，其中弓丨线接合110将换能器基板102上的触点111连接到封装基板101上的触点112。如下面所更充分描述地，触点112提供与在通过换能器106进行的信号发送和接收中有用的电子电路和组件的电连接。触点111、112通过金属化技术分别设置在换能器基板102和封装基板101上。作为说明，触点包括诸如金(Au)、铜(Cu)或铝(Al)或者诸如金锡合金等适合的导电合金。特别地，如回顾图IA可以理解地，触点112由封盖103部分覆盖。
连接垫片113设置在封装基板101的上方，孔114设置成通过封装基板。如下面所更充分描述地，连接垫片113与电路基板(在图IA中未示出)上的接触垫片相接触，以将MEMS换能器器件100固定(例如，粘结)到其上。在实施例中，封盖103至少部分地布置在连接垫片113和孔114上方。作为说明，连接垫片113的ー个或两个通过孔114连接到接地层(如下面所述的屏蔽层117)，以确保适当的接地并且避免“漂浮的”接地。图IB是根据代表实施例MEMS换能器器件100的等距分解视图。由于图IB呈现上述MEMS换能器器件100的不同的透视，因此不再重复在图IA的描述中提供的很多共同方面的细节。换能器基板102包括与各个换能器106 (在图IB中不可见)对准的腔115。腔115提供用于机械波去往换能器106和从换能器106出来的路径。腔115还在封装基板101中的开ロ 105和隔板104的上方对准。腔115具有比较高的深宽比，并且通过诸如称作“博施方法”的干反应离子刻蚀(DRIE)等已知方法来形成。很多上述通过引用结合的共有文献提供腔115的制作的细节并且这里一般不再重复。封盖103包括腔116，其中换能器基板102被放置在腔116中。这样，在装配之后，封盖103将换能器基板102封入其中。封盖103提供将换能器106与碎屑和湿气相隔离的保护。此外，腔116的深度选取为对于换能器106提供声学背板(acoustic backplane)。有益的是，声学背板促进从换能器106发出的机械波的频率稳定性。在代表实施例中，屏蔽层117设置在封装基板101的第一侧118上并且与封装基板101的其上布置換能器基板102的第二侧119相対。作为说明屏蔽层117包括金属或金属合金并且通过已知技术印刷在封装基板101上。屏蔽层117提供接地层并且阻止杂散的电磁信号(例如，射频信号)不利地干扰换能器106的操作。图2A是根据代表实施例MEMS换能器器件200的等距分解视图。MEMS换能器器件200包括关于图IA的代表实施例描述的封装基板101、换能器基板102和封盖103。MEMS换能器器件200还包括集成隔板201。集成隔板201包括多个孔202，其从第一侧203到第ニ侧204延伸通过封装基板的厚度。在当前所示的实施例中，有三个(3)换能器106。需要强调的是这仅仅是说明性的，并且可在换能器基板102的上方设置更多或更少的换能器106。虽然认为在不脱离本教导的范围内可以结合其他类型的换能器，但是例如换能器106可以是超声MEMS换能器。换能器106被示出为环形谐振器，其中截面是从中间获取的。虽然在不脱离本教导的范围内可以设想其他的形状，包括但不限于椭圆形、正方形、矩形等，但是例如换能器106可以基本上是圆形形状。换能器基板102包括硅(Si)、硅锗(SiGe)、绝缘硅(SOI)、神化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、蓝宝石、氧化铝、掺杂的SiO2(例如，硼硅玻璃(BSG)或Pyrex )。在其他的考虑当中，为换能器基板102选取的材料对于将电连接和电子器件一体化有用，从而减小尺寸和成本。为封装基板101选取的材料被选择为提供与换能器基板102的CTE基本匹配的CTE。特别地，封装基板101的CTE被选择为尽可能接近换能器基本102的CTE，同时考虑到其他期望的材料性质，诸如容易在其上制作有用特征(例如，金属化、触点、开ロ)、容易将电连接和电子器件一体化、可靠性和成本等。例如，在代表实施例中，换能器基板102是硅(Si)，其具有约3. 0ppm/°C的CTE，并且封装基板101是氧化铝，其具有约6. 0ppm/°C的CTE。在代表实施例中，换能器106可以是利用MEMS技术制作的PMUT。换能器106的组件和配置的进ー步细节可以在通过引用结合于此的共有的美国专利、美国专利申请公开和美国专利申请中找到。当换能器106是PMUT时，例如，通过压电材料(未示出)进行转换。在各种替换实施例中，MEMS换能器器件200可以是具有以应力作为重要參数的膜的任意类型的微机械换能器，诸如电容微机械超声换能器(CMUT)等，在这种情况下，通过电容变化来进行转换。应该理解，在不脱离本教导的范围的条件下，可以结合其他类型和布局的换能器。封盖103设置在封装基板101的上方并且包围换能器基板102。在其他功能中，封盖103提供防止碎屑与换能器106接触的保护。在代表实施例中，封盖103包括塑料、铝、钢、铜、黄铜或其他适合的材料。如这里所更充分描述地，封盖的尺寸适合通过在MEMS换能器器件200所安装到的电路板(在图2A中未示出)或其他基板中的开ロ。开ロ 108设置在封装基板101中，并且定位成容纳各个柱109 (在图2A中仅能看见ー个柱109)以将封盖103固定在换能器基板102的上方并且固定到封装基板101上。开ロ 108可从第一侧203到第二侧204延伸通过封装基板101并且通过激光钻孔或其他已知技术形成。可使用适合的粘合剂将109固定到封装基板101。换能器基板102布置在集成隔板201的上方。集成隔板201包括从第一侧203向第二侧204延伸的孔202，以使得从换能器106发射的或者入射在换能器106上的机械波可以在没有明显干扰或阻碍的情况下穿过集成隔板201。201保护换能器106避免对换能器106的性能有不利影响的碎屑或其他物体的伤害。作为说明，集成隔板201包括与封装基板101相同的材料。通过已知的激光钻孔方法在封装基板101上加工孔202。作为说明，孔202具有0.015in(15mils)的直径。通常，当使用激光钻孔技术来形成孔202吋，孔202的直径与封装基板101的厚度基本相同。孔202具有与关于图1A-1B的代表实施例的上述隔板104中的孔107相同的直径。 在代表实施例中，利用弓丨线接合110来实现到换能器106的电连接，其中弓I线接合110将换能器基板102上的触点111连接到封装基板101上的触点112。如下面所更充分描述地，触点112提供与在通过换能器106进行的信号发送和接收中有用的电子电路和组件的电连接。触点111、112通过已知的金属化技术分别设置在换能器基板102和封装基板 101上。作为说明，触点包括诸如金(Au)、铜(Cu)或铝(Al)或者诸如金锡合金等适合的导电合金。特别地，如回顾图IA可以理解地，触点112由封盖103部分覆盖。连接垫片113设置在封装基板101的上方，孔114设置成通过封装基板。如下面所更充分描述地，连接垫片113与电路基板(在图2A中未示出)上的接触垫片相接触，以将MEMS换能器器件100固定(例如，粘结)到其上。在实施例中，封盖103至少部分地布置在连接垫片113和孔114上。作为说明，连接垫片113的ー个或两个通过孔114连接到接地层(如下面所述的屏蔽层117)，以确保适当的接地并且避免“漂浮的”接地。图2B是根据代表实施例MEMS换能器器件200的等距分解视图。由于图2B呈现上述MEMS换能器器件200的不同的透视，因此不再重复在图2A的描述中提供的很多共同方面的细节。换能器基板102包括与各个换能器106 (在图2B中不可见)对准的腔115。腔115提供用于机械波去往换能器106和从换能器106出来的路径。腔115还在封装基板101中的开ロ 105和隔板104的上方对准。腔115具有比较高的深宽比，并且通过诸如称作“博施方法”的干反应离子刻蚀(DRIE)等已知方法来形成。很多上述通过引用结合的共有文献提 供腔115的制作的细节并且这里一般不再重复。封盖103包括腔116，其中换能器基板102被放置在腔116中。这样，在装配之后，封盖103将换能器基板102封入其中。封盖103提供将换能器106与碎屑和湿气相隔离的保护。此外，腔116的深度选取为对于换能器106提供声学背板(acoustic backplane)。有益的是，声学背板促进从换能器106发出的机械波的频率稳定性。在代表实施例中，屏蔽层117设置在封装基板101的第一侧203上。作为说明屏蔽层117包括金属或金属合金并且通过已知技术印刷在封装基板101上。屏蔽层117提供接地层并且阻止杂散的电磁信号(例如，射频信号)不利地干扰换能器106的操作。图3是根据代表实施例安装在基板301上的MEMS换能器器件100的截面图。本领域的技术人员将明白，可以通过当前所述的技术将图2A-2B所描绘的MEMS换能器器件200安装在基板301上。如图3所示，基板301具有宽度为“w”的开ロ。电路迹线302电连接到封装基板101的触点112，以使得电信号可以被发送到换能器106以及从换能器106发送。触点112通常焊接到基板301上的电路迹线。连接垫片113也被焊接到基板301，以在机械方面将MEMS换能器器件100固定到封装基板101。在代表实施例中，基板301是电路板(例如，FR4)，其具有布置在基板301的第一侧303的上方的电路迹线302。此外，在通过换能器106发送和接收信号时有用的电子组件(未示出)和电子电路(未示出)设置在基板301的第一侧303上或者第二侧304上，或者这两者上。在操作中，机械波可以通过沿着基板301的第一侧303布置的隔板104从换能器106发送。类似地，机械波可以在传播通过隔板104之后由换能器106接收。开ロ的宽度“ w”选取为允许封盖103通过开ロ，但是没有宽到允许封装基板101通过开ロ。而且，触点112根据需要被定位成确保与电路迹线302对准。触点112和连接垫片113允许MEMS换能器器件100的表面安装，具有到终端应用PCB板的所有的电连接和机械连接。有益的是，不需要铅互联来安装MEMS换能器器件100，从而在制作期间不需要昂贵的铅エ艺(称作“修剪和形成”)。而且，由于MEMS换能器器件100是表面安装的，因此，MEMS换能器器件100易适用于用于装配“大量回流焊”的电子产品的高容量挑选/放置(例如，机器人)的组装。有益的是，回流焊接将根据需要弄湿基板301和封装基板101上的电路迹线，以形成电连接。
在其中多个换能器基板102设置在共同的封装基板101上的替换实施例中，开ロ的宽度“ w”将会对于共同的封盖或单独的封盖来说足够宽以通过开ロ。因此，MEMS换能器器件100相对于其所安装到的基板301和表面自对准。
仅以说明和示例的方式并且不具有任何限制意义地包括各种组件、材料、结合和參数。根据本公开，本领域的技术人员能够在确定他们自己的应用和所需要的组件、材料、结构和装备时实施本教导，同时维持在所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种被安装到基板上的微机电系统(MEMS)换能器器件，所述MEMS换能器器件包括 封装基板，其具有第一热膨胀系数(CTE);以及 换能器基板，其包括换能器，所述换能器基板布置在所述封装基板的上方，其中所述换能器基板具有与所述第一 CTE基本匹配的第二 CTE。
2.如权利要求I所述的MEMS换能器器件，还包括在所述封装基板中的开ロ，所述开ロ被配置为接收和发送来自所述换能器的机械波。
3.如权利要求2所述的MEMS换能器器件，还包括隔板，所述隔板布置在所述封装基板中的所述开ロ的上方。
4.如权利要求I所述的MEMS换能器器件，还包括在所述封装基板中的集成隔板，其中所述换能器基板布置在所述集成隔板的上方。
5.如权利要求I所述的MEMS换能器器件，其中所述换能器基板包括硅，并且所述封装基板包括氧化铝或蓝宝石。
6.如权利要求I所述的MEMS换能器器件，还包括封盖，所述封盖布置在所述换能器基板的上方并且将所述换能器基板基本封闭在所述封装基板的上方。
7.如权利要求6所述的MEMS换能器器件，其中所述封盖被配置为在基板中延伸通过开□。
8.如权利要求I所述的MEMS换能器器件，还包括连接垫片，所述连接垫片布置在所述封装基板的上方并且被配置为粘结到在基板上的各个连接垫片。
9.如权利要求I所述的MEMS换能器器件，其中所述封装基板具有第一侧和第二侧，井且所述换能器基板步骤在所述第一侧上。
10.如权利要求9所述的MEMS换能器器件，其中屏蔽层布置在所述第二侧上。
11.一种微机电系统(MEMS)换能器器件，所述MEMS换能器器件包括 封装基板，其具有第一热膨胀系数(CTE)； 换能器基板，其包括换能器，所述换能器基板布置在所述封装基板的上方，其中所述换能器基板具有与所述第一 CTE基本匹配的第二 CTE。
12.如权利要求11所述的MEMS换能器器件，还包括在所述封装基板中的开ロ，所述开ロ被配置为接收和发送来自所述换能器的机械波。
13.如权利要求12所述的MEMS换能器器件，还包括隔板，所述隔板布置在所述封装基板中的所述开ロ的上方。
14.如权利要求11所述的MEMS换能器器件，还包括在所述封装基板中的集成隔板，其中所述换能器基板布置在所述集成隔板的上方。
15.如权利要求11所述的MEMS换能器器件，其中所述换能器基板包括硅，并且所述封装基板包括氧化铝或蓝宝石。
16.如权利要求11所述的MEMS换能器器件，其中还包括封盖，所述封盖布置在所述换能器基板的上方并且将所述换能器基板基本封闭在所述封装基板的上方。
17.如权利要求16所述的MEMS换能器器件，其中所述封盖包括柱，所述柱被配置为将所述封盖固定到所述封装基板。
18.如权利要求11所述的MEMS换能器器件，其中所述封装基板具有第一侧和第二侧，并且所述换能器基板设置在所述第一侧上。
19.如权利要求18所述的MEMS换能器器件，其中屏蔽层布置在所述第二侧上。
20.如权利要求19所述的MEMS换能器器件，其中所述屏蔽层电连接到地面。
全文摘要
本发明涉及微机电系统(MEMS)封装，提供了一种微机电系统(MEMS)换能器器件，其包括封装基板，其具有第一热膨胀系数(CTE)；以及换能器基板，其包括换能器。换能器基板布置在封装基板的上方。换能器基板具有与第一CTE基本匹配的第二CTE。
文档编号B81B7/00GK102642802SQ20121003907
公开日2012年8月22日 申请日期2012年2月17日 优先权日2011年2月17日
发明者史蒂文·马丁, 大卫·马丁, 蒂莫西·勒克莱尔, 阿图尔·戈尔 申请人:安华高科技无线Ip(新加坡)私人有限公司