专利名称：封装装置、mems以及用于选择性封装的方法
技术领域：
本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述的封装装置、一种按权利要求18所述 的微机电系统(MEMS)以及一种按权利要求19所述的用于封装在半导体基底上的敏感的构 件结构的方法。
背景技术：
必须对MEMS的敏感的大多为机械的构件结构加以封装以保护其不受损伤。惯性 传感器如加速度计或陀螺仪在当前用氢氧化钾蚀刻的硅罩遮盖，其中，所述罩借助玻璃封 接连接在具有敏感构件结构的半导体基底上。另一种开创的用于封装半导体基底上敏感构 件结构的方法是三维结构玻璃晶片的阳极接合。此外，结构化的硅晶片作为封装装置用不 同的接合方法固定在半导体基底上。所有前述的方法都共同使用一种成本高昂、三维结构 化的硅制或玻璃制的罩。DE 100 06 446 Al记载了一种用于在晶片状态封装敏感构件结构的方法。所公开的封装装置包括一种用硬化的反应性树脂制成的包围构件结构的框架结 构以及一种平面的、遮盖框架性结构的以及与该框架性结构形成空腔的罩，该罩由平面的 (二维的)塑料薄膜和布置在其上的硬化的反应性树脂层构成。这种公知的封装装置的缺 陷在于，使用先待涂敷后又有待移除的辅助性薄膜造成了这种封装装置的生产方法过于麻 烦。
发明内容
本发明的目的在于，建议一种用于在半导体基底上的构件结构的作为替代方案 的、简单的和成本低廉的封装装置。此外本发明的目的还在于给出一种带有至少一个这种 封装装置的MEMS以及一种用于制造得到封装的构件结构的方法。本发明基于的思想是，不像在现有技术中那样用二维的薄膜遮盖包围构件结构的 空腔，而是为保护构件结构不受外部影响而使用一种配设有至少一个型腔以遮盖构件结构 的薄膜。在此，型腔构成了保护构件结构的空腔。根据薄膜的特性，可以将薄膜或直接与半 导体基底接合，或与设置在半导体基底上的覆层，尤其是金属敷层接合。所以本发明的核心 思想在于，使用一种三维结构化的或三维成形的薄膜，用该薄膜来盖住以及因而保护构件 结构。在此特别优选的是，在制造MEMS时业已在晶片状态下就使用三维结构的、优选具有 多个型腔的薄膜，以便因此同时封装多个MEMS的多个敏感的，优选机械的构件结构。在此 特别优选的是封装装置的一种实施形式，在该实施形式中，构件结构涉及一种优选是惯性 传感器、麦克风(振荡膜)或压力传感器(压力膜)的机械的构件结构。所建议的封装装置基 于明显降低的制造成本而最佳地适用于在所谓的手提电子设备，如手机、掌上电脑之类的 小工具中的消费者惯性传感器。此外，按照本发明的设计理念设计的封装装置在减小厚度 和尺寸方面相比由现有技术公开的封装装置还具有巨大的潜能。鉴于三维结构的，亦即配设有至少一个型腔的薄膜的设计，存在不同的可能性。所以可以考虑的是，将薄膜设计成单层聚合物薄膜，亦即由唯一的金属层构成的薄膜。作为备 选，薄膜可以设计成多层薄膜，亦即设计成有至少两个相同或不同层的复合薄膜。在此特别 优选的是这样一种实施形式，在该实施形式中，多层薄膜的至少一层设计成聚合物层。当 然，也可以设多个相同或不同的聚合物层。单层聚合物薄膜或薄膜的至少一个聚合物层可以或直接与半导体基底例如通过 建立聚合物粘接接合，或与设置在半导体基底上的覆层，尤其是塑料覆层或将封装装置与 MEMS-基底化学连接起来的薄的膜片接合。在本发明的扩展设计中有利地规定，单层聚合物薄膜或多层薄膜的至少一个聚合 物层，优选所有的薄膜，在薄膜接合时的温度下具有不变形性。优选在温度超过230°C时仍 应确保热不变形性。在短期的温度负荷至例如230°C时，单层聚合物薄膜或聚合物层应尽量 不变形。在本发明的扩展设计中有利地规定，单层聚合物薄膜或薄膜的至少一个聚合物层 具有尽可能低的膨胀系数，以便即使在强烈的温度波动下，在之后使用配设有相应的封装 装置的MEMS时，避免了封装装置以及因而MEMS的不容许的变形。膨胀系数优选小于20 ppm/K，特别是优选小于10 ppm/K。理想地，单层聚合物薄膜或多层薄膜的聚合物层，特别优选是所有的薄膜，就其膨 胀系数而言，无论在X方向还是y方向都表现为各向同性。为此，单层聚合物薄膜或聚合物 层，特别优选的是所有的薄膜，都双轴地延伸。带所述特性的聚合物薄膜，尤其是为了形成聚合物层，例如以Ticona公司的 "Vectra 540i”或Dupont公司的"Zenite 6330 NC”为名进行销售。此外，Vectra类型(生 产商Kuraray)的双轴延伸的薄膜甚至得到低于5 ppm/K的在χ方向和y方向上各向同性 的膨胀系数。特别相宜的是，单层聚合物薄膜或至少一个聚合物层由液晶聚合物(LCP-液体聚 合物)组成或至少包括这种化合物。液晶聚合物在熔化(畏热)或溶解时(亲溶)具有液晶特 性。LCP极为温度稳定(不易变形)以及具有很低的膨胀系数。LCP的另一个优点在于，它 明显要厚于使用在现有技术公开的封装装置中的反应性树脂。此外，还可以用Ormocer(有 机改性陶瓷)构成单层聚合物薄膜或至少一个聚合物层。此外，还可能有利的是，单层聚合 物薄膜或至少一个聚合物层由聚醚醚酮(PEEK)构成。其熔化温度为335°C。聚醚醚酮的 特征尤其在于，相对于几乎所有的有机和无机化学剂是稳定的。也可以用下列化学的聚合 化合物构成单层聚合物薄膜或聚合物层聚酰亚胺(PAI)或聚苯并咪唑(PBI )，或聚苯硫醚 (PPS)或聚芳砜(PAS)。特别相宜的是，薄膜的厚度小于200 μπι，优选小于150 ym。特别优选的是，薄膜 厚度约为100 μπι 士 10 μπ ，或更小。为了使封装装置尤其在气体和/或湿气方面密封，优选采用这样一种实施形式， 即，至少一个聚合物层，优选是仅具有一个聚合物层的多层薄膜包括至少一个金属层。当金 属层设置在多层薄膜的面朝半导体基底的那一侧上时，金属层允许了薄膜优选经由钎焊工 艺、固液扩散钎焊工艺(SLID)或热压缩接合工艺与半导体基底或优选与设在半导体基底上 的覆层特别是金属敷层接合。基于SLID接合过程，设置在半导体基底上的接合框架(金属 敷层)设计得很小。SLID接合技术的特征在于，在由更高熔点的金属，例如铜构成的上层和下层之间，为一个层涂敷低熔点的金属，例如锌，并且在低温下熔化。更高熔点的金属现在 扩散进入上层和下层，其中，形成更高熔点的合金并凝固。因此在进一步的接合过程/钎焊 过程中可靠地防止了化合物重新熔化。当薄膜具有至少两个，优选仅两个金属层时，封装装置的密封性还可以得到进一 步改善，其中特别优选的是，两个金属层形成薄膜的两个最外部的层。特别优选的是，这两 个金属层之间夹心地容纳有聚合物层。特别优选的是，多层薄膜的金属层具有高延展性(断裂延伸性)。此外，金属层应具 有优选小于17 ppm/K的低膨胀系数并且/或者具有尤其是显著大于240°C，优选大于300°C 的熔点。优选具有所有上述特性的金属层，可以由多种金属，尤其是由可延展的铜、镍、铝 或优质钢等形成。例如由Rogers公司生产的涂敷有铜的LCP薄膜满足上述特性。这些薄膜迄今在 Dycormex公司中用于制造柔性的和多层的印制电路板。在本发明的扩展设计中，有利的是，不仅聚合物层，而且所有的薄膜都为了确保在 X方向和y方向的各向同性的膨胀系数而双轴地延伸。就型腔的成形而言，存在各种不同的可能性。因此可以考虑的是，例如弯曲地(弯 拱地，圆形地)形成型腔。此外，可以实现有棱角的形状或组合的倒圆/有棱角的形状。在此， 倒圆结构具有更高的稳定性，并且防止了平面的积聚以及因而MEMS的活性结构的粘附。至少一个型腔可以通过喷铸、压制，尤其是喷射压制、热成形、深冲或模具铸造进 行加工，其中可以将冲压过程集成到前述过程中，以便在封装装置中生成用于结合垫板的 缺口。这些缺口也可以经由相继的冲压过程、激光切割或与光刻过程结合的蚀刻工艺(湿式 化学法、等离子体或两者的组合)制造。在模具铸造时，薄膜聚合物被灌入模具中，然后在那 里热性地或通过紫外线硬化。特别优选的是，薄膜具有至少一个端部止挡以用于保护得到封装的构件结构。端 部止挡在此理解为是在构件结构方向突出的、小面积的隆起，该隆起防止构件结构过大地 溢出或构件结构粘附在盖上。此外，本发明还引入一种用于在封装半导体基底上的敏感的构件结构的方法，其 包括下列步骤提供具有至少一个型腔的薄膜，使得该型腔关于(相对于)待封装的构件结 构相对定位，将薄膜与半导体基底或与覆层优选与接合框架，特别是与半导体基底的金敷 覆层接合。作为前置步骤，优选规定，在薄膜中形成型腔。这或可以直接在薄膜的制造过程 中例如在喷铸工艺中实现，或在后续的变形步骤中尤其通过深冲和/或热成形实现。特别优选的是，在MEMS的晶片状态下就已然实施封装，从而能够同时封装大量敏 感的，优选机械的构件结构。为此，将一种在其伸展面中优选至少类似于晶片伸展面的薄膜 相对于晶片，更确切地说相对于设置在晶片上的构件结构定位，因此使薄膜与晶片接合。在接合过程后，优选将晶片(和薄膜)划分(分离)成多个单独的MEMS，尤其是惯性 传感器，其中可以实现的是，薄膜和半导体基底同时例如通过激光切割分离，或使得薄膜和 晶片相继分离，为此例如借助锯或激光预先切割薄膜，然后在接下来的步骤中分离暴露出 来的半导体基底。
本发明其它的优点、特征和细节从下文对优选实施例的说明以及借助附图得出。 附图中
图1表示带倒圆的型腔的封装装置的第一实施例， 图2表示一种备选的、十分简化示出的有棱角的封装装置的实施例，以及 图3表示另一种备选的、复杂成形的封装装置的实施例。
具体实施例方式在图中相同的部件以及功能相同的部件用相同的附图标记标注。图1中示出了 MEMS 1 (微机电系统)。MEMS 1包括半导体基底2，半导体基底有形 成于其上的敏感的机械构件结构，所述构件结构由半导体材料形成。通过封装装置4来保 护构件结构3不受机械的影响以及其它环境影响，如温度和湿气以及气体。封装装置4的 高度h (垂直于半导体基底2的平面延伸方向测量)在所述实施例中约为200 μπι。封装装 置4借助设计成多层薄膜的薄膜5构成。所述薄膜包括在此用LCP制成的聚合物层6以及 面朝半导体基底2的、在此用可延展的铜制成的外部金属层7构成。薄膜5的特征在于形 式为型腔8的三维结构。型腔8构成在构件结构3上方的空腔9。在所示实施例中，薄膜5与半导体基底2的一个设计成金属敷层的覆层10 (接合 框架)接合，除此处唯一的金属层7外，所述薄膜5还可以备选地具有另一个布置在聚合物 层6的背对金属层7的那一侧上的金属层。为实现所示实施例，在此使用SLID接合工艺， 其中，在薄膜5的用铜构成的覆层和铜制金属层7之间隔着一个薄的锌层11。这例如可以 电镀地通过CVD (化学气相沉积)或PVD (物理气相沉积)实现。不同于厚度约为0. 1 μπι至 5 μ m的锌层11的是，例如可以备选地沉积出共晶的SnCu或SnAg。同样也可以使用铟合金 和镓合金。在涂敷薄的锌层11之后，薄膜5为了接合而被压向在接合区用(铜)覆层10涂 敷的半导体基底2 (晶片)，以及将温度提高到锌的熔点之上。此时锌熔化，在此形成了更高 熔点的青铜合金，所述青铜合金在紧接着的钎焊过程，特别是SMD钎焊过程中保持机械稳 定。 由图1可知，型腔8具有倒圆的形状。为提高封装装置4的坚固度，可以尤其电镀 地提高金属层7，在此为铜层的层厚。因此可以沉积出其它的金属或夹层，例如Cu-Ni-Cu 层。作为备选，也可以如之前所述，考虑使用在两侧用金属层涂覆的聚合物层作为多层薄膜。 由图2和图3可知，不仅可以实现倒圆的型腔8，还可以实现有棱角的以及局部极 为复杂成形的型腔8。在所有的型腔形状中可以实现在图3中所示的端部止挡12，用来保 护得到封装的构件结构3，此处为传感器。
权利要求
1.在半导体基底(2)上的敏感的构件结构(3)的封装装置，包括遮盖所述构件结构(3) 的薄膜(5)，其特征在于，在所述薄膜(5)内设置了用于所述构件结构(3)的型腔(8)。
2.按权利要求1所述的封装装置，其特征在于，所述薄膜(5)被构造成单层聚合物薄膜 或构造成具有至少一个聚合物层(6)的多层薄膜。
3.按权利要求2所述的封装装置，其特征在于，所述单层聚合物薄膜或者说所述聚合 物层(6)与所述半导体基底(2)或在所述半导体基底(2)上的覆层(10)接合。
4.按权利要求2或3所述的封装装置，其特征在于，所述单层聚合物薄膜或者说所述聚 合物层(6)在所述薄膜(5)接合时出现的温度下优选在等于或大于230°C的温度下具有热 不变形性。
5.按权利要求2至4之一所述的封装装置，其特征在于，所述单层聚合物薄膜或者说所 述聚合物层(6)具有低的优选小于20 ppm/K尤其优选小于17 ppm/K的膨胀系数，。
6.按权利要求2至4之一所述的封装装置，其特征在于，所述单层聚合物薄膜或者说所 述聚合物层(6)尤其在膨胀系数方面在χ方向和在y方向上都呈各向同性。
7.按权利要求2至6之一所述的封装装置，其特征在于，所述单层聚合物薄膜或者说所 述聚合物层(6)由LCP或Ormoceren或PEEK或PAI或PBI或PPS或PAS构成或者包括至 少一种前述化合物。
8.按前述权利要求之一所述的封装装置，其特征在于，薄膜厚度小于500μ m优选小于 200 μ m尤其小于150 μ m并且/或者特别优选计为大约100 μ m或更小。
9.按权利要求2至8之一所述的封装装置，其特征在于，所述多层薄膜包括至少一个优 选在外部的、面朝所述半导体基底(2)的金属层(7)。
10.按权利要求9所述的封装装置，其特征在于，所述金属层(7)尤其通过钎焊接合或 固液扩散接合(SLID)或热压缩接合的方式在所述半导体基底(2)上与特别是金属敷层的 覆层(10)接合。
11.按权利要求9或10所述的封装装置，其特征在于，所述金属层(7)具有优选大于 5%、优选大于10%的高延展性。
12.按权利要求9至11之一所述的封装装置，其特征在于，所述金属层(7)具有大于 240°C优选大于300°C的熔点。
13.按权利要求9至12之一所述的封装装置，其特征在于，所述金属层(7)由下列材料 之一构成或包括这种材料铜、镍、铝、优质钢。
14.按前述权利要求之一所述的封装装置，其特征在于，所述薄膜(5)双轴地延伸。
15.按前述权利要求之一所述的封装装置，其特征在于，所述型腔(8)倒圆地并且/或 者有棱角地成形。
16.按前述权利要求之一所述的封装装置，其特征在于，所述型腔(8)通过喷铸、压制 尤其喷射压制、热成形、深冲或模具铸造安置。
17.按前述权利要求之一所述的封装装置，其特征在于，所述薄膜(5)具有至少一个端 部止挡(12)以用于保护得到封装的构件结构(3)，并且/或者所述型腔被倒圆以防止粘附 所述构件结构(3)。
18.MEMS，特别是惯性传感器、压力传感器、微镜或麦克风，包括按前述权利要求之一所 述的封装装置(4)。
19.一种用于封装在半导体基底(2)上的敏感的构件结构(3)的方法，包括下列步骤 提供具有至少一个型腔(8)的薄膜(5); 使得该型腔(8)相对于所述构件结构(3)相对定位； 将所述薄膜(5)与所述半导体基底(2)或与所述半导体基底(2)的尤其是金属敷层 的覆层(10)相接合。
20.按权利要求19所述的方法，其特征在于，提供具有多个型腔(8)的薄膜(5)并且将 该薄膜与作为晶片呈现的半导体基底(2)或与设置在该半导体基底(2)上的尤其是金属敷 层的覆层(10)相接合。
21.按权利要求20所述的方法，其特征在于，所述晶片在封装后被划分成多个单独的 MEMS (1)。
全文摘要
本发明涉及在半导体基底(2)上的敏感的构件结构(3)的封装装置(4)，包括遮盖所述构件结构(3)的薄膜(5)。按照本发明规定，在所述薄膜(5)内设置了用于所述构件结构(3)的型腔(8)。本发明还涉及MEMS(1)以及用于封装敏感的构件结构(3)的方法。
文档编号G01P1/02GK102105390SQ200980129422
公开日2011年6月22日 申请日期2009年6月25日 优先权日2008年7月28日
发明者罗塔彻尔 P. 申请人:罗伯特·博世有限公司