本发明涉及微机电系统的封装。具体地，本发明涉及无凝胶压力传感器封装。
背景技术：
微机电系统(mems)是具有嵌入式机械组件的半导体装置。mems装置包括例如压力传感器、加速度计、陀螺仪、麦克风、数字镜面显示器、微射流装置等。包括压力传感器装置的mems装置可用于广泛范围的应用中。将参考mems压力传感器(以下简称压力传感器)来描述本公开，应理解，本公开不应限于此。
至少部分地由于压力传感器必须与外界环境相互作用、许多类型压力传感器的脆弱性以及严重的成本限制，所以在压力传感器的封装方面存在很大的挑战。实际上，许多压力传感器装置的应用需要较小尺寸和低成本的封装以满足较高的成本目标。
技术实现要素：
在一个实施例中，公开了一种封装，其包括微机电系统(mems)管芯，所述mems管芯包括第一基板，所述第一基板包括在其上形成mems装置的第一表面。聚合物环接合到所述第一基板的所述第一表面以产生其中容纳所述mems装置的第一空腔。所述封装还包括模制化合物主体，所述模制化合物主体包括与所述第一空腔同心的第二空腔以使得所述mems装置与所述封装的外部环境之间能够流体连通。所述聚合物环可以包括在背面相对的第一与第二表面之间延伸的内壁，其中所述聚合物环的所述第一表面接合到所述第一基板的所述第一表面。所述模制化合物主体可以包括与所述聚合物环的所述第二表面齐平的第一表面。所述聚合物环的所述第一表面可以接合到所述第一基板的所述第一表面。
在所述聚合物环的所述第一表面与所述第一基板之间可以形成密封，所述密封在包封过程期间抑制模制化合物流动到所述第一空腔中。所述mems管芯可以包括第二基板，所述第二基板包括第一凹槽。所述第一基板可以另外包括悬臂式平台结构，所述悬臂式平台结构具有平台和从所述平台延伸的臂，其中所述平台和所述臂悬置在所述第一凹槽上方。所述mems装置可以形成于所述平台上，并且所述聚合物环可以接合到所述臂而非所述平台。所述mems管芯可以包括形成于所述平台和所述臂上的导电迹线，其中所述聚合物环接触形成于所述臂上的所述导电迹线的一部分，而不接触形成于所述平台上的所述导电迹线的一部分。所述mems管芯可以安装在包括接合焊盘的控制管芯上，其中mems管芯包括形成于所述第一表面上的接合焊盘，其中封装另外包括将所述控制管芯接合焊盘中的一个连接到所述第一表面接合焊盘中的一个的接合线，并且其中所述模制化合物主体包封所述接合线。聚合物环可以包括在一对所述第一表面接合焊盘之间横向延伸的指形件。mems装置可以是压力传感器。
还公开了一种形成封装装置的方法，其包括将聚合物膜应用到包含微机电系统(mems)管芯的晶片，其中所述mems管芯中的每一个包括形成mems装置的第一表面。此后，移除所述聚合物膜的一部分以产生环，其中所述聚合物环产生其中容纳mems装置的第一空腔。所述方法可以另外包括在移除聚合物环的所述部分之前加热所述晶片以便将所述聚合物膜接合到所述第一表面。所述方法可以另外包括切割所述晶片以分离所述mems管芯，将分离的mems管芯中的一个粘附到集成电路(ic)管芯，在将分离的mems管芯中的一个粘附到所述ic管芯之后，将所述ic管芯粘附到引线框架，使用接合线将所述mems管芯上的接合焊盘连接到所述ic管芯上的接合焊盘，使所述聚合物环与模具接触以在所述模具与所述聚合物环之间产生密封，以及当所述聚合物环接触所述模具时，用模制化合物包封所述mems管芯的一部分和接合线。在所述方法中的所述聚合物环可以包括在背面相对的第一与第二表面之间延伸的内壁，其中所述聚合物环的所述第一表面接合到所述第一表面。所述方法可以另外包括固化所述模制化合物以产生模制化合物主体，其中所述模制化合物主体包括与所述第一空腔同心的第二空腔以使得所述mems装置与所述封装装置的外部环境之间能够流体连通。
在另一实施例中，公开了一种设备，所述设备包括微机电系统(mems)管芯，所述mems管芯包括第一基板和聚合物环，所述第一基板包括在其上形成压力传感器装置的第一表面，所述聚合物环接合到所述第一基板的所述第一表面以产生其中容纳所述压力传感器装置的第一空腔。所述设备可以进一步包括模制化合物主体，所述模制化合物主体包括与所述第一空腔同心的第二空腔以使得所述压力传感器装置与所述封装的外部环境之间能够流体连通。所述聚合物环可以包括在背面相对的第一与第二表面之间延伸的内壁，其中所述聚合物环的所述第一表面接合到所述第一基板的所述第一表面。所述模制化合物主体包括与所述聚合物环的所述第二表面齐平或基本上齐平的第一表面。所述mems管芯可以包括第二基板，所述第二基板包括第一凹槽，所述第一基板另外包括悬臂式平台结构，所述悬臂式平台结构具有平台和从所述平台延伸的臂，其中所述平台和所述臂悬置在所述第一凹槽上方，其中所述压力传感器装置形成于所述平台上，并且其中所述聚合物环接合到所述臂而非所述平台。
附图说明
图1示出了基板的俯视图和侧截面视图。
图2示出了在制造过程的后续阶段的图1的结构的俯视图和侧截面视图。
图3示出了在制造过程的后续阶段的图2的结构的俯视图和侧截面视图。
图4示出了在制造过程的后续阶段的图3的结构的俯视图和侧截面视图。
图5示出了在制造过程的后续阶段的图4的结构的俯视图和侧视图。
图6示出了图4中所示的具有替代性厚膜聚合物环的结构的俯视图和侧视图。
图7示出了晶片切割后图5的装置的俯视图和侧视图。
图8示出了在创建模制主体的一种类型的包封过程中的图7中所示的装置。
图9是创建模制主体的包封过程之后的应力隔离压力传感器管芯的俯视图和截面侧视图。
具体实施方式
典型的压力传感器封装涉及将压力传感器放置在由非导电材料制成的空腔型封装中。空腔封装减少或消除了压力传感器上的应力，而应力可能会以不可确定的方式更改压力传感器的性能。然而，产生用于压力传感器的空腔存在着挑战。
压力传感器具有许多不同的配置，可以使用不同的制造工艺以不同的方式进行封装。将参考应力隔离压力传感器(以下简称应力隔离pcell)管芯的制造和封装描述本公开，应理解，本公开不应限于此。
图1示出在制造和封装应力隔离pcell管芯的过程的初始阶段包含在晶片(图中未示)中的第一基板102的俯视图和侧截面视图。使用已知技术蚀刻第一基板102以形成对应的凹槽104。具体地说，将凹槽104从表面106蚀刻到第一基板102中的深度小于第一基板102的厚度。
图2示出了在制造过程的后续阶段的图1的结构的俯视图和侧截面视图。将包含第二基板204的晶片(图中未示)附接到第一基板102的表面106，使得凹槽104插入在第二基板204与第一基板102之间。在实施例中，第二基板204可以包括在晶体晶片中，所述晶体晶片使用绝缘体上覆硅(soi)工艺、熔融接合或另一类似工艺附接到包含第一基板102的晶片。在将第二基板204附接到第一基板102之后，形成掩埋空腔或凹槽206。
图3示出了在制造过程的后续阶段的图2的结构的俯视图和侧截面视图。mems压力传感器装置302(以下简称压力传感器装置)、导电迹线304和接合焊盘306形成于第二基板204的表面208上。在一些实施例中，可以使用例如表面微机械加工工艺在第二基板204上构建mems压力传感器装置302以形成电容压力传感器。在一个实施例中，可以通过在基板204上形成多晶硅层(图中未示)来产生装置302。然后，在多晶硅层的顶部上形成牺牲层(图中未示)。另一多晶硅层(图中未示)形成于牺牲层的顶部上。然后移除牺牲层，产生多晶硅的平行板，多晶硅的顶部可以随着暴露于其中的流体压力的改变而弯曲。平行板之间的距离的改变会引起其间电容的改变，电容的改变可以被测量并转换成压力数据。可以结合mems压力传感器装置302的制造来制造导电迹线304和接合焊盘306。可以执行金属沉积、图案化和蚀刻以形成接合焊盘306。导电迹线304将mems压力传感器装置302与接合焊盘306互连起来以形成合适的电气连接。可以根据惯例执行其它制造活动，但为了描述的清楚性，未在本文中论述或示出。
图4示出了在制造过程的后续阶段的图3的结构的俯视图和侧截面视图。蚀刻或以其它方式移除第二基板204的一部分以形成悬臂式平台结构402。举例来说，掩模(未示出)可用于覆盖或以其它方式保护第二基板204中不被蚀刻的那些区。因此，掩模提供了用于通过第二基板层204形成开口404以及用于产生由平台406和臂408组成的悬臂式平台结构402的图案。可以使用多个已知蚀刻工艺中的任一个执行移除工艺，以产生悬臂式平台结构402。图4表示蚀刻工艺的结果，使得形成开口404，并且因此形成悬臂式平台结构402。注意，导电迹线304被适当地布设，使得它们位于臂408上，以便将压力传感器装置302与接合焊盘306互连起来。
压力传感器装置(例如，压力传感器装置302)通常容纳于空腔中以保护其免受封装应力的影响。在容纳压力传感器装置的空腔上方的晶体硅罩盖(图中未示)也可用于保护其免受环境应力和模制封装材料的影响。罩盖应包括位置远离压力传感器装置的孔，使得压力传感器装置可以承受外部气体压力。然而，添加硅罩盖是昂贵的。硅罩盖将需要经由接合工艺接合到支撑压力传感器装置的结构，所述接合工艺可能需要由玻璃熔块或与结构和硅罩盖接触的金属制成的接合材料以确保在包封过程之前在其间进行接合。一些压力传感器需要硅凝胶来保护组件(例如，接合线)以免其暴露于湿气和其它环境因素。使用凝胶的缺点是它相对昂贵，并且需要大量的凝胶。制造封装压力传感器的另一昂贵步骤是在封装的膜辅助模制中使用膜。一旦使用，就无法再次使用膜。本公开克服了对于覆盖空腔、凝胶和膜辅助模制的罩盖的需要。
图5示出了图4所示结构在制造过程的后续阶段产生应力隔离pcell管芯500的俯视图和侧视图。如图所示，在第一基板204上形成厚膜、柔性、导电或非导电的聚合物环502。应注意，在示例实施例中，环502是方形的，且其厚度大约为200微米。在其它实施例中，厚膜、柔性聚合物环可呈圆形装置形式。然而，仅出于解释的目的，将假定方形环502。聚合物环502包围压力传感器装置302和平台406。聚合物环502具有第一平坦表面503和背面相对的与基板204的表面208接触的平坦表面(图中未示)。聚合物环502具有垂直于或基本上垂直于第二基板204的表面208的平行侧壁507。内侧壁507b产生用于压力传感器装置302的空腔505。在一个实施例中，可以通过将聚合物(聚四氟乙烯、全氟烷氧基等)的厚膜和柔性膜施加到包含图4的结构的晶片来产生环502，从而在厚膜聚合物与第二基板204之间形成接合。在一个实施例中，可以通过加热组合来产生接合。一旦聚合物膜被接合到基板204的表面208上，则可以通过使用已知的光刻技术对聚合物膜中的孔进行成像，然后进行化学或干法蚀刻移除厚膜的一部分来形成环502。可替换的是，可以在使用标准制造技术将厚膜聚合物环502的薄片附接到包含图4的结构的晶片之前形成厚膜聚合物环的薄片。假设预先成型的厚膜环502的薄片与晶片之间恰好对准，则在聚合物与第二基板204之间产生接合。在一个实施例中，可以通过加热环502和晶片来产生接合。聚合物环在加热后将保持柔性，并且在模具温度(约175℃)下足够的柔性，以便在下文将更全面描述的后续包封过程中保持与模具的密封。图6示出了图4所示的具有接合到其的替代性厚膜、柔性、导电或非导电的聚合物环602的结构的俯视图和侧视图。此替代性厚膜聚合物环602包括在接合焊盘306之间延伸的指形件604。在一个实施例中，指形件604可以提供接合线之间的绝缘，所述接合线将随后被添加以将接合焊盘306连接到下面的控制电路(例如，控制管芯)的接合焊盘。在一个实施例中，环602和指形件604由提供emc隔离的导电聚合物(例如，导电粒子(例如ag、cu、ni)填充聚合物)形成。在另一实施例中，环602是非导电聚合物，而指形件604是导电聚合物。在再一实施例中，环602和指形件604是不导电聚合物，但指形件604可以随后使用许多已知技术(例如溅镀、镀敷、喷墨印刷等)中的任一种进行金属化以变为导电的。如果导电，则环602和/或指形件604中的一个或多个可以电耦合到接地接合焊盘上，所述接地接合焊盘可以形成于表面208上和环602或指形件604中的一个下方。
最终，在封装包封期间使用聚合物环502或602以产生用于压力传感器装置302的包封空腔。重要的是，使用柔性聚合物环502或602消除了在封装模制期间使用昂贵的膜，并且聚合物环502或602在聚合物环与模具之间以及聚合物环与第二基板204之间产生密封，以防止模制化合物流入聚合物空腔505中。
包含图5或6中的应力隔离pcell500的晶片可以被切割以产生单个或成组的应力隔离pcell管芯。晶片可以在切割期间倒置以防止在切割过程期间有残渣进入空腔505。图7示出了结构700的俯视图和侧视图，结构700包括在晶片切割之后以及在安装在集成电路控制管芯702上、所述集成电路控制管芯继而安装在引线框架704上之后的图5的应力隔离pcell管芯结构。控制管芯702可呈例如专用集成电路或另一种类型的信号处理器的形式，并且包括经由接合线710连接到应力隔离pcell管芯500的接合焊盘306的接合焊盘706。尽管图中未示，但额外的接合线可以提供控制管芯702与引线框架704之间的数据通信。
可以至少部分地围绕图7所示的结构700形成模制主体，这样会产生与聚合物空腔505同心的模制主体空腔。模制主体包封接合焊盘306和706以及接合线710。模制主体可以充分保护包括接合线710的组件，使得不需要现有技术封装中可能使用的凝胶填充。图8示出了在创建模制主体的一种类型的包封过程中的图7所示的结构700。具体地说，结构700放置在机器的表面804上，所述机器包括与柔性聚合物环502的上表面503接触的模具802，同时，包封模制化合物(例如，熔融的环氧树脂模制化合物)流入模具空腔806中。模具802接触聚合物环的上表面503以产生密封，所述密封防止包封模制化合物流动到由聚合物环502产生的空腔505中。随后，固化模制化合物以产生围绕结构700的硬化主体。
图9是创建模制主体902的包封过程之后结构700的俯视图和截面侧视图。模制主体902的第一表面904与聚合物环502的表面503齐平或基本上齐平。如在此图中可以看出，在包封过程期间借助于聚合物环502保留了空腔505。在此配置中，压力传感器装置302经由空腔505与其环境流体连通。包括模制主体902的所得封装提供了一种方式来经由引线框架704的引脚(图中未示)将mems压力传感器装置302和封装的控制管芯702连接到外部环境中的装置，例如印刷电路板。
本公开意图解释如何设计和使用根据本发明的各种实施例，而非限制本发明的真实、既定和公平的范围及精神。以上描述并不意图是详尽的或将本发明限于所公开的确切形式。另外，本文中所使用的措词或术语是出于描述的目的而并非限制。鉴于以上教示，可以进行修改或变化。选择和描述实施例是为了提供对本发明的原理和本发明的实际应用的最好说明，并且使本领域的技术人员能够在各种实施例中并用适合于所预期特定用途的各种修改来使用本发明。当根据公平地、合法地并且公正地赋予的权利的宽度来解释时，所有此类修改和变化及其所有等效物均处于如由所附权利要求书所确定的本发明的范围内，并且在本专利申请未决期间可进行修正。