专利名称：制造包括可流动导电介质的加盖芯片的结构和方法
技术领域：
本发明涉及微电子封装。微电子芯片通常是较薄、平坦的物体，具有基本平坦的相背的前表面和后表面，且边缘在这两个表面之间延伸。芯片通常具有在前表面上的接点，这些接点与芯片中的电路电气连接。某些芯片需要覆盖前表面的全部或一部分的保护元件，在这里指帽子或盖子。例如被称为表面声波或“SAW”芯片的芯片在它们的前表面上包含有声音工作区，这一区域必须由盖子保护免受物理和化学损伤。微机电或“MEMS”芯片包括微型电子机械器件，例如诸如扩音器之类的声音转换器，这些器件必须由盖子保护。用于MEMS和SAW芯片的盖子必须与芯片的前表面间隔开，以在盖子下方的工作区域中充气或留有真空间隙，从而使盖子不接触声学或机械元件。诸如感光芯片和发光芯片之类的某些电光芯片具有感光元件，这些元件也必须由盖子保护。电压控制振荡器(VCO)有时也需要在工作区域上方放置盖子。
微型SAW器件可以制成为由诸如铌酸锂、钽酸锂材料之类的声音工作材料形成或包含有这类材料的晶片的形式。对晶片进行处理以形成大量的SAW器件，且该晶片还设置有用来在SAW器件和其它电路元件之间电气连接的导电接点。在这样的处理之后，晶片被切断以提供单个的装置。在切断之前，被制成晶片形式的SAW器件可仍为晶片形式的同时加上盖子。例如，如在美国专利6,429,511中所揭示的，可对由诸如硅之类的材料制成的盖子晶片进行处理以形成大量的中空突起，然后连接到工作材料晶片的顶面上，而中空突起向着工作晶片。在连接之后，抛光盖子晶片以将向下直到突起处的盖子晶片的材料去除。这使突起作为工作材料晶片上的盖子保持在位，并从而与各个由盖子所覆盖的SAW器件的工作区域形成合成晶片。
可将这样的合成晶片切断以形成各个单元。可将通过切断这样的晶片所得到的单元安装在诸如芯片载体或电路板的基片上，并在安装之后通过与工作晶片上的接点电线连接而与基片上的导体电气连接，但这需要盖子具有尺寸足够适应电线连接工艺的孔。这使形成各个单元所需的工作晶片的面积增加、需要额外的操作、并且导致比单元本身要大得多的组件。
在’511专利所揭示的另一个替代方案中，可在盖子的顶面上形成端子，且在断开之前由例如组装之前形成于盖子晶片中的金属通路将这些端子与工作晶片上的接点电气连接。然而，盖子上的端子和用来将端子与活动晶片上的接点连接的通路的形成需要相对复杂的一系列步骤。
在为MEMS器件设置端子时会发生类似的问题。出于这些和其它的原因，会需要对封装SAW、MEMS、电光学和其它加盖器件的工艺和结构进行进一步的改进。
发明内容
对于此处关于帽子和帽子晶片以及盖子和盖子晶片所使用的，术语“顶面”指盖子的外表面，术语“底面”指盖子的内表面，盖子的内、外表面与盖子连接于芯片的方式相关。换一种方式来说，盖子的外表面背对于芯片的前表面、即接触支承表面，而盖子的内表面面向芯片的前表面或接触支承表面。盖子的外表面称为顶面，而盖子的内表面称为底面，即使包括芯片和盖子的加盖芯片结构翻转并安装，使得顶面面向下并连接于另一个物体，比如印刷电路板，仍是这样规定。
根据本发明的一个方面，一种加盖芯片包括具有一前表面的一芯片，以及暴露于前表面的多个连接片。加盖芯片具有一盖子构件，该盖子构件具有一顶面、与顶面相对的一底面以及在顶面和底面之间延伸的多个通孔。盖子构件安装于芯片，从而底面面对芯片并与之间隔以形成间隙。多个导电互连件从连接片开始至少部分地延伸通过通孔，互连件包括可流动的导电材料，该导电材料至少部分地延伸通过通孔。
根据本发明的一个较佳方面，一加盖芯片还包括一密封件，该密封件在芯片和盖子构件之间延伸，包围至少一些互连件。较佳地，可流动的导电材料将通孔密封。可流动的导电材料较佳地将包围通孔的盖子构件部分浸润。盖子构件还可形成从顶面延伸到底面的诸壁，诸壁将每个通孔包围，其中可流动导电材料将壁浸润。
根据一个较佳方面，盖子构件包括不可由可流动导电材料浸润的一结构材料以及由可由覆盖诸壁的可流动导电材料浸润的材料制成的衬垫。
在一个较佳方面，可流动材料为焊料。
根据本发明的一个具体的较佳方面，互连件包括从芯片的前表面向上延伸进入通孔的部件。
在本发明的一个较佳方面，至少一些互连件暴露于盖子构件的一条或多条边缘，从而暴露出的垂直互连件结构形成边缘单元连接件。
通孔较佳地沿以下至少一个方向呈锥形从顶面向底面变小的方向以及从底面向顶面变小的方向。
根据一个具体的较佳方面，加盖芯片还包括一间隔件，该间隔件包括在盖子构件、芯片和密封件中的至少一个中，以控制盖子构件和芯片间的间隔。
根据本发明的另一个方面，提供有一种形成加盖芯片的方法。这样的方法包括将一盖子构件组装到一芯片构件上，从而盖子构件的底面向下面对芯片构件的前表面，而盖子构件的顶面向上背对芯片构件。这一做法使在盖子构件顶面和底面之间延伸的通孔与芯片构件的导电部件对准，并使盖子构件的底面在至少一些区域与芯片构件的前表面间隔开，这些区域包括对准的通孔和导电部件。通过在通孔处设置可流动导电材料并使该可流动导电材料流进通孔中以形成从导电部件至少部分地延伸通过通孔的电气连接件。
根据本发明的一个较佳方面，设置可流动导电材料的步骤包括将可流动导电材料从盖子构件的顶面引入通孔中。
较佳地，使可流动导电材料流动的步骤包括使可流动导电材料在通孔中向下流动，以与芯片构件的导电部件接触。
根据一个较佳方面，芯片的导电部件较佳地包括从芯片构件的前表面向上突起进入通孔的部件。
较佳地，导电部件在盖子构件的底面下方间隔开，且使可流动导电材料流动的步骤包括形成从通孔处的底面向下突起的半月形，从而使这些半月形与导电部件接触。
根据本发明的一个较佳方面，使可流动材料流动的步骤包括使可流动材料浸润限定通孔的壁。
根据一个较佳方面，该方法较佳地还包括在形成电气连接件之前，同时形成盖子构件上的可浸润区域以及与导电部件接触的可浸润区域，该可浸润区域与通孔自对准。
在这一方面，芯片较佳地包括一表面声波(SAW)器件，导电部件包括在形成可浸润区域之前不可由焊料浸润的连接片。
根据再一个较佳方面，使可流动导电材料流动的步骤包括将焊料球置于盖子构件的可浸润区域上并加热对准的盖子构件和芯片，从而使焊料球的焊料将盖子构件的可浸润区域与芯片的可浸润区域连接。该步骤较佳地无焊剂地进行，例如在氮气氛围中进行。
图1-3D是示出了根据本发明的一个实施例的形成一加盖芯片的方法的视图；图3E-3F是示出了根据本发明的另一个实施例的加盖芯片的截面图和平面图；图3G-3H是示出了根据图3E-3F所示的实施例的形成加盖芯片的方法的截面图；图3I-3N是根据对图3G-3H所示实施例的一个变型的形成加盖芯片的方法的截面图；图3O-3R是示出了根据本发明的再一个实施例的加盖芯片的截面图；图3S-3V是示出了将根据本发明的另一个实施例的加盖芯片切断的方法的视图；
图4A和4B是相对应的截面图和平面图，它们示出了设置有再分配线路的本发明的一个特定实施例；图4C和4D是示出了根据本发明的一个实施例的加盖芯片的视图，在该芯片上，再分配线设置在盖子的下侧；图4E是示出了具有沿芯片的垂直和水平边缘布置的连接片的芯片的配线的平面图；图4F是示出了根据本发明的一个实施例而有利地进行了封装的芯片的配线的平面图，该芯片将连接片只沿垂直边缘或只沿水平边缘布置；图5是示出了在将盖子安装到芯片上之后芯片的连接层经过盖子而形成的一个特定实施例的截面图；图6A-6B是示出了形成具有电气互连件的加盖芯片的方法的截面图，其中包括柱状突起；图7A-7B分别是示出了在盖子上具有再分配线路的加盖芯片的一个实施例的截面图和平面图；图7C-7E是示出了以电线连接的形式设置导电互连的本发明的实施例的截面图；图8A-11B是示出了各种将包括加盖芯片的单元安装到电路板上方法的截面图；图12-17是示出了在一盖子元件上施加构造并使用牺牲涂层以设置加盖的芯片的方法中的各阶段的截面图；图18-23是示出了制造芯片的导电部件可帮助盖子元件自定位的加盖芯片的方法中的各阶段的截面图；图24-26是示出了图18-23所示实施例的变型的截面图，其中导电部件包括具有固体芯的导电球体；图27-32是示出了其中形成有电气互连件的加盖芯片的实施例的截面图，该电气互连件包括从芯片延伸进盖子中的通孔的短柱突起；图33和34A分别是示出了根据本发明的一个实施例的多个芯片和一个盖子的平面图，微电子单元由这些芯片和盖子所形成；
图34B是由图33-34A所示的诸芯片和盖子所制成的微电子单元的截面图；图35是示出了根据本发明的一个实施例的制成微电子单元的盖子元件的多个盖子的平面图；图36A-B分别是示出了根据本发明的一个实施例的制成微电子单元的盖子元件的多个盖子的平面图和截面图；图37-43是示出了根据本发明的各种实施例的具有加盖或加帽的芯片的微电子单元以及包括这种单元的组件的各种实施例的截面图；图44-49B是示出了制造具有加盖或加帽的芯片的微电子单元的方法以及将单元安装到电路板上或其它元件上的方法的截面图，这些芯片具有边缘连接件；图50-56包括示出了具有底部单元连接件的微电子单元的各种实施例以及制造这些单元的方法的截面图和立面图；图57-60是示出了制造使用不渗透介质来密封各单元的微电子单元的各阶段的截面图；图61是示出了图60所示实施例的一个替换实施例的截面图，其中不渗透性的介质是导电的并被构造成形成导电线路。
具体实施例方式
图1-3D示出了根据本发明的一个实施例的一加盖芯片以及制造加盖芯片的方法的诸阶段。特别地，图3C是示出了加盖芯片200的截面图，以及图3D是示出了设置在包括于加盖芯片中的芯片的表面上的互连件和密封件的平面图。
诸如SAW器件和MEMs之类的特定类型的器件需要密闭密封以在器件的使用寿命期间适当地发挥功能。对于许多硅半导体器件来说，如果氦气的泄漏率为1×10-8Pa m3/sec以下，则认为外壳是密闭的。诸如电光学器件的其它器件不需要密闭，但如果封装在例如可传送光的保护盖下面作为防止颗粒进入电光学器件的表面上的一种手段的话则最佳。
在形成加盖芯片的方法中，例如包含在多重含有盖子的元件100或晶片中的多个盖子102同时安装到多个芯片上，例如含有多个芯片的晶片上，然后将芯片切下以形成单元300，如图3C中可最清楚地看到的。在这样的方法中，如图1所示，盖子元件100包括多个盖子102，它们在边界101处连接。盖子元件100可为刚性，也可有一些柔性，而且可用许多种材料来构造该元件。在一个实施例中，当盖子元件100和所要连接的芯片的面积太大的话，盖子元件100基本上包括一种或多种材料，或者是一种合成材料，该材料的热膨胀系数(以下称“CTE”)类似于所要加盖的芯片。例如，盖子元件100可包括以下材料或由以下材料组成比如陶瓷、金属、玻璃和半导体材料。当将芯片设置到硅晶片或其它此类具有相对较低的CTE的半导体晶片上时，盖子元件100可由诸如硅或其它半导体、铝、镍合金之类的CTE匹配的材料制成，镍合金包括诸如镍铁合金和镍钴合金之类具有十分低的CTE的合金。其它的CTE匹配的金属包括钼。
当器件区域208包括一SAW器件时，希望将盖子元件由具有与SAW器件相匹配的CTE的材料构成。当这样的SAW器件在钽酸锂晶片中形成时，对于盖子元件的一个较佳的选择是铝，因为铝具有类似于SAW器件的CTE以及较低的弹性模数，并且通过诸如“阳极化”的工艺可以使铝氧化以形成氧化铝，这是一种绝缘体。这样，在顶面、底面以及通孔上就形成绝缘层，该绝缘层将随后形成的各个电气互连件互相隔绝开。
如图1所进一步显示的，盖子元件100及其各个盖子102具有顶面105和底面103。在一个实施例中，顶面和底面各自形成平面。通孔104设置在盖子元件100中，盖子元件100通常在每个芯片上具有一个或多个通孔。由任何适于制成盖子元件的特定的材料或多种材料的技术来设置通孔。例如，当盖子元件100主要由硅、金属、陶瓷和玻璃组成时，可通过诸如蚀刻或钻孔之类的消去法来形成通孔。或者，当盖子元件100包括聚合体时，更希望用模制法来形成通孔。在图1所示的实施例中，盖子元件100主要由绝缘体或半导体材料组成，比如玻璃、陶瓷或硅晶片。施加于这种材料的晶片的典型蚀刻方法使所示为锥形的通孔从一个表面向着另一个表面变小，从而使它们具有基本为截头圆锥形的形状。在图1所示的这个实施例中，通孔为锥形，从而沿从顶面向底面的方向变小。在图1所示的实施例中，连接层设置在通孔104的侧壁107上，这些连接层为例如可由一种例如焊料、焊锡或共熔组合物之类的可熔解介质润湿的区域106。通孔的锥形轮廓通常有助于使可润湿区域通过沉积而形成在通孔104的侧壁107上。适合的连接层将根据盖子元件的材料和用来形成连接的可熔解材料而不同。特定的可熔融介质会影响所形成的连接的电阻特性。对于将诸如低熔点锡基焊料用于半导体、陶瓷或玻璃的盖子元件100，一个示例性的连接层包括一层覆盖在通孔104的侧壁上的0.1μm厚的钛、另一层覆盖在钛层上的的0.1μm厚的铂、以及覆盖在铂层上的一层0.1μm厚的暴露出来的金。
如图2A中所示，盖子元件100对准多个所连接的芯片202(比如包含在晶片201中或作为晶片的一部分)并由密封介质206与水隔绝。密封介质206包括粘结剂、玻璃(特别是那些具有低熔点的)、诸如焊料的可熔解材料或其它可形成与元件的扩散连接的材料，例如密封介质可为形成与连接环的连接，如在图33-36B中所示并在以下结合这些图所详细描述的。密封材料较佳地包括以下的一种或多种热塑性塑料、粘结剂、以及低熔点玻璃，这些材料通常将盖子的底面502直接连接到芯片的前表面601上，而不需要加以金属化。或者，可由焊料、共熔组合物、或者一种或多种可形成与设置在芯片的前表面601上的例如密封环802的金属化部分以及设置在盖子500的底面上的相应金属化部分804扩散连接的金属。当密封材料具有与焊料的流动温度一致的连接温度，则随着通过降低焊料的高度而将盖子的毗邻底面和芯片的前表面拉到一起而形成密封。
在图2B中还示出晶片201的平面图。如图所示，该晶片是许多可得到的晶片中的一种，它包括至少一层半导体材料，这其中包括但不限于硅、硅合金、其它的IV族半导体、III-V族半导体和II-VI族半导体。每片芯片202包括设置在半导体器件层中的半导体器件区域204，该半导体器件层含有例如一个或多个与芯片的半导体材料形成一体的有源或无源器件。这样的器件的例子包括但不限于诸如SAW器件、MEMS器件、VCO等的微电子或微机电器件以及电光学器件。当存在这样的器件的时候，底面103与芯片202的前表面216间隔开，从而在盖子元件100和芯片202之间形成充气间隙或真空间隙214。每一芯片202的器件区域204由导线210传导连接于置于每片芯片的前表面处的连接片区域的连接片208。在某些类型的芯片中，连接片208包括在前表面处暴露的可浸润焊料区域。在一个实施例中，器件区域204包括SAW器件，且密封介质位于圆形或类似环形的构造中，其定位方式是围绕着连接片208和器件区域204以将每个盖子102与每片芯片202密闭密封。
图3A-3C是示出了形成导电互连件303的另一些阶段的另一些截面视图，这些导电互连件从每片芯片202的连接片208延伸进入通孔104中。如图3A所示，例如一可流动导电介质球302的团块在盖子元件100的顶面105处设置于通孔104中。如图所示，球体302包括可熔解的导电材料，例如焊料、焊锡或共熔组合物。可将可熔解材料302的团块放在盖子元件100上，从而如图所示的那样略微向着通孔104的内部放置。当可熔解材料302为焊料球或其它可熔解材料的球团时，通过将一包含孔的丝网放置并对准在盖子元件上并使球体通过丝网的孔向下落入通孔104直到一个这样的球体定位在其中将要形成导电互连件的各个通孔中为止，便可将这些球体放在盖子元件的通孔处或之中。此后，如图3B所示，可熔解材料球体形成与晶片的芯片202的连接片208的连接。例如，当导电材料为诸如焊料、焊锡或共熔组合物的可熔解材料时，直接向球体施加热量或通过将盖子元件和芯片加热到可使材料流动的程度来加热球体。作为这一工艺的结果，可熔解材料流到金属化部分106上并将其浸润，并且流到连接片208上并将其浸润以形成与芯片202的连接片208的连接。该工艺的另一个结果是可熔解的导电材料304形成均一的固体导电互连件303，它们从连接片208延伸进通孔以形成可熔解导电材料的实心团块。这样形成的实心团块延伸通过通孔的整个宽度以密封通孔，并由此将盖子下面的间隙214与位于通孔上方的周边介质分开。
此后，将盖子元件100和晶片201所形成的组件沿形成其边界101的切割线切割成单个的加盖芯片，其中之一在图3C中示出。
平面图3D示出了在完成的芯片202的表面上的部件，这些部件包括芯片202的器件区域204、连接于芯片的连接片的互连件303、以及作为围绕连接片和器件区域204的圆形或环形结构放置的密封件206。
请注意，关于以上的工艺，随着所需的净室水平、即规定空气和设备表面上的污染颗粒的最大浓度水平在工艺的各阶段的变化，可以在不同的设备上可选择地进行不同的工艺阶段。另外，工艺的一些阶段最好在专门用来进行某些工艺步骤的设备中进行。此外，在一个优选实施例中，对工艺的中间结果进行测试以在工艺的具体阶段消除来自工艺流中被确定为有缺陷的产品和原料。
这样，对于以上所述的工艺，一设备可制造盖子元件，即具有可与所要覆盖的含芯片的晶片匹配的尺寸的盖子晶片。例如，这样的盖子元件由空白的晶片制成，这些晶片可以是新的或有可能是在先前的工艺中回收而来的。对盖子元件进行处理以形成通孔，然后对这些通孔进行测试以确保符合质量标准，这些标准例如放置、位置、对准、倾斜、深度、侧壁角度等、以及任何其它的确保质量的标准。在同一个或另一个设备中，当通孔包括可浸润区域时，例如包括其侧壁上的下突出金属化部分(“UMB”)时，则进行处理来形成可浸润的区域。由于所使用的技术以及盖子元件部件及其公差的尺寸增加，这些特定的步骤可在不需要与半导体器件的制造相适应的设备中进行。然而，如果需要的话，这样的步骤也可在半导体制造设备中进行。再一次，在结束这一工艺的时候，可选择进行测试以确保盖子元件的可浸润区域符合质量标准。
此后，盖子元件和含有芯片的晶片根据以上参见图2A所述的工艺连接到一起，这样的连接工艺较佳地在具有高净室水平的设备中进行。例如，希望这样的工艺在半导体制造设备中进行，比如在制造芯片晶片的设备中。当芯片包括诸如图像传感器的光作用元件，由于主要关注的是将盖子元件作为盖子安装到芯片晶片上以避免灰尘污染，所以如果需要的话，可将完成各个盖子元件的导电互连件303的工艺步骤推迟到后面的工艺中。然而，如果芯片含有SAW器件、MEMS器件或其它此类需要密封封装的器件，则需要在此时形成导电互连件303以便在后面的工艺步骤中形成保护SAW器件的密封。再一次，在前进到后续制造阶段之前，需要进行某种测试以在进行以下的制造工艺之前确保满足质量标准。接下来进行形成电气互连件(如果还没有形成的话)并且如果需要的话设置附加的密封件的工艺。这样的工艺可在与半导体制造设备不同的另一个设备中进行，并且该设备不需要具有象半导体制造设备那样高的净室水平。
类似地，后续的添加诸如光学透镜、插入元件、导热元件等其它元件以完成封装的工艺、以及例如以下结合图7C-11B或图16-17所描述的工艺以将封装好的芯片安装到电路板上的工艺不需要在同一个设备中进行。这样的后续工艺可在不具有与将盖子元件安装到含芯片的晶片上的工艺相同的净室水平的环境中进行，该步骤较佳地在半导体制造设备中进行。
如以上所述的将盖子元件安装到芯片晶片上对于某些类型的芯片的封装特别有利，尤其是那些包括SAW器件、MEMs器件和光学器件的芯片，由于这样的工艺可在半导体制造设备中有效地进行，而在该设备中污染源被控制在最小的程度，因此可增加产量。特别地，尤其需要通过在封装工艺中尽可能早地将帽子或盖子连接到芯片的前表面上以保护包括诸如电荷耦合器件(CCD)阵列的图像传感器的芯片不受灰尘或颗粒污染物的污染。此类图像传感器包括芯片的图像器件阵列，在该阵列上形成包括气泡状微透镜阵列的覆层与器件阵列接触。微透镜阵列通常是每个器件阵列的像素单元包括一个微透镜，该像素单元具有每一边为数个微米的尺寸。此外，这样的微透镜通常由粘性材料制成，在制造之后，灰尘易粘附在该粘性材料上。如果可以直接放置在图像传感器上的话，颗粒和灰尘会使图像传感器的一部分像素区域变暗，使由该传感器所得到的图像呈现黑点或不清晰的图像。
然而，由于微透镜的形状和它们的数量以及制造它们的材料的粘性特性，实际上没有可能将附在具有这样的微透镜的典型图像传感器上的灰尘或其它颗粒去除。这样，在形成微透镜阵列之后任何时间、比如在封装工艺中附在图像传感器上的任何颗粒会使图像传感器有缺陷，从而必须将这些颗粒去除。这就解释了为什么在根据传统的芯片装板(chip on board)技术进行封装时在最后封装好的芯片中的成品率只有在每一晶片上所制造的芯片数量的80％到85％。
另一方面，附在芯片的外表面上方的透明帽子或盖子上的颗粒和灰尘不会使图像的一部分变暗，因为盖子的外表面位于器件的焦点平面的外侧。在最坏情况下，附在盖子上的颗粒会导致照射在图像传感器的一部分上的光的强度略有减弱。光强的略微减弱几乎不会影响图像传感器所得到的图像质量。另外，如这里所述的，帽子或盖子可安装在芯片的图像传感器上，同时各芯片保持连接为晶片的形式，即在将晶片切成单个的芯片之前。安装盖子较佳地在与制造晶片的净室环境水平基本相同的条件下进行，例如在芯片离开半导体制造设备之前。这样，可防止灰尘和颗粒到达芯片的图像传感器的表面。另外，一旦芯片由此类透明盖子保护，如果有诸如灰尘的颗粒时就有可能清洁盖子的顶面。这是因为可以将透明盖子制造成基本为平面，而不象图像传感器的气泡状微透镜的凹凸形状，并可由诸如玻璃的材料制成，该材料可用溶剂清洗。由于一旦将透明盖子晶片安装到芯片晶片上，就可基本上消除灰尘污染图像传感器的潜在可能，因此估计在封装周期的早期设置有透明盖子的图像传感器芯片具有97％-99％的成品率。在这样的情况中，由于污染图像传感器而引起的缺陷率就不再是主要的了，而是由于诸如电子功能的其它原因。
希望在将盖子元件100连接到含有芯片的晶片201(图3B)上并在其上形成导电互连件304之前在晶片201上进行测试。“晶片级测试”是指在将诸芯片切成单个芯片之前通常在诸芯片上进行的测试。一般称为“芯片级测试”的进一步的测试通常只在将芯片从晶片上切下并封装成单个芯片之后进行。
晶片级测试通常测试的是诸如电气连续性等的基本功能以及每片芯片的基本功能操作。希望这样的测试在单个封装每片芯片之前进行，从而节省下封装随后被确定为有缺陷的芯片的成本。这样，希望只对通过最初的晶片级测试的芯片、即“已知完好的管芯”进行封装的步骤。通过只对“已知完好的管芯”进行封装可以避免不必要的封装操作和/或返工的封装操作。
晶片级测试通常需要较少的时间，在每片芯片上花费的时间大约要比芯片级测试少100倍。然而，虽然芯片级测试对每片芯片所花费的时间较多，但可以对晶片的表面进行机械探测的设备所进行的晶片级测试对每片芯片所花费的成本会等于或超出芯片级测试的成本。精确地机械探查晶片表面上的接触所需的专用设备十分昂贵。出于这一原因，这样的专用设备在制造设备中还受到资源限制。另外，这样的设备在每片芯片上可以同时接触的接点通常要少于芯片级测试，对于芯片级测试，芯片通常被放置在插口中以备测试。影响晶片级测试成本的另一个因素是用来探查晶片的接点的专用设备限于一次测试单个芯片，或者一次最多测试几个芯片。
另一方面，如上所述，可以用有可能比上述机械探测设备廉价的测试设备对例如图1-3D中的被加工成晶片形式的加帽芯片或晶片形式的加盖芯片的芯片进行晶片级测试，因为芯片的互连件置于盖子晶片顶面上，并且出于这一原因，该互连件可由类似于进行芯片级测试的设备来探测。例如，盖子晶片的顶面和外表面可由测试设备的接点支承绝缘元件机械接触，测试设备的接点通过机械力与晶片的多片芯片的导电互连件保持接触。这样，通过经各个加盖芯片300的互连件303向仍保持晶片201(图3B)的形式的连接的多个芯片施加电压和/或电流来进行测试。在这样的方式下，使用可比上述设备更廉价的设备同时对各个晶片的多片芯片进行测试并确定是好的还是有缺陷的，因为不需要对晶片表面进行直接的机械探测。在一个特定实施例中，对加盖的芯片以大于“晶片级测试”通常进行的子组进行测试。由于含有加盖芯片的晶片可以由比以上所讨论的机械探测设备廉价的测试设备来测试，因此这是可能的。此外，一次测试更多数量的芯片的能力使得对于用较廉价的测试设备进行的同样总数的测试次数来说，可以对每片晶片进行更多的测试。在一个更加优选的实施例中，在将芯片从含有加盖芯片的晶片切成单个加盖芯片之前，诸加盖芯片在这样的设备中测试所有或几乎所有在芯片级测试中进行测试的功能。
图3E和3F示出了对上述实施例的一个变型，其中一种密封材料位于芯片202和盖子102之间，从而将加盖芯片的电气互连件350与毗邻的电气互连件分开。
图3E和3F是这类加盖芯片的截面图和与该截面图相对应并通过线3F-3F的平面图。在这个实施例中，加盖芯片340包括如上述实施例一样围绕芯片202的器件区域204的密封材料346，但还包围着电气互连件250的区域。较佳地，密封材料是一种绝缘材料，例如如上所述的诸如环氧树脂或其它粘结剂的不导电聚合体、热塑性塑料、比如低熔点玻璃的玻璃等，从而密封材料在毗邻的电气互连件之间形成绝缘介质。
如图3E中进一步所示的，可选择在芯片202的前表面上放置有密封环形层342，从而使密封材料346粘附于密封环形层342。密封环形层形成可由密封材料346浸润的表面，从而使密封材料优先浸润密封环形层并与其形成连接。加盖芯片可选择包括用来防止密封材料流出可浸润密封环形层流向芯片202的器件区域204的保护环348。保护环形成不可由密封材料浸润的表面。某些材料形成对其它材料不可浸润的表面。例如，聚四氟乙烯(PTFE)形成大多数材料无法粘附或浸润的表面。在一个实施例中，保护环348包括有PTEF作为其暴露的表面。可选择在盖子的面对的表面103上设置类似的密封环形层和保护环。
这里，虽然一般将工艺和附图描述为与单个芯片和单个盖子相关，但除非特别指出，应该将它们理解为适用于同时处理例如晶片的多个连接的芯片以及例如盖子晶片的多个连接的盖子的元件的盖子。
图3G到3H示出了制造图3E-3F所示的加盖芯片的一个选择方案。如以上所描述的实施例，该实施例较佳地以同时将包括多个芯片的芯片元件安装到包括多个盖子的盖子元件的方式进行，此后，将所生成的相连接的产品切断以形成单个的加盖芯片。如图3G所示，将绝缘密封材料346放置在芯片202或盖子102的表面上。然后将其中具有预先形成的通孔的盖子与芯片并列放置并对准，从而接触并浸润盖子102和芯片202各自的区域，包括密封环形层342，但不浸润保护环348。结果，密封材料流到例如芯片202的连接片208的接点上并置于该连接点上。
此后，如图3H所示，进行一工艺以去除位于连接片208上的不需要的密封材料346。这一工艺较佳地调节成与所用的具体密封材料相适应。例如，当密封材料是玻璃时，该工艺较佳地通过蚀刻来进行，蚀刻较佳地以各向异性进行，例如通过活性离子蚀刻、溅射蚀刻或其它包括去除主要在垂直方向上的材料的工艺。然而，在另一个实施例中，蚀刻工艺不必高度各向异性。如果所要去除的密封材料的相对厚度352比毗邻的连接片208之间尺寸354(图3F)小得多，则该蚀刻工艺甚至可以是大致各向同性工艺。那样，将密封材料346从连接片208的顶部去除不会产生宽度足够使毗邻的电气互连件互相接触的区域。在一个特定实施例中，当密封材料是一种例如诸如粘结剂或热塑性塑料的聚合体的有机材料时，通过一种“等离子灰化”的工艺来进行材料的去除，在该工艺中等离子蚀刻造成聚合体转化成灰状物质，使连接片208的表面暴露。此后，导电互连件350通过诸如以上所述工艺中的一种工艺而形成。
图3I到3N示出了用来制造与以上结合图3E到3H所述类似的加盖芯片的替代工艺。参见图3N所示的完成的加盖芯片，该实施例与这里所述的实施例的不同之处在于密封材料356是一种自熔融底层填料。自熔融底层填料是一种通常用来填充芯片的前表面和该芯片将要以倒装晶片的方式安装其上的外壳元件之间的空间的绝缘材料。通常，自熔融底层填充材料是一种环氧基的材料，该材料在正常环境温度或略微有些升高的温度下施加的时候是粘滞的，但加热后就硬化为固体。该材料的自熔融方面与组合物的成分有关，该成分使它在用于焊接物体时充当助熔剂。从另一方面说，该自熔融底层填充材料将例如氧化产物的反应产物从与其接触而进行的焊接工艺中带走。在图3N所示的一个特定实施例中，将自熔融底层填充材料放置成与密封环形层342接触并通过保护环避免与芯片的器件区域204接触。密封环形层与以上结合3E-3F所述的密封环形层和保护环类似。在盖子元件100的下侧103(底侧)上还可放置类似的密封环形层(未示出)和保护环(未示出)。
将结合图3I到3N来描述适用此类自熔融材料的加盖芯片的形成工艺。制造加盖芯片的最初阶段在图3I中示出。在这样的阶段中，包括多个盖子102的盖子元件100对准并叠合放置在包括多个相连接的芯片202的芯片元件200上。例如，盖子元件100和芯片元件200可在一固定器上固定在一起。此后，如图3K所示，盖子的贯穿通道承载有可熔解的导电介质，例如焊料、焊锡、共熔组合物或可扩散连接介质等。在这样的情况下，可熔解的导电介质可粘附于通孔的壁107上，这些壁较佳地形成可由可熔解的导电介质浸润的表面。或者，如上所述，使这些金属化以形成可由可熔解介质浸润的表面。图3J中所示的一个施加可熔解介质的方法是通过粘胶丝网(paste screening)。另一种方法包括例如在通孔处向盖子102施加熔融焊料。这一步骤的结果是在通孔358处向盖子102设置焊料团块，比如通过连接、粘结、表面张力等方式。图3K示出了一个替代方案，其中将可熔解介质以诸如焊料球304的球团的形式施加，施加方式为以上结合图3A所述的方式。此后，在盖子元件200和芯片元件100之间将自熔融底层填充材料施加到包围着各个芯片的器件区域204的空间中，形成图3L和3M所示的结构。可通过毛细作用向芯片元件的各个芯片以及盖子元件的各个盖子的周边的密封面提供自熔融底层填充材料。例如，再次参见图2B，通过将密封材料施加到沿直线切割通道放置的芯片和盖子的密封面上来进行填充工艺，这些切割通道包括诸如晶片的芯片元件的垂直切割通道211，同样还沿水平切割通道213。
在一个特定实施例中，如果以上所述的毛细作用不足以达到满意的填充质量，可对较少数量的所连接的芯片和盖子进行该工艺，对于这些芯片和盖子来说这样的填充方式是足够的。例如，在一个实施例中，盖子元件包括一条一个盖子宽度的芯片带，而芯片元件包括一条一个芯片宽度的芯片带。向带子上的每个芯片和每个盖子外围边缘之间的界面上施加底层填料，然后将自熔解材料抽到毗邻每个芯片的外围边缘的可浸润密封环形层上。
在施加了底层填料之后，加热如图3L和3M所示的结构，从而使例如焊料的可熔解介质沿着通孔的壁向下流，以浸润、接触并连接芯片202的连接片208，如图3N所示。在这样的加热步骤中，自熔融底层填料356由熔融介质所取代。然后，自熔融底层填料较佳地还提供助熔剂以将由于连接工艺所产生的氧化物带走，从而在熔融介质358所形成的电气互连件350和连接片208之间获得较好的导电连接。此后，如以上结合图1-3D所述的实施例，将该结构切割成单个的加盖芯片。
在以上实施例的一个变型中，在相对于芯片元件将盖子元件对准并放置到所需的位置上之前，向芯片元件和盖子元件的相反表面103、216中的至少一个提供自熔融底层填充材料。
在如图3O所示的另一个实施例中，可熔融导电材料的团块预先连接于盖子102的通孔104的可浸润表面，然后由设置在芯片202的连接片208上的导电粘结剂316将盖子连接，从而形成从连接片208通过通孔延伸到盖子102的顶面105的导电互连件。同时，该工艺可同时对诸如含芯片的晶片的多个相连接的芯片以及诸如盖子晶片的多个盖子同时进行，然后将连接好的结构切断以形成单个加盖的芯片。这一工艺允许在室温条件下或者至多在最低限度地提高温度的条件下、即不需要加热到足以使诸如焊料的可熔融材料流动即可连接盖子晶片和含有芯片的晶片。为了在例如两种晶片的CTE不匹配的时候避免含芯片的晶片和盖子晶片之间的膨胀差，这样的工艺是有优势的。
通过例如将受控的量的焊料由丝网印到盖子晶片的各个通孔中来提供可熔融材料团。或者，可通过使由焊料浸润的锥形通孔的盖子晶片与焊料熔池接触来提供可熔融材料团，从而可将焊料引到通孔的可浸润表面上以用焊料填充通孔。通孔较佳地以所示的任意一种方式呈锥形，即从顶面105向底面103变小，或者从底面向顶面变小。在另一个替代方案中，通孔从顶面和底面同时呈锥形，向着通孔104厚度的中间部分变小。施加焊料形成具有延伸出盖子的底面103的突起315的焊料团314。突起315可为施加例如焊膏的液体焊料或熔融焊料的自然结果。在任一情况下，由于表面张力，形成产生突起315的固着液滴。突起315设有在将盖子与芯片放到一起时取代一定量的导电粘结剂的表面，从而使焊料团314完全接触导电粘结剂316。导电粘结剂较佳地为各向异性导电粘结剂，它通过粘结剂中受压而与焊料团314和连接片208接触的导电元件沿垂直方向传导。如以下结合图10B所描述和显示的，由于粘结剂的导电元件之间的侧向间隔，各向异性的导电粘结剂并不沿侧向317传导。
在这个实施例的一个变型中，如图3P所示，在所使用的连接片附近施加一种粘滞的不导电粘结剂318。在这一情况下，预先形成的焊料团314的突起315取代不导电粘结剂，从而与连接片的上表面接触。该不导电粘结剂的功能是保持焊料团314与连接片208的接触。可进行施加略有上升的温度来固化和/或收缩不导电粘结剂318，从而更好地保持突起315和连接片208之间的接触。
图3Q和3R进一步示出了这一实施例的变型，其中对每种情况中的盖子晶片添加附加的突出部件，对准通孔104，这样的突起部件设置用来确保设置在盖子晶片102中的预先形成的导电互连件结构与芯片102的连接片之间的接触质量。具体来说，在图3Q中，突起部件包括在通孔104的位置处施加于盖子晶片102的柱状突起324。在一个特定的实施例中，例如通过抛光使焊料团314为平面，在抛光之后施加柱状突起324以制成所示的结构。在下面将贯穿本申请对包括柱状突起的实施例进行详细描述。在图3R中，焊料团314并没有完全充满通孔。在这样的情况下，例如柱状突起的突起部件326填充通孔中的剩余空间以突出于盖子102的底面103。虽然图3Q和3R示出了使用导电粘结剂、即较佳地为各向异性的导电粘结剂的结构，但也可以结合图3P所述的方法使用不导电粘结剂。
图3S到3V示出了一种将包括晶片形式的加盖芯片的结构360切割成单个加盖芯片的方法的一特定实施例。
如上所述，盖子晶片和含芯片的晶片不需要由相同的或类似的材料制成。例如，基本上由硅组成的含芯片的晶片可连接于基本上由玻璃组成的盖子晶片连接。在这样的情况下，在包括连接于含芯片的晶片的盖子晶片的结构可以被切割成单个加盖芯片的情况中会产生问题。通常，可用25μm宽的刀片来切割硅晶片，该刀片以每分钟70mm的速度锯过晶片的厚度。另一方面，具有325μm的示例性厚度的玻璃晶片必须用具有75μm厚度的刀片来切割，该刀片同样也以可比的速度进行切割。最适合切割硅晶片的刀片如果用在玻璃晶片上的话会造成碎裂。相反，最适合切割玻璃晶片的刀片如果用来切割硅晶片的话也会造成令人不满的结果。
为了切过包括硅晶片和玻璃晶片的结构，产生了拙劣的折衷。对于厚度为数百微米的给定的组合结构，一种可以同时切割硅晶片和玻璃晶片的锯切工艺以每分钟5mm的速度进行，这是不可接受的。此外，通常需要数十次的切割来将这种晶片的所有芯片切割成单个单元。
图3S示出了根据本发明的实施例将结构360切割成单个单元的改进方法。在这个实施例中，密封材料206被置于含有芯片的晶片和盖子晶片之间，密封材料206为以上结合图2A所述的或其它上述实施例中的。盖子元件100和含芯片的晶片200互相间隔开一段距离。在一个实施例中，该距离由例如盖子晶片或芯片晶片中突出于盖子晶片或芯片晶片各自的相反面216、103的部件控制，如在以下将结合图23详细描述的。或者，密封材料可包括例如半球的间隔件，以在芯片和盖子晶片之间保持最小的间距。
首先用最适合切割两种晶片之一的锯子锯切结构360，随后用适合切割另一种晶片的锯子切割。例如，具有厚刀片的锯子首先形成较厚的切口362，切过玻璃盖子元件100，如图3S所示。这样的切口362可接触密封材料206，但不切过密封材料。然后，较佳地重复这一锯切操作来使所有这些穿过玻璃的切口通过整个盖子晶片。如上所述，由于这一原因，这一最适于玻璃的锯切操作可快速进行。此后，具有相对较窄刀片的锯子用来生成较窄的切口364，如图3S所示，在这一情况中，刀片和锯切操作最适于切割硅晶片。较佳地，进行这一切割以切割穿过硅晶片的全程并穿过剩下的密封材料。在这样的情况下，有了盖子元件100中的切口362的较大宽度，则较窄切口364与较宽切口362相接以完成对芯片的切割。由于分别切割每一晶片的速度大约比使用单片锯子切割组合的结构360的速度的大一个量级或更大，因此可产生有利的结果。这样，当采用根据本发明的方法时，与使用可同时切割两种晶片的刀片相比，切断芯片的速度至少快了数倍，例如大约快5到10倍。
图3T示出了使用本发明的这一方法切割的单个加盖芯片300。如此处所示的，加盖芯片单元300的芯片366和盖子368的边缘并没有完全对准。这是进行两个独立的锯切操作的结果。独立进行的锯切操作要完全对准和定向如果说不是不可能的也是很难达到的。图3U和3V是示出了在切割成单个单元之后的加盖芯片的平面图。如图3U所示，会由于两次切割操作而产生沿切割线370、372的一根或多根轴线方向的某些位移。如图3V所示，一次锯切操作相对于另一侧锯切操作的角位移也会造成切割线370、372的角位移。
图4A和4B分别是示出了加盖芯片430的特定实施例的截面图和俯视图，其中电气互连件303由形成于盖子102的顶面上的线路434导通连接，比如为了重新分配电气连接。在这样的实施例中，线路434从设置在侧壁上的连接层106经过在一个电气互连件303a处的通孔延伸到设置在另一个电气互连件303a处的连接层106。线路434可在不同于连接层106的时间形成，或者同连接层106同时形成。如图4A所示，在位于通孔436下层的区域处，密封介质432设置在盖子和芯片202之间。当将可熔解导电材料放置在通孔436中并且通孔438被加热时，该材料形成与连接层107固体连接的连接件，并且在连接片208和电气互连件303b之间形成导电连接件。注意到在这样的工艺过程中，由于密封介质阻挡材料流到低于盖子102的底面的位置，可熔解的材料并不从通孔436流到芯片上。或者，如果该布置允许芯片的两个连接片处于相同的电势，例如为了分配功率或接地连接，则芯片可包括在通孔436下方的连接片，且密封介质432不在通孔436之下，从而电气互连件303b也可连接于连接片。
图4C-4D分别是示出了以上结合图4A-4B所讨论的加盖芯片结构100的截面图和平面图。同时参见这两幅图，在这个结构中，再分配线路440设置在盖子102面对芯片202的侧部103上，也就是说在盖子的下侧，在此也称为盖子的“底侧”，而该线路440可充当“扇出”线路。可充当“扇出”线路，目的是在盖子上设置接点，与芯片的连接片相比，这些接点位置分得更开且所在的位置更便于更高水平的封装。这样的布置使芯片的尺寸可做得更小，这样，由于在一片晶片上一次可制造更多的芯片，因此芯片工艺的成本效率更高。盖子102由如以上所述的材料形成，且较佳地以晶片形式的多个连接着的盖子安装到含芯片的晶片的多个连接着的芯片上，在此之后，将连接着的结构切割成单个单元。
具体参见图4C，再分配线路440从导电材料的互连件团块442的位置开始沿盖子的下侧103延伸，互连件团块通过通孔104从底侧103延伸到顶侧105。形成团块442的导电材料是一种可流动的导电材料，比如可承载电荷的聚合体、一种或多种金属或可熔融的导电介质。最佳地，团块442由诸如焊料、焊锡或共熔组合物之类的可熔融导电介质形成，并且形成为与置于通孔的壁上的连接层107接触。在导电线路的另一端，较佳地设置有诸如柱状突起的突起444。突起444表面粘结有诸如导电粘结剂446以形成从芯片202的连接片208到线路440的导电通路。较佳地，粘结剂为各向异性的导电粘结剂446，比如以上结合图3O-3R所述的类型。或者，可以使用一种不导电粘结剂来替代导电粘结剂，使用方式为以上结合图3P所述的方法。或者使用诸如焊料的可熔融导电介质来替代导电粘结剂。在这样的情况中，在将盖子晶片连接到芯片晶片上之前，诸如焊料之类的可熔融材料团块较佳地作为凸块施加在突起444上，或者如果不存在突起的话则施加在线路440的相应位置上。然后加热盖子晶片和芯片晶片以使焊料再次流动，这样就形成在显示有导电粘结剂446的位置上连接两片晶片的焊料团块。
在一个实施例中，盖子晶片通过在盖子晶片上印上一层金属以形成再分配线路440来形成，在此之后，通过蚀刻工艺或其它在达到再分配线路440时结束的去除工艺来形成通孔。然后在通孔的壁上根据需要形成连接层107，通孔则随后充满导电材料，那种导电材料较佳地为诸如焊料的可熔融的导电材料。
图4E是示出了将从采用图4C-4D所示的再分配设计的重新设计中受益的芯片202的一个例子的平面图。如图4E所示，芯片202为矩形，从而芯片具有长边242和短边244。使用矩形形状是因为芯片的器件区域204的矩形形状，芯片可以要求为矩形，也可以不为矩形。例如电荷耦合器件(CCD)阵列需要为矩形以摄取图像。在这样的芯片202中，互连件导线246将信号从连接于器件区域204的点248传给芯片202的连接片208。然而，芯片的矩形形状并不是最优的，因为具有相同面积的大量芯片可在单片晶片上制造，这样如果芯片为正方形的话可使制造成本效率更高。另外，当外壳的接点设置在可以两维的自由度变化的位置上时，用导线连接的方式形成与含芯片外壳的互连件更加困难。例如，如图4E所示，芯片的连接片208的位置沿芯片202的短边244垂直变化。连接片的其它位置沿长边242水平变化。芯片的连接片208的这些位置反应在例如包括芯片的加盖芯片的外壳(未示出)的接点的对应位置上，这些接点还沿外壳的短边位于不同的垂直位置且沿外壳的长边位于不同的水平位置上。
如果外壳的接点、由此芯片的连接片208位于沿水平或垂直方向但不是同时包括水平和垂直方向延伸的直线定位，则可得到更快、更有效和/或质量更高的导线连接。这样，当导线连接件在每个位置上形成连接导线，则只需要沿每条线在各个水平位置之间移动。
因此，如图4F所示，在本发明的一个实施例中，导线252从连接点248延伸到位于沿芯片256的水平(长)边242之一的不同位置上的连接片254。
示出了具有位于盖子下侧的再分配线路的盖子的以上所述实施例需要采用具有诸如图4F所示的设计的芯片、设置有因芯片上的连接片的不同布置而必须的任意单路再分配的盖子。
诸如焊料的可熔融导电材料以以上结合图1-3N以及4A-4B所讨论的方法进行的流动和连接适于具有包括暴露区域的连接片的芯片，这些暴露区域可由焊料或其它可熔融材料制成。在某些类型的芯片中，特别是那些具有铝制连接片的芯片以及某些类型的SAW芯片中，在封装后芯片可用的形式中，连接片不可由焊料或其它此类可熔融材料浸润。铝制连接片在正常的大气环境下会氧化形成通常不会被熔融的焊料浸润的氧化铝表面层。另一方面，某些类型的晶片，尤其是III-V族化合物半导体晶片包括由金形成或包括金的外层的连接片。这里，一个不同的问题是连接片上的金会被焊料和其它可熔融材料溶解，这有可能破坏连接片，造成连接片和连接线路之间的开路。
解决这些问题的一个方法是在将盖子元件连接到晶片上之前，在晶片的连接片208上特别形成连接层，连接层可由焊料(或其它所使用的可熔融材料)浸润。这样的连接层可由诸如在芯片上形成下突出金属化部分(“UMB”)的工艺来形成。然而，某些类型的芯片，尤其是SAW器件对污染十分敏感，且会因为用来形成连接层的工艺而功能削弱。
因此，在图5所示的本发明的一个实施例中，通过在盖子元件已经连接于晶片之后在芯片的连接片上形成连接层来解决这样的问题。如图5所示，在这样的实施例中，将包含芯片202和盖子102的晶片的连接组件放在一腔室中，在该腔室中，该组件经受一种或多种材料的沉积以形成连接层540，例如在连接片208的表面上的UMB。例如接触掩膜片的掩膜片也可置于芯片202之上，从而在沉积的过程中只有通孔104暴露出来。或者，在芯片连接于盖子且电气互连件303形成之后，可将沉积材料从芯片202的顶面上去除。在这样的沉积中，芯片202还充当遮荫掩模片以防UMB沉积到芯片202的器件区域204上。
作为沉积的结果，在通孔104的侧壁107上还可同时形成连接层106。在这样的工艺过程中，将连接片208表面上的绝缘氧化物去除。
对以上关于图1-3D所描述的实施例的一个限制因素是它需要焊料球302(图3A)在软熔工艺中熔融，熔融焊料球的弯月面(未示出)悬垂得足够低以接触涂覆有UBM的连接片208，并从而形成与连接片208的焊料连接。焊料连接是否形成取决于数个因素，包括熔融焊料球的体积、通孔104面向芯片的开口尺寸、以及芯片102和盖子101之间空间的高度。此外，这样的工艺使盖子102和芯片202之间的高度125几乎没有选择余地。希望这样的高度通过例如在器件区域包括需要一腔室的SAW器件或MEMS器件时将盖子放在芯片的器件区域上方由功能性确定。
如图6A-6B所示的实施例解决了这个问题。在这个实施例中，导电柱状突起662施加在芯片的连接片208上，这一过程最好在芯片为晶片形式的时候进行。此后，盖子元件对准晶片并与其密封。在对准步骤中，柱状突起、尤其如果它们含有相对较粗的轴时有助于将盖子元件与晶片适当对准的过程，因为在对准时柱状突起662向上竖起、部分地穿过通孔106。可将含有某种金属的柱状突起直接应用于连接片上而不需首先施加诸如UBM的连接层，从而提供另一个形成与不能直接由焊料浸润的连接片的导电互连件的方法。例如，基本上由铜、镍、银、铂和金之一或多个组成的柱状突起可以这种方式应用。当可浸润的连接层设置在连接片上时，可使用焊料或其它可熔融导电材料的柱状突起。
然后使用诸如以上关于图3A-3B所描述的工艺来形成包括柱状突起和可熔融材料的电气互连件663，从而从连接片208延伸通过通孔665。如以上所述的实施例，在芯片202和盖子102之间设置密封介质664。对于某些密封介质的一个问题是仅仅通过控制密封介质的量或施加密封介质之后施加在芯片位置上的压力是难以控制密封介质的厚度T的，从而难以控制芯片和盖子之间的间隙。
这个问题在图6A所示的实施例中得到解决，其中每个导电柱状突起662具有凸肩666，盖子102的底面103靠在该凸肩上，从而使底面103与芯片的前表面216间隔开一段距离T。如在6A中明显示出的，距离T包括连接片208延伸在芯片的前表面216上方的任意厚度T2以及柱状突起的下部“球体”部分从连接片208到凸肩666的厚度。
图7C示出了根据本发明的另一个实施例的加盖芯片748，其中设置有导电互连件，该互连件包括从芯片202的连接片208经盖子102中的开口754延伸到位于盖子的顶面105上的接点750的连接导线752。开口754可同以上关于图1-3D所述的通孔104相同，例如为每一通孔可容纳一个互连件并使连接导线752可与芯片的各个连接片连接。或者，开口754可为连接窗口，该窗口的尺寸和形状为例如主要沿着沿盖子的一根直线的方向延伸从而位于一排直线延伸的芯片的连接片208之上，并且可形成通过开口的与那排连接片208连接的导线连接。虽然加盖芯片748的外围边缘由密封材料206以以上结合图1-3D所述的方法形成密封，但还可形成附加的密封材料756与盖子的开口754接触以在形成连接导线之后密封开口。这样的密封材料可包括例如一种聚合体，该聚合体可硬化以形成使各个连接导线互相之间绝缘的不导电区域，同时还机械支承连接导线。在一个具体实施例中，密封材料756是一种密封剂，该密封剂作为绝缘介质主要沉积在盖子的顶面上，但除了接点750所在位置以外。或者，诸如较佳为低熔点玻璃的玻璃的另一种绝缘体置于每个通孔中以绝缘和支承连接导线。在一个具体实施例中，一团诸如可承载电荷的聚合体或可熔融导电材料的可流动导电材料沉积在各个开口754中以在聚合体的位置处密封开口，该实施例中导线连接延伸通过各个对准连接片的通孔104。这样，放大的导电互连件758在盖子102的顶面105上形成，互连件758延伸通过各个开口以密封包括接点750的区域的开口。在此情况下，通过形成与这样形成的互连件758的适当的导电连接件可进行更高水平的组装。
图7D示出了图7C所示实施例的一个变型，其中连接于芯片连接片208的连接导线762不与盖子上的接点连接。相反，芯片通过将导线面向上地连接于外壳元件760的接点764而连接，外壳元件为例如多种类型的绝缘元件中的任何一种以及其上具有导电线路的基片。在导线连接机器的能力上的优势使具有相对复杂的外形的连接导线形成，且该导线能可靠且重复形成。这样，图7D示出了一个例子，其中连接线762形成为直接在芯片的连接片和二级外壳元件之间延伸，该二级外壳元件为例如绝缘面板或电路板，且与连接片208的距离要大于以上在图7C中所示并描述的。在这个实施例中，盖子102较佳地为可至少部分透光的元件，这一术语是指对于一定器件感应范围内波长的光半透明或透明的元件。更佳地，盖子102为透明的，主要由诸如玻璃或聚合体的材料组成，这些材料可模制。在一个具体实施例中，盖子是模制而成以包括例如透镜的光学元件，比如2004年8月27日提交的共同转让的共同待审批美国专利申请10/928,839中所描述的盖子和光学元件，本申请是该申请的部分延续申请。
在这个实施例中，连接导线的形成以将芯片连接于外壳元件760是在盖子102由密封材料206贴附于芯片202之后进行的，且芯片通过例如一般称为“管芯连接”粘结剂的粘结剂766安装在外壳元件上。或者，可将一热导体安装在芯片202和盖子102之间以将热量从芯片导出并导入安装在外壳元件上的热导体座上，比如2004年2月20日提交的共同转让的共同待审批美国专利申请10/783,314中所描述的，该申请的内容结合于此作为参照。在一个具体实施例中，芯片以“芯片装板”结构连接于例如印刷电路板或柔性电路板的电路板上以取代外壳元件760。
图7D所示的上述实施例对于封装包括例如图像传感器的光学工作元件的芯片尤其有利。这样的传感器尤其易受灰尘或其它颗粒污染物的影响，这在芯片制造好之后尤其容易发生。直接落在芯片的图像区域中的灰尘或其它颗粒会使工作的图像区域的一部分像素变暗，从而会使芯片不能用。在这个实施例中提供的方法通过在进行后续更高水平的封装操作之前在芯片上设置透光保护盖来减少这种污染的风险。
在另一个实施例中，如图7E所示，连接导线774从芯片的连接片208延伸到鸥形翼外壳770的连接架772。这一封装的芯片较佳地包括光学工作芯片和透光盖202，比如以上结合图7D所述的芯片。附加的外壳盖776安装在盖子的垂直件778上，希望外壳盖776还至少部分透光，较佳地为透明的。
在一个具体实施例中，如图7A所示，单元700包括导电连接件703，该连接件包括柱状突起662和将柱状突起与盖子102密封的导电材料704。在这个实施例中，导电材料704是比如导电粘结剂或导电密封剂的导电有机材料。当形成盖子的材料与芯片CTE不匹配，使用可在室温或略微升高的温度下固化的导电有机材料是有利的。这样，可对单元700生成导电互连件703而不会由于CET不匹配而在芯片或盖子上引起应力。
如图7A以及图7B中的平面图进一步所示的，单元700还可包括多个这样的导电互连件703，它们由再分配或扇出线路706与各个导电接点708连接。这样，离开芯片的信号通过导电互连件703和线路706再分配给距离器件区域710较远而距离加盖芯片700的边缘较近的接点708。
如图8A和8B所示，一旦包括加盖芯片的单元300形成，它随后可对准并表面安装于印刷电路板(PCB)或其它类型的电路板802以形成组件800。图8A示出了具有对准于例如电路板802的接线片808的端子的互连件的可熔融材料304的单元300。图8B示出了在加热以使可熔融材料与电路板802的端子808连接之后所形成的组件800。虽然熔融是在含氧环境中连接材料通常使用的方法，但在抑制污染的情况下也可以不用熔融的方法来进行连接工艺，即通过在诸如氮气、氩气或真空的无氧环境下将单元300连接到电路板802。
根据某些表面安装的实践，在安装单元之前可向电路板施加过多的焊料以增加可用来连接的焊料的体积。如果需要的话，可在安装单元之前将这样预形成的焊料与助焊剂一起涂于电路板的端子。图9A和9B示出了这样的技术。如图9A所示，由于用来制造加盖芯片单元300的工艺，设置在单元300的通孔的连接层917上的可熔融材料916并不完全充满通孔，而是在电路板802上方的通孔部分留出间隙921。通过在电路板802的端子920上设置额外的焊料或其它可熔融材料的预形成部分922，则提供了足够的焊料来在单元300和电路板之间设置可靠的连接。图9B示出了在加热以使包含在预成形部分和通孔中的焊料熔解并连接、进入通孔中以形成与端子920的连接924之后由单元和电路形成的组件900。从预形成部分加入的焊料使胀起的焊料连接924形成，它足以建立与端子的连接。
作为对以上的替换，焊料预形成部分可设置用来按等级将单元焊接到电路板上。用另一种方式来说，可使用熔化温度高于用来将单元300与电路板连接的焊料的焊料或其它可熔融材料来形成单元300的导电互连件，从而最初温度较高的材料在后续的连接操作中不会熔解并软熔。
图10A和10B示出了将单元300与电路板连接以形成组件1000的另一种方法，其中导电粘结剂1022用来将单元300与电路板1019的接线片1020导电连接。图10A示出了在将单元300放置对准电路板1019从而使通孔中的焊料1016位于接线片1020上方之后的阶段。图10B示出了在下压单元以使之接触接线片1020从而使导电粘结剂至少大致地填充通孔以形成连接件1018之后的后续阶段。然而，还是如图10B所示，一定量的导电粘结剂1024流下接线片1020，流到电路板的其它区域上。出于这个原因，为了避免在不希望的地方发生电气连接，希望导电粘结剂是一种各向异性导电粘结剂1024，如图10B所示。这样的各向异性粘结剂包含分散的导电颗粒1026，比如一般由用来携带它们的流体介质间隔开的导电球体。当被压到互相间的间隔等于球体宽度的两个物体之间时，导电球体提供两个物体之间的电气连接。然而，由于导电球体之间的侧向间隔，在两个物体表面之间的侧向上没有实质的电气连接。
图11A示出了以上所示实施例的变型，其中单元300包括从通孔1104内部延伸以使延伸部分1126在单元300的安装面1107上延伸的连接层1124。延伸部分1126较佳地作为围绕通孔1104的圆环设置。延伸部分1126提供了在单元300连接于电路板1119之前和之后保持焊料1116的额外表面区域。在单元300上延伸部分1126和与其粘结的大量焊料可减轻必须在电路板的端子1120上设置额外的焊料的需要，如上关于图10A所讨论的。
图11B示出了再一个变型，其中单元300在盖子1106面对芯片1102的一面1105上包括连接层1126的延伸部分1128。在将盖子连接于芯片的工艺中，延伸部分1128将焊料从通孔1104的内部引到自身之上，已使它更靠近芯片1102的连接片1114。这从而有助于在盖子1106和芯片1102之间形成连接。
图12-17示出了以上关于图1-3D和8A-8B所述或者图9A-11B所示的替代方案之一的制造单元并将其连接于电路板的工艺的特定变型。与之前所述的“盖子”相同的“帽子”是指作为盖子安装在芯片的前表面上的制品。
某些类型的芯片，尤其是包括电光学器件的芯片，需要封装有至少可部分地透光的盖子。术语“透光”是用来指一种材料在所关注的一定波长范围内对光透明或半透明，无论该波长是在可见光、红外光或紫外光的光谱范围内。例如，包括电荷耦合器件(CCD)阵列的电光学图像芯片需要包括透光外壳窗口的盖子，从而防止灰尘或其它颗粒落到CCD阵列上，而这将使CCD阵列的像素的光学功能受损或变暗。这样的盖子还可用来保护不受由于大气污染物、尤其是水蒸气的腐蚀而引起的损坏。盖子可为任何适当的透光材料，包括但不限于玻璃、聚合体和半导体。在将芯片连接于盖子之后，包含一透镜和任选的红外光(IR)和/或紫外光(UV)滤光器的转台或系列组件连接于盖子，例如通过焊接、粘结连接或使用诸如焊料的可熔融材料。
在这一变型中，为了保护盖子不受污染，在将盖子连接到芯片上之前对盖子的表面施加牺牲涂敷层。然后在进行将盖子连接到芯片上以形成单元从而将该单元连接于电路板的步骤之后将牺牲涂敷层去除。如上所述，虽然此处将工艺描述为将盖子连接到芯片上，还应该理解的是，经过适当的修改之后，可将含有多个连接着的盖子的盖子元件与包括多个连接着的芯片的晶片或其它基片连接，在此之后，沿切割通道将连接好的盖子元件和晶片断开以形成单个加盖的芯片。
当用以上所述的工艺之一将盖子连接到芯片上时，将盖子连接到芯片上的步骤会引入杂质材料。此后，将加盖芯片连接于电路板上的步骤中会再引入杂质材料。杂质会从封装芯片的环境中、从用来进行连接过程的工艺自身特性中产生。例如使用熔融的焊料的连接工艺会生成不希望留在盖子表面上的残余材料。连接加盖芯片的其它方法。
因此如图12所示，对透光盖子1250的表面施加牺牲涂敷层1252。牺牲涂敷层1252可以在将盖子连接到芯片上的步骤中施加并可保持，但又可被去除以使盖子的表面处于干净状态，且不会恶化组件的连接情况。在图12所示的实施例中，牺牲涂敷层包括防感光薄膜，它适用于随后对盖子的照相平板印刷。考虑到将用来对盖子的材料设置构造的蚀刻剂，最好选择这样的保护薄膜，盖子的材料可从诸如玻璃的无机材料到诸如聚合体的有机材料变化。例如，诸如氟硅酸的蚀刻剂适于在由玻璃制成的盖子上设置构造，对于由诸如硼硅酸玻璃的掺有杂质以便于化学蚀刻的玻璃制成的盖子尤其如此。在此情况下，旋压成形光阻材料和热辊压层压光阻材料适用于玻璃蚀刻。这样的光阻材料不会因使焊料熔化的温度而退化，也不会因焊接工艺中所使用的熔融而退化。然而，这样的光阻材料却可以方便地用有机溶剂溶解并从表面上去除。
图13示出了在被暴露并在光阻材料层1252上形成孔1254之后设置有构造的光阻薄膜1252。此后，如图14所示，使用设置有构造的光阻薄膜作为掩膜片对盖子进行蚀刻以形成通孔1256。
此后，如图15所示，进行其它步骤来将连接层1258沉积于通孔的侧壁1260上。设置连接层1258用来使诸如焊料、焊锡或共熔组合物等的可熔融的材料连接于盖子1256的通孔，连接方式为以上结合图1-3D所述的方法。在沉积过程中，可根据需要将接触掩膜放置在光阻薄膜1252上方，以防止光阻薄膜被密封在连接材料中，而这会根据保护层的类型而影响随后的清除。这样的连接层通过例如沉积包括非电镀层或在非电镀之后跟上电镀层来设置。或者，连接层通过汽相沉积、即诸如物理汽相沉积(PVD)、化学汽相沉积等的多种沉积工艺中的一种来设置。
制造的接下来一个阶段显示在图16中，在由一组导电互连件1262将盖子1250连接于芯片1264、以及在加盖芯片的互连件已经连接到电路板1264上之后。电路板1264包括开口1266，或者为由透光材料制成的窗口，它与芯片1264的电光学器件1268对准以提供传向和离开电光学器件1268的透光路径。电路板1264可为任意类型刚性、半刚性或柔性。在一个实施例中，电路板1264为柔性并具有其上设置有导电线路的柔性绝缘元件。
如图16所示，先前的连接工艺的一个结果是留在光阻薄膜1252的表面上的不需要的残留物质1270，例如颗粒、熔融或粘结残留等。如图17所示，在随后将光阻薄膜去除的步骤中将残留物质清除，比如通过在可溶解薄膜的有机溶剂中清洗组装好的电路板和加盖芯片。这使组件1272中的杂质被清除且组件1272准备好进行更高级别的组装的步骤。此后，转台、系列组件或其它的光学元件可安装在电路板1264中开口1266的上方。
以上所述和显示的工艺可修改为几种替代方案。在一个替代工艺中，盖子通过激光钻孔而非化学蚀刻设置构造。激光钻孔在施加牺牲涂敷层之后进行，此时从钻开的开口漏出的材料收集在牺牲涂敷层上。此后，在将牺牲涂敷层从盖子的表面上去除的时候防止漏出的材料污染盖子。
在另一个实施例中，牺牲涂敷层不必是光阻薄膜，且不必对涂层设置构造以提供蚀刻盖子中的通孔的掩膜。相反，在这样的实施例中，牺牲涂敷层设置在盖子的表面上，随后，将盖子安装到芯片上，比如通过上述的密封介质或可熔融导电介质。然后将加盖的芯片安装到诸如上述的电路板或者转台或“系列组件”的附加元件上。此后，去除牺牲涂敷层，将在先前步骤中用来将盖子安装到芯片上以及将加盖芯片安装到附加元件上的材料的残留部分去除。
在该实施例的一个特定形式中，牺牲涂敷层是一种可以通过比如撕扯从盖子的表面上机械松脱的涂层。例如，这样的薄膜可以是能承受用来将盖子连接到芯片上以及将组合单元连接到另一个元件上的工艺的带背部粘结剂的塑料、聚合物薄膜。例如，诸如那些用于可撕下的自粘便条和食物包裹薄膜的粘结剂中的材料看来适用于本情况。或者，可撕下的薄膜可为诸如钼或其它金属的金属或者其它的刚性或半刚性的聚合物。
对以上关于图1-3D所描述的实施例的一个限制因素是例如毗邻通孔之间的侧向间隔不是最优。芯片增加的集成度以及芯片中毗邻接线片之间间隔的相应减小要求要安装在芯片上的盖子具有相应减小的互连件之间的间隔。参见图3C，显示盖子102的通孔104只从盖子的顶面105开始呈锥形，从而侧壁107(图1)的朝向通常在与垂直方向(垂直方向是与顶面105垂直的方向)呈大约5度到70度的角度范围内。更佳地，侧壁(图1)与垂直方向的角度在20度到60度之间，最佳地在30度和60度之间的角度，从而通孔104的直径在底面103处的较小直径330和顶面105的较大直径335之间变化。通常，对主要包括硅的盖子元件100应用湿式化学蚀刻工艺使侧壁107与垂直方向呈20和60度之间的角度。然而，激光钻孔是另一种用来在由例如硅、玻璃、陶瓷或其它材料形成的盖子晶片上形成通孔的方法，通常相对于垂直方向形成7度的角度。希望使侧壁与顶面105所呈的角度较小，从而减小由各个互连件所占据的面积，因为具有较大角度的通孔间距增加，如在以下结合图18详细描述的。通孔在顶面105处相对于底面103在直径上的变化有助于最初将焊料球302(图3A)(其直径大于较小直径330)固定在通孔104中的制造方法。根据盖子102的厚度，以及通孔的较小直径330，通孔的较大直径335可从较小直径330的两倍到多倍，其中盖子102的厚度在100和300μm之间，直径330通常在70到100μm的级别上。
当考虑对芯片202的连接片208形成互连件的时候，发现通孔在盖子的顶面305处的较大直径335会限制这一互连件303可以形成的空间。这一概念用图18来说明是最清楚的。图18示出了分别示出了三个单独的盖子400、402和404，其中它们各自的构造设置不同，并且毗邻通孔之间的间距根据构造盖子的方法的不同而有很大的不同。这样，具有只从一个面、即顶面405开始呈锥形的通孔410的盖子400具有最大的间距407，这是由于通孔410在顶面405处的较大直径造成的。通孔通常通过从一面开始的各向同性蚀刻而从该表面开始呈锥形。另一方面，盖子402具有较小的间距409是因为其通孔从盖子的顶面415和底面417同时呈锥形，从而通孔的形状具有内部边缘。这样的锥形通常通过同时从盖子402的顶面和底面对通孔412进行各向同性的蚀刻而得到。在某些情况下，根据在侧向(平行于直径409的方向)对通孔的蚀刻程度，内部边缘413可形成“刀刃”的外形。盖子404示出了通孔414被蚀刻成没有锥形而是平直、垂直的侧壁的情况。盖子404的通孔414的间距419为间距407、409、419中最小的，这是因为通孔414的平直、垂直的形状所致。
然而，盖子402和盖子404的通孔的外形使得在将盖子402或404连接到芯片上时不能用以上关于图1到3D所述的技术。不能用以上所述的构造工艺容易地将可焊接的金属化部分施加到盖子404的通孔412的侧壁上，而这些方法是在结合汽相沉积和湿式电化学工艺以制造关于图1到3D所述的锥形通孔时常用的方法。这些构造工艺不能仅仅从盖子的顶面415或底面417开始进行，因为只有在向上的面上才能完成构造，即只有通孔中在内部边缘413的上方并向上的表面上、包括盖子402的顶面415才行。这将通孔中在内部边缘413以下的部分排除在外，即使面向底面417的部分无法适当地金属化。在盖子404的情况下，通孔414的垂直、平直外形的侧壁418使完成适当的金属化变得困难。然而，在盖子402的情况中，刀刃通孔外形仍可用于形成具有电气互连件的加盖芯片，该互连件包括从连接片延伸出的柱状突起，类似于以上关于图6A所述的。在这样的情况中，只有通孔412向着顶面415呈锥形的部分需要金属化。这要求柱状突起(在图6A中的662)向上突起，经通孔412通过盖子402中的刀刃413。另一方面，如果使用另一种可流动的导电介质、诸如有机介质来替代焊料，通孔412就不需要在其侧壁上有连接层106了。
图19到22示出了根据本发明的一个实施例将盖子连接到芯片上的方法的各阶段。图19示出了在制造过程中处于翻转位置的盖子500，盖子500具有底部或内部表面502、顶部或外部表面504和通孔510。这些对底部(内部)和顶部(外部)表面的指定是指在进行连接盖子和芯片的步骤完成后盖子安装在芯片上的朝向，如图21-22所示。在这个实施例中，通孔较佳地为锥形，从而可从底面向顶面逐渐变小。这样，锥形通孔基本上呈截头圆锥形。通孔510并不是绝对地要求呈锥形。锥形通孔有助于得到在连接工艺中可以得到的某些可能的好处，这通过下面的描述将变得清楚。
在这个翻转的位置上，如上所述，通过传统的汽相或湿式电化学工艺使可焊接的金属化部分515形成在通孔510朝向盖子500的底面的侧壁520上。在一个实施例中，可焊接的金属化部分可选择延伸到盖子的底面上围绕各个通孔的部分525上。
图20示出了对其上要安装盖子500的芯片600所进行的加工，芯片具有可由焊料浸润的连接片606、器件区域602、以及将器件区域602与连接片连接的导线604。导电球体610较佳地通过非熔融工艺而位于各个金属化的连接片上，以避免其上有熔融蒸汽和残留物污染芯片600上例如器件区域602的表面上的部件。然后进行将导电球体610连接到芯片600上的工艺。在一个优选实施例中，导电球体是焊料球，主要由焊料或其它可熔融的导电材料组成，例如锡、铅或共熔组合物的一种或多种，或者是这些金属或其它金属的分层构造，这些焊料在加热到相对较低的软熔温度后通常会变软或液化。图20示出了在将焊料球放置到各个连接片606上并用可以“软熔”为特征的工艺与连接片606连接之后的芯片。在软熔之后，焊料球通常保持大致为球形的形状。然后再次降低焊料球的温度以进行将盖子500对准芯片600的后续步骤。
图21示出了工艺中的此类后续步骤。在这一阶段中，芯片600被放置成前表面601面向上。将盖子500翻转过来，从而使盖子的底面面向下，向着芯片600的前表面601。在这一阶段，盖子500的金属化的基本为截头圆锥形的通孔510有助于将盖子500以自对准的方式对准芯片600。这一情况如下进行。在盖子500和芯片600之间粗略地对准，从而是任何的错位小于通孔的中线之间的间隔。如果随后使盖子500靠在芯片600上，通孔510会将自己与焊料球610对准，使盖子500的通孔向下落到焊料球610上，从而将通孔510自定位于焊料球610。盖子500和芯片600之间的错位可在两个水平自由度(X)和(Y)、三个旋转自由度水平平面(转动)、向前或向后倾斜(俯仰)和侧面倾斜(偏转)、以及一个垂直自由度即垂直位移(Z)上变化。这里所述的自对准机制在将盖子500放在芯片600上时使盖子相对于所有这些自由度对准芯片。
在图22所示的阶段中，进行将导电球体610连接于设置在盖子500中的金属化部分的步骤。当导电球体为焊料球620时，该步骤较佳地以软熔工艺进行，这使焊料球610的材料进一步被导入通孔510中。作为这一软熔工艺的结果，焊料球610较佳地在盖子500的顶面504略微上方延伸。还是如图22所示，希望用围绕器件区域以及包括芯片600的连接片的区域的密封材料810将盖子500密封于芯片600。密封材料较佳地包括诸如以上关于图2A所述的材料。
在这样的软熔工艺中，由于焊料球610的流体特性，较佳地设置一种工具来保持盖子和芯片的相对面502、601之间所需的垂直间距。在一个实施例中，一个或多个间隔件结合在密封材料中。例如，粘结密封材料可包括几乎不会变形的球形或纤维元件，这样就保持了相对面之间的预定间隔。在一个具体实施例中，将间隔件结构结合在盖子和芯片中的一个或另一个中。例如，如图23所示，间隔件可采取形成为盖子500的一部分的脊形900，脊形900具有刀刃902，该刀刃可靠在芯片600的前表面601上。可将诸如粘结剂的密封材料910与脊形900相接触地放置，如图23所示。或者，密封材料可从脊形900的位置处移开。脊形900使盖子在连接以上所述的任何密封材料的工艺中可压在芯片上，例如通过压力夹紧，同时脊形保持盖子500和芯片600之间所需的间隔。当上述工艺同时在一列连接着的芯片和连接着的盖子上进行时，随后切割封装好的芯片，即切成单个封装好的芯片。
图24示出了以上所述实施例的一个变型，其中设置在连接层的盖子上的金属化部分作为置于盖子1000的底面1002上的环形结构1004延伸。在一个实施例中，环形结构1004由穿过盖子上的掩膜层(未示出)的加宽开口的沉积物形成，在形成金属化的另外的工艺中材料通过该开口而沉积，该工艺与形成图1所示金属化的工艺相同。或者，在盖子上形成金属化层之后由脱除工艺形成金属化构造的时候，可通过减小位于环形结构之间的掩膜构造的尺寸形成环形结构1004。图25示出了一种封装好的芯片1150，示出了另一个变型，其中导电球体1144为这样一种类型在被加热到连接温度时仍保持刚性，或者具有基本可保持刚性的芯子。在这样的实施例中，导电球体1144用于在盖子1000和芯片1142之间保持所需的垂直距离。在例如置于导电球体的外部和盖子1000的金属化层1001上的金属之间以及在这类金属和芯片的金属化部分1141之间可设置焊料连接或扩散连接。还可使用导电有机材料来完成这个位置上的连接。
如图25所进一步显示的，设置焊料或其它的导电材料1145来填充导电球体和盖子1000的顶面1006之间的空间。在又一个具体实施例中，可通过沉积另外的密封材料来分别在盖子和芯片的外围边缘1042和1140上另外设置密封件1130。为了得到密闭的电绝缘或其它此类目的，可设置附加的密封件1130，还希望该密封件覆盖在已经形成的密封件910上。附加的密封件较佳地还延伸到盖子的顶面1006和芯片的底面1146上。
图26示出了另一个实施例，其中图25所示的加盖芯片1150安装在其上放置有一个或多个端子1204和线路1206的电路板1202上。图26所示的安装是通过在盖子1000的顶面1006上的焊料或其它导电材料1145和位于电路1202的端子1204上的焊料团块1205之间的焊料连接进行的。
参见图27，其中示出了制造具有垂直互连件的加盖芯片的方法的另一个实施例，其中盖子1300的通孔1310不需要在将盖子1300连接于芯片1302之前有可焊接的金属化部分。图27示出了盖子1300的通孔1310同时从顶面1303和底面1305开始呈锥形的情况，如以上结合图18所述的。在这个实施例中，芯片1302具有位于连接片1330上的柱状突起1320。柱状突起1320提供了用来连接焊料或其它导电材料以形成垂直互连件的表面，该互连件从芯片1302向上延伸。如结合以上的其它实施例所述的，“图案框架”式环形密封件1340密封芯片和盖子之间的间隙。
希望柱状突起1320为如图27所示的锥形，这可根据那些熟悉本领域技术的人员已知的数种工艺设置。在这个实施例中，希望柱状突起具有接近在施加柱状突起的时候得到的混合球体直径的轴径1315以及超出将盖子1300与芯片1302密封的密封材料的厚度的长度1325。例如，柱状突起可为那些根据2003年8月28日出版的美国专利出版物US 10/0159276所描述的工艺制造的，该文件结合于此作为参照。当盖子1300被置于芯片1320之上的时候，锥形柱状突起还可以保持它们向上延伸的形状，从而与柱状突起具有更窄、更易变形的形状相比，柱状突起1320更有可能保持与通孔1310的对准。这样，柱状突起有助于盖子1300以自定位的方式对准芯片1302，至少在侧对侧的基础上、即至少在自由度X和Y上。然而，如图27所示，当通孔1130a没有与柱状突起1320a完全对准，通孔1310a的锥形使柱状突起1320a稍微变形，这样使它至少进入通孔1310a。希望柱状突起1320突出通过通孔以延伸到盖子的顶面1303的上方。
图28示出了图27所示实施例的一个变型，其中通孔具有平直、垂直的外形，而不是如结合附图27所述的那样从两侧开始呈锥形。如图28A所示，盖子的顶面1403可选择设置有可焊接的金属化部分1410。可焊接的金属化部分较佳地作为围绕各个通孔的环形结构设置。28A和28B示出了两个工艺阶段。在图28A所示的较早工艺阶段中，焊料球1420位于金属化部分1410上，用先前的模板印制工艺印制在其上。如图28B所示的后续处理工艺中示出了软熔的焊料球1430通过后续的软熔工艺连接于柱状突起1320。在这样的软熔工艺中，焊料球1430由存在于柱状突起的表面上的可由焊料浸润的诸如金、锡或铂金属引到柱状突起的表面上。结果，焊料形成连续的固体导电块，该导电块将柱状突起与盖子的连接层1410连接，并在通孔1430处密封盖子。
在以上工艺的一个变型中，焊料球1420位于盖子1400的金属化部分1410上，并与之连接从而在盖子的通孔1405对准设置在芯片1402上的柱状突起1420之前形成焊料突起。
图29A示出了再一个实施例，其中外部互连件在盖子1500上方并不焊接于盖子的顶面1502。在这一情况中，施加诸如可为导电的或不导电的有机材料的密封材料1505以在顶面1502处覆盖通孔1506，该有机材料为例如粘结材料。在将盖子1500放置到芯片1501并与之对准之后，盖子1500和芯片1501被压到一起，使柱状突起1516的顶部1510刺穿密封材料。在再一个替换实施例中，在通孔1506对准柱状突起1516之后，可将密封材料1505置于盖子1500的顶面1502上，随后蚀刻密封材料，使柱状突起的顶部1510基本上没有密封材料。在另一个替换方案中，可围绕柱状突起1516的周边施加密封材料1502。此后，采取进一步的步骤来完成互连件。例如，可将焊料球1530连接于柱状突起1516来设置一表面，从而形成另一个互连件，比如连至电路板，比如以上结合图8A到11B所显示和描述的。或者，柱状突起可由滑动或可变形机械接点1540接触，如图29B所示。
图30示出了再一个变型，其中在盖子1500对准并连接于柱状突起1516之后，该柱状突起1516与盖子1500的顶面1502齐平，该柱状突起可进一步包括焊料或其它施加于其中的连接材料。这样，柱状突起1516的齐平表面形成接线片栅格阵列，用于将盖子1500与诸如电路板(未示出)的其它元件互相连接。
图31和32示出了再一个替换实施例，其中盖子1602对准并置于在连接片1604上设置有柱状突起的芯片1600上，随后盖子在压力下变形直到柱状突起与通孔1606的侧壁接合为止。在这一方法中，以类似于铆接的金属成形法将柱状突起“冲压”成与通孔1606接合。在这个实施例中，盖子1602不需要在通孔1606中或在盖子1602上围绕通孔的顶面1605上具有可由焊料浸润的金属化部分。希望柱状突起由诸如金或其合金的高延展性的金属制成，该金属在冷压工艺之后会保持同样的形状。当使用这样的可延展金属时，所形成的冲压柱状突起会形成与盖子的通孔充分结合的密封。或者，可使诸如焊料或焊锡的可熔融材料沉积或软熔以在通孔的位置处密封盖子的上表面1605，比如在需要密闭的时候。当柱状突起由金形成时，诸如焊料和焊锡的可熔融材料形成永久的固体连接。
图33-34B示出了同时在盖子元件的多个盖子、比如仍以晶片的形式连接着的盖子之间形成周边“图案框架”环形密封的方法。在这一方法中，通过将多个盖子元件在含有芯片的晶片上对准并通过在盖子元件的顶面上的开口提供可流动的密封材料来形成环形密封。然后允许或使密封材料向下流到下面的芯片的表面上，此时密封材料将各个芯片与盖子元件上的盖子密封。此后，盖子元件和与之连接的晶片通过沿各个芯片之间的切割线切割芯片而被分成单个的加盖芯片。
图33是示出了多个芯片1700的俯视图，这些芯片各自具有设置于其上的器件区域1702。具有敏感器件区域的芯片需要诸如以上结合图1-3D所述的盖子。图案框架环形密封件1704是设置用来将芯片与盖子密封的，较佳地是在芯片仍为晶片形式的时候进行，作为保护其上的器件不受可能的损坏的方法。现在将结合图34A-B来描述同时形成围绕芯片的器件区域的密封件的方法。
图34A是示出了盖子1710的结构的俯视图，而图34B是其截面图，这些盖子为比如可作为用于此实施例的多重盖子元件的一部分的盖子。盖子1710包括环形槽1712，显示该环形槽叠合在设置于盖子1710下的芯片的前表面上的连接层1714上。如图34B所示，槽1712从盖子的顶面1716到底面1718延伸盖子1710的全程，并沿从顶面到底面方向变小。例如可由焊料浸润的金属化的连接层1726设置在槽1712的侧壁上作为由诸如焊料的可熔融材料润湿并熔融的表面以形成固体连接。
参见图34A，槽1712基本上完全围绕盖子的中心部分1720延伸该中心部分在芯片的器件区域的上方，该槽通过桥接件1722连接于中心部分1720。在一个类似于以上结合图1-3D所述的制造互连件的方法中，可熔融材料设置在槽中并随后沿槽的侧壁向下流到芯片1700的连接层1714上，如图34B所示。
在一个替代实施例中，一种低熔点玻璃或其它适合的材料可放置并向下流过槽以形成密封件，其方法类似于可熔融导电材料。在再一个替代实施例中，可采用流体有机粘结剂作为密封材料来替代可熔融导电材料。
图35示出了上述实施例的一个变型，其中一组分散的通孔1812设置在盖子元件1800的盖子1810中而不是上述的槽。如这里所示的，盖子1810被放置在具有中心器件区域1802、连接片1806和导线1806的芯片上方，如虚线所示，导线将器件区域1802和连接片1806连接起来。芯片包括以围绕芯片的连接片1806和器件区域1802的环形构造放置的连接层1814。在这个实施例中，分散的通孔1812便于通过尺寸被设置为可放在通孔处或之中的焊料球将更加精确控制数量的焊料输送给芯片的连接层1814，输送方式为以上结合图3B所述的方法。为了在芯片和盖子之间取得良好的环形密封，提供给连接层的焊料既不能太少也不能太多。焊料太少会使芯片和盖子之间的密封有空隙和可能的间隙，它们会使空气或例如水蒸气的其它气体进入芯片的器件区域1802。另一方面，太多的焊料会造成焊料散出连接层的边界，造成短路。
因此，在这个实施例中，焊料球位于通孔中并受到加热以使熔融材料沿芯片的连接层1814以及相应的盖子的连接层(未示出)侧向流动，从而形成至少基本上围绕芯片的连接片1804和器件区域1802的密封件。通过明智地选择连接层的尺寸以及焊料球的尺寸，可在连接层上分布精确计量的焊料量。用来形成密封的步骤类似于以上结合图1-3D或6A-B所述的在芯片的通孔中形成电气互连件方法。这样，在一个实施例中，将用来形成环形密封件的焊料球放置在连接片1802上方的通孔中，随后用一次加热操作使所有的焊料球熔融到一起，以在形成导电互连件的同时形成环形密封件。
图36A-B示出了再一个替代方案，其中在多重盖子元件1900的盖子1902上所设的通孔1912较少。通孔1912还设置在各个芯片之间的边界上，从而大大减少了形成各个由盖子元件所覆盖的芯片的密封件所需的通孔1912数量。各个芯片的连接环形层1914设置在沿芯片1902的周边的前表面上，从而使来自给定通孔1912的焊料流到连接层1914上以密封各个芯片，这样就形成如图36B中的截面所示的结构。请注意，如图36B所示，连接环形层1920位于盖子的底面1922上作为相应的可浸润金属化部分，在使焊料从焊料球软熔以形成密封的工艺中，熔融的焊料分布到该金属化部分上。希望通过在将焊料球放置在用来形成互连件的通孔1932中的同时或接近同时将焊料球放置在通孔1912中，使连接片1802和与其连接的导电互连件1924在形成环形密封件的同时形成。此后，可使用同时加热工艺来形成电气互连件和环形密封件。
参见图37，根据本发明的另一个实施例的封装好的微电子器件有外壳，该外壳具有沿绝缘件的底面31延伸的导电线路32。在图37所示的实施例中，该绝缘件有孔或窗口36。形式为导电柱38的端子从绝缘件的底面31向下突出，并与线路32电气连接。通过例如其上具有突出杆的一金属片或板与绝缘层组装在一起并蚀刻该片或板以形成线路，可以形成其上具有杆子的绝缘件。该线路可置于绝缘件的底面31或顶面33上，或者置于绝缘件的内部。
以上所讨论的单元10组装有外壳结构，从而盖子的顶面24向上面对插入件30的底面。单元连接件18电气连接于线路31，从而连接于端子或杆子38。芯片的工作区域对准插入件中的窗口36。例如，在工作区域21是光探测器或发光器的情况下，该工作区域可通过窗口36接收或发出光。在其它的实施例中，当例如工作区域是MEMS结构的情况下，可将窗口36省略。集成在单元10中的芯片底面13面向下并在这一底面的高度形成理论上水平的底平面40。希望杆子38的高度大于单元的厚度或垂直延伸范围，从而杆子38向下突出越过底平面40。这样，单元连接件18、以及由此与芯片11的互连件被有效地导向单元10下方的平面。
外壳可安装在其上具有连接片52的电路板50上，例如通过用传统的表面安装焊接技术将杆子38的端点焊接于连接片上。在完成的组件上，单元10被设置成其顶面(盖子12的顶面24)背对电路板50面向下。由于插入件30平面面积大于外壳，这使金属杆有可能具有适于将结构连接于PCB(印刷电路板)的直径和间距。较佳地，插入件30或杆子38具有某些程度的机械兼容性，从而该结构在组装和/或试验时可适应单个销钉的高度差异或电路板的不平整。希望该机械兼容性可适应电路板和单元10之间的热膨胀不匹配。
根据本发明的另一个实施例的封装好的器件(图38)包括如上所述的单元10以及外壳结构，该外壳结构包括具有在集成在单元中的芯片的后表面下方延伸、从而在单元所形成的底平面40的下方延伸的底部通道(run)102的绝缘件。绝缘件还包括折叠区域104，该折叠区域从底部通道向上突起，还包括延伸自折叠区域的顶部通道106。绝缘件较佳地为柔性绝缘薄膜，它具有一层或多层沿薄膜延伸的导电线路105。这些线路从底部通道沿折叠区域延伸到顶部通道。单元10位于折叠绝缘件的之间。底部通道102具有连接于线路105的端子108。端子108通过底部通道的底面110处的孔109暴露在外，该底面形成外壳器件的底面。单元10的单元连接件18在顶部通道106处连接于线路105，由此与端子108电气连接。单元连接件和线路之间的连接将单元10机械固定于顶部通道。诸如单元的顶面和顶部通道106之间的粘结剂的附加元件可设置用于进一步的固定。一个替代或附加的方案是，单元的底面可固定于底部通道。可在绝缘件的通道之间、绕着单元设置密封剂(未示出)。用于传统的半导体的折叠外壳元件在美国专利6,225,688以及以下共同转让的美国专利申请中有所描述2002年2月15日提交的10/077,388、2003年8月13日提交的10/640,177、2003年10月29日提交的60/515,313以及2003年9月3日提交的10/654,375，这些文件结合于此作为参考。类似的结构和技术可用于芯片和盖子单元的折叠外壳。此处，外壳端子108可具有与单元连接件18不同的平面布置，且外壳端子可具有比单元连接件大的间距。通过例如将端子108焊接于电路板的连接片上，外壳器件可固定于印刷电路板上。端子108可布置成便于表面安装的布置，具有足够的端子尺寸和间距。可使用较大范围的尺寸和间距以适应任何所需的应用，以例如适配于标准接片布置。另外，希望外壳结构提供机械兼容性，从而可安全地吸收电路板和单元之间因制造和维修过程中的热膨胀差异引起的张力不匹配的差异。这里，单元可安装成单元的顶面24背对电路板面向下。可选择将窗口116设置在绝缘件的顶部通道106中以可通过顶部通道和单元的盖子接收光或其它的能量。如上述所结合的应用中所述，折叠外壳结构还可形成在顶部通道106面向上的表面处暴露的顶部外壳端子(未示出)。一些或所有顶部外壳端子连接于一些或所有线路105，从而连接于一些或所有单元连接件18、连接于一些或所有底部外壳端子108，或者与两者同时连接。顶部外壳端子可如以下所述，用于测试或连接另一个微电子元件，例如将数个外壳器件叠置起来。上述图37以及图39和40所示的外壳还可设置有顶部外壳端子。
图39所示的封装好的器件大致类似于以上联系图37所讨论的器件，除了在插入件130的底面132处暴露的外壳端子138的形式为平板而非向下突出的柱子。这样，端子自身并不向下突起越过单元10的底平面40。在图39所示的实施例中，形式为连接材料的团块150的附加元件与端子接触地设置，这些材料为传统的焊料球。这些附加的元件或团块150向下突起越过底平面。附加的元件或团块150可作为外壳器件的一部分设置，或可在组装到电路板上时添加，例如通过在安装外壳器件之前将团块设置在电路板上的连接片上。希望附加的元件或团块具有大于单元10的厚度的高度或垂直延伸范围。希望附加的元件或团块150提供较大的机械兼容性。传统的焊料球以外的其它元件也可使用。例如，可以使用一般被称为实心芯子的焊料球的元件，它具有由高熔点金属、诸如铜形成的芯子，覆盖有一层焊料。在另一个变型中，这样的球体的芯子可为中空的或可包括聚合体的非金属材料或其它覆盖有一薄层金属，盖层金属还可覆盖有一种焊料。在再一个变型中，附加的元件或团块150可为聚合体基的导电材料，例如填充有金属的焊料。在再一个变型中，附加的元件可以从电路板向上突出的销钉(未示出)的形式或作为表面安装于电路板上的插口上的接点设置。
插入件130可以是在直接连接铜(DBC)陶瓷基片时为刚性；半柔性，例如PCB；或者完全为柔性，比如典型的为绝缘薄膜。对平面插入件材料的选择取决于具体应用。例如，柔性绝缘薄膜有助于吸收PCB和晶片背面(scale)外壳之间的热膨胀不匹配，而DBC基片将是机械强度较好并有助于将热量从外壳上消除。平面插入件的平面面积大于单元10，从而线路132将单元连接件18导向与单元连接件的层(layout)不同且比其更大的层。线路132可设置在插入件130的一侧或两侧，或者在插入件的厚度中。在端子位于插入件地底面132的平面上方时，端子在插入件通孔(未示出)的底面处暴露，该通孔部分或完全延伸穿过插入件。还是在这里，插入件可在单元的区域中具有孔以便于组装结构或在单元和环境之间设置辐射通道。
在图40所示的实施例中，外壳结构包括与以上所述图37和39中的实施例中所使用的相类似的平面插入件230，并且还包括置于插入件的周边区域下方、在单元10所占据的底平面40外部的间隔件202。间隔件的底面204形成外壳器件的底面的一部分。间隔件202由绝缘材料制成并具有位于间隔件底面204上的外壳端子206。外壳端子206由间隔件202所携带的垂直导体208导电连接于插入件上的线路232。这样，外壳端子206与单元连接件18电气连接。例如，间隔件202可包括一层或多层诸如陶瓷或聚合体的绝缘材料线路板，贯穿通路形成于该线路板中并部分或完全由形成垂直导体208的导电材料填充。在这一布置中，包括插入件230和间隔件202的外壳结构形成一腔室以容纳单元10。
在另一个布置中(图41)，外壳结构集成有导线框架，该框架具有大致为S形的导线302。导线302具有在单元的顶面24上的部分304，这些部分连接于单元连接件18。导线302还具有向下延伸的部分306以及端子部分308。端子部分具有形成外壳端子的暴露表面310。这些外壳端子暴露在单元的底平面40的下方，并在单元的底面所形成的外壳底面处暴露。在所示的实施例中，端子部分沿水平方向向外延伸。向下延伸部分306也可向外倾斜。外壳结构可选择包括包围导线和单元并进一步将导线固定在位的覆盖模制件(overmold)或包封件320。覆盖模制件或包封件320不应盖住端子部分的表面310，从而这些表面保持暴露状态以备安装。覆盖模制件可在单元的底平面40处或上方终止，或者可在单元的下方延伸。在另一个变型中，导线的向下延伸部分306可连接于单元10的侧部，例如通过一种绝缘粘结剂，这里需要额外的机械支承。在图41所示的实施例中，显示导线部分304直接连接于单元连接件18，从而这些连接件将导线框架与单元实际连接。然而，导线部分304可由中间元件连接于单元连接件，例如由金属丝接线。将导线框架与芯片连接的常用技术可用于将导线框架与单元10连接。
在图41所示的实施例中，导线将电气连接件向单元的底平面处或之下引导或分散，将导线框架的高度设置得超出外壳的厚度。可将导线框架制成具有一定程度的柔顺性，从而可适应热膨胀。同样，有可能使导线框架在平面区域中延伸，以提供分散的效果并以大于晶片尺寸外壳的互连件的节距达到与电路板的连接。
图42所示的实施例大致与图41所示的类似，除了组成导线框架422的导线端子部分428从向下延伸部分426向内延伸从而使端子部分428以及由此的组成外壳端子的暴露部分421位于单元10所占据的面积。这样，作为整体的封装好的器件可占据的面积可大致同单元10所占据的面积相同或略大一些。导线框架422的导线可为有弹性的，并且可完全或部分由同单元10的弹性接合固定在单元10上。该单元弹性接合于导线的端子部分428和顶部424之间。作为替代的或附加的方案，导线可由焊料、玻璃或有机粘结剂固定在外壳上它们所接触的任意一个或所有的表面。将其上带有线路的柔性带绕着单元的边缘包裹可制成类似的结构。柔性带绕着芯片的边缘包裹的结构在美国专利5,347,159中的某些实施例中有所揭示，这些内容结合于此作为参考。对于需要分散的应用场合，金属导线或带可设置有突出外壳的平面区域以外的延伸部分。在再一个变型中覆盖模制件或包封件(未示出)可覆盖导线和单元，但希望不覆盖导线的端子部分428的暴露表面421。在另一个变型中，在最内部末端423处，端子部分428可没有覆盖模制件或包封件，以增加柔性并加强导线的机械柔顺性。在再一个变型中，不论是否采用覆盖模制件，导线的上部424的面向上的表面424可保持暴露状态，从而在外壳器件的顶部以及底部设置暴露的外壳端子。如以下结合图50-52进一步解释的，在外壳器件顶部的端子可用作试验端子，或用于安装附加的微电子器件。安装在顶部外壳端子的附加微电子器件可连接于单元10，并能连接于线路板，在线路板上安装有底部外壳端子428，或两者都通过导线422连接。这类外壳可以堆叠的布置安装，一个器件的顶部端子连接于下一个堆叠得更高的器件的底部外壳端子。
在图43所示的结构中，单元10的底面13(由芯片11的后表面形成)由安装结构502机械连接于平面插入件530，安装结构502可包括一层模具连接材料。如上所讨论的，有许多种材料可用于插入件。较佳地，插入件530为柔性，且安装结构502具有很好的机械柔顺性。例如，安装结构502可包括一层柔顺材料。在这个实施例中，插入件530的底面531形成外壳器件的底面。端子538在这个底面处暴露。端子538和单元10的顶面上的单元连接件18之间的电气连接件由可为金属丝接线、金属带等的导线506制成。单元连接件18和端子538之间的连接件可包括其它的导电元件，比如沿插入件延伸的线路(未示出)和延伸通过插入件的通路。希望诸如金属丝接线506的连接件为柔性，从而端子538可保持安装结构502的柔顺性所允许的相对于单元10的任何节距的可移动性。插入件530可带有相对紧凑的任意节距的端子538的阵列。这些端子的一些或全部可位于被置于单元10下方的插入件530的区域中。这类布置可为电路板提供高密度和高空间效率的互连件。
如图44和45所示，可向单元设置额外的单元连接件。在根据本发明的一个实施例的工艺中，盖子元件611与诸如整片晶片或晶片的一部分的整体式晶片元件620结成一体，包含多个半导体芯片，从而盖子元件的底面612向下面对晶片元件的前表面624。盖子元件的顶面614背对晶片元件面向上。形成垂直互连结构626，从而垂直互连结构从芯片上的接点628经盖子611向上延伸，从而设置暴露于盖子元件611的顶面614处的单元连接件。如以上提到的共同拥有的申请60/506,600、60/515,615、60/532,341和60/568,041所述，盖子元件可具有贯穿通路，它衬有金属薄层630。金属通路衬垫630通过例如将金属沉积在盖子元件上并在组装到晶片元件上之前选择性地蚀刻金属而设置。将焊料或其它导电连接材料设置在盖子元件上、晶片元件上、或者两者上都设置，并且使之软熔，从而使连接材料浸润衬在通路中的金属并浸润晶片元件上的接点628以形成垂直互连结构。在图44的工艺中，在对应于晶片元件中的芯片之间的边界处，盖子元件设置有几行附加的通路632。这些附加的通路部分延伸通过盖子或完全延伸通过盖子元件，如图44所示。附加的通路632衬有金属或其它的导电材料634，并且导电再分配线路636设置在盖子的表面上，从而线路将一些或全部的附加通路632中的衬垫与一些或全部用来形成垂直互连结构的其它通路中的通路衬垫630互相连接。附加的衬垫634和线路636和在用来制造通路衬垫630的工艺步骤的同时形成。这样，在形成垂直互连结构时，附加通路中的导电衬垫634将电气连接于垂直互连结构626中的至少一些。如在共同待审批申请中所述，在盖子元件和晶片元件之间毗邻芯片之间的边界处设置密封剂，从而使密封剂围绕各个芯片的外围。
在组装盖子元件、晶片元件和密封剂之后，且希望在形成垂直互连结构之后，沿切割线642(也称作切断路径)切割盖子元件、晶片元件和密封剂，在图44中可看到其中之一。切割步骤形成各单个单元，每一个包括一个或多个芯片以及一盖子，垂直互连元件延伸穿过该盖子。如在图45中的正面图中看得最清楚的，每一个这样的单元具有垂直延伸的边缘表面649，该表面在盖子的顶面614和芯片的底面625之间延伸。切割工艺切割附加的通路632，留下在单元的边缘表面处暴露的部分通路。如图45所示，一正视图示出了这样的边缘表面649，被切割的通路中的导电衬垫634形成暴露于单元的边缘表面的边缘连接件。这些边缘连接件的至少一些与垂直互连结构626中的至少一些电气连接，从而与芯片上的连接件628中的至少一些电气连接。边缘连接件可以此种方式设置在单元的一个、一些或全部的边缘表面上。在这个工艺的一个变型中，再分配线路634可由盖子元件的底面形成而非形成在这样的元件的顶面上。
如图46所示，边缘连接件634可连接于电路板652或其它基片的接触片650，从而该单元可安装成单元的顶面614和底面625横向于基片的平面延伸，且边缘表面649支承向下面对基片的边缘连接件。或者，该单元可安装在插口656(图47)中，诸如弹性指形件658的插口元件在边缘表面649上与边缘连接件634接合。该单元还可如以上所述安装，连接件穿过由垂直互连结构626形成的顶部单元连接件。
图48A-48B与以上结合图44-47所述的实施例大致类似。然而，在图48和49所示的实施例中，密封剂740从芯片的边界向内延伸越过至少一些垂直互连结构726。进行切割操作，从而切割过这些互连结构并使这些垂直互连结构726形成为边缘表面749处的边缘接点734。向内延伸的密封剂740仍作为每个单元中芯片和盖子之间的连续密封件。图48A所示的切割操作使用沿两条平行的切割线的两次切割，这两条切割线在毗邻芯片的两条边界处。在一个变型中，一些或全部接点728和相关的垂直互连件726可位于毗邻芯片之间的边界处，从而一次切割将使一行垂直互连结构形成为两个单元上的边缘接点。每个单元上的一些或全部垂直互连件可变成边缘接点。可以以上结合图46和47所述的方式来安装这样形成的单元。在再一个变型中(未示出)，在盖子的顶部表面上具有单元连接件的单元可通过将边缘接点附于单元上而设置有边缘连接件，例如通过将绝缘载体之上的导电连接件粘结到单元的边缘表面上而将绝缘载体与之连接，或者通过将分散的边缘连接元件附于单元的边缘表面。附着的边缘连接件可通过任何适合的连接技术与盖子的顶面上的单元连接件电气连接。例如，如果绝缘载体为其上有线路的柔性绝缘元件，则它可折叠在盖子的边缘上，从而线路部分沿盖子顶面向单元连接件延伸。或者，边缘连接件可由金属丝接线连接于单元连接件。
上述加盖芯片结构的一个变型在图49A-49B中示出。图49A是图49B所示加盖芯片结构730沿线49A-49A截取的截面图。在这样的结构730中，芯片的垂直互连结构726朝向第一方向，垂直互连结构726的一些沿芯片的周边边缘731布置，如图49B所示。其他一些互连结构沿芯片另外的周边边缘733布置，这些边缘朝向与第一方向呈角度的第二方向。例如，边缘733的朝向与边缘731呈直角。在一个优选实施例中，一些互连结构726还位于两条边缘之间的角732处。如果沿芯片的边缘731、733的互连结构和/或角732可允许进一步进行改进以减少由芯片所占据的晶片面积，这是因为需要的互连结构726较少，因此占用更少的芯片面积。在某些情况下，当在例如以上结合图1-3D所述的实施例中，互连结构726被放置成间隔较远的距离或远离芯片的器件区域204。这有助于结构的可制造性和在以下更高水平的组装中将结构730互相连接的能力。间隔更加远的互连件有助于更高水平的组装的可制造性，这使因为制造这一连接件的公差并不象在制造芯片时那样地严格。结构730用于例如电路板的更高水平的组装的互连件较佳地通过机械连接方式，例如插座连接或电气连接，比如以上结合图44-47描述并显示的。
根据本发明的再一个实施例的单元812(图50)集成有芯片820，该芯片与上述芯片一样具有前表面822和后表面824。芯片820具有暴露于前表面822处的接点826。还是在这里，芯片具有诸如微机电元件的工作元件827、诸如SAW器件的电声元件、或者诸如一列检测像素的光电元件，有源元件位于前表面822处或与之毗邻。然而，在这个实施例中，芯片具有暴露于芯片的后表面的后接点830。一些或所有后表面接点830与芯片的前表面接点826和电路元件电气连接，其中包括有源元件827。与后表面接点830的电气连接件包括部分或完全延伸通过芯片厚度的导电结构。这些导电结构不应影响单元的物理集成，因而不能形成在芯片的前、后表面之间延伸的泄漏路径。这些连接通常在以晶片的一部分处理芯片时形成。形成穿过半导体晶片厚度的导电结构的一个方法是以离子注入或其他方式在芯片中产生高掺杂的半导体材料柱844，该柱子具有可以应用的足够低的电阻。或者可穿过半导体的厚度切出空心的通路或“管子”846，从而管子从后表面824向前表面上的接点826延伸。管子在前表面处由前表面接点的金属材料密封。通过涂敷金属薄膜847可使管子的壁导电。在一个变型中，管子可完全填充有金属(未示出)。
图50所示集成有大量芯片820的晶片元件组装有包括盖子860的盖子元件以及在晶片元件中的毗邻芯片之间的边界处的密封剂862，这些盖子中的一个在图50中示出，而且该晶片元件设置有从至少一些芯片上的顶面接点826经盖子860延伸的垂直互连结构864以形成暴露于盖子的顶面868的顶部单元连接件866。将这些单元从晶片元件上切下来，生成如图50所示结构的单个单元。在这个结构中，芯片的后表面接点830形成暴露于芯片的底面824的底部单元连接件，该底面824组成单元的底面，而顶部单元连接件866暴露于盖子的顶面868，该顶面组成单元的顶面。至少一些顶部单元连接件866与至少一些底部单元连接件830、芯片的内部电路电气连接，或与它们两者都连接。该单元在至少一些(较佳地为所有)顶部单元连接件866与至少一些(较佳地为所有)底部单元连接件830之间设置连续电气通道。
完成的单元812可通过以类似于倒装直接芯片安装法的工艺将底部单元连接件830连接在电路板上的接触片上而直接安装在电路板上。这使单元面向上，盖子和单元的顶面868背对电路板面向上。或者，单元802可封装在中间基片或插入件870上(图51)顶面868背对插入件，然后将插入件连接于电路板880。插入件具有暴露于其底面的外壳端子872以及将底部单元连接件830电气连接于端子的线路874。插入件通常提供再分配，从而端子872以大于底部端子830的节距放置。插入件可在单元和电路板880之间提供机械柔顺性。插入件可与在制造芯片尺寸外壳所使用的大致类似。
顶部单元连接件866可用作试验连接件以可在将单元安装到电路板上之前或之后结合试验探针。顶部单元连接件提供的探测点有利地位于单元的顶面。另外，探测过程将不会损坏将连接于电路板的底部单元连接件。一个附加的微电子元件可连接于顶部单元连接件866以形成在完成的组件中电路的一部分。附加的微电子元件可为结构类似的另一个单元812，从而可如图52所示垂直堆叠这些单元。一个单元的顶部单元连接件866连接于堆中下一个更高的单元的底部单元连接件830。这些单元由此形成位于单元的平面区域内部的垂直的公共汽车形状(busses)。
在再一个实施例中(图53-55)底部单元连接件通过沿芯片的边缘表面形成导电线路而设置，而不是通过设置穿过芯片的连接件。如图53所示，晶片元件具有从至少一些芯片上的顶面接点926延伸到芯片之间的边界的顶面线路902。设置有盖子元件960和形成顶部单元连接件966的垂直互连结构964，如上所述。还是在此处，晶片元件和盖子元件通过沿芯片之间的边界切割而被割断，形成单个的单元。这样，在割断之后，顶面线路902向单元的边缘表面904延伸。可进行切割工艺，从而在将盖子元件割断之前在单元的边界处形成带有斜边的沟槽。倾斜的沟槽表面在芯片上形成倾斜的边缘表面906，如图54所示。另一个线路910沿这个倾斜边缘表面形成，这通常在将盖子元件切断之前。如图55所示，沿芯片的底面924进一步形成导电线路，从而设置底部单元连接件930。再一次在这里，一些或所有底部单元连接件930连接于芯片的电路，并连接于顶部单元连接件966。可以按照以上结合图50和51的来使用这样制成的单元。
在本发明的再一个实施例中(图56)，线路1002在盖子元件上组装晶片元件之前设置在盖子元件1060的底面1061上。线路从用来形成垂直互连结构1064的通路向对应于芯片之间的边界的区域延伸。在形成垂直互连结构1064的过程中，用来形成垂直互连结构的焊料与线路1002的内端接触。在将晶片元件1020和盖子元件1060切断之后，线路1002的端部1008暴露于单元的边缘表面1049。沿边缘表面延伸的线路1010将线路1002与设置在芯片的底面1024的底部单元接点1030连接。这一布置不需要对晶片元件进行特别的加工以形成以上结合图53-55所述的线路902。
可以使用大量的对以上特征的变型和组合。例如，除了顶部单元连接件以外还具有底部单元连接件的单元可与连接于如上所讨论的顶部单元连接件、例如那些结合图37和39所述的外壳结构一起使用。在这样的布置中，外壳结构和底部单元连接件的端子暴露于外壳器件的底部以与电路板连接。在再一个变型中，单元可设置有如结合图44-49所述边缘单元连接件以及如以上结合图50-56所述的底部单元连接件。
图57-60示出了本发明的一个实施例，其中形成有附加的密封件以密封单元、即加盖或加帽的芯片的外围边缘，该单元由诸如以上结合图1-6B、图18-28B和图30-32所述的晶片尺寸确定工艺的一个或多个实施例制造。图60示出了根据本发明的这个实施例所提供的两个这样的单元2030的结构。
在以上所讨论的许多替代方案中，有机材料是用来形成“图案框架”密封2002以封装芯片的工作区域的优选材料，这是因为这类材料中的至少一些可在环境温度下或略高于环境温度的情况下施加并形成连接。使用这样的材料有助于避免上述CTE不匹配的问题，尤其是当含有芯片的晶片和含有盖子的晶片为不同材料时。与以上所述形成互连件的低温工艺结合使用这样的有机材料尤其有利，这些工艺为比如将柱状突起安装在仍为晶片形式的芯片，然后用一种导电或不导电的有机材料使含有盖子或芯片的晶片对准以形成互连件(例如以上结合图29A和30所示和描述的)。一定类型的芯片、尤其是那些含有SAW器件的芯片对于张力十分敏感。SAW器件通常工作用来提供窄带通滤波功能，其中频带的中心频率会因器件中的张力而发生变化。有机材料的低弹性模数可帮助有机材料消除在含芯片的晶片和盖子晶片之间因CTE不匹配而产生的张力差的影响。
然而，除了以上的优点以外，有机材料会对某些器件无法提供有效的密闭密封。更紧密的密封通常是由诸如金属或玻璃的无机材料达到的而非有机材料，但无机材料会遇到上述的问题。
因此，在图60所示的实施例中，沉积有附加层2004并设置成覆盖在单元的外围边缘2020上，作为不渗透介质以密封芯片2001的边缘2006、盖子的边缘2008以及有机密封材料2002。还是如图60所示同一覆层2004在设置有导电材料时，还希望能设置形成连接于各个芯片2001上的每一个导电互连件2012的金属接点2010。
图57-59示出了制造图60所示单元2030的方法的各阶段。如图57所示，示出了一对单元2030，每一个在作为晶片的一部分的边界2034处保持连接。为了参照方便，只示出了两个这样的单元。然而，根据此处所描述的方法，可以作对为晶片形式的大量此类单元同时进行处理。每一芯片包括器件2011，例如所示的SAW或MEMS器件；间隙2013，该间隙位于器件上方；以及导电互连件2012，该互连件从芯片2001向上延伸。
用照相平板印刷方法对光致抗蚀薄膜施加构造以在单元的盖子部分的表面2002上形成抗蚀构造2032。如图所示，抗蚀薄膜是可去除薄膜，当将抗蚀薄膜基本上去除时，任何施加在抗蚀薄膜上的材料涂层也将被去除。抗蚀构造2032形成由各个预先存在的互连件2012所围绕的岛状部分，从而在后续将抗蚀构造连同施加于其上的金属涂层去除时使互连件保持互相隔离。
此后，如图58所示，将单个的单元2030沿边界2034部分割断，这较佳地与芯片的切割路径相一致，从而制成所示结构。在图59所示的再下一步中，将一种或多种金属沉积以生成所示结构，在该结构中，单元的外围边缘2020和顶面2022由金属覆盖。较佳地，依照金属抵挡包括水汽等污染物的功能及其导电能力来进行选择。因此，不会轻易腐蚀的金属较佳。金属层2004较佳地应选择为形成坚固地粘附于单元的表面以及密封材料2002、并且沿穿过覆层的大部分表面的方向及穿过其厚度的方向都能提供良好导电性的涂层。出于这些原因，金属层2004较佳地由相叠沉积的金属形成，比如在半导体和MEMs制造工业中所使用的。可用来形成这一相叠的金属的一般例子包括钛、铂和金的组合，以及铬、铜和金的组合；锌、镍和钯的组合，以及以上列出的金属的替换或组合。镍可包括在相叠的金属层中以增加被构造的金属提供磁性筛的能力。相叠中各个被构造的金属层的厚度在用气相沉积施加时为大约0.1μm的数量级，而在用水溶方法施加金属层时为大约1μm。导电非金属、例如诸如氮化钛或其它金属导电氮化物的氮化物可用作覆层的一部分或全部以替代金属，只要该材料提供对水汽或污染物必须的阻挡功能且具有足够的导电性即可。
此后，再次参见图60，进行将抗蚀构造2032连同不需要的金属层部分一起去除的步骤，从而制成以上所述的结构。单元2030还在此时沿边界2034(图58)处的切割路径被切割成单个单元。
除了以上所述图60中的实施例，可修改以上所述的工艺以提供数个替换结构。图61示出了一个这样的替换结构。如此处所示，可在各个互连件2012和外围金属密封层2004之间建立电气连接，以使密封层和芯片的一个互连件保持在相同的电势，比如设置接地接点。其他的互连件2014可连接于由以上所述金属层构造而成的接点2010。在这样的实施例中，外围金属密封层2004较佳地延伸越过单元10的外部边缘2020和顶面2022的大部分。在这样的情况下，密封层2004可用来为单元2030提供电磁屏蔽功能。
继续参见图61，在以上实施例的一个变型中，金属层2004被构造成提供侧向延伸越过盖子的顶面2022的导电线路。这样的导电线路可用来再分配接点，例如以类似于以上结合图4A-B和7B所述的方法，从而在例如单元和那些工业标准接片网格阵列的互连件2012的节距和侧向尺寸之间转换。
在一个具体实施例中，设置有构造的金属层2004可用作附加的功能，比如在单元的表面2002上设置导电元件以用作电阻、电感或电容器件，例如出于提供芯片2001的器件和在后续组装步骤中单元所要安装的外部网络之间的阻抗匹配。为了形成一定数量的此类导电元件，在切断芯片的最终步骤之前可沉积绝缘层并对其设置构造以覆盖在具有构造的金属层2004上，随后沉积附加的一个或多个金属层并对它们设置构造，如以上结合图57-59所述的。
由于可采用这些及其它以上所讨论的特征的变型和组合而不偏离如权利要求所述的本发明的范围，因此以上所述的较佳实施例应视为说明性的而非对权利要求所限定的本发明范围的限定。
工业应用性本发明可应用于芯片的封装，例如集成电路和其它微电子以及微机械结构中。
权利要求
1.一种加盖芯片，包括具有一前表面的一芯片以及暴露于所述前表面的多个连接片；一盖子构件，该盖子构件具有一顶面、与所述顶面对置的一底面、在所述顶面和所述底面之间延伸的多个通孔，所述盖子构件安装于所述芯片，从而所述底面面对所述芯片并与之间隔以形成一间隙；以及多个导电互连件，这些互连件从所述连接片开始至少部分地延伸通过所述通孔，所述互连件包括可流动的导电材料，该导电材料至少部分地延伸通过所述通孔。
2.如权利要求1所述的加盖芯片，其特征在于，它还包括一密封件，所述密封件在所述芯片和所述盖子构件之间延伸，包围至少一些所述互连件。
3.如权利要求1所述的加盖芯片，其特征在于，所述可流动的导电材料将所述通孔密封。
4.如权利要求3所述的加盖芯片，其特征在于，所述可流动的导电材料将包围所述通孔的所述盖子构件的某些部分部分浸润。
5.如权利要求4所述的加盖芯片，其特征在于，所述盖子构件形成从所述顶面延伸到所述底面的诸壁，所述诸壁将每个所述通孔包围，且所述可流动导电材料将所述诸壁浸润。
6.如权利要求5所述的加盖芯片，其特征在于，所述盖子构件包括不可由所述可流动导电材料浸润的一结构材料以及若干覆盖所述诸壁并可由所述可流动导电材料浸润的材料制成的衬垫。
7.如权利要求1所述的加盖芯片，其特征在于，所述可流动材料为一种焊料。
8.如权利要求1所述的加盖芯片，其特征在于，所述互连件包括从所述芯片的所述前表面向上延伸进入所述通孔的部件。
9.如权利要求1所述的加盖芯片，其特征在于，至少一些所述互连件暴露于所述盖子构件的一条或多条边缘，从而暴露出的垂直互连件结构形成边缘单元连接件。
10.如权利要求1所述的加盖芯片，其特征在于，所述通孔沿以下方向中的至少一个呈锥形从所述顶面向所述底面变小的方向以及从所述底面向所述顶面变小的方向。
11.如权利要求2所述的加盖芯片，其特征在于，它还包括一间隔件，该间隔件被包括在所述盖子构件、所述芯片和所述密封件中的至少一个中，以控制所述盖子构件和所述芯片间的间隔。
12.一种形成加盖芯片的方法，该方法包括(a)将一盖子构件组装到一芯片构件上，从而使盖子构件的一底面向下面对所述芯片构件的一前表面，而盖子构件的一顶面向上背对芯片构件，从而使在所述盖子构件所述顶面和底面之间延伸的通孔与所述芯片构件的导电部件对准，从而使所述盖子构件的所述底面在至少一些区域与所述芯片构件的所述前表面间隔开，这些区域包括所述对准的通孔和导电部件；以及(b)通过在所述通孔处设置一种可流动导电材料并使所述可流动导电材料流进所述通孔中以形成从所述导电部件至少部分地延伸通过所述通孔的电气连接件。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述设置可流动导电材料的步骤包括将所述可流动导电材料从所述盖子构件的所述顶面引入所述通孔中。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述使所述可流动导电材料流动的步骤包括使所述可流动导电材料在所述通孔中向下流动，与所述芯片构件的所述导电部件接触。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述导电部件包括从所述芯片构件的所述前表面向上突起进入所述通孔的部件。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述导电部件在所述盖子构件的所述底面下方间隔开，且所述使可流动导电材料流动的步骤包括形成从所述通孔处的所述底面向下突起的半月形，从而使所述半月形与所述导电部件接触。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述使可流动材料流动的步骤包括使所述可流动材料浸润限定所述通孔的诸壁。
18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，该方法还包括在形成所述电气连接件之前，同时形成所述盖子构件上的可浸润区域以及与所述导电部件接触的可浸润区域，所述可浸润区域与所述通孔自对准。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述芯片包括一表面声波(SAW)器件，所述导电部件包括在形成所述可浸润区域之前不可由焊料浸润的连接片。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，使可流动导电材料流动的步骤包括将焊料球置于所述盖子构件的所述可浸润区域上并加热所述对准的盖子构件和所述芯片，从而使所述焊料球的焊料将所述盖子构件的所述可浸润区域与所述芯片的所述可浸润区域连接。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述连接无焊剂地进行。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述连接在氮气氛围中进行。
全文摘要
本发明提供了一种制造加盖芯片的结构和方法。一种加盖芯片包括具有一前表面的一芯片以及暴露于前表面的多个连接片。一盖子构件具有一顶面、与顶面相对的一底面以及在顶面和底面之间延伸的多个通孔。盖子构件安装于芯片，使底面面对芯片并与之间隔以形成间隙。多个导电互连件从连接片开始至少部分地延伸通过通孔，互连件包括可流动的导电材料，该导电材料至少部分地延伸通过通孔。还提供了形成一加盖芯片以及同时形成多个加盖芯片的方法。
文档编号H01L21/02GK1875476SQ200480032485
公开日2006年12月6日 申请日期2004年9月24日 优先权日2003年9月26日
发明者G·哈普斯顿, D·B·塔克尔曼, B·M·麦克威廉姆斯, B·哈巴, C·S·米切尔 申请人:德塞拉股份有限公司