本申请一般涉及半导体器件和过程，以及更具体地涉及用于堆叠到电子器件芯片上的应力敏感的微机电系统(mems)的封装的结构和制造方法。
背景技术：
被统称为微机电系统(mems)器件的各种产品都是微米到毫米尺度上的小型、低重量的器件，它们可以具有传感器或机械移动部件，而且通常是可移动的电力电源和控件，或者它们可能具有对机械、热、声或光能敏感的部件。mems已经发展到感测机械、热、化学、辐射、磁和生物量和输入，并产生信号作为输出。由于敏感部件和移动部件的存在，mems需要物理和大气的保护。因此，mems被放置在衬底上或在衬底中，并且必须被外壳或封装围绕，以保护mems免受环境和电气干扰以及机械和热应力的影响。
mems器件将机械元件、传感器、致动器和电子设备集成在公共衬底上。mems的制作方法针对使用与微电子器件所使用的那些类似的批量制造技术。因此，mems可以从大规模生产中获益，并将材料消耗降到最低，从而降低制作成本，同时努力开发控制良好的集成电路技术。利用半导体芯片上电子集成电路(ic)的过程流程，一起制造了mems的机械移动部件和电有源部件。
随着小型化、集成化和降低成本的技术趋势，最近开发的衬底和板可以嵌入和互连芯片和封装，以减少板的空间、厚度和占用面积(footprint)，同时增加功率管理、电气性能和应用领域。例如，集成板渗透到汽车市场、无线产品和工业应用。
作为例子，集成板已成功地应用于嵌入晶片级封装、无源元件、功率芯片、堆叠和键合芯片、无线模块、功率模块，一般用于需要小型化区域和缩小厚度的应用的有源和无源器件。
技术实现要素：
在所描述的示例中，封装的微机电系统(mems)器件包含：电路芯片，其附接到带有引线的衬底的焊盘上；以及mems，其通过低模量硅酮(silicone)化合物层垂直地附接到芯片表面。在芯片表面上，mems器件被聚酰亚胺环围绕，该聚酰亚胺环具有憎(phobic)硅酮化合物的表面。固化的低模量硅酮材料的圆顶形球状物(glob)覆盖mems和mems端子键合线跨越。该球状物被限制于聚酰亚胺环内部的芯片表面区域，并且具有对环氧基模塑化合物无粘合性的表面。聚合物模塑化合物的封装包封嵌入mems的球状物、芯片和部分衬底的垂直组装；该模塑化合物对球状物表面无粘合性，但对所有其他表面有粘合性。
附图说明
图1描绘了集成聚合物封装器件的横截面，该器件包括应力敏感mems器件，其垂直地组装在被附接到衬底的电路芯片上，其中mems被保护性低模量材料围绕。
图2根据示例实施例示出了半导体晶片制造中的过程流程图。
图3根据示例实施例显示了半导体组装工厂中的过程流程的一部分。
图4根据示例实施例描绘了半导体组装工厂中的过程流程的另一部分。
图5根据示例实施例示出了在半导体组装工厂中的过程流程的又一部分。
具体实施方式
电子工业的总体趋势需要系统中更少和更小的组件。在该趋势中，当系统中的组件的数量减少，并且产品消耗更少的空间以及操作功率提供改进的电气特性和更高的可靠性时，将会获得技术和市场优势。对于半导体器件，当能够实现低成本封装技术，从而通过集成或消除部件来促进小型化，并且通过吸收或屏蔽干扰来促进保护时，可以获得特殊的优势。
对于微机电系统(mems)，当mems器件可以堆叠在已经生产的现有电子电路器件上，并且可以使用相同的器件封装时，可以获得特定的性能和市场优势。每一种情况下要解决的问题是，需要执行堆叠和封装的过程，以便由所考虑的mems监测的特定参数保持不受影响，并且封装有效地保护新器件免受监测的参数的干扰。
对于机械和热应力高敏感度的mems，作为对器件集成和保护免受机械和热应力干扰的问题的解决方案，过程流程具有低模量材料的独特应用和独特的一组过程步骤来保护应力敏感mems器件，同时仍然使用标准的、低成本封装组装材料和在生产中实践的组装方法。
将独特的材料和过程步骤集成为用于组装标准模塑封装(诸如方形扁平无引线(qfn)封装)的材料组和过程流程，包括具有憎表面特性的聚酰亚胺环沉积在电路芯片上；低模量硅酮化合物和用于在受控条件下点胶(dispense)这些化合物以在所有侧上围绕六面体形mems器件的方法；以及受控组件粘合到聚合物封装化合物。
图1说明了包括带有端子106的半导体芯片101的器件100的一个示例。芯片101的表面的一部分适合于mems器件150的附接。在这个示例中，mems是应力敏感的。示例芯片101可以是方形的，其具有几毫米的边长，诸如2.5mm，并且包括全功能集成电路。在图1中，优选地使用粘合性的环氧基聚合物化合物120，芯片101被附接到引线框架的焊盘110。芯片101的端子106通过键合线181被连接到金属引线框架的相应引线111；优选的导线金属是铜合金，但替代性地可以使用金或铝。mems、芯片和引线框架芯片101的部分的垂直组装被嵌入绝缘封装190(优选地由环氧基模塑化合物制成)中。
在图1的示例器件中，引线框架属于方形扁平无引线(qfn)或小型无引线(son)系列。这些引线框架优选地由基底金属的扁平片制成，其从包括铜、铜合金、铝、铝合金、铁镍合金和可伐(kovar)合金的组中选择。对于许多器件，引线框架基底金属的平行表面被处理以产生与塑料化合物，特别是与模塑化合物粘合力的强亲和性。作为一个示例，铜引线框架的表面可以被氧化，因为氧化铜表面已知对模塑化合物表现出良好的粘合力。其它方法包括表面的等离子体处理(下文所述)，或在基底金属表面上沉积其他金属薄层。作为铜引线框架的一个示例，已经使用了镀锡层，或者镍层(大约0.5到2μm厚)，随后是钯层(大约0.01到0.1μm厚)，可选地然后是最外面的金层(0.003到0.009μm厚)。
其它实施例可以使用其它类型的具有芯片附接焊盘的引线框架，诸如以下引线框架：具有细长引线、悬臂式引线、或具有在从引线平面偏移的平面中包含一个或更多个焊盘的框架。还有其他实施例可以使用由绝缘材料与导电层交替形成的层压衬底。这些衬底可以具有适合于附接一个或更多个芯片的区域，以及适合于针脚式键合线的导电连接。
如图1所说明的，芯片101的一个表面通过环氧基化合物120被附接到引线框架焊盘110上，相对的芯片表面包括直径151的区域，该区域适合于使用化合物140垂直地附接mems器件150。然而，与具有＞2gpa模量的聚合物附接化合物120相比，化合物140由具有＜10mpa的相对非常低模量的硅酮化合物制成。
作为一个示例，化合物140可以是在市场上从dowcorningcorporation(corporatecenter,midland,michigan,usa)(道康宁公司(美国密歇根州米兰德市企业中心))可买到的硅酮化合物。该化合物还可以以低粘度和触变行为为特征，使得其在受干扰时展现出被弱化的构造，并在保持不变时表现出被强化的性能。因为材料的模量表征其对施加的应力(或压力)的应变响应，所以化合物140具有非常顺从性的机械特性。这种特征对于保护应力敏感mems是必要的，因为低模量材料不传递应力，而是分散和吸收应力。因此，当被应用到诸如mems的应力敏感器件的一侧面时，低模量材料可以保护该器件免受来自被覆盖侧面的外部应力的影响。材料140的应力保护特性必须通过在导线键合mems端子所需的高温期间发生的硅酮聚合循环来保持(见下文)。
为保护应力敏感的六面体mems器件连同半导体器件在所有侧面免受外部应力的影响，应力吸收和应力分散材料的周围包裹体(cocoon)必须具有适合于结合半导体产品执行功能的厚度。作为一个示例，材料必须具有允许mems附接到半导体器件的部分的厚度。作为另一个示例，材料必须具有允许合并键合线的拱形跨越的厚度。
图1示出了硅酮附接层的直径151位于聚酰亚胺材料的环130的内径131内。然而，芯片101的端子106保持在环130之外。环130由聚酰亚胺化合物制成。如下文所述，环130作为圆形、矩形或任何其它封闭结构的配置，从沉积在半导体(优选硅)晶片上的聚酰亚胺层被图案化，该晶片包括集成电路(ic)的多个芯片。在图案化之后，通过在过程循环中减少聚酰亚胺表面能，使聚酰亚胺环变得对硅酮材料是不可浸润的和排斥的(repellent)，该过程循环包括第一固化循环，然后是灰化过程，然后依次是第二固化循环。聚酰亚胺以外的材料，如果具有排斥硅酮的表面特性，可以使用。
在聚酰亚胺环被制造成排斥的后，从晶片中切割ic芯片。然后，每个芯片可以被附接到衬底的焊盘上，诸如金属引线框架的焊盘110，如图1所示。用于附接层120的粘合剂优选为环氧基聚合物配方。
在图1的示例中，应力敏感mems150通过低模量硅酮层140垂直地被堆叠在ic芯片101上，使得附接是在硅酮环130的直径131的内部；层140保护mems150免受来自芯片101方向的应力的影响。在mems附接之后，mems150的端子可以使用键合线180被连接到芯片101的接触焊盘105。焊盘105位于硅酮环130的直径131内部。此后，芯片端子106使用键合线181被连接到衬底连接器(诸如引线框架引线111)。
如图1所示，mems150被球状物160围绕，球状物160也覆盖键合线180和焊盘105，因此具有圆顶形配置。球状物160由低模量硅酮材料制成，优选地与层140相同的硅酮材料。作为一个示例，球状物160的硅酮可以是在市场上从道康宁公司可买到的硅酮。选择硅酮材料，使其对于聚合物模塑配方具有疏水性和非粘合性，其已被选择为包封化合物。选择硅酮材料的粘度、模量和触变指数，使得球状物160可以以精确体积被点胶，并且球状物160被限制在聚酰亚胺环130内的表面区域，并且不会穿过环流出。
在点胶过程之后，球状物160的硅酮化合物在固化过程中被聚合。此后，球状物160围绕六面体形mems器件的非附接的五个侧面及其连接线键合。球状物160可以具有近似半球的形状。与附接材料的低模量硅酮化合物一起，mems器件的所有六个侧面都被低模量材料所围绕，该低模量材料可操作以通过钝化、分散和吸收到达球状物表面的外部应力来保护mems抵抗任何应力。
包括mems150的器件必须是刚性和坚固的封装，mems150被堆叠在电路芯片101上，其依次安装在衬底110上。图1的实施例描绘了包封材料190，该包封材料190形成属于qfn/son产品系列的器件100的封装。其他实施例可以属于不同的产品系列。独立于封装和引线框架的实际配置，封装材料190不能影响mems150的操作。因此，对于图1的应力敏感mems，该要求意味着封装材料190必须强力地粘合到封装在内部的所有部件(以防止脱层)，除了围绕mems150的球状物160。两种方法实现了这一目标，并且下文讨论了不同的过程流程。
图1指示具有表面上的层170的球状物160的表面160a。基于第一过程流程(在图3和图4所描述的)，表面160a已被等离子体刻蚀激活，并且其后由包含固化的低模量硅酮化合物的层170覆盖。封装化合物190将不粘合到由固化的(并且因此失活的)硅酮化合物制成的层170。基于第二过程流程(在图3和图5所描述的)，表面160a构成固化(并且因此失活)低模量硅酮，其将不粘合到封装化合物190，并且由包含固化的环氧化合物的层170覆盖。封装化合物190(也称环氧化合物)将粘合到并最终融合到层170中，并面对非粘合性固化的硅酮表面160a。
总之，通过这些方法中的任一种，封装化合物190(优选模塑化合物)不会粘合到固化的球状物160，因此不能将外部应力传递到球状物160和应力敏感mems150。因此，mems150可以不受外部应力干扰而操作。
另一个实施例是一种制造用于垂直地堆叠到半导体电路芯片上的应力敏感微机电系统(mems)的常见封装的方法。该方法被描述为过程流程，其包括在半导体晶片工厂中执行的过程(图2)和在半导体组装工厂中执行的过程(图3和图4，或者图3和图5)。
该方法在晶片工厂中通过提供包含多个集成电路(ic)芯片的硅晶片开始，并且已经完成用于制造ic的前端过程。目的是将离散ic芯片与应力敏感mems耦合，并将它们结合在经执行的常见封装中，使得ic和mems可以不受干扰地操作。过程流程从图2中列出的过程开始。
在过程流程的第一步骤201中，提供了一种半导体晶片，该半导体晶片包括具有集成电路(ic)的多个芯片。在过程202中，在芯片表面上方涂覆聚酰亚胺材料层。然后，将聚酰亚胺层图案化以在每个芯片上形成聚酰亚胺环，其中这些环具有大于要组装的mems器件的最大线性尺寸的内径。对于图案化过程，使用光刻方法，该方法顺序地采用旋涂光致抗蚀剂层的过程，掩蔽光致抗蚀剂，使掩模保护层暴露于照射，并且显影该层。
在图案化后，在过程203中，通过使聚酰亚胺材料连续地经受以下过程来降低聚酰亚胺环的表面能：第一次固化聚酰亚胺化合物，然后使聚酰亚胺化合物灰化，最后第二次固化聚酰亚胺化合物。灰化过程涉及氧等离子体和升高的温度；替代性地，可以使用氢等离子体。降低的表面能使聚酰亚胺环对低粘度和低模量硅酮化合物疏水和排斥；聚酰亚胺环内沉积的硅酮材料不会穿过聚酰亚胺环流出。ic芯片在过程204中从晶片中切割出来。
在过程301中，分立芯片可以被附接到组装工厂中的衬底的相应组装焊盘上。组装焊盘可以是引线框架的芯片焊盘，或者替代性地是层压衬底的组装焊盘。优选地，芯片使用环氧基化合物被附接到焊盘上，该环氧基化合物可以在以后的过程中在升高的温度下(诸如在导线键合期间)被固化。
为了将mems器件附接到电路芯片上，并且仅使用ic芯片和mems组合的单个和优选的小封装，mems必须垂直地附接到ic芯片。在将mems器件垂直地组装在ic芯片上的过程302中，使用低模量硅酮材料层将mems附接到相应的聚酰亚胺环内部的芯片表面。这种材料是市场上可买到的，诸如来自道康宁公司(密歇根州米兰德市)。对于低模量材料，在约20μm和30μm之间的附接层厚度可能是令人满意的，以防止外部应力。优选地，附接层的硅酮在前进到导线键合过程之前被聚合。
对于将mems器件的端子导线键合到环内部的芯片表面上的相应接触焊盘的过程，可以使用包括金或铜的导线。在键合操作期间，导线通常跨越从mems端子到芯片接触焊盘的拱形。
结合mems的导线键合过程，可以执行将电路芯片的端子106导线键合到衬底的相应接触焊盘的过程。优选地，键合线由铜制成。在图1中，芯片键合线被指定为181。
在过程303中，通过在mems器件和mems键合线上方点胶低模量硅酮材料形成球状物，同时将球状物限制于聚酰亚胺环内部的表面区域。由于键合线的拱形，球状物具有圆顶形配置。球状物的硅酮材料对热固性模塑化合物具有疏水性和非粘合性。由于它的低粘度和触变指数，它可以被点胶在精确的体积中。在过程304中，硅酮球状物被固化。
因为图1的示例实施例的mems是应力敏感的并且必须被保护以避免应力的传递，并且由于mems与电路芯片共享相同的整体封装，包封组装的封装化合物不必粘合到覆盖mems的球状物的表面，但必须可靠地粘合到封装内部的所有其他表面。这种需求的二分法可以通过两种方法来实现。
在图4中总结了第一种方法。为了实现对模塑化合物的良好粘合性，过程401使所有表面都经受等离子体刻蚀。等离子体，涉及其气体混合物和规定时间的功率，优选地在冷却表面上操作。等离子体完成从吸附膜，特别是水单层的彻底表面清洗，从而释放电键合。此外，等离子体诱导表面粗糙化。这些效果增强对聚合物填料填充的模塑化合物的粘合力。
由于球状物的固化的硅酮已经受过程401的等离子体的影响，所以球状物需要附加的处理，使得其有效地恢复到其原始的低模量特性。为此，在过程402中，在球状物表面上点胶低模量硅酮材料层。注射筒的针嘴释放受控的一滴硅酮材料，其撞击球状物并扩散到不十分均匀厚度的层中。虽然这一滴的主要量可以保留在球状物的冲击位置上，但一些材料会流出，从而导致如图1中的层170所例示的有点不均匀的层。对于图1中的示例的尺寸，一滴可以具有大约30μm的直径，并且在最大值处产生具有高度约13μm的不均匀厚度层。
在过程403中，硅酮层被固化。然后，在过程404中，包含嵌入在应力阻挡球状物中并垂直地附接到半导体电路芯片的应力敏感mems的组装与部分衬底一起被包封在聚合物模塑化合物中，该芯片被附接到该衬底上并且被导线键合在该衬底上。因此，集成器件被封装。
第二种方法被概括在图5中。在通过在mems和导线跨越上方点胶低模量硅酮材料形成圆顶形球状物的过程之后，在过程303和304中描述了固化硅酮球状物，并且在过程501中在球状物表面上点胶环氧化合物层。环氧树脂可以与模塑化合物相同，或者可以是诸如crp-4160g的配方，在市场上从日本住友公司可买到的。该层可以是均匀的，或者可以看起来类似于图1中的层170。该层的性质使其能够与聚合物包封化合物融合或被吸收到聚合物包封化合物中。
在过程502中，环氧化合物层(如环氧树脂层)被固化。然后，在过程503中，使所有表面经受等离子体刻蚀，以实现对模塑化合物的可靠粘合力。等离子体，涉及其气体混合物和规定时间的功率，优选地在冷却表面上操作。等离子体完成从吸附膜，特别是水单层的彻底表面清洗，从而释放电键合。此外，等离子体诱导表面粗糙化。这些效果增强了对聚合物填料填充的模塑化合物的粘合性。
在过程504中，包括嵌入在应力阻挡球状物中并垂直地附接到半导体电路芯片中的应力敏感mems的组装与部分衬底一起被包封在聚合物模塑化合物中，该芯片被附接到该衬底上，并且被导线键合在该衬底上。因此，集成器件被封装。
例如，实施例适用于使用任何类型的半导体芯片、分立电路或集成电路的产品，并且半导体芯片的材料可以包含硅、硅锗、砷化镓、氮化镓或用于集成电路制作的任何其他半导体或化合物材料。
作为另一个示例，实施例适用于具有在受能量流(声、热、光)、压力、温差或压差、或外力或扭矩的影响下机械地移动的部件的mems。带有薄膜、板或梁的某些mems作为压力传感器(诸如麦克风或扬声器)、惯性传感器(诸如加速度计)或电容传感器(诸如应变计或rf开关)是有用的。其他mems作为针对位移或倾斜的运动传感器操作。双金属膜作为温度传感器工作。
在所描述的实施例中，修改是可能的，并且在权利要求范围内，其他实施例是可能的。