用于电子设备封装的盖件、包封的微机电设备和电子系统的制作方法
【专利摘要】一种用于电子设备封装的盖件、包封的微机电设备和电子系统，包括：形成具有面和在该面上开口的空腔的盖件；在该盖件的该面和该空腔的该壁上覆盖包含铜的金属层；以及在该金属层上覆盖保护层。
【专利说明】用于电子设备封装的盖件、包封的微机电设备和电子系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电子设备封装的盖件，以及涉及封装的微机电设备。
【背景技术】
[0002]MEMS (微机电系统)设备在如小型化的传感器和换能器领域被越来越广泛地使用。例如，在移动通讯设备和拍摄装置(诸如，手机和摄影机)中，经常使用传声器和压力传感器。
[0003]考虑到MEMS设备特别显著的小型化必然导致微机械结构一定程度上的易碎性，通常将更容易遭受故障的部分装入保护盖件。通常，MEMS传感器或者换能器可能与控制电路一起被安装在衬底上。衬底被耦合到相应的盖件并且形成封装，在该封装内放置了要被保护的设备。
[0004]保护盖件也执行除了单纯的机械屏障的其它功能。
[0005]特别地，在许多情况中，信号的传输可能被环境干扰，因此需要设想一种保护，避免光和电磁干扰。为了这个目的，盖件的空腔在内部覆盖了金属屏蔽层。盖件还可以具有确定用于操作MEMS传感器的最佳声压状况的功能。
[0006]总体来说，MEMS传感器通过导电胶被安装在衬底上，保护盖件被键合到该衬底，其实现了电磁屏蔽层的接地。
[0007]例如以锡铅、锡铝铜、或锡锑为基的焊膏，自身优于导电胶，特别是因为跌落试验的结果证明了其更好的耐冲击性。然而，在向要使用MEMS传感器的电子系统的板上组装封装(包括支撑板、MEMS传感器和盖件)的步骤期间，焊膏会熔化。熔化了的焊膏倾向于爬上垂直的盖件的导电壁，侵占容纳MEMS传感器的空腔，并在焊点内留下空缺。焊点内的空缺特别地不合需要，因为一方面它们削弱了焊接，并且另一方面可能导致影响设备性能的泄漏，特别是当需要受控压力参考室时。
[0008]因此，有需要在生产包括微机电结构的封装的电子器件中允许使用焊膏。
实用新型内容
[0009]根据本实用新型的第一个方面，提供了一种用于电子设备封装的盖件，包括:主体，具有表面、具有从所述表面向内延伸的壁的空腔；在所述主体的所述表面以及所述空腔的所述壁上的包含铜的金属层；以及在所述金属层上的保护层。
[0010]根据本实用新型的实施例，所述保护层可以包含有机物表面保护材料。
[0011]根据本实用新型的实施例，所述有机物表面保护材料可以是一次完成有机物表面保护材料。
[0012]根据本实用新型的实施例，所述保护层可以包含氧化铜(II)。
[0013]根据本实用新型的实施例，所述主体可以包括第一保护衬底和键合到所述第一衬底的第二保护衬底；以及所述第一保护衬底和所述第二保护衬底分别形成所述空腔的侧壁和盖板。[0014]根据本实用新型的实施例，所述第一保护衬底和所述第二保护衬底可以由有机材料制成。
[0015]根据本实用新型的实施例，所述主体可以包括金属保护衬底。
[0016]根据本实用新型的另一方面，还提供了一种包封的微机电设备，包括:根据本实用新型第一个方面的盖件；所述微机电设备还包括键合到所述盖件的支撑衬底；以及被布置于所述支撑衬底上并且位于所述空腔内的微机电设备。
[0017]根据本实用新型的实施例，所述微机电设备是声学换能器。
[0018]根据本实用新型的实施例，所述微机电设备包括位于所述盖件和所述支撑衬底之间的焊接点。
[0019]根据本实用新型的另一方面，还提供了一种电子系统，包括:包封的微机电设备，其特征在于，包括:主体，具有表面、具有从所述表面向内延伸的壁的空腔；在所述主体的所述表面和所述空腔的所述壁上的包含铜的金属层；以及在所述金属层上的保护层；键合到所述盖件的支撑衬底；被布置在所述支撑衬底以及位于所述空腔中的微机电设备；以及耦合到所述封装的微机电设备的控制单元。
[0020]根据本实用新型的实施例，所述金属层包括氧化铜(II)。
[0021]该封装的微机电设备得以克服了上述不足，并且特别地，允许使用焊膏，其消除或至少减少熔化了的焊膏在最终组装期间，在用于容纳微机电设备的空腔内迁移的风险。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]为了更好地理解本实用新型，现在仅以非限制性示例以及引用所附的附图的方式对一些实施例进行描述，其中:
[0023]图1示出了根据本实用新型的一个实施例的，在用于制造封装的微机电设备的方法的一个最初步骤中的第一衬底的截面图；
[0024]图2示出了在方法的随后一个步骤中的图1的第一衬底；
[0025]图3示出了在方法的一个步骤中的第二衬底的截面图；
[0026]图4示出了根据本实用新型的一个实施例的，通过连接图2的第一衬底和图3的第二衬底得到的盖件的截面图；
[0027]图5-7示出了在方法的多个连续步骤中的图4的盖件；
[0028]图8是在方法的一个步骤中的第三衬底的截面图；
[0029]图9示出了在方法的一个中间步骤中的，通过连接图7的盖件和图8的组合结构得到的组合结构的截面图；
[0030]图10示出了在方法的随后一个步骤中的图9中的组合结构；
[0031]图11示出了根据本实用新型的一个实施例的在方法的一个最终步骤中的封装的微机电设备；
[0032]图12是通过根据本实用新型的一个不同的实施例的方法得到的封装的微机电设备的截面图；
[0033]图13是根据本实用新型的一个实施例的包含图12的封装的微机电设备的盖件的截面图；
[0034]图14是根据本实用新型的一个实施例的在用于制造封装的微机电设备的方法的最初步骤中的衬底的截面图；
[0035]图15示出了根据本实用新型的一个实施例的从图14的衬底得到的盖件的截面图；
[0036]图16示出了根据本实用新型的一个实施例的在方法的一个最终步骤中的封装的微机电设备；
[0037]图17是封装的微机电设备的框图；以及
[0038]图18是包含图16中的封装的微机电设备的电子系统的框图。
【具体实施方式】
[0039]在用于制造封装的微机电设备的方法的一个最初步骤中，如图1所引用的，第一保护衬底I的第一面Ia和第二面Ib分别由第一导电层2a和第二导电层2b所覆盖，两者都由金属制成，尤其为铜。在一个实施例中，第一保护衬底由有机材料制成，例如双马来酰亚胺三嗪(BT)。此外，粘结层3层叠在第二导电层2b上。
[0040]下一步(图2)，举例来说通过冲切，在第一导电层2a中、第一保护衬底I中、第二导电层2b中和粘结层3中形成穿通空腔5。
[0041]如图3所示，还分别地制备了第二保护衬底7，其具有小于第一保护衬底I的厚度并且由与第一保护衬底I相同的材料制成。特别地，第二保护衬底7的第一面7a和第二面7b由第三导电层8a和第四导电层Sb所覆盖，例如第三导电层8a和第四导电层Sb由与第一导电层2a和第二导电层2b相同的材料制成,在所述实施例中为铜。
[0042]然后，第一保护衬底I通过粘结层3被键合到第二保护衬底7 (更准确地说，与第三导电层8a)，如图4所示。以此方式，得到盖件9，其中第一保护衬底I和第二保护衬底7分别形成侧壁5a和在第一保护衬底I的与第一面Ia相反一侧的空腔5的覆盖层。
[0043]在第一保护衬底I和第二保护衬底2键合之后，盖件9在内部通过电镀的方法以及随后的电沉积的方法覆盖导电材料(图5)。在一个实施例中，导电材料与用于形成第一层2a、第二层2b和第三导电层8a的相同，尤其为铜。第一层2a和第二层2b的剩余部分和第三导电层8a因此在屏蔽层10内保持互连。屏蔽层10覆盖第一保护衬底I的第一面Ia和空腔5的壁，即侧壁5a和面向空腔5的第二保护衬底7第一面7a的一部分。
[0044]下一步，清洗盖件9，并且在屏蔽层10自己的表面被氧化为氧化铜(II) (CuO)之前，在屏蔽层10上淀积由有机表面保护(OSP)材料制成的保护有机物金属层11。清洗之后，事实上，氧化铜(I) (Cu2O)层在屏蔽层10的表面上生成，并且在短时间内趋向于进一步氧化为氧化铜(II)。
[0045]保护有机物金属层11既形成在空腔5内(在侧壁5a上以及在面向空腔5的第二保护衬底7的第一面7a的部分上)也形成在第一保护衬底I的第一面Ia上。在一个实施例中，特别地，保护有机物金属层11由一次完成OSP材料制成。通常用于印刷电路的生产中的OSP由沉积诸如咪唑和咪唑衍生物之类的物质而获得，该物质与铜相连，形成能够防止铜表面氧化的有机物金属化合物。OSP材料可以通过热学方式或其它化学方式(例如，在酸中)去除。在OSP材料族中，一次完成OSP材料形成的有机物金属化合物更容易通过热循环去除。特别地，如果其受到由印刷电路板组装期间的焊接单循环确定的热应力，由一次完成OSP材料形成的有机物金属化合物可以被基本上去除。在一个实施例中，OSP材料通过淀积苯并三唑得到，其形成铜(I)苯并三唑化合物。
[0046]因此，保护有机物金属层11防止了屏蔽层10的氧化。
[0047]然后，第二保护衬底7的制程随通声端口 12的开口(图7) —起完成，以便在盖件9与另一个衬底盖合后使空腔5与外界保持连通。
[0048]要领会到，该方法的各个步骤可以被顺序地、并列地、省略地或以与描述和图示不同的顺序执行。安装在支撑衬底13 (图8)上的集成MEMS声学换能器15 (例如，电容变化型)的第一芯片，以及集成ASIC(专用集成电路)控制电路16的第二芯片，通过在焊接表面上淀积例如以锡铅、锡铝铜或锡锑为基的焊膏层17而被分别制备。
[0049]支撑衬底13是由例如BT的有机物金属制成的复合衬底，并且包括导电路径18，该路径设置在多个层级上并且被互连19连接(纯粹通过示例表示)。MEMS声学换能器15和控制电路16安装于支撑衬底13的面13a上，以适合盖件9。焊膏层17环绕MEMS声学换能器15和控制电路16而遍布支撑衬底13的面13a。
[0050]然后，盖件9连接至支撑衬底13，如图9所示，保护有机物金属层11与焊膏层17相连，因此MEMS声学换能器15和控制电路16保持被容纳于空腔5中。
[0051]对盖件9和支撑衬底13进行加热，直到焊膏层17开始熔化(图10)。保护有机物金属层11被热学地破坏，并且释放屏蔽层10，使得只与屏蔽层10自己形成导电焊接点20。特别地，在保护有机物金属层11与隔离层10接触的位置，焊膏渗透进入已被破坏的保护有机物金属层11。保护有机物金属层11的OSP材料被助熔剂移除，该助熔剂包含于焊膏中，或者可选择地在焊接前被沉积。在空腔5内，保护有机物金属层11蒸发。熔化后的焊膏由于毛细作用上升进入保护有机物金属层11，也在空腔5内部沿屏蔽层10爬升一小段。然而，在空腔5内的渗透是可以忽略的。
[0052]封装的微机电设备25，尤其是MEMS传声器，是这样形成的，其包括MEMS声学换能器15、控制电路16和封装24，该封装的部分由盖件9和支撑衬底13形成。
[0053]最后，在各处均与空腔5中存在的空气直接接触的屏蔽层10被氧化铜(II)保护
层26所覆盖。
[0054]有利地，氧化铜(II)保护层26是永久的并具有很低的润湿性。因此，同样地在将封装的微机电设备25组装到印刷电路板的随后的步骤中，考虑到熔化后的焊膏不能爬上由氧化铜(II)保护层26保护的隔离层10，它保持被限制于焊接点20的区域内，并且不侵占空腔5。
[0055]因此，可以使用焊膏而不是导电胶，不需要采取诸如镍金电镀工艺之类的昂贵的解决方案。
[0056]根据图12所示的实施例，封装的微机电设备125，特别是MEMS传声器，其包括集成在第一芯片内的MEMS声学换能器115、集成在第二芯片内的控制电路116和封装124。
[0057]封装124包括盖件109和支撑衬底113，其上安装有MEMS声学换能器115和控制设备116。盖件109通过键合第一保护衬底101和第二保护衬底107得到，盖件109具有盲空腔105，并且没有穿通开口。支撑衬底113具有之前形成的穿通开口，其与MEMS声学换能器115流体连通，并且限定了声音端口 112。在这种情况下，空腔105限定了 MEMS声学换能器115的参考室。此外，铜屏蔽层110覆盖空腔105的壁以及键合到支撑衬底113的第一保护衬底101的面101a。[0058]封装的微机电设备125通过以上描述得到，除了声音端口 112是在支撑衬底113内而不是在盖件109内得到的。特别地，在生产方法的一个步骤中，盖件109在被连接至支撑衬底113之前，被由OSP材料制成的有机物金属层111所覆盖，如图13所示。当盖件109和支撑衬底113通过焊膏层117键合时，由OSP材料制成的保护有机物金属层111被热学地破坏，并且露出既在第一衬底101的面1la上又在空腔105中的屏蔽层110。焊膏层117熔化并形成焊接点120。空腔105中的空气导致屏蔽层110的露出部分内的铜的氧化，因此屏蔽层110的露出部分由氧化铜(II)保护层126 (在图12中可见)所覆盖。
[0059]根据一个不同的实施例，如图14和15所示，在例如铜的保护金属衬底201内，通过制模工艺在面201a上得到空腔205。
[0060]保护衬底201 (图15)的面201a和空腔205的壁由铜金属层210所覆盖，然后由OSP材料制造的保护有机物金属层211所覆盖。由此完成盖件209。
[0061]如图16所示，然后，将盖209键合到支撑衬底213，其上安装了集成在第一芯片内的MEMS声学换能器215和集成在第二芯片内的控制电路216。而且，支持衬底213还提供有针对MEMS声学换能器215的声音端口 212。
[0062]由此形成了封装的微机电设备225，特别是MEMS传声器，其包括MEMS声学换能器215、控制电路216和封装224，该封装的部分由盖件209和支撑衬底213形成。
[0063]为了键合盖件209和支撑衬底213，环绕MEMS声学换能器215和控制电路216使用焊膏层，MEMS声学换能器215和控制电路216保持容纳于空腔205中。在该步骤中，保护有机物金属层211被热学地破坏，并露出金属层210，使得形成导电焊接点220。此外，空腔205中的空气导致在金属层210露出部分内的铜的氧化，因此该金属层由氧化铜(II)保护层226所覆盖。
[0064]图17示出了封装的微机电设备325的简化框图。
[0065]根据上述任一实施例，封装的微机电设备325包括电容式MEMS声学换能器315和集成的控制电路316，容纳在封装324内。集成的控制电路316被配置成适当地偏置MEMS声学换能器315以处理由MEMS声学换能器315的电容变化产生的输入信号SIN，以及在封装的微机电设备325的输出上，提供数字输出信号STOT，其随后可以被相关联的电子设备的微控制器处理。
[0066]在一个实施例中，集成的控制电路316包括:模拟型前置放大电路330，其被配置成直接与MEMS声学换能器315连接，并且放大及过滤由MEMS声学换能器315提供的输入信号Sin ；电荷泵331，其提供适当的电压用来偏置MEMS声学换能器315 ;模拟-数字转换器332，例如Σ -Δ型，其被配置成接收时钟信号CK和由前置放大电路330放大的差分信号，并且将放大的差分信号转换为数字信号；参考发生器333，连接至模拟-数字转换器332，其被配置成对模拟-数字转换器332供应参考信号；以及驱动电路334，其被配置成作为与例如相关联的电子设备的微控制器的外部系统连接的接口而操作。
[0067]此外，封装的微机电设备325可以包括易失性或非易失性存储器335，例如，其可能被外部编程，以便在不同的操作配置下允许使用此封装的微机电设备。
[0068]封装的微机电设备325可以被使用于电子设备350内，如图18所示。例如，电子设备350是便携移动通讯设备(例如，手机)、PDA(个人数字助理)、便携电脑(笔记本)、录音机、有录音能力的音频文件读取器、声音装置等等。[0069]除了封装的微机电设备325，电子设备350还包括微处理器351和连接至微处理器351的输入/输出接口 352，以及例如提供有键盘和显示器。封装的微机电设备325通过信号处理模块353与微处理器351进行通讯。此外，电子设备350可以包括扬声器354和内部存储器355。
[0070]可以对盖件、封装的微机电设备和上述方法进行修改和变动而不脱离本实用新型的范围。
[0071]特别地，假如有用保护盖件封装所述设备的需要，可以用不同的MEMS传感器或者换能器取代该MEMS声学换能器。控制设备可能不存在或者可能与该MEMS设备被包含在同一个模具内。
[0072]可以对上述各个实施例进行组合以提供更进一步的实施例。可以根据以上详细描述，对所述实施例做出这些或其它改变。一般而言，在以下权利要求中，使用的术语不应被解释为限制权利要求为说明书和权利要求所公开的特定实施方式，而应被理解为包括全部可能的实施例，连同相当于其所附权利要求的全部范围。因此，权利要求并不被本公开所限制。
【权利要求】
1.一种用于电子设备封装的盖件，其特征在于，包括: 主体，具有表面、具有从所述表面向内延伸的壁的空腔； 在所述主体的所述表面以及所述空腔的所述壁上的包含铜的金属层；以及 在所述金属层上的保护层。
2.根据权利要求1所述的盖件，其特征在于，所述保护层包含有机物表面保护材料。
3.根据权利要求2所述的盖件，其特征在于，所述有机物表面保护材料是一次完成有机物表面保护材料。
4.根据权利要求1所述的盖件，其特征在于，所述保护层包含氧化铜(II)。
5.根据权利要求1所述的盖件，其特征在于， 所述主体包括第一保护衬底和键合到所述第一衬底的第二保护衬底；以及 所述第一保护衬底和所述第二保护衬底分别形成所述空腔的侧壁和盖板。
6.根据权利要求5所述的盖件，其特征在于，所述第一保护衬底和所述第二保护衬底由有机材料制成。
7.根据权利要求1所述的盖件，其特征在于，所述主体包括金属保护衬底。
8.—种包封的微机电设备，其特征在于，包括: 根据权利要求1所述的盖件； 所述微机电设备还包括键合到所述盖件的支撑衬底；以及 被布置于所述支撑衬底上并且位于所述空腔内的微机电设备。
9.根据权利要求8所述的包封的微机电设备,其特征在于,所述微机电设备是声学换能器。
10.根据权利要求9所述的包封的微机电设备,其特征在于,所述微机电设备包括位于所述盖件和所述支撑衬底之间的焊接点。
11.一种电子系统，其特征在于，包括: 包封的微机电设备，包括: 主体，具有表面、具有从所述表面向内延伸的壁的空腔； 在所述主体的所述表面和所述空腔的所述壁上的包含铜的金属层；以及 在所述金属层上的保护层； 键合到所述盖件的支撑衬底； 被布置在所述支撑衬底以及位于所述空腔中的微机电设备；以及 耦合到所述封装的微机电设备的控制单元。
12.根据权利要求11所述的电子系统，其特征在于，所述金属层包括氧化铜(II)。
【文档编号】H05K5/03GK203827652SQ201320707944
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2013年11月8日 优先权日:2012年11月9日
【发明者】A·格里蒂, P·克里玛 申请人:意法半导体股份有限公司