MEMS芯片封装以及用于制造MEMS芯片封装的方法 |
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| 申请号 | CN201210473930.X | 申请日 | 2012-11-21 | 公开(公告)号 | CN103130175B | 公开(公告)日 | 2016-12-21 |
| 申请人 | 罗伯特·博世有限公司; | 发明人 | R.埃伦普福特; M.布吕恩德尔; A.格拉赫; C.莱南巴赫; S.克尼斯; A.法伊; U.朔尔茨; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及MEMS芯片封装以及用于制造MEMS芯片封装的方法，该MEMS芯片封装具有：第一芯片，该第一芯片具有第一和第二芯片表面；第二芯片，该第二芯片具有第一和第二芯片表面；第一耦合元件，该第一耦合元件把该第二芯片的第一芯片表面与该第一芯片的第一芯片表面相耦合，使得在该第一与第二芯片之间形成第一空腔；第一布线层，该第一布线层设计用于提供至衬底的连接，这两个芯片之一具有至少一个微机电结构元件、 框架 元件，其中该框架元件包围了该微机电结构元件。相应另一芯片具有浇注材料层、嵌入该浇注材料层中的控制 电路 以及在该第一芯片表面所施加的第三布线层，其中该控制电路构造用于控制至少一个微机电结构元件。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种MEMS芯片封装（100；200；300；400；500；600；700；800；900；1000；1100；1200； |
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| 说明书全文 | MEMS芯片封装以及用于制造MEMS芯片封装的方法技术领域[0001] 本发明涉及一种MEMS芯片封装以及一种用于制造MEMS芯片封装的方法。 背景技术[0002] 具有微机电结构的芯片（MEMS芯片）通常与控制芯片一起被安装在共同的芯片封装中。尤其在具有声元件、诸如麦克风或扬声器的MEMS芯片中，应该在微小的构造空间上来考虑声情况。为此应该设置相应的前容积和后容积、至声有源膜的通道以及可能的透声的芯片组件。 [0003] 在制造具有微机电扬声器元件的MEMS芯片（MEMS扬声器）时，一个特殊的挑战是这种MEMS芯片的大小或芯片面积。 [0004] 文献DE 10 2009 042 191 A1公开了一种晶片级封装的芯片封装，其具有MEMS器件和ASIC芯片。 [0006] 对于具有声有源器件及其控制芯片的MEMS芯片需要一种封装，该封装一方面要考虑声学边界条件，但另一方面能够为器件提供足够的机械保护以及能够在微小的构造空间上在造价合理地制造情况下来提供该芯片。 发明内容[0007] 一方面，本发明提供了一种MEMS芯片封装，其具有第一芯片，该第一芯片具有第一芯片表面和与该第一芯片表面相对的第二芯片表面，该MEMS芯片封装还具有第二芯片，该第二芯片具有第一芯片表面以及与该第一芯片表面相对的第二芯片表面，该MEMS芯片封装还具有第一耦合元件，该第一耦合元件把该第二芯片的第一芯片表面与该第一芯片的第一芯片表面相耦合，使得在该第一芯片和第二芯片之间构造了第一空腔，以及该MEMS芯片封装具有施加在该第二芯片的第二芯片表面上的第一布线层，该第一布线层设计用于提供至衬底的接触。在此这两个芯片之一具有在该第一芯片表面上所构造的至少一个微机电结构元件以及在该第一和第二芯片表面之间所构造的框架元件，其中该框架元件包围该微机电结构元件。相应另一芯片具有浇注材料层、嵌入该浇注材料层中的控制电路以及施加在该第一芯片表面的第三布线层，其中该控制电路设计用于控制至少一个微机电结构元件。 [0008] 另一方面，本发明提供了一种用于制造MEMS芯片封装的方法，其具有把第一芯片与第二芯片通过耦合元件相耦合的步骤，其中该第一芯片具有第一芯片表面和与该第一芯片表面相对的第二芯片表面，该第二芯片具有第一芯片表面和与该第一芯片表面相对的第二芯片表面，该耦合元件把该第二芯片的第一芯片表面与该第一芯片的第一芯片表面相耦合，使得在该第一芯片和第二芯片之间构造了第一空腔，其中第一和第二芯片组中的一个芯片具有：在该第一芯片表面上所构造的至少一个微机电结构元件、以及在该第一和第二芯片表面之间所构造的框架元件，该框架元件包围了该微机电结构元件，并且其中第一和第二芯片组中的相应另一芯片具有：浇注材料层、嵌入到该浇注材料层中的控制电路、以及施加在该第一芯片表面上的第三布线层，其中该控制电路设计用于控制至少一个微机电结构元件。 [0009] 本发明的优点 [0010] 本发明的一个想法是，提供一种芯片封装，其中在衬底上施加由MEMS芯片和未被封装的控制芯片所组成的复合堆栈。在这两个芯片与该衬底之间的电连接在此通过在两个芯片之一中以及芯片表面上金属布线层中的穿通接触部（Durchkontakte）来形成。另外这两个芯片通过耦合元件如此相耦合，使得在这两个芯片之间产生空腔。该空腔为这两个芯片之一中的声有源MEMS结构元件形成声学前容积和后容积。 [0011] 通过芯片封装的复合堆叠，相对于传统的并列构造而有利地降低了芯片封装所需的覆盖面积。 [0012] 另一优点是，可以与该MEMS芯片与控制芯片和/或该衬底之间的电耦合无关地来进行在芯片中MEMS结构元件的制造。由此能够更简单并且与MEMS制造相匹配地来进行脆弱的MEMS结构元件的处理。 [0013] 芯片的器件的封装已经可以在芯片层面上来进行，使得在该衬底上施加该芯片之后不再需要耗费的以及空间密集的其他封装步骤。 [0014] 在完成单个芯片时就已能够节省材料了，因为芯片在芯片层面已制造完成而不再需要至边缘的安全距离或者不再需要预留空间以施加其他的封装组件。 [0017] 根据一个实施方式，具有微机电结构元件的该芯片另外还可以具有在该第二芯片表面上施加在该框架元件上的第一覆盖层，其中在该第一覆盖层与所述至少一个微机电结构元件之间构造了至少一个第二空腔。 [0018] 根据一个实施方式，具有微机电结构元件的该芯片另外还可以具有在该第一芯片表面所构造的第二布线层。 [0019] 根据一个实施方式，该第二芯片可以具有在该第一和第二芯片表面之间所延伸的电穿通接触部。 [0020] 根据一个实施方式，该第二芯片的第一芯片表面和该第一芯片的第一芯片表面可以具有基本重合的面。这所具有的优点是，在堆叠第一和第二芯片时降低了结构大小耦合。此外还不必安装额外的间距保持物或间隔物。 [0021] 根据另一实施方式，该第一耦合元件可以具有由填充材料、焊接材料制成的密封环、FC接触部、诸如铜柱或金钉凸点组成的集合之一的元件、或其组合。这所具有的优点是，在该第一和第二芯片之间的空腔已经在堆叠芯片时就可以简单地、造价合理地并以预定的空腔特性来构造。 [0022] 根据另一实施方式，所述至少一个微机电结构元件可以具有微机电扬声器元件或微机电麦克风元件。根据本发明的芯片封装技术尤其提供用于诸如MEMS扬声器、MEMS扬声器阵列或MEMS麦克风的声有源器件，因为可以简单、造价合理、空间节省并灵活地在芯片封装中提供相应的声空腔和通道。 [0023] 根据另一实施方式，该第一覆盖层可以是透声的，也即，相对于声波基本是可穿透的。由此可以有利地提供一个空腔，该空腔一方面具有至外界的声通道，但另一方面防护干扰的外界影响诸如微粒进入、机械应力或诸如此类。这在声有源（akustisch aktiven）MEMS元件、诸如膜或移动MEMS部件中是尤其有利的。 [0024] 根据另一实施方式，该第一覆盖层可以与所述至少一个微机电结构元件相耦合，并构造大量第二空腔。由此可以提供单个声容积，其尤其对于MEMS扬声器阵列可以在声音质量和控制方面提供优点。 [0025] 根据另一实施方式，可以设置第二覆盖层，该第二覆盖层设置在该第一覆盖层之上。该第二覆盖层比如根据一个优选的实施方式可以是不透声的，并此外还具有至少一个穿通孔。由此可以选择形状稳定的第二覆盖层，该覆盖层可以更好地防护外部的机械影响。 [0026] 根据另一实施方式，可以设置第三覆盖层，该覆盖层设置在具有控制电路的芯片的第二芯片表面上，或者设置在该衬底的表面上。在此根据一个优选的实施方式衬底可以在该第二芯片的范围内具有空隙，并且第二芯片具有至少一个穿通孔。由此有利地从该MEMS芯片的背侧穿过该衬底而实现声通道。 [0027] 根据该方法的一个实施方式，可以在施加在该第二芯片的第二芯片表面上的第一布线层与衬底之间进行耦合。 [0028] 根据该方法的另一实施方式，具有微机电结构元件的芯片另外还具有在该第二芯片表面上施加在该框架元件上的第一覆盖层，其中在该第一覆盖层与所述至少一个微机电结构元件之间构造有至少一个第二空腔。 附图说明[0030] 其中： [0031] 图1示出了根据本发明一个实施方式的MEMS芯片和控制芯片的示意图； [0032] 图2示出了根据本发明另一实施方式的MEMS芯片封装的示意图； [0033] 图3示出了根据本发明另一实施方式的MEMS芯片封装的示意图； [0034] 图4示出了根据本发明另一实施方式的MEMS芯片封装的示意图； [0035] 图5示出了根据本发明另一实施方式的MEMS芯片封装的示意图； [0036] 图6示出了根据本发明另一实施方式的MEMS芯片封装的示意图； [0037] 图7示出了根据本发明另一实施方式的MEMS芯片封装的示意图； [0038] 图8示出了根据本发明另一实施方式的MEMS芯片封装的示意图； [0039] 图9示出了根据本发明另一实施方式的MEMS芯片封装的示意图； [0040] 图10示出了根据本发明另一实施方式的MEMS芯片封装的示意图； [0041] 图11示出了根据本发明另一实施方式的MEMS芯片封装的示意图； [0042] 图12示出了根据本发明另一实施方式的MEMS芯片封装的示意图； [0043] 图13示出了根据本发明另一实施方式的MEMS芯片封装的示意图； [0044] 图14示出了根据本发明另一实施方式的MEMS芯片封装的示意图； [0045] 图15示出了根据本发明另一实施方式的MEMS芯片封装的示意图； [0046] 图16示出了根据本发明另一实施方式的MEMS芯片封装的示意图； [0047] 图17示出了根据本发明另一实施方式的MEMS芯片封装的示意图； [0048] 图18示出了根据本发明另一实施方式的MEMS芯片封装的示意图；以及 [0049] 图19示出了根据本发明另一实施方式的用于制造MEMS芯片封装的一种方法的示意图。 具体实施方式[0050] 图1示出了具有微机电结构元件（MEMS芯片）的芯片1以及控制芯片组件2的示意图。该MEMS芯片1在此具有一个或多个微机电结构元件8（MEMS元件）。MEMS元件8比如可以具有微机电扬声器元件、微机电麦克风元件或其他微机电制造的组件。比如MEMS元件8可以以一种二维网格来构造，以实现由单个像素组成的MEMS扬声器阵列。 [0051] MEMS元件8在此可以围绕有一个框架元件9，该框架元件比如可以具有浇注材料或模制材料。在此MEMS芯片1可以以一种所谓的“模制晶片级封装”、也即在晶片级上的芯片封装制造过程来制造。在此这些MEMS元件8被施加在一个牺牲载体上，利用浇注材料来浇注、硬化并作为浇注晶片从该牺牲载体上分离。之后如此生成的浇注材料晶片、所谓的“重配置晶片”可以被进一步处理，并尤其在分离过程中被分离为相应的芯片，诸如MEMS芯片1。 [0052] 该MEMS芯片1具有一个第一芯片表面，在图1中朝上示出，在其上设置有MEMS元件8。该第一芯片表面比如可以具有一个布线层或金属化层10，其设计用于构造至MEMS元件8的电接触。在与该第一芯片表面相对设置的第二芯片表面上，该MEMS芯片1可以是开口的，也即，MEMS元件8在对面向外露出一个入口（Zugang）。 [0053] 控制芯片组件2可以是一个封装芯片，也即，由浇注材料或模制材料3制成的芯片2，其可以在“模制晶片级封装”过程中来制造。为此可以在浇注材料层3中、比如在该浇注材料层3的中间区域嵌入控制电路4。该浇注材料层3在此可以基本具有与该控制电路4相同的厚度，使得该浇注材料层3与该控制电路4一起具有一致的芯片表面。在第一芯片表面上，在图1中示出在下面，可以施加一个第一布线层或金属化层6a。在与该第一芯片表面相对的第二芯片表面上可以设置一个第二布线层或金属化层6b。在该第二芯片表面上此外还可以构造接触焊盘7b，该接触焊盘可以用于把控制芯片组件2与之下的衬底相电接触。 [0054] 该控制电路4在其一侧可以集成在控制芯片中，控制芯片比如具有一个或多个穿通接触部5，穿通接触部可以把第一芯片表面上的第一金属化层6a与第二芯片表面上的第二金属化层6b相电连接。 [0055] 图2示出了MEMS芯片封装100的示意图。为了制造该MEMS芯片封装100，MEMS芯片1将第一芯片表面通过至少一个耦合元件13与控制芯片组件2的第一芯片表面相耦合。该耦合元件13比如可以是填充材料，其在该MEMS芯片1的布线层10与控制芯片组件2的布线层6a之间布置在所述焊接接触部14周围。该耦合元件13在此如此来设置，使得在该MEMS芯片1和控制芯片组件2之间构造空腔12b。该填充材料比如可以是环氧树脂粘合剂。所述焊接接触部14比如可以是锡球、焊接凸点、钉头凸点或所谓的铜柱、具有焊接材料帽的圆柱状铜支柱。该耦合元件同样可以具有FC接触部、诸如铜柱或金钉凸点。 [0056] 在该MEMS芯片1的与控制芯片组件2相背的芯片表面上可以设置一个覆盖层11，该覆盖层与该框架元件9相连接，并在MEMS元件8与该覆盖层11之间提供一个空腔12a。该空腔12a尤其针对MEMS扬声器元件8能够适于提供一个声有源空腔12a。该覆盖层11可以是透声的，也即，相对于声波传播是可穿透的或基本是可穿透的。该覆盖层11比如可以具有由比如聚酯薄膜（R）或聚对苯二甲酸乙二酯（R）构成的膜、精细金属网格、塑料网格、过滤层或类似的层。该覆盖层11比如可以在一个批处理中被层压、粘合或熔合在该MEMS芯片11上。 [0057] 如在图3中示意性所示，图2的MEMS芯片封装100可以施加在一个衬底15上。为此控制芯片组件2的背向该MEMS芯片1的芯片表面比如可以在接触焊盘7b上设置有焊接接触部16比如焊珠、焊球、钉头凸点或铜柱，以把控制芯片组件2的布线层6b与该衬底15的（未示出的）金属化结构相电耦合。该衬底15在此比如可以包括PCB印制电路板、LGA衬底、BGA衬底、PGA衬底或类似的载体层。 [0058] 该MEMS芯片1、控制芯片组件2以及该衬底15在此可以构成MEMS芯片封装200，其具有该芯片1或2的横向尺寸。为此可能有利的是，把该MEMS芯片1和控制芯片组件2在芯片面上相类似地来设计，也即，相应芯片1或2芯片表面的面（Flaechen）是相同的或基本相同的。由此可以提供一种芯片规模封装（CSP），其需要微小的水平安装空间，并且其中在MEMS芯片 1与控制芯片组件2之间的安装尺寸耦合由于该浇注材料层3对控制芯片组件2芯片面的放大而被简化。不需要通过覆盖层11来对该MEMS芯片封装200进行附加的封装，尤其因为已经通过这两个芯片1和2本身以及该耦合元件14而声学密封了该空腔12b。 [0059] 在图4至16中示出了MEMS芯片封装300、400、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400和1500的可能实施例的示意图，其实施变化方案以及特殊扩展特征可以利用每种其他芯片封装来组合或变化。在此所示的MEMS芯片封装的共同点是，MEMS芯片1与控制芯片组件2芯片表面在芯片表面上相耦合，并且控制芯片组件2通过焊接接触部16与衬底 15相耦合，如在图3中所示，并如上所解释的。在下文中从而分别仅解释芯片封装的不同扩展特征。 [0060] 为了提高连接稳定性，在该MEMS芯片封装300中比如可以通过浇注材料凸起9a而部分地围绕了MEMS元件8。 [0061] 在该框架元件9连同MEMS元件8在该芯片表面上成平面而结束时，在该MEMS芯片封装400中能够实现如此来设置该覆盖层11，使得它与MEMS元件8或者与MEMS元件8的部分相连接。由此可以在MEMS扬声器阵列的单个MEMS元件8、比如MEMS扬声器像素之间构造单个的空腔12C。如果该覆盖层11是透声的，那么这可能有利于改善MEMS扬声器阵列的控制或者声音质量。 [0062] 在该MEMS芯片封装500中另外还能够不在控制芯片4中设置穿通接触部5，而是在该浇注材料层3中来构造穿通接触部。 [0063] 对于MEMS芯片封装600，作为耦合元件不是采用填充材料14而是采用比如由焊接材料制成的密封环17。由此能够实现声音密封的并围绕MEMS元件8面而结束的空腔12b。在此有利的是，密封环17由于润湿特性而不易于消逝。由此可以更好地调节该空腔12b的声特性。密封环17在此比如可以设置在焊接接触部14之外。 [0064] 在该MEMS芯片封装700中该框架元件8a和MEMS元件8一体地来制造，比如由一种微机械结构化的半导体材料比如硅。这在制造中带来了优点，因为在浇注材料和MEMS元件8之间的边界上不再可能出现热机械应力。 [0065] 在图9至12的MEMS芯片封装800至1100中，在背向控制芯片组件2的芯片表面上相应施加了其他的覆盖层9b。所述的其他覆盖层9b比如可以由和该框架元件9相同的浇注材料或者由塑料来制造。该覆盖层9b在此可以构造一个机械形状稳定的盖，其可以具有一个或多个穿通孔18a。所述穿通孔18a在此可以提供至其下一个空腔12a或其下多个空腔12c的声通道或通路。该第二覆盖层9b在此可以设置在该第一覆盖层11上或之下，并粘合、层压、熔合或焊接在该第一覆盖层11或该框架元件9上。该第一覆盖层11在此可以在其一侧用作粘结层或用于公差补偿。 [0066] 在图13至16中的MEMS芯片封装1200至1500中，可以规定控制芯片组件2的浇注材料层3具有一个或多个穿通孔18b，通过所述穿通孔可以提供至该空腔12b的声通道。如果覆盖层9c在背向控制芯片组件3的芯片表面上是声密封的，也即相对于声波是不可穿透的或基本是不可穿透的，那么这比如可能是有利的。该覆盖层9c在此可以是整面的盖，比如由浇注材料或塑料来制成。由此该空腔12a或这些空腔12c可以是声密封的。 [0067] 该浇注材料层3在此可以具有单个的浇注材料层组件3a，在其之间存在至该空腔12b的声通道18b。同样该衬底15也可以具有开口，其中声通道18b可以通过所述开口而与外界相连接。比如可以规定在该MEMS芯片封装1300中设置第三覆盖层19，该覆盖层作为声窗口而安置在控制芯片组件2的背向该MEMS芯片1的芯片表面上。代替地可以在该MEMS芯片封装1400中在该衬底15的底侧安置该第三覆盖层19，并把通过该衬底15、控制芯片组件2和该MEMS芯片1的底侧所定义的空腔12b通过在控制芯片和该衬底15之间的密封环17来进行声学密封。该MEMS芯片封装1400的密封环17在此可以对应于前文结合MEMS芯片封装600所解释的密封环17。 [0068] 对于MEMS扬声器阵列8的MEMS扬声器元件，如参照MEMS芯片封装1500所示，可能有利的是，直接与MEMS元件8相连地来施加该声密封盖9c，使得形成一些单个空腔12c。 [0069] 图17示出了MEMS芯片封装1600的示意图。在图17中的该MEMS芯片封装1600与图1至16中的其他MEMS芯片封装差别主要在于，不是控制芯片组件2、而是该MEMS芯片1通过焊接接触部16与该衬底15相耦合。从而控制芯片组件3不再具有穿通接触部5。而是在该框架元件9中形成穿过该MEMS芯片1的穿通接触部5a，所述穿通接触部给控制芯片组件2的金属化层6a提供了电接触。该衬底15具有开口，该开口提供了至该覆盖层11的声通道，声通道在MEMS扬声器元件8的情况下比如可以是透声的。 [0070] 图18示出了MEMS芯片封装1700的示意图。在图18中的该MEMS芯片封装1700与图1至16中的其他MEMS芯片封装差别主要在于，MEMS元件8是单个的MEMS麦克风元件8b，其通过在覆盖层9b中的穿通接触孔与外界进行声连接。在控制芯片组件2a中的控制芯片4a在此构造用于相应地控制该MEMS麦克风元件8b。在此应明确的是，结合图1至17所解释的实施变化方案和扩展例子同样也可以应用于在图18中的MEMS芯片封装1700。 [0071] 图19示出了用于制造一种MEMS芯片封装、尤其MEMS芯片封装100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500、1600或1700之一的方法1800的示意图。该方法1800包含有作为第一步骤21的通过耦合元件把第一芯片与第二芯片相耦合的步骤，其中该第一芯片具有第一芯片表面和与该第一芯片表面相对的第二芯片表面，该第二芯片具有第一芯片表面、与该第一芯片表面相对的第二芯片表面和在该第一与第二芯片表面之间延伸的至少一个电穿通接触部，该耦合元件把该第二芯片的第一芯片表面与该第一芯片的第一芯片表面相耦合，使得在该第一芯片和第二芯片之间构造第一空腔。在第二步骤22中进行在该第二芯片的第二芯片表面上所施加的第一布线层与衬底的耦合。在此该第一和第二芯片组中的一个芯片具有在该第一芯片表面上所构造的至少一个微机电结构元件、在该第一芯片表面所构造的第二布线层、在该第一和第二芯片表面之间所构造的包围该微机电结构元件的框架元件、以及在该第二芯片表面上施加在该框架元件上的第一覆盖层，其中在该第一覆盖层与所述至少一个微机电结构元件之间构造有至少一个第二空腔。在该第一和第二芯片组中的相应另一芯片在此具有一个浇注材料层、嵌入该浇注材料层中的控制电路、以及在该第一芯片表面上所施加的第三布线层，其中该控制电路设计用于控制至少一个微机电结构元件。 |
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