CN101233073B - 微机电系统封装和互连 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微机电系统封装和互连。一种微机电系统(MEMS)装置，包括：电晶片、机械晶片、将电晶片结合到机械晶片的等离子体处理的氧化物密封、以及在电晶片和机械晶片之间的电互连。

Description

微机电系统封装和互连
背景技术
微机电系统(MEMS)装置包括与电子微电路结合的微机械基底。这样的MEMS装置可以形成例如微传感器或微执行器，所述微传感器或微执行器根据例如电磁、电致伸缩、热电、压电、或压阻效应工作。MEMS装置利用微电子技术例如光刻、汽相淀积、和蚀刻被制作在绝缘体或其它基底上。
通常，MEMS装置的电部分和MEMS装置的机械部分被制造在分开的晶片上并且然后被结合在一起以形成MEMS装置。电和机械部分的结合可以在晶片级加工或在管芯级加工来执行。在晶片级加工或在管芯级加工，通常使用焊料将电部分结合到机械部分并且提供电部分和机械部分之间的电互连以形成MEMS装置。在焊接过程中，由于热和/或机械变化可能发生不对准。该不对准可能导致降低的成品率。
由于这些和其它的原因，需要本发明。
发明内容
本发明的一个方面提供微机电系统(MEMS)装置。MEMS装置包括电晶片、机械晶片、将电晶片结合到机械晶片的等离子体处理的氧化物密封、以及电晶片与机械晶片之间的电互连。
附图说明
图1示出微机电系统(MEMS)装置的一个实施例的截面图。
图2示出机械晶片的一个实施例的截面图。
图3示出对准机械晶片和电晶片用于结合的一个实施例的截面图。
图4示出以面对面的配置结合的两个芯片的一个实施例的截面图。
图5示出以背对面的配置结合的两个芯片的一个实施例的截面图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，参考附图，这些附图构成了说明书的一部分，在这些图中借助图示示出了可以实施本发明的特定实施例。在这方面，方向性的术语，例如：“顶部”、“底部”、“前”、“后”、“超前”、“拖尾”等等，是参考所描述的图的方向来使用的。由于本发明的实施例的部件可被定位在许多不同的方向上，因此方向性的术语仅用于说明的目的，并且决不是用于限制。应当理解也可以利用其它实施例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下做出结构或逻辑改变。因此，下面的详细描述不是在限制的意义上进行的，并且本发明的范围将由所附权利要求来限定。
图1示出微机电系统(MEMS)装置100的一个实施例的截面图。MEMS装置100包括机械晶片(M-晶片)102和电晶片(E-晶片)104。采用等离子体处理的氧化物密封环106和焊料互连108将M-晶片102结合到E-晶片104。
在一个实施例中，等离子体处理的氧化物密封环106封住焊料互连108以及M-晶片102和E-晶片104的部分。
在晶片级或管芯级加工实施M-晶片102到E-晶片104的结合。在一个实施例中，等离子体处理的氧化物密封环106在室温下将M-晶片102结合到E-晶片104以便该两个晶片被对准并且被锁定在适当的位置。在一个实施例中，等离子体处理的氧化物密封环106一接触就自然地将M-晶片102结合到E-晶片104。在一个实施例中，等离子体处理的氧化物密封环106也精确地将M-晶片102与E-晶片104之间的间隙110设置为期望值。
在一个实施例中，在等离子体处理的氧化物密封环106将M-晶片102结合到E-晶片104并且设置晶片之间的间隙110之后，在M-晶片102与E-晶片104之间形成焊料互连108。在一个实施例中，结合的M-晶片102和E-晶片104被退火以回流沉积在M-晶片102和/或E-晶片104上的焊料材料，以形成M-晶片102和E-晶片104之间的电3D互连108。
在一个实施例中，M-晶片102包括微移动器(micromover)或其它合适的微机械装置。在一个实施例中，E-晶片104包括用来互连微移动器以形成MEMS装置例如MEMS装置100的互补型金属氧化物半导体(CMOS)电路或其它合适的电路。
与焊料结合技术相比，等离子体处理的氧化物密封环106可以大大改善M-晶片102与E-晶片104之间的对准。另外，总结合强度可以被增强，大大优于焊料结合技术。提高对准和结合强度可以在制作过程中提供更大的工艺裕度和更高的成品率。等离子体处理的氧化物密封环106也能实现晶片或管芯集成与封装中的精确对准的3D结构。此外，在一个实施例中，利用等离子体处理的氧化物密封环106实现具有互连的气密封装。
图2示出M-晶片102的一个实施例的截面图。在一个实施例中，利用光刻工艺，密封环材料例如SiO2或另一合适的材料被图案化在M-晶片102上，以获得期望的结合点和间隙110。在一个实施例中，焊料凸起108a也被设置在M-晶片102上用来形成电互连。在一个实施例中，密封环材料和/或焊料凸起被设置在E-晶片104上而不是M-晶片102上。在另一个实施例中，密封材料在M-晶片102和E-晶片104上被图案化。
在一个实施例中，利用等离子体例如氧等离子体或氮等离子体处理密封环106。该等离子体处理为使密封环106一与另外的SiO2表面或另外合适的表面接触就立即结合而作准备。
图3示出对准M-晶片102和E-晶片104用于结合的一个实施例的截面图。在该实施例中，M-晶片102与E-晶片104对准。然后等离子体处理的氧化物密封环106接触E-晶片104的SiO2表面。在一个实施例中，等离子体处理的氧化物密封环106一与E-晶片104的SiO2表面接触，M-晶片102在室温下就自然地结合到E-晶片104。
然后M-晶片102和E-晶片104被退火以回流焊料108a。回流的焊料108a提供M-晶片102与E-晶片104的电接触108b之间的电3D连108。等离子体处理的氧化物密封环106与电3D互连108的组合使对准的M-晶片102和E-晶片104结合以形成图1中所示的MEMS装置100。
图4示出以面对面的配置结合形成装置150的两个芯片的一个实施例的截面图。装置150包括封装153中的芯片152、封装155中的芯片154、电互连156、以及等离子体处理的氧化物密封环158。
氧化物密封环158在封装153、封装155、或封装153和封装155上被图案化以获得期望的结合点和期望的间隙160。在一个实施例中，氧化物密封环158然后被等离子体处理。芯片152的面与芯片154的面对准并且等离子体处理的氧化物密封环158一接触就被结合。在一个实施例中，装置150然后被退火以回流焊料，以形成芯片152和芯片154之间的电互连156。
图5示出以背对面的配置结合形成装置170的两个芯片的一个实施例的截面图。装置170包括封装15 中的芯片152、封装155中的芯片154、电互连156、以及等离子体处理的氧化物密封环158。
氧化物密封环158在封装153、封装155、或封装153和封装155上被图案化以获得期望的结合点和期望的间隙160。在一个实施例中，氧化物密封环158然后被等离子体处理。芯片152的背面与芯片154的面对准并且等离子体处理的氧化物密封环158一接触就被结合。在一个实施例中，装置170然后被退火以回流焊料，以形成芯片152和芯片154之间的电互连156。
在执行高温焊料回流以形成电互连以前，本发明的实施例提供低温等离子体结合以将晶片或管芯固定在适当的位置。等离子体处理的氧化物密封环改善了对准精度并且基本上消除了由于材料膨胀、热效应、机械位移等引起的任何偏移。
尽管在此已经示出和描述了具体实施例，但是本领域技术人员将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，多个替换和/或等效实施方式可以替换所示出和描述的具体实施例。本申请旨在覆盖在此讨论的具体实施例的任何改变或变型。因此，意图是本发明仅由权利要求及其等效物来限定。

Claims (28)

1.一种微机电系统(MEMS)装置，包括：
电晶片；
机械晶片；
将电晶片在室温下结合到机械晶片的等离子体处理的氧化物密封；以及
在电晶片和机械晶片之间的电互连。
2.如权利要求1所述的微机电系统(MEMS)装置，其中该电互连包括焊料。
3.如权利要求1所述的微机电系统(MEMS)装置，其中该电晶片包含互补金属氧化物半导体(CMOS)电路。
4.如权利要求1所述的微机电系统(MEMS)装置，其中该机械晶片包含微移动器。
5.如权利要求1所述的微机电系统(MEMS)装置，其中该等离子体处理的氧化物密封包含等离子体处理的SiO2。
6.如权利要求1所述的微机电系统(MEMS)装置，其中该等离子体处理的氧化物密封提供气密密封。
7.如权利要求1所述的微机电系统(MEMS)装置，其中该等离子体处理的氧化物密封包含等离子体处理的氧化物密封环。
8.一种微机电系统(MEMS)装置，包括：
在第一封装中的第一芯片；
在第二封装中的第二芯片；
将第一封装在室温下结合到第二封装的等离子体处理的氧化物密封；以及
在第一芯片和第二芯片之间的电互连。
9.如权利要求8所述的微机电系统(MEMS)装置，其中该电互连将第一芯片的面结合到第二芯片的面。
10.如权利要求8所述的微机电系统(MEMS)装置，其中该电互连将第一芯片的面结合到第二芯片的背面。
11.如权利要求8所述的微机电系统(MEMS)装置，其中该电互连包含焊料。
12.如权利要求8所述的微机电系统(MEMS)装置，其中该等离子体处理的氧化物密封包含等离子体处理的SiO2。
13.如权利要求8所述的微机电系统(MEMS)装置，其中该等离子体处理的氧化物密封提供气密密封。
14.如权利要求8所述的微机电系统(MEMS)装置，其中该等离子体处理的氧化物密封包含等离子体处理的氧化物密封环。
15.一种微机电系统(MEMS)装置，包括：
电管芯；
机械管芯；
将该电管芯在室温下结合到该机械管芯的等离子体处理的氧化物密封环；以及
在该电管芯和机械管芯之间的电互连。
16.如权利要求15所述的微机电系统(MEMS)装置，其中该电互连包括焊料。
17.如权利要求15所述的微机电系统(MEMS)装置，其中该电管芯包含互补金属氧化物半导体(CMOS)电路。
18.如权利要求15所述的微机电系统(MEMS)装置，其中该机械管芯包含微移动器。
19.如权利要求15所述的微机电系统(MEMS)装置，其中该等离子体处理的氧化物密封环包含等离子体处理的SiO2。
20.如权利要求15所述的微机电系统(MEMS)装置，其中该等离子体处理的氧化物密封环提供气密密封。
21.一种电互连晶片的方法，该方法包括：
提供具有用于电互连的焊料球的第一晶片；
提供具有用于该电互连的接触的第二晶片；
在室温下利用等离子体处理的氧化物密封将该第一晶片结合到该第二晶片以对准用于该电互连的焊料球和接触；以及
回流焊料以形成该电互连。
22.如权利要求21所述的方法，进一步包括：
在第一晶片和第二晶片之间设置间隙。
23.如权利要求21所述的方法，其中提供第一晶片包括提供机械晶片，并且其中提供第二晶片包括提供电晶片。
24.一种封装微机电系统的方法，该方法包括：
在第一晶片上设置第一氧化物密封材料；
图案化第一氧化物密封材料以形成第一氧化物密封环；
等离子体处理第一氧化物密封环；
将等离子体处理的第一氧化物密封环与第二晶片接触以在室温下将第一晶片结合到第二晶片；以及
退火第一晶片和第二晶片来回流焊料，以在第一晶片和第二晶片之间形成电互连。
25.如权利要求24所述的方法，其中等离子体处理第一氧化物密封环包括氧等离子体处理第一氧化物密封环。
26.如权利要求24所述的方法，其中所述第一晶片是机械晶片。
27.如权利要求24所述的方法，其中所述第二晶片是电晶片。
28.如权利要求24所述的方法，进一步包括：
在第二晶片上设置第二氧化物密封材料；
图案化第二氧化物密封材料以形成第二氧化物密封环；以及
等离子体处理第二氧化物密封环；
其中将等离子体处理的第一氧化物密封环与第二晶片接触包括将等离子体处理的第一氧化物密封环与等离子体处理的第二氧化物密封环接触。
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