CN101925530B - 用于制作半导体装置的封装的方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种密闭微机电(MEMS)装置(100)，所述密闭微机电(MEMS)装置包括：载体(110)，其具有包含装置(101)的表面(111)及附接条带(122)，所述条带与所述装置间隔开并环绕所述装置；金属箔(102)，其具有中心鼓凸部分(103)及与所述条带交会的外围轮缘部分(104)，平行于所述载体的鼓凸横截面从所述轮缘朝向鼓凸顶点(105)单调递减；且所述箔定位于所述载体表面上方，以使得所述鼓凸在所述装置上方形成拱顶且所述轮缘与所述条带形成密封。

Description

用于制作半导体装置的封装的方法

技术领域

本发明一般来说涉及半导体装置及工艺领域，且更特定来说涉及微机电系统(MEMS)装置的强健的、低成本且大批量生产的封装的结构及制作方法。 

背景技术

统称为微机电系统(MEMS)装置的各种各样的产品是微米级小型装置，其具有机械移动部件且常常具有可移动电源及控制件。因为这些移动部件，MEMS装置需要物理及大气保护。因此，将MEMS装置放置于强健的衬底上并用外壳或封装将其环绕，所述外壳或封装使所述装置免受环境及电气干扰且免受应力。 

对于准密闭囊封，其防止纳米粒子进入，但不防止水分子及氧气分子进入，可在批工艺流程中借助塑料材料及光刻技术逐步建造MEMS装置封装。举例来说，已使得用于塑料及/或金属层的三个沉积步骤及两个光刻定义步骤以微米精度制造出用于体声波(BAW)滤波器的封装。 

准密闭囊封的另一实例是借由借助具有粘性的聚合物胶合到环绕MEMS装置的笔直金属壁上的扁平金属盖形成的MEMS装置的腔。用于微米级封装的光刻技术将壁厚度耦合到壁高度，从而需要的1比2的最小纵横比。 

对于完全密闭囊封，此防止水分子及氧气分子以及纳米粒子进入，MEMS装置封装通常借助陶瓷材料构造而成。这些封装因其多层金属化而昂贵。举例来说，具有位于扭力梁上的可偏斜铝微镜及用于下方控制电极的电路的数字微镜的大的硅芯片(例如可从美国德克萨斯州达拉斯市的德州仪器公司(Texas Instruments)购得的DLPTM微镜装置芯片)借助多层金属互连装配在陶瓷衬底上。这些所装配的微镜由密封到衬底上的壁的玻璃板覆盖，从而允许光束到达这些微镜。 

完全密闭封装中的其它装置(例如MEMS谐振器、回转仪及加速计)甚至可能需要在所述产品的使用期限期间维持某一真空程度以保证振动结构的性能及稳定性。使用三个或四个金属层沉积步骤及两个或三个光刻定义步骤沿半导体装配流程建造用于这些谐振器及共振器中的一些的封装。在借助小于5·10^-2托的压力将MEMS谐振器封装到腔中的实例性装配流程中，微米精度的封装工艺流程需要如下3个材料沉积步骤及2个光刻定义步骤：将牺牲层沉积到MEMS谐振器的顶部上；将覆盖层沉积到所述牺牲层上方；穿过所述覆盖层蚀刻释放孔到达所述牺牲层；穿过所述释放孔移除所述牺牲层，因此使所述谐振器自由；将谐振器周围的自由空间抽真空；将密封剂层沉 积到所述覆盖层上方以密封所述释放孔；并穿过所述密封剂层打通通孔以接触具有金属垫的覆盖层。所述工艺步骤序列使得封装技术耗时且昂贵。 

发明内容

申请人认识到，市场趋向于较高MEMS可靠性及较低成本要求的完全密闭封装，但不包括多金属级陶瓷材料的成本。申请人进一步看到，对于微米级MEMS封装，具有重复光刻对准步骤的现今制作流程成本太过昂贵且耗时；所需组光掩模也与快速改变消费者要求、短的制造周转时间及普遍的产品多样化的发展中的市场趋势冲突。 

申请人通过形成箔(优选地由铝或铜制成)以变成适合半导体芯片的表面上的功能性MEMS部件的圆顶形壳、且然后通过将所述壳密封到条带(优选地由铝或铜制成)、从而环绕芯片表面上的装置来解决微米级MEMS装置的完全密闭但低成本腔封装的大批量生产问题。申请人发现，所述箔的厚度(例如，5μm到15μm)使得将能够借由迅速移动的激光器的能量执行所述密封。箔形成过程赋予所述壳机械强健性，可通过形成额外支撑梁加强所述壳。金属对金属密封使得所述封装密闭。 

申请人开发用于形成金属薄片的工具是低成本且经结构化以用于大批量生产；此外，所述工具可充当将多个壳输送到装配台的构件。所述工具包含具有下半部及上半部的模压机。所述下半部具有带有圆形鼓凸及尖头销的扁平表面，鼓凸位置匹配装置位置且鼓凸大小包围装置大小。所述上半部具有带有圆形凹部及尖头凹口的扁平表面，凹部位置及大小匹配鼓凸位置及大小，且凹口位置及大小匹配尖端位置及大小。在已将所述箔挤压于所述下半部与所述上半部之间以使其形成为所述凹部的形状之后，所述箔因到所述凹口的附接而紧贴到所述上半部，且因此可输送到具有所述装置的载体。 

在优选实施例中，模压机具有由对载能辐射(例如激光)透明的材料制成的上半部。当箔及附接条带两者均由适合的金属(例如铝或铜)制成时，在所述箔已接触所述条带之后，此能量将允许焊接密封件。 

本发明的技术优点是，条带可结构成各种形状，包含低层金属垫或薄金属壁。由于不涉及光刻步骤，因此壁厚度不再借由1比2的最小纵横比耦合到壁高度。 

另一技术优点是，封装装配流程可整合到晶片级半导体工艺流程中。用于MEMS保护的所得腔封装具有微米级尺寸且可使其具有低轮廓拱顶，从而允许到外部部件的低轮廓附接。 

另一技术优点是，可使根据本发明的封装完全密闭。制作步骤可与批处理相容且使用低成本材料工艺步骤。因此，与陶瓷封装相比较，根据本发明的密闭封装将成本减少约75％。另外，当不需要完全密闭性时，金属箔可借助聚合粘合剂密封到条带。 

作为封装概念的变型，电子装置封装的结构及制作工艺可扩展到由对光学信号透明的材料制成的箔。因此，经囊封的装置可以是灵敏信号监视器。作为另一变型，可通过将额外支撑梁模压到箔中来同时加强形成为扁平箔的鼓凸。所得拱顶机械强度足 够大以在将鼓凸局部抽真空之后经受大气压力，因此允许MEMS装置在局部真空中操作。 

附图说明

图1是根据本发明制作的封装中的MEMS装置的示意性剖视透视图。 

图2A是具有带有用于增强所述囊封的机械强度的经模压的结构的圆顶形鼓凸的另一MEMS装置的示意性透视图。 

图2B是鼓凸箔沿图2A的线2B-2B截取的放大横截面。 

图3A是在载体表面上具有多个MEMS装置的半导体载体的示意性分段透视图。 

图3B是半导体载体沿图3A的线3B-3B截取的横截面。 

图4到图11图解说明根据本发明用于制作电子装置的封装的方法的步骤。 

图4是用于形成在模压机上下半部之间延伸的箔的分段式模压机的示意性横截面。 

图5图解说明分段式模压机在合上模压机上下半部且形成箔的工艺步骤处的示意性横截面。 

图6描绘分段式模压机在提起具有紧贴的经形成箔的模压机上半部的工艺步骤处的示意性横截面。 

图7显示分段式模压机上半部在与相应MEMS装置的工艺步骤对准且施能以将箔密封到装置载体的步骤之后的示意性横截面。 

图8是分段式载体上的经囊封的MEMS装置在移除箔模压机之后的示意性横截面。 

图9示意性地图解说明移除箔鼓凸之间的扁平箔部分的工艺步骤。 

图10示意性地描绘单分步骤之后的离散经囊封的MEMS装置。 

图11示意性地显示附接断开的线接合以用于互连的工艺步骤之后的离散经囊封的MEMS装置。 

图12是根据本发明囊封且覆晶装配到板上的实例性MEMS装置的示意性横截面。 

图13是根据本发明囊封且装配到板上的另一实例性MEMS装置的示意性横截面。 

具体实施方式

作为本发明的实例性实施例，图1图解说明表示为100的一般电子产品，其包含封装在成形为鼓凸或拱顶103的箔102之下的微机电(MEMS)装置101。MEMS装置101可以是谐振器、体声波滤波器或具有机械移动部件的任何微结构，且具有例如介于15μm到20μm之间的长度及约2μm的高度的实例性尺寸。装置101附接到载 体110，所述载体可以是包含绝缘表面层111的半导体芯片。另一选择为，载体110可以是任何其它材料，例如母板或金属厚板；在具有金属厚板的一些装置中，可优选地在所述金属上添加绝缘表面。在图1中，装置101通过金属触点120附接到载体，所述金属触点可属于与反触点121相同的金属化层。金属120促进到除圆顶形箔102之外且与其分开的接触垫或接合垫130的电连接。附接到接合垫130的是到外部部件的金属连接器140。 

箔102优选为金属的；其可(例如)包含铝或铜或其合金。作为金属箔，MEMS装置的优选厚度范围介于5μm到15μm之间；然而，对于具有大于典型MEMS装置的装置的应用，箔可以相当厚，甚至在毫米范围内。另一选择为，箔102可由对辐射(例如光学辐射)尤其对聚焦激光透明的塑料化合物的制成。当可传输光信号时，所述MEMS装置可操作为传感器。 

如图1所指示，箔102具有中心鼓凸部分103及外围轮缘部分104。举例来说，对于一些MEMS装置，从所述鼓凸的中心到轮缘的距离可介于20μm到50μm之间。所述轮缘部分可进一步包含扁平凸缘104a，所述扁平凸缘从所述箔的轮缘部分延伸为单个不间断薄片。实例性图1显示鼓凸103为平滑的且近似为圆环形或椭圆形。所述鼓凸平行于载体110的横截面从轮缘104朝向鼓凸顶点105单调递减。然而，鼓凸103可具有适于为装置101提供空间来按打算操作其移动部件的任何形状。举例来说，鼓凸103可大致成形为矩形或新月形或蛇形或不规则外形。 

此外，鼓凸103可经结构以包含特征(例如支撑梁)，所述特征将额外机械强度赋予所述鼓凸从而支撑用于所述鼓凸的薄的箔材料。举例来说，图2A图解说明圆顶形鼓凸201，其具有从轮缘部分到达顶点205附近(所述顶点自身可以是扁平的)的多个细长突部或肋202。在图2B中描绘鼓凸沿线2B-2B的横截面，其在箔材料中显示近似半球状浮凸202a。 

依据支撑梁的密度以及圆顶形鼓凸的大小及曲率，所述支撑梁允许构造封装，其中腔可经受小于5·10^-2托的压力。 

对于其它装置，所述支撑梁实现封装，其中可用气体(例如氮气)位于鼓凸下方的腔达超过大气压力的压力。 

现参考图1，产品100进一步包含在表面层111上的适于附接箔轮缘的结构122。结构122优选地具有与装置101间隔开并环绕装置101的条带配置。优选地，附接条带122包含金属，例如铜或铝或其合金。举例来说，条带122可在半导体制作流程中从最顶部金属化层图案化。另一选择为，条带122可包含塑料化合物、具有粘性的化合物或半导体绝缘层。条带122具有适于与轮缘104交会并附接到轮缘104的总体配置及宽度。 

在其它实施例中，可不需要作为单独本体的条带。替代地，轮缘104及凸缘104a直接附接到载体110。在此情况下，优选附接方法采用聚合粘合剂。在其它实施例中，尤其当载体为金属的时，金属箔到载体的密封为金属对金属密封。 

当条带122为金属时，箔金属与条带金属之间的接触实现不仅对粒子不可渗透而且对例如水分子及氧气分子不可渗透的密闭密封。用于制作金属对金属密封的实际方法是焊接(见下文)。当载体110是半导体芯片或金属厚板时，密闭密封使得如图1中所示的整个封装密闭。另一选择为，当条带122为聚合化合物或当使用聚合粘合剂时，箔与条带之间的接触仅为半密闭；其对粒子不可渗透，但对水分子及氧气分子可渗透。条带122且因此所述密封可保持窄小，例如达几微米。 

如上文所指出，当图1中的鼓凸部分103由单个箔薄片制成时，平行于载体110的鼓凸横截面从轮缘104到顶点105单调递减。另外，当外围轮缘部分104具有凸缘104a(所述凸缘从所述轮缘部分无缝延伸)时，扁平凸缘104a平行于载体110。 

为图解说明将多个MEMS装置301成批封装于低成本囊封中的制造工艺流程，图3A给出在晶片表面311上具有二维规则MEMS装置301阵列的半导体晶片310的一部分的示意性实例。装置301位于装置位置中。在其它实例中，所述装置可处于不规则或异常位置。每一MEMS装置301由总成条带320环绕，所述总成条带优选地由金属(例如铝)制成。多个金属垫330(优选地由铜制成)充当到相应装置的电连接位置。在图3B中描绘晶片沿线3B-3B的横截面；此横截面将在图7到图11中用于图解说明某些工艺步骤。 

图4显示在制造方法中用作二维模压机的实例性形成工具的横截面。通常表示为400的所述工具具有下半部410及上半部420。在优选实施例中，模压机的下半部由钢制成，且上半部由对激光光学透明的材料(例如玻璃、石英或透明塑料)制成。当使用其它形式的聚焦能量(例如热辐射或红外辐射)时，上半部402应对所述形式的能量透明。 

参考图4，模压机下半部410具有扁平表面411。鼓凸412及尖头销413从表面411突出。鼓凸412优选地为圆形，以使得所述鼓凸平行于表面411的横截面从表面411处最宽的鼓凸尺寸412a朝向鼓凸顶点412b单调递减。鼓凸412的位置匹配图3中MEMS装置301的位置。鼓凸412的大小(线性尺寸，例如直径及外形以及高度)包围图3中MEMS装置301的大小。 

现参考图4，模压机上半部420具有扁平表面421。凹部422及尖头凹口423挖空到表面411中。凹部422的位置、形状及大小匹配相应鼓凸412的位置、形状及大小。凹口423的位置、形状及大小匹配相应销413的位置、形状及大小。 

图4进一步显示在模压机下半部410与模压机上半部420之间延伸的扁平箔430。在优选实施例中，箔430由金属(例如铝、铜、不锈钢或其合金)制成；另一选择为，如果不需要抵抗水分子及氧气分子的封装密闭性，则箔430可以由塑料化合物制成。箔430的优选厚度范围在从约5μm到15μm的范围内；另一选择为，当可用适合的密封技术时，所述箔可较厚，达毫米范围。图4中的箭头440指示模压机上半部420朝向下半部410移动的方向。 

在下一工艺步骤中，模压机上半部420朝向下半部410移动以便使所述模压机合 上。在图4中由箭头440指示此移动。在图5中图解说明合上模压机的结果。将箔430挤压于下半部410与上半部420之间，以使得所述箔形成为展示所述凹部的形状的鼓凸503，其中扁平箔部分504a保留在所述凹部之间。将额外箔部分压成凹口523的形状。在图5的批工艺步骤中，在单个工艺步骤中制作多个相应MEMS装置(参见图3)所需的多个鼓凸503。 

在图6中所示的下一工艺步骤中，如由箭头640指示通过将模压机上半部420从下半部410提起来打开模压机。如图6指示，在此提起过程中，箔430保持紧贴到模压机上半部，这是因为箔部分523保持固附于上半部420的凹口中。 

接下来，将包含紧贴的箔430的模压机上半部420输送到附接到载体的MEMS装置(参见图3中所描绘的多个MEMS装置)。如在图7中所图解说明，上半部420连同紧贴的箔430一起与装置载体110的表面对准，以使得上半部420的每一凹部中的箔503与相应装置101的位置对准，且位于所述凹部之间的扁平箔部分504a具有环绕每一装置101的附接条带122。 

如由图7中的箭头740指示，将上半部420向下放到载体110上，直到所述箔的扁平部分504a触及附接条带122。触及条带122的箔部分在图7中表示为722。在此阶段，上半部420的每一凹部中的箔503形成在装置101上方形成拱顶的鼓凸。 

图7进一步图解说明源750使载能辐射751穿过透明上半部420聚焦到触及的箔部分722及条带122上。辐射能量由箔部分722及条带122吸收以升高局部温度，直到箔材料(例如，第二金属)与条带材料(例如，第一金属)局部密封在一起。优选地，辐射源可沿x方向及y方向移动从而沿环绕每一MEMS装置的附接条带形成密封接缝。举例来说，当箔755及条带122由铝制成时，所聚焦辐射751优选地是可移动激光且密封动作包含焊接。激光束751可快速移动，以使得可在短时间周期内完成箔到附接条带的焊接。由金属到金属焊接所进行的密封产生金属囊封对载体(例如，半导体芯片)的完全密闭密封。 

对于仅需要准密闭封装的装置，可使用聚合粘合剂化合物来将箔鼓凸附接到载体条带或在缺少条带的情况下附接到载体表面。为使化合物硬化(聚合)，将能量源用于所聚焦的辐射可能是合实际的。另一方面，对于一些化合物，在升高温度下的老化过程可能足够。 

在箔附接到载体的情况下，可将模压机上半部从箔提起。在已分开并移除模压机上半部之后，图8描绘由箔的鼓凸503囊封的载体110上的MEMS装置101，所述箔的鼓凸由密封接缝822附接到载体到达环绕所述装置的条带。 

图9描绘移除(箭头940)密封接缝822之间的扁平箔部分901的下一工艺步骤。所述薄的箔在密封接缝822处断开，且提起(箭头940)扁平箔部分901。虚线910指示为单分经囊封的装置而将切割载体(例如半导体晶片)的位置。优选切割技术是锯切。图10显示单分步骤之后的离散经封装的MEMS装置1000。 

在替代方法中，模压机下半部经配置以使得仅在箔附接位置外部用环绕每一 MEMS装置的尖脊替换销413。因此，与合上模压机两个半部且形成箔的步骤(参见图5)同时地切割箔以使得仅具有鼓凸503的每一箔部分保持紧贴到模压机上半部，同时切掉连接箔部分。因此，仅凸出的箔部分到达图7的密封步骤，且图9中描绘的工艺步骤变得多余。 

图11显示附接到经单分装置的接触垫130的连接器140。制作连接器的优选技术是使用由金、铜、铝或其合金制成的线的线接合。形成自由空气球140a并通过将其挤到垫上来附接其。所述线在机械弱热影响区中在足够高于箔鼓凸的顶峰的长度140b处断开。另一选择为，可将连接导电柱(例如由铜或铜合金制成)沉积到接触垫上。 

图12显示离散MEMS装置1201的实例(未按比例绘制)，其附接到半导体载体1210且借由金属1203密闭囊封，其借由断开的焊球接合1240覆晶装配到外部板1250上。所述装置的总长度可介于约40μm到100μm之间且高度约为10μm到30μm。 

在图13中显示密闭封装中经装配的MEMS装置的另一实例(未按比例绘制)。在此实例中，金属填充的直通硅通孔(TSV)1340提供从外部板1350到位于金属鼓凸1303下方的MEMS装置1301的电连接。到板1350的触点上的装配是通过填充导通体的金属的延长部分来实现，其中所述延长部分充当微凸块1340a以供装配。与具有断开的焊球接合的装置实例(参见图12)相比较，图13的表面安装装配允许更小的MEMS装置进一步用于单分过程，其中锯子同时切穿金属箔1303(形成边缘1303a)及半导体载体1310(形成边缘1310a)。 

本发明适用于任何类型的半导体芯片、离散或集成电路，且半导体芯片的材料可包含硅、硅锗、砷化镓或集成电路制造中所使用的任何其它半导体或化合物材料。 

所述囊封方法可扩展到在衬底上封装任何半导体装置，以使其完全密闭或准密闭，而不浸入普遍材料(例如聚合模制化合物)中。其平行于衬底的横截面从鼓凸轮缘到鼓凸顶点单调递减的箔鼓凸在低成本、快速周转及消费者定向水平上提供密闭外壳。 

载体为金属的且具有多个通孔，借助每一导通体中的连接器到达装配于所述载体上的装置(当然，所述连接器与所述金属载体绝缘)，且所述装置由圆顶形金属箔囊封。以此方式，所述装置在模仿法拉第筒/屏的封装中静电屏蔽辐射。 

所述方法可超出半导体封装的制作扩展到对衬底上任何装置的微米级以及更大数量级的囊封，其中密闭性(局部或全部)必不可少，且装置上方的鼓凸箔具有平行于衬底的从凸出轮缘到鼓凸顶点单调递减的横截面。 

本发明所属领域的技术人员将了解，在所主张发明的范围内，许多其它实施方案可行。 

Claims (8)

1.一种用于制作半导体装置的封装的方法，其包括如下步骤：

通过具有下半部及上半部的模压机，在箔中形成鼓凸，其中该上半部对辐射透明；

使包含轮缘的所述箔的扁平部分围绕所述鼓凸；

将所述箔定位在载体的表面上，所述箔紧贴于所述模压机的一部分；以及

将模压于所述箔中的所述鼓凸的轮缘密封到在表面上具有所述半导体装置的所述载体的表面上，以使得所述鼓凸在所述半导体装置上方形成穹顶。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述半导体装置包含微机电(MEMS)装置。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述箔包含选自包含铝、铜及其合金的群组的金属。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述载体是半导体芯片。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述模压机的所述下半部具有带有圆形鼓凸的扁平表面，鼓凸位置匹配所述半导体装置位置且鼓凸大小包围所述半导体装置大小；所述上半部具有带有圆形凹部的扁平表面，凹部位置及大小匹配所述鼓凸位置及大小。

6.根据权利要求5所述的方法，其进一步包含在所述模压机上半部中的凹口以使所述经模压的箔能够紧贴到所述上半部以用于使所述经模压的箔在所述载体表面上的所述半导体装置上方移动。

7.一种用于制作装置的封装的方法，其包括如下步骤：

提供具有包含装置的表面及附接条带的载体，每一条带与相应装置间隔开并环绕所述装置；

提供具有下半部及上半部的模压机，所述上半部对辐射透明；

所述下半部具有带有圆形鼓凸及尖头销的扁平表面，鼓凸位置匹配装置位置且鼓凸大小包围装置大小；

所述上半部具有带有圆形凹部及尖头凹口的扁平表面，凹部位置及大小匹配所述鼓凸位置及大小，且凹口位置及大小匹配销位置及大小；

使扁平箔在所述模压机下半部与所述模压机上半部之间延伸；

合上所述模压机，从而将所述箔挤压于所述下半部与所述上半部之间，以使得所述箔形成为所述凹部的形状，其中扁平箔部分保持在所述凹部之间；

打开所述模压机，借此所述所形成的箔由所述凹口保持固附且因此紧贴到所述模压机上半部；

使包含所述紧贴的箔的所述上半部与所述载体表面对准，以使得每一凹部中的所述箔与相应装置的位置对准，且使所述凹部之间的所述扁平箔部分与具有环绕每一装置的所述附接条带对准；

将所述上半部向下放到所述载体上，直到所述扁平箔部分触及所述附接条带且所述箔鼓凸在所述装置上方形成拱顶；及

使载能辐射穿过所述透明上半部聚焦到所述触及的箔与条带以升高局部温度，直到第二金属与第一金属局部密封在一起，从而沿环绕每一装置的所述条带形成密封接缝。

8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包含如下步骤：

移除所述模压机上半部；

移除所述密封接缝之间的所述扁平箔部分；及

通过将所述载体切割成离散单元来单分所述装置。

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