CN102336390B - 具有压力感测器的微机电结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有压力感测器的微机电结构及其制造方法，利用具有压力感测元件的晶片与一封盖作晶片接合，且该具有压力感测元件的晶片上形成有电性连接垫，经切割封盖后得以进行引线键合及封装制造方法，接着裸露焊线线头以作为电性连接路径。至于具有压力感测元件的晶片的底面，则形成有底面开口以构成压力感测路径，本发明的微机电结构及其制造方法整合晶片接合与引线键合制造方法，即可得到一新颖的具有压力感测器的微机电结构，不仅各步骤的操作简单，亦可得到轻薄短小的微机电结构。

Description

具有压力感测器的微机电结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种微机电结构，特别涉及一种具有压力感测器的微机电结构及其制造方法。

背景技术

压力感测器是利用压力感测元件来测知其承受气体或液体压力的数值。随着微机电系统技术(MEMS)蓬勃发展，以微机电元件制作压力感测器是目前较为普遍的方法。

如图2所示，现有压力感测器封装件，大都采用LGA封装结构，具体而言，该压力感测器封装件包括基板30；接置于该基板30上的微机电元件31；设于该微机电元件31上的感测薄膜32，且该感测薄膜32与微机电元件31间形成一腔室35；电性连接该基板30与该感测薄膜32的焊线33；以及设于该基板30上遮盖住该微机电元件31的封盖34，其中，该封盖34上开设有开口341。然而，封盖34具有开口341，以使外界气或液压力能进入封盖34内，而该腔室35内本身已具有一固定压力，当外界压力压迫感测薄膜32，则会与腔室35内压力产生一压力差，则可通过微机电元件31测得，再通过焊线33将信号传至基板30，而基板30接置于欲应用的电子元件，如此则可构成一压力感测回路。但因微机电元件31接置于基板30的封装方式其尺寸过于庞大，故不利于外部欲应用的电子元件的体积缩小。

因此，近来业界开发出晶片级的微机电封装结构制造方法，亦即利用蚀刻方式操作硅晶片穿孔(Through-Silicon Via；TSV)制造方法，并作晶片接合，以缩小感测元件的体积。如图3所示的美国专利公开公报第2006185429号的现有晶片级压力感测器封装件，包括一硅晶片40；堆叠于该硅晶片40上的感测晶片41(sensor wafer)，其中，该感测晶片41具有一感测薄膜411；以及通过阳极接合(anodic bonding)接置于该感测晶片41上的玻璃晶片42，其中，该玻璃晶片42开设有对应该感测薄膜411的开口421。而硅晶片40与感测薄膜411形成一腔室45，其感测原理与前述现有技术雷同，故此不再赘述。而于硅晶片40形成腔室45的凹部与盲孔皆需使用硅晶片穿孔制造方法，该制造方法不仅价格昂贵，且技术精密度要求亦高，故将感测压力元件以晶片制造方法制作，虽可得到尺寸较小的封装件，但该技术复杂且耗费成本甚巨。

因此，如何解决以较为简单的制造方法步骤却能得到轻薄短小的晶片级封装结构，实为目前亟欲解决的课题。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺点，本发明提供一种具有压力感测器的微机电结构及其制造方法，以解决现有技术中制造技术复杂以及耗费成本过高等问题。

本发明提供一种具有压力感测器的微机电结构的制造方法，包括：准备一具有压力感测元件的晶片及封盖，该晶片的压力感测元件具有一顶凹穴、形成于该顶凹穴周围的压力感测元件上的电性连接垫、以及设于该顶凹穴中并与其内缘连接的蚀刻停止膜及感测薄膜，其中，该蚀刻停止膜介于该顶凹穴底部及感测薄膜之间；该封盖的顶面形成有金属层；接合该具有压力感测元件的晶片及封盖，使该顶凹穴对应于该底凹穴以构成一腔室；切割该封盖，以露出该电性连接垫；以焊线电性连接该金属层与电性连接垫；在该压力感测元件及金属层上形成封装胶体，以包覆该焊线；去除部分顶部封装胶体，以外露出该焊线；在该封装胶体顶面形成重配置层，并通过该焊线电性连接该电性连接垫；以及自该压力感测元件的底面形成底面开口且外露出该蚀刻停止膜。

前述的制造方法进一步可包括于该重配置层上布置焊球。

为接合具有压力感测元件的晶片及封盖，该压力感测元件上可设有围绕该顶凹穴的第一密封环，且该封盖的底面设有第二密封环，且该第一密封环对应接合该第二密封环。此外，该多个电性连接垫设于该第一密封环的外围。

在一具体实施例中，前述的制造方法进一步包括于布置焊球之前，去除该蚀刻停止膜。

根据前述的制造方法，本发明进一步提供一种具有压力感测器的微机电结构，包括：压力感测元件，具有一贯穿其顶面的顶凹穴及对应该顶凹穴的底面开口；多个形成于该顶凹穴周围的电性连接垫；感测薄膜，设于该顶凹穴及底面开口之间，并连接其内缘；封盖，以其底面接合该压力感测元件，以构成一腔室；多根焊线，形成于该电性连接垫上；封装胶体，形成于该压力感测元件及封盖上，以包覆该焊线并外露出各该焊线线头；以及重配置层，形成于该封装胶体顶面并电性连接该焊线。

前述的微机电结构进一步可包括焊球，布置于该重配置层上。

在一具体实施例中，本发明的具压力感测器的微机电结构，进一步包括蚀刻停止膜，设于该感测薄膜下。

在一具体实施例中，该具压力感测器的微机电结构进一步包括形成于该封盖的顶面上的金属层。

本发明的具有压力感测器的微机电结构的制造方法利用具有压力感测元件的晶片与一封盖作晶片接合，且经过设计，令该具有压力感测元件的晶片上形成有电性连接垫，经过切割封盖后得以进行引线键合及封装制造方法，接着裸露焊线线头以作为电性连接路径，至于具有压力感测元件的晶片的底面，则形成有底面开口以构成压力感测入径(pressure inlet)，因此，本发明整合晶片接合与引线键合制造方法，无须经由技术复杂且耗费成本的硅晶片穿孔(Through-Silicon Via；TSV)制造方法，即可得到一新颖的具有压力感测器的微机电结构，不仅各步骤的操作简单，亦可得到轻薄短小的微机电结构。

附图说明

图1A至图1H”显示了本发明的具有压力感测器的微机电结构及其制造方法示意图，其中，图1A’显示蚀刻停止膜与基底之间留有空间的示意图；图1H’显示未具有蚀刻停止膜的具有压力感测器的微机电结构示意图；以及图1H”显示采用图1A’的具有压力感测元件的晶片制作而得的微机电结构示意图；

图2显示现有压力感测器封装件的剖面示意图；以及

图3显示现有晶片级压力感测器封装件的剖面示意图。

主要元件符号说明

1、1’      晶片

10          压力感测元件

11          基底

12          底面开口

13          内金属介电层

15          电性连接垫

16          第一密封环

17          蚀刻停止膜

171         空间

18、33      焊线

19、32、411 感测薄膜

191         顶凹穴

2、34       封盖

20          封装胶体

21          重配置层

211         底凹穴

22          金属层

23          焊球

25、35、45  腔室

26          第二密封环

3、3’      具有压力感测器的微机电结构

30          基板

31          微机电元件

341、421    开口

40          硅晶片

41          感测晶片

42          玻璃晶片

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例详细说明本发明的技术内容及实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的优点及功效。本发明也可通过其它不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供本领域技术人员的了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上、下”、“内、外”、“前、后”、“一”及“底部”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，也应当视为本发明可实施的范畴。

请参阅图1A至图1H，为具有压力感测器的微机电结构的制造方法的示意图。

如图1A所示，准备一具有压力感测元件10的晶片1及封盖2，该晶片1的压力感测元件10具有一顶凹穴191、形成于该顶凹穴191周围的压力感测元件10上的电性连接垫15、以及设于该顶凹穴191中并与其内缘连接的蚀刻停止膜17及感测薄膜19。详言之，该具有压力感测元件10的晶片1包括基底11、形成于该基底11上的内金属介电层13(intermetal dielectrics；IMD)，其中，该基底11及内金属介电层13是由晶片代工厂制作完成，而该内金属介电层13为线路层形成于硅材料中，该蚀刻停止膜17的材质可为二氧化硅、氮化硅或金属，而该感测薄膜19的材质可为硅、多晶硅、二氧化硅或金属等做为感应压力者，其中，该蚀刻停止膜17介于该基底11及感测薄膜19之间，且该内金属介电层13与该感测薄膜19顶面形成一顶凹穴191，前述该感测薄膜19与该内金属介电层13内的线路层连接，而当感测薄膜19因形变而通过内金属介电层13内的线路层而可传输电讯至该内金属介电层13上的电性连接垫15；在图1A所示的态样中，该封盖2的底面可开设有底凹穴211，其顶面则形成有金属层22。该底凹穴211可由干式或湿式蚀刻蚀刻该封盖2的底面而得，且大致上该底凹穴211的尺寸可对应该顶凹穴191。

此外，如图1A’所示的另一实施方式，该蚀刻停止膜17并非如图1A所示地设于该基底11上，而与该基底11留有一空隙或空间171，但该蚀刻停止膜17及感测薄膜19仍与该内金属介电层13内缘接合，以于感测薄膜19顶面形成一顶凹穴191。

如图1B所示，以例如晶片接合(Wafer bonding)的方式接合该压力感测元件10的内金属介电层13及封盖2，使该顶凹穴191对应于该底凹穴211以构成一密闭的腔室25，且该封盖2的顶面高于该电性连接垫15。于图1B所示的一具体实施方式中，该压力感测元件10的内金属介电层13上设有围绕该顶凹穴191的第一密封环16，且该封盖2的底面设有围绕该底凹穴211的第二密封环26，且该第一密封环16对应接合该第二密封环26。该第一密封环16及第二密封环26的材质可为如锡的金属或玻璃质(Glass frit)的物质。此外，具体而言，该多个电性连接垫15设于该第一密封环16的外围。

如图1C所示，切割该封盖2，以露出该电性连接垫15。

如图1D所示，以焊线18电性连接该金属层22与电性连接垫15，由于该多个电性连接垫15设于内金属介电层13上，因此，该多个电性连接垫15与该内金属介电层13电性连接，此外，可通过反向引线键合制造方法自该电性连接垫15引线键合至该金属层22上。接着，在该内金属介电层13及金属层22上形成封装胶体20，以包覆该焊线18。

如图1E所示，通过如化学机械研磨的方式去除部分顶部封装胶体20，以外露出该焊线18，也就是移除连接于该金属层22及该电性连接垫15间之一焊线18的中间部分而留下部分该焊线18(两子焊线)。

接着，如图1F所示，在该经去除部分封装胶体20的封装胶体20顶面形成重配置层21，并通过该焊线18电性连接该电性连接垫15。

如图1G所示，自该具有压力感测元件的晶片1的底面以例如反应式离子蚀刻(DRIE)的干式蚀刻或使用KOH的湿式蚀刻去除部份基底11，以形成贯穿该基底11的底面开口12，由于该蚀刻停止膜17具有阻止蚀刻的作用，因此于完成本步骤后，至少需外露出该蚀刻停止膜17。当然亦可视需求，进一步将蚀刻停止膜17去除。

如图1H所示，在该重配置层21上布置焊球23，并可再切割该封装胶体20以得到单一的本发明具有压力感测器的微机电结构3。

根据前述的制造方法，本发明进一步提供一种具有压力感测器的微机电结构3，包括：压力感测元件10，具有一贯穿其顶面的顶凹穴191及对应该顶凹穴191的底面开口12；多个形成于该顶凹穴191周围的电性连接垫15；感测薄膜19，设于该顶凹穴191及底面开口12之间，并连接其内缘；具体而言，该压力感测元件10包括基底11以及内金属介电层13，形成于该基底11上，而该多个电性连接垫15形成于该内金属介电层13上。

前述微机电结构3进一步包括：封盖2，该封盖2的底面可视需要开设有底凹穴211，以底面接合该压力感测元件10的内金属介电层13，使该底凹穴对应于该顶凹穴191，以构成一腔室25；多根焊线18，形成于该电性连接垫15上；封装胶体20，形成于该压力感测元件10及封盖2上，以包覆该焊线18并外露出各该焊线18线头；以及重配置层21，形成于该封装胶体20顶面并电性连接该焊线18。此外，还可包括焊球23，布置于该重配置层21上。

在优选实施例中，该具有压力感测器的微机电结构3进一步包括形成于该封盖2的顶面上的金属层22。

在本具体实施例中，本发明的具有压力感测器的微机电结构3，进一步包括蚀刻停止膜17，设于该感测薄膜19下，其中，该蚀刻停止膜17介于该底面开口12及感测薄膜19之间。更具体而言，该蚀刻停止膜17设于该基底11上。

在图1H所示的形态中，该压力感测元件10的内金属介电层13上设有围绕该顶凹穴191的第一密封环16，且该封盖2的底面设有围绕该底凹穴211的第二密封环26，且该第一密封环16对应接合该第二密封环26。该第一密封环16及第二密封环26的材质可为如锡的金属或玻璃质(Glass frit)的物质。此外，具体而言，该多个电性连接垫15设于该第一密封环16的外围，并与该内金属介电层13电性连接。另外，该具有压力感测器的微机电结构3进一步包括金属层22，形成于该封盖2的顶面上。

倘于制作该具有压力感测器的微机电结构的过程中，进一步将蚀刻停止膜17去除，则得到不具蚀刻停止膜17的具有压力感测器的微机电结构3’，如图1H’所示。

在图1H”所示的另一具体实施例中，若选用如图1A’所示的具有压力感测元件的晶片1’，则该蚀刻停止膜17与该基底11之间留有一空间171，但该蚀刻停止膜17及感测薄膜19仍与该内金属介电层13内缘接合，以于感测薄膜19顶面形成一顶凹穴191。

本发明的具有压力感测器的微机电结构的制造方法利用具有压力感测元件的晶片与一封盖作晶片接合，令该具有压力感测元件的晶片的内金属介电层上形成有电性连接垫，经过切割封盖后得以进行引线键合及封装制造方法，接着裸露焊线线头以作为电性连接路径，至于具有压力感测元件的晶片的底面，则形成有底面开口以构成压力感测入径，因此，本发明整合晶片接合与引线键合制造方法，即可得到一新颖的具有压力感测器的微机电结构，无须经由技术复杂且耗费成本的硅晶片穿孔制造方法，且不仅各步骤的操作简单，还可得到轻薄短小的微机电结构。

以上所述的具体实施例，仅用以例释本发明的特点及功效，而非用以限定本发明的可实施范畴，在未脱离本发明上揭的精神与技术范畴下，任何运用本发明所揭示内容而完成的等效改变及修饰，均仍应为申请保护范围所涵盖。

Claims (16)

1.一种具有压力感测器的微机电结构的制造方法，其特征在于，

所述制造方法包括：

准备一具有压力感测元件的晶片及封盖，该晶片的压力感测元件具有一顶凹穴、形成于该顶凹穴周围的电性连接垫、以及设于该顶凹穴中并与该顶凹穴的内缘连接的蚀刻停止膜及感测薄膜，其中，该蚀刻停止膜介于该顶凹穴底部及感测薄膜之间；该封盖的顶面形成有金属层；

接合该具有压力感测元件的晶片及封盖，以构成一腔室；

切割该封盖，以露出该电性连接垫；

以焊线电性连接该金属层与电性连接垫；

在该压力感测元件及金属层上形成封装胶体，以包覆该焊线；

去除部分顶部封装胶体，以外露出该焊线；

在该封装胶体顶面形成重配置层，并通过外露的该焊线线头电性连接该电性连接垫；以及

自该压力感测元件的底面形成底面开口且外露出该蚀刻停止膜。

2.根据权利要求1所述的具有压力感测器的微机电结构的制造方法，其特征在于，该压力感测元件上设有围绕该顶凹穴的第一密封环，且该封盖的底面设有第二密封环，且该第一密封环对应接合该第二密封环。

3.根据权利要求2所述的具有压力感测器的微机电结构的制造方法，其特征在于，该多个电性连接垫设于该第一密封环的外围。

4.根据权利要求1所述的具有压力感测器的微机电结构的制造方法，其特征在于，进一步包括布置焊球于重配置层上。

5.根据权利要求4所述的具有压力感测器的微机电结构的制造方法，其特征在于，进一步包括在布置焊球之前，去除该蚀刻停止膜。

6.根据权利要求1所述的具有压力感测器的微机电结构的制造方法，其特征在于，该蚀刻停止膜的材质选自二氧化硅、氮化硅或金属。

7.根据权利要求1所述的具有压力感测器的微机电结构的制造方法，其特征在于，该感测薄膜的材质选自硅、多晶硅、二氧化硅或金属。

8.根据权利要求1所述的具有压力感测器的微机电结构的制造方法，其特征在于，该封盖的底面开设有底凹穴，且该顶凹穴对应于该底凹穴以构成一腔室。

9.一种具有压力感测器的微机电结构，包括：

压力感测元件，具有一贯穿其顶面的顶凹穴及对应该顶凹穴的底面开口；

多个形成于该顶凹穴周围的电性连接垫；

感测薄膜，设于该顶凹穴及底面开口之间，并连接该顶凹穴的内缘；

封盖，以其底面接合该压力感测元件，以构成一腔室，该封盖的顶面高于该电性连接垫；

其特征在于，该具有压力感测器的微机电结构进一步包括形成于该封盖的顶面上的金属层、形成于该金属层及该电性连接垫上的多根子焊线、形成于该压力感测元件及该金属层上的封装胶体、以及形成于该封装胶体顶面的重配置层，其中，该子焊线是经由移除连接于该金属层及该电性连接垫间的焊线的中间部分而形成，该封装胶体是包覆该子焊线并外露出各该子焊线的线头，该重配置层是电性连接外露的该子焊线的线头。

10.根据权利要求9所述的具有压力感测器的微机电结构，其特征在于，进一步包括蚀刻停止膜，设于该感测薄膜下。

11.根据权利要求10所述的具有压力感测器的微机电结构，其特征在于，该蚀刻停止膜的材质选自二氧化硅、氮化硅或金属。

12.根据权利要求9所述的具有压力感测器的微机电结构，其特征在于，该压力感测元件上设有围绕该顶凹穴的第一密封环，且该封盖的底面设有第二密封环，且该第一密封环对应接合该第二密封环。

13.根据权利要求12所述的具有压力感测器的微机电结构，其特征在于，该多个电性连接垫设于该第一密封环的外围。

14.根据权利要求9所述的具有压力感测器的微机电结构，其特征在于，该感测薄膜的材质选自硅、多晶硅、二氧化硅或金属。

15.根据权利要求9所述的具有压力感测器的微机电结构，其特征在于，进一步包括焊球，布置于该重配置层上。

16.根据权利要求9所述的具有压力感测器的微机电结构，其特征在于，该封盖的底面开设有底凹穴，且该顶凹穴对应于该底凹穴以构成一腔室。