CN102404676B - Mems麦克风封装 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于MEMS麦克风结构元件(1)的基于晶片级的封装方案，该麦克风结构元件具有至少一个构造在结构元件正面中的、在声学上灵敏的隔膜(2)，该封装方案能够在空间需求非常小时实现MEMS麦克风结构元件的特别简单且成本有利的封装。根据一种优选的实施变型，麦克风结构元件(1)和罩形晶片(24；44)正面对正面地相互连接。罩形晶片(24；44)作为用于MEMS麦克风封装(20；30；40)的装配的中间晶片起作用并且设有敷镀通孔(26；46)，使得所述麦克风结构元件(1)能通过罩形晶片(24；44)被电触点接通。

Description

MEMS麦克风封装
技术领域
本发明涉及MEMS(微机电系统)麦克风封装，它至少包括：一微机械的麦克风结构元件，其具有至少一个构造在结构元件正面中的、在声学上灵敏的隔膜；一用于保护该隔膜的罩形晶片；以及用于麦克风结构元件的电触点接通的器件。
背景技术
集成电路和MEMS结构元件也为了继续使用而设有封装或者设有壳体，这被称为第一级封装或者也仅称为封装。该封装有利于芯片的机械保护并且简化了芯片的例如在印制电路板上的装配。此外，封装必须能够在装配的范围中实现芯片的简单的电触点接通，例如通过钎焊。此外在麦克风结构元件的封装中必须构造一个声音进入开口。
具有基于印制电路板的封装的MEMS麦克风结构元件以及具有陶瓷壳体的MEMS麦克风结构元件由实践公知。两种封装方案都与比较高的制造耗费相关联。此外，已知的封装与芯片大小相比比较大。
发明内容
通过本发明提出一种用于开头所述类型的MEMS麦克风结构元件的、基于芯片级的封装方案，该封装方案能够在空间需求非常小的情况下实现MEMS麦克风结构元件的特别简单且成本有利的封装。
根据按本发明的封装方案的第一变型，罩形晶片的结构化的背面与麦克风结构元件的正面连接。在这种情况下，声音引入通过结构元件背面中的至少一个声音开口实现。在该第一变型中，麦克风结构元件设有敷镀通孔，使得麦克风结构元件能由其背面出发被电触点接通。
根据按本发明的封装方案的第二变型，麦克风结构元件和罩形晶片正面对正面地(面对面地)相互连接。在此，罩形晶片作为用于MEMS麦克风封装的装配的中间晶片起作用。相应地，在该第二变型中，罩形晶片设有敷镀通孔，使得麦克风结构元件能通过罩形晶片被电触点接通。
这两种根据本发明的封装变型都基于以下构思：MEMS麦克风结构元件的封装以晶片堆叠的形式实现。在此，隔膜和微机械的麦克风芯片的电路通过罩形晶片保护。麦克风芯片的电连接端子以敷镀通孔的形式伸到晶片堆栈的装配侧，使得该封装能以标准方法、例如作为所谓的倒装芯片装配并且触点接通。如果麦克风芯片的背面用作装配面，如在根据本发明的封装方案的第一实现变型中那样，则敷镀通孔将在活跃的芯片正面上的电路元件与芯片背面连接。但是如果装配通过罩形晶片实现，如在根据本发明的封装方案的第二实现变型中那样，则敷镀通孔延伸穿过罩形晶片并且将芯片正面上的电路元件与罩形晶片的装配侧连接。在这两个变型中，带有外部电连接端子的(多个)封装以晶片复合体的方式与麦克风芯片的微机械的和电路技术的功能一起布置并且与(多个)麦克风芯片在一个步骤中被分成单个，使得之后首先不再需要其它的封装步骤。芯片制造和封装的、非常广泛的并行化不仅是极其有效的(这涉及制造工艺和制造成本)，而且允许将构件尺寸降到最小。相应地，根据本发明的封装比已知的MEMS麦克风封装所需的印制电路板空间明显更小。根据本发明的封装此外比已知的MEMS麦克风封装具有更小的结构高度。不仅在面积上而且在高度上的微型化开启了用于开发新型的且改进的具有麦克风功能的最终产品的众多可能性。
如已经提及，视罩形晶片设置在麦克风芯片的活跃的正面上还是设置在其背面上而定，以及视声音应当从麦克风壳体的装配侧还是从其正面输入而定，存在用于实现根据本发明的封装方案的各种可能性。
如果罩形晶片也用作用于麦克风封装的装配的中间晶片，则得到特别多的配置可能性。在这种情况下，麦克风芯片和罩形晶片面对面地相互连接并且麦克风芯片的外部触点接通通过罩形晶片中的敷镀通孔实现。
如果声音应当作用在隔膜的正面上，则在罩形晶片中必须构造至少一个声音开口。在该变型的一种有利的设计方案中，在罩形晶片的正面中构造有在声学上不活跃的格栅状的隔膜结构并且声音引入通过该隔膜结构中的开口实现。借助该格栅状的隔膜结构可以在没有值得一提的损失的情况下有效地阻止颗粒进入到麦克风结构中。
如果隔膜可从芯片背面接近，则其背面容腔(Rückseitenvolumen)应当通过麦克风结构元件背面上的至少一个另外的层限定。该背面层应当赋予该封装尽可能坚固的表面并且特别是保护隔膜免受有害的环境影响。此外，该背面层应当能够以半导体技术的标准方法施加和加工。为了满足这些要求，该背面层可以例如以薄膜或背面晶片的形式由塑料、玻璃或硅实现。在本发明的一种特别有利的实施方式中，例如由硅或另一种材料构成的结构化的背面晶片被用作背面层。麦克风封装的声学特性可以通过背面晶片的结构有针对性地影响。因此，例如隔膜的背面容腔可以例如通过背面晶片中的一个或多或少更大的空槽按定义地确定尺寸。此外，声学特性可以通过背面晶片中的与隔膜的背面容腔连通的通风开口影响。
在根据本发明的MEMS麦克风封装的、在麦克风芯片与罩形晶片之间具有面对面的连接的另一种实施方式中，声音被传导到隔膜背面上。为此，必须在麦克风结构元件的背面上构造至少一个声音开口。在这种情况下，罩形晶片中的空槽被用作隔膜的背面容腔，其中，该空槽的大小影响麦克风装置的声学特性。此外，在罩形晶片中也可以构造与隔膜的背面容腔连通的通风开口。在麦克风封装的尽可能紧凑、坚固的结构方面并且作为对于污染颗粒进入的保护，麦克风结构元件的背面可以设有一个另外的层，该另外的层至少在声音开口的区域中是可透过声音的。例如网眼细密的网、结构化的薄膜或结构化的箔对此是有利的。
在根据本发明的封装方案的所有前面提到和描述的实施变型中被证明有利的是，罩形晶片和必要时在麦克风结构元件的背面上的另外的层由导电材料组成或者至少以一导电材料进行覆层，以便对于电磁干扰屏蔽麦克风结构。
根据本发明的MEMS麦克风封装允许以标准方法装配在印制电路板上，必要时装配在印制电路板中的声音开口上面，并且因此提供以下可能性：封装以最简单的方式实现，该封装能够几乎任意地适配于各种用途的需求。以下用途也属于此，其中多个麦克风组合在一个具有附加功能的装置中。根据本发明的封装方案此外既不需要用于麦克风芯片的专门设计或专门制造工艺也不需要专门的封装和装配技术。
附图说明
如以上已经说明，存在各种可能性来以有利方式设计和改进本发明的教导。为此一方面参照排在独立权利要求后面的权利要求，另一方面参照按照附图对本发明多个实施例的后续描述。
图1示出根据本发明的封装方案的第一变型的MEMS麦克风封装10的示意性的剖视图。
图2a、2b示出在图1中所示的MEMS麦克风封装10的以晶片复合体方式的制造。
图3a、3b分别示出根据本发明的封装方案的第二变型的、具有通过罩形晶片的声音引入的MEMS麦克风封装20或30的示意性的剖视图。
图4示出根据本发明的封装方案的第二变型的、具有通过麦克风结构元件背面的声音引入的另一个MEMS麦克风封装40的示意性的剖视图。
图5a、5b示出根据本发明的具有印制电路板装配的封装的示意性的剖视图。和
图6a至6c示出用于根据本发明的封装的装配的三个例子。
具体实施方式
在图1中示出的MEMS麦克风封装10以晶片级封装(WLP)的形式实现，即以晶片堆栈的形式实现。它包括一麦克风结构元件1，该麦克风结构元件在下面也称为麦克风芯片1。在麦克风芯片1的正面中构造有在声学上灵敏的隔膜2，该隔膜覆盖芯片背面中的空穴3。在这里描述的实施例中，对隔膜2的声音施加通过起声音开口作用的空穴3进行。通常，电路元件也位于麦克风芯片的正面上，但是出于清楚的原因在此消除了电路元件的视图并且在这里仅考虑电路元件中的用于信号传送的电触点。
此外该封装10包括罩形晶片4，该罩形晶片在这里设置在麦克风芯片1的正面上并且相应地保护麦克风芯片1的带有电路部件和隔膜2的正面免受环境影响。在该罩形晶片4的背面中构造有一空槽5，该空槽设置在隔膜2上方并且因此起到用于麦克风隔膜2的背面容腔的作用。罩形晶片4可以例如指的是背面结构化的硅晶片。在这里所示的实施例中，罩形晶片4在空槽5的区域中设有导电层13，用以相对电磁干扰屏蔽麦克风电路。
封装10以麦克风芯片1的背面放置在其使用地点，即例如安放在印制电路板上。因此，用于设置在芯片正面上的电路部件的电接触端子借助麦克风芯片1中的敷镀通孔6伸到芯片背面。在这里所示的实施例中，背面的触点设有用于稍后装配在印制电路板上的焊球7。此外，声音开口3通过可透过声音的层8、例如由塑料网构成的层覆盖，以便阻止污染颗粒或液体进入到麦克风结构的声音开口中。
图2a和2b示出：图1中所示的麦克风封装10以晶片复合体布置。
因此在图2a中示出经处理的且背面结构化的第一晶片11，在该第一晶片上以及在该第一晶片中实现多个麦克风芯片的功能。在这里看到多个隔膜1和多个带有焊球7的敷镀通孔6。敷镀通孔6的接触孔有利地在一个加工步骤中与空穴或声音开口3一起产生。这样结构化的晶片11的背面接着被设置可透过声音的网层8。罩形晶片14与麦克风芯片-晶片11无关地被处理并且被背面结构化。在此产生空槽5，它们的开口大小与隔膜2的大小适配并且也以像隔膜2一样以相同的格栅设置。
图2a示出两个晶片11和14，在它们校准之后被相互上下叠置并且相互连接，使得在每个隔膜2上面分别设置有一个空槽5并且构成用于隔膜2的背面容腔。两个晶片11和14之间的连接必须保证：一个与声学要求相应的空气储池位于背面容腔中。晶片11和14之间的连接可以是粘接的、钎焊的、玻璃化的(geglast)或合金化的。
只有在两个晶片11和14相互连接之后，才进行单个化，在单个化时形成单个的MEMS麦克风封装10。这在图2b中示出。为了分成单个，可以使用已知的方法，例如锯切、激光或水束切割。
图3a中所示的MEMS麦克风封装20也以晶片级封装(WLP)的形式实现并且包括一麦克风结构元件1和一罩形晶片24，其中，在麦克风结构元件1的正面中一在声学上灵敏的隔膜2构造在一背面敞开的空穴3上面。在根据本发明的封装方案的在这里所示的变型中，罩形晶片24面对面地、即正面对正面地与麦克风芯片1连接。该连接可以如在MEMS麦克风封装10的情况中那样是粘接的、钎焊的、玻璃化的或合金化的。在所有情况下，该封装应该被这样地设计，使得麦克风结构被保护以防液体和颗粒进入并且使得在芯片正面上的电路部件与罩形晶片24之间形成电接触，该电接触例如环形地围绕隔膜区域延伸。因为封装20通过罩形晶片24放置及装配在其使用地点上，所以罩形晶片24也称为中间晶片。在罩形晶片24中构成敷镀通孔26，设置在麦克风芯片1正面上的电路部件通过这些敷镀通孔在装配地点被电触点接通。封装20的电触点在这里为了稍后在印制电路板上的装配而设有焊球7。
在封装20的情况下，对隔膜2的声音加载通过在罩形晶片24中的可透过声音的隔膜结构27的开口实现。该隔膜结构27在罩形晶片24的背面结构化的过程期间露出，在该背面结构化时也产生敷镀通孔26的接触孔。它保护麦克风结构27免受机械影响和污染。此外，罩形晶片24可以设有金属化结构和/或导电结构，以便对于电磁干扰屏蔽该构件。
隔膜2的背面容腔在这里通过另一个涂层或层28封闭，该涂层或层此外赋予封装20坚固的表面用于另外的用途。该涂层或层在此可以例如是合适的薄膜或也可以是塑料晶片8。如罩形晶片28一样，背面的层28也可以由导电材料组成或者设有导电覆层，这改善了封装20的电磁屏蔽。
以上描述的MEMS麦克风封装20的三明治结构特别好地保护麦克风结构免于污染颗粒、液体的进入以及免于其它的有害的环境影响。正如封装10一样，该封装也允许以晶片级布设并且以芯片制造的标准方法加工。
在图3b中所示的MEMS麦克风封装30与在图3a中所示的MEMS麦克风封装20不同仅在于背面的层28或38。即在封装30中隔膜2的背面容腔33通过结构化的晶片38封闭。该晶片在此优选是硅晶片。但是也可以使用其它的材料，例如玻璃或塑料。通过背面晶片38的结构化可以有目的地改进麦克风构件的声学特性。因此，在此创造出一种相对于在图3a中所示的变型增大的背面容腔33，以便改善构件的声学质量。此外，声学特性可以变化，其方式是给背面晶片38设置与隔膜2的背面容腔33连通的通风开口。
如对于MEMS麦克风封装20和30那样，在图4中所示的MEMS麦克风封装40的麦克风芯片1和罩形晶片44面对面地相互连接。因为封装40也通过罩形晶片44放置并装配在其使用地点，所以在罩形晶片44中构造有敷镀通孔46，麦克风芯片1正面上的电路部件通过这些敷镀通孔被电触点接通。为此，在麦克风芯片1与罩形晶片44之间的连接中构造有一环形地围绕隔膜区域延伸的接触区域42。
但是声音引入在此不是通过罩形晶片44实现而是迁移到与装配侧相对置的侧。相应地，对隔膜2的声音加载通过麦克风芯片1背面中的声音开口3实现。隔膜2所需的背面容腔在此通过罩形晶片44的呈空槽45形式相应结构化来获得。在该结构化的范围中，此外可以产生与背面容腔45连通的通风开口以及用于敷镀通孔46的接触孔。此外，罩形晶片44的结构化的正面设有用于电磁屏蔽的导电覆层47。在这些变型中，罩形晶片44也保护麦克风隔膜2免于机械的外界影响以及在相应覆层时也免于电磁的外界影响。
此外在这里所示的实施例中，可透过声音的盖48位于背面的声音开口3上面，由此使进入麦克风结构中的光和污染物最少化。该盖可以例如以网眼细密的网或结构化的薄膜的形式实现。
所有以上描述的MEMS麦克风封装10、20、30和40能够以晶片复合体布置并且在分成单个之后被装配在印制电路板上。印制电路板然后又可以被锯断，以便补充对单个封装的包装。在所有情况下，印制电路板赋予相应的封装附加的机械保护。印制电路板此外可以提供保护以免光进入和电磁干扰。
在图5a中示出具有印制电路板装配的封装30并且在图5b中示出具有印制电路板装配的封装10。在两种情况中，封装30或10通过焊球7并且借助底层填充材料9紧密密封地与印制电路板51连接。该声音施加分别通过印制电路板51中的声音开口52实现。
图5a和5b显示出，根据本发明的MEMS麦克风封装能够通过印制电路板装配简单地适配于取决于用途的专门要求。
在图6a至6c中示出三个用于将根据本发明的MEMS麦克风封装另外用作堆叠封装(Package in Package：PiP)的例子，这同样能够实现简单的且成本有利的、与特别的安装情况的适配。
因此，以上描述的根据本发明的封装可以简单地以传统方式装配在陶瓷载体或印制电路板60上，这在图6a中以封装30为例子示出。
图6b示出完全嵌入到模制材料61中的相同结构。
但是根据本发明的封装技术也允许实现多功能的构件，在这些多功能部件中多个麦克风结构元件和必要时还有用于加速度或压力的传感器元件被组合起来，例如麦克风阵列、噪声消除等。作为其例子在图6c中示出具有两个麦克风封装10的基于电路板的封装。两个麦克风封装10在这里集成在具有新功能的模块中，其方式是它们以三明治方式设置在两个印制电路板60之间并且分别装配在一个声音开口62上面。

Claims (10)

1.MEMS麦克风封装(20；30；40)，至少包括：
麦克风结构元件(1)，其具有至少一个构造在结构元件正面中的、在声学上灵敏的隔膜(2)，
用于保护该隔膜(2)的罩形晶片(24；44)，以及
用于该麦克风结构元件(1)的电触点接通的器件，
其特征在于，
所述麦克风结构元件(1)和所述罩形晶片(24；44)正面对正面地相互连接；
所述罩形晶片(24；44)作为用于所述MEMS麦克风封装(20；30；40)的装配的中间晶片起作用；
所述罩形晶片(24；44)设有敷镀通孔(26；46)，使得所述麦克风结构元件(1)能通过所述罩形晶片(24；44)被电触点接通；
待通过隔膜(2)检测的声音的引入通过所述麦克风结构元件(1)的背面中的至少一个声音开口(3)实现；并且
所述罩形晶片(44)中的空槽(45)构成用于所述隔膜(2)的背面容腔。
2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风封装(20；30)，其特征在于，所述麦克风结构元件(1)的背面与一个另外的层(28；38)连接，该另外的层以薄膜或背面晶片的形式实现，所述薄膜或背面晶片尤其由塑料、玻璃或半导体材料构成。
3.根据权利要求2所述的MEMS麦克风封装(20；30)，其特征在于，所述隔膜(2)的背面容腔通过在所述麦克风结构元件(1)的背面上的至少一个另外的层(28；38)限定。
4.根据权利要求3所述的MEMS麦克风封装(30)，其特征在于，所述麦克风结构元件(1)的背面的层(38)通过一结构化的背面晶片(38)构成，在所述背面晶片中构造有至少一个用于增大所述隔膜(2)的背面容腔(33)的空槽和/或构造有与所述隔膜(2)的背面容腔(33)连通的通风开口。
5.根据权利要求1所述的MEMS麦克风封装(40)，其特征在于，在所述罩形晶片(44)中构造有与所述隔膜的背面容腔(45)连通的通风开口。
6.根据权利要求1所述的MEMS麦克风封装(40)，其特征在于，所述麦克风结构元件(1)的背面通过至少一个另外的层(48)保护，所述另外的层至少在所述声音开口(3)的区域中是可透过声音的。
7.根据权利要求6所述的MEMS麦克风封装(40)，其特征在于，所述另外的层(48)在所述麦克风结构元件(1)的背面上以网眼细密的网、结构化的薄膜或者结构化的箔的形式实现。
8.根据权利要求6所述的MEMS麦克风封装(10；20；30；40)，其特征在于，所述罩形晶片(4；24；44)和必要时在所述麦克风结构元件(1)的背面上的所述另外的层(8；28；38；48)由导电材料构成或者至少用一导电材料覆层。
9.根据权利要求8所述的MEMS麦克风封装的用途，所述MEMS麦克风封装被装配在一印制电路板上、必要时被装配在印制电路板中的声音开口上面，并且通过敷镀通孔被触点接通。
10.根据权利要求8所述的MEMS麦克风封装作为堆叠封装(PiP)的用途。
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