CN102640285A - 具有集成到基于引脚框的封装体的活动元件的微机电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机电（MEMS）装置（100），其具有集成电路芯片（101）和包含基于引脚框的塑料模塑主体（120）的封装体，该主体（120）具有穿过主体厚度（121）的开孔（122）。活动箔片部件（130）可在主体（120）中锚定并至少部分延伸穿过开孔（122）。芯片（101）可以倒转组装到引脚（110）从而跨越箔片，并可通过缝隙从箔片（130）分离。引脚可以在预制片部件的引脚框上，或可在具有牺牲载体上的金属沉积和金属层图案化的工艺流程中制造。得到的引脚框可以是平坦的，或可具有对堆叠的封装体叠层装置有用的偏移结构。

Description

具有集成到基于引脚框的封装体的活动元件的微机电系统

技术领域

本发明一般涉及半导体装置和工艺的领域，并更特别涉及具有集成到基于引脚框的模塑封装体的活动元件的微机电系统（MEMS）装置的结构和制造。

背景技术

总体称为微机电系统（MEMS）装置的种类广泛的产品是微米到毫米规模上的小型轻量装置，其基于类似针对半导体微电子装置使用的技术的批量制造技术生产。MEMS装置在共同载体上集成机械元件、传感器、致动器和电子器件。已经开发MEMS装置来感测机械量、热量、化学量、辐射量、磁量和生物量与输入，并产生信号作为输出。

MEMS装置可具有在能量流（声、热或光学的）、温度或电压差，或外力或扭矩的影响下机械移动的部件。具有隔膜、板件或横梁的某些MEMS装置可用作压力传感器或例如话筒或扬声器的致动器、惯性传感器例如加速度计或电容传感器例如应变仪；其它MEMS装置运行为针对位移或倾斜的移动传感器；双金属隔膜充当温度传感器。除小尺寸之外，隔膜或板件操作的传感器的一般要求包括长期稳定性、小的温度灵敏度、压力和温度的低滞后、对腐蚀性环境的抗性并经常包括密闭性。

在MEMS装置中，机械移动部件在半导体芯片上电子集成电路（IC）的工艺流程中通常与传感器和致动器一起制造。作为例子，机械移动部件可在IC制造期间在某个步骤由下切蚀刻生产。在MEMS传感器生产中采用的体微机械加工工艺用于在大批半导体晶体中创造活动元件和用于其移动的空穴，该工艺包括各向异性湿蚀刻、反应离子蚀刻（RIE）和深反应离子蚀刻（DRIE）。这些技术采用光刻掩模，取决于结晶取向，并需要蚀刻停止，这些全部都耗费大量时间和生产能力。另外，存在同样是昂贵技术的在半导体晶体表面上的薄膜中建立结构的体微机械加工和表面微机械加工技术。其它工艺例如自动晶片键合（wafer bonding）比较便宜。

因为移动和灵敏部件，MEMS装置需要物理和大气防护。因此，MEMS由外壳或封装体围绕，外壳或封装体使MEMS装置对环境和电气干扰屏蔽，并屏蔽环境应力。对于许多装置，完全密闭甚至类密闭的封装体表示显著的成本，尤其在需要陶瓷封装体或精确部件例如玻璃板时。

压力传感器的基本操作原理之一是压阻、电容和共振操作。在压阻操作中，压力转换为电气可检测信号，其中转换依靠暴露于压力的结构例如隔膜的弹性变形；压力导致应变，并且应变导致电阻改变。在MEMS硅技术中，控制隔膜厚度、大小和对齐包括精度处理步骤。在共振操作中，压力导致在振动微结构中的机械应力；共振频率的测量依赖机械应力。MEMS装置硅膜的激励和阻尼与非线性频率压力关系需要复杂的校准。在电容操作中，压力导致依赖位移的输出信号。压力的改变导致位移，位移导致电容器改变，并且电容器改变导致电信号，类似于电容式话筒的操作。非线性和寄生电容和剩余隔膜应力代表针对硅和外延硅的MEMS装置隔膜制造挑战。

取电容压力传感器的例子，可选择若干制造方法。在一个方法中，传感器被体微机械加工为具有垂直馈通的玻璃-硅-玻璃结构。在另一方法中，优选已蚀刻的晶体接收安放在玻璃上的深和浅的硼扩散和介电沉积，因此晶体可最终溶解。在仍另一方法中，表面微机械加工的电容压力传感器由多晶硅层（1.5μm厚）创造，多晶硅层通过在n+掺杂硅电极上方的缝隙（0.8μm宽）分离；传感器与感测电路单体集成。传感器是小的并跨越从约1bar到约350bar的操作范围，具有高超压稳定性、低温度依赖性和低功耗。

在加速计的基本操作原理中，机械和电气灵敏度是活动板中心位移的函数。在位感测加速计中，作为输入的应用加速度变换为活动片（板件）的位移作为输出；悬梁用作弹簧。力感测加速计直接检测施加在检验片上的力。活动板、悬梁和检验片的大批单晶硅中的MEMS装置制造需要灵敏的半导体蚀刻技术。

发明内容

据信制造成本为阻止压力传感器、话筒、加速计和其它应用广泛整合的支配因素，在这些其他应用中活动构件需要将外部模拟输入转换为电输出进入汽车、医疗和航空航天业的系统。

与此有关，观察到由标准晶体制造技术和标准晶体制造光刻技术构建在晶体表面上或其里面的MEMS装置不仅是高成本途径，而且限制必须与标准晶体工艺兼容的MEMS组件可用的材料和配置的选择。在晶体制造之后，在标准技术中EMS装置仍必须使用已知封装材料和工艺封装——另一成本添加。

通过集成活动MEMS部件，例如包括其完整制造的机械元件和传感器，并通过在集成电路中仅留下电子器件和信号处理部件，在此利用低成本材料和封装来处理批量生产低成本以半导体为中心的MEMS装置的问题。活动部件集成到其中的封装体可以是基于引脚框或基于衬底的塑料模塑外壳。利用本发明，MEMS装置可使用标准CMOS芯片而没有任何活动结构和其中内建活动结构的封装组件。

与此有关，进一步发现活动部件和电子部件的分离提供与其它组件例如封装体叠层MEMS装置的更大系统级集成，因此提高电气产品效率。

在具有集成到基于引脚框的封装体的活动元件的实施例中，引脚框可以是预制片部件，或可以在具有牺牲载体上的金属沉积和金属层图案化的工艺流程中制造。在任一情况下，导致的引脚框可以是平坦的，或可具有其中金属段相互彼此安置在多于一个平面中的偏移结构。后一结构尤其为薄MEMS装置提供堆叠的封装体叠层装置的技术优点。

示例实施例包括使用静电力、重力、气压等来使横梁或隔膜偏斜，以便构造话筒、压力传感器、加速计和其中需要活动构件来转换外部输入为电输出的其它应用。

当隔膜集成到塑料装置封装体中而不是以常规方式作为硅芯片的一部分制造时，在由活动隔膜导致的电容改变上操作的压力传感器族的示例MEMS装置可供应80%的更低制造成本。

本发明的原理的一个实施例提供MEMS装置，其包含具有厚度、第一表面、相对的第二表面的主体，以及穿过主体厚度从第一表面延伸到第二表面的开孔。金属引脚嵌入主体的第一表面，并且金属箔锚定在主体中并在第一表面至少部分延伸越过开孔。集成电路芯片在第一表面上倒转组装到引脚。芯片至少部分越过箔片，并通过缝隙从箔片分离。

另一实施例提供制造MEMS装置的方法。该方法包括以下步骤，提供具有第一和第二表面、多个引脚和一个节段的引脚框，在一定厚度的聚合物中封装第二引脚框表面以便穿过该厚度的开孔使节段第二表面的一部分未封装，使未封装的节段第二表面变薄因此节段变为适合作为MEMS装置的活动部件的箔片，以及将在第一芯片表面上具有电路的半导体芯片连接到引脚的第一表面，使得第一芯片表面跨越箔片，通过缝隙从箔片分离。

仍另一实施例提供用于制造MEMS装置的方法。该方法包括以下步骤，沉积金属层到平坦牺牲载体上，该层具有适合MEMS隔膜的薄度，使金属层图案化为具有多个引脚和一个节段的引脚框，在一定厚度的聚合物中封装引脚和节段以便穿过该厚度的开孔使节段的一部分未封装，去除牺牲载体，使引脚和节段的无封装侧面暴露，并连接在第一芯片表面上具有电路的半导体芯片到引脚的无封装侧面，使得第一芯片表面跨越节段，通过缝隙从节段分离。

附图说明

图1图解在电容模式中操作的压力传感器族的示例MEMS装置的示意剖面，其中活动隔膜是塑料的基于引脚框封装体的部分。在示出的例子中，全部引脚和隔膜位于同一平面中。

图2示出图1示例类型的完成的MEMS装置的示意透视图，图解塑料封装体。

图3示出作为电容式加速度计操作的惯性传感器族的示例MEMS装置的示意剖面，其中活动板是塑料的基于引脚框封装体的部分。在示出的例子中，全部引脚、悬梁和活动板位于同一平面中。

图4示出由焊接主体堆叠的示例封装体叠层装置，其包括根据本发明实施例制造的压力传感器MEMS装置。

图5是在电容模式中操作的压力传感器族的示例MEMS装置的示意剖面，其中活动隔膜是塑料基于引脚框封装体的部分。在示出的例子中，意图连接外部部件的引脚组在从隔膜和其它组引脚的平面偏移的平面中。

图6示出通过压力（触摸）接触堆叠的另一封装体叠层装置，其包括根据本发明另一实施例制造的惯性传感器（加速计）MEMS装置。

图7A-7C图解说明压力传感器MEMS装置的制造流程的某些工艺步骤，该MEMS装置具有集成在基于引脚框的塑料封装体中并与全部引脚一起安置在单个平面中的活动隔膜。

图8A-8G图解说明压力传感器MEMS装置的另一制造流程的某些工艺步骤，该MEMS装置具有集成在基于引脚框的塑料封装体中并与引脚一起安置在单个平面中的活动隔膜。

图9A-9H图解说明压力传感器MEMS装置的另一制造流程的某些工艺步骤，该MEMS装置具有集成在基于引脚框的塑料封装体中并与某些引脚组一起安置在平面中的活动隔膜。

图10A-10C图解说明压力传感器MEMS装置的另一制造流程的某些工艺步骤，该MEMS装置具有集成在基于引脚框的塑料封装体中并与某些引脚组一起安置在平面中的活动隔膜。

具体实施方式

图1图解本发明示例实施例的示意剖面，示出在具有依赖位移的输出信号的电容模式中操作的压力传感器族的微机电系统（MEMS）装置。在图1中一般指定为100的示例MEMS装置是结构类似于QFN（方形扁平无引脚）和SON（小型轮廓无引脚）型半导体装置的系统。在图1的实施例中，集成电路芯片101在金属引脚上组装；这些引脚与其它引脚一起表示在图1中指定为110的多个。引脚依次嵌入指定为120，优选由模塑化合物制成的塑料体。引脚和塑料体表示芯片101的封装体。在塑料体中进一步嵌入的是在图1中指定为130的MEMS装置活动部件。芯片101通过缝隙107从封装体的活动部件130分离。图1中芯片101倒转组装到封装体上。倒转组装通常利用导电隔离物例如焊接球或焊接体来机械并且电气地附加芯片表面到使多个集成电路或其它电气组件互连的衬底的相对表面上，集成电路在该芯片表面上形成。在该实施例中，衬底提供MEMS装置的活动部件和到外部系统的电气连接。

在图1中，塑料体120具有总厚度121、第一表面120a和相对的第二表面120b。优选地，塑料体120通过使用基于环氧树脂的模塑化合物的模塑技术（例如传递模塑）制造。化合物可通过聚合作用硬化从而向装置100给予机械强度。优选地，化合物包括体积约80到90%的无机填料颗粒（例如二氧化硅或氮化硅），以便使化合物的热膨胀系数（CTE）更佳地配合硅的CTE。

穿过主体120的厚度121的是开孔122，其从第一表面120a延伸到第二表面120b。开孔122可成形为圆柱体，或如在图1中示出的，成形为截锥体，或以任何其它合适的空间立体形式成形。在第一表面120a的侧面，开孔122具有直径123。在图1的实施例中，活动部件130伸展穿过直径123并沿开孔的周界在x和y方向上在塑料体120中锚定。在其它实施例中（见下面），活动部件仅部分延伸穿过开孔123。

活动部件130通常是由金属例如铜或镍制成的箔片，该箔片经常具有由钯或金制成的面向芯片101的表面。可替换地，活动部件130可由铁-镍合金（例如Alloy 42或Invar^TM合金）或铝制成。对于一些MEMS装置，活动部件130具有与引脚110相同的厚度114。对于许多实施例，活动部件130的厚度在约5和50μm之间。优选厚度在约10和25μm之间，但在其它实施例中可更厚或更薄。在该厚度范围中，活动部件130可充当在z方向上柔软的，在开孔122和缝隙107的空间中活动的隔膜。作为隔膜，部件130对穿过开孔122来自z方向，使隔膜向缝隙107内部和外部弯曲的外部压力改变灵敏。在一些实施例中，活动部件130具有在约0.5和2.3mm²之间的面积；在其它实施例中，该面积可更大或更小。

引脚110通常由铜或镍制成，有时具有由钯或金制成的面向芯片101的表面；可替换地，引脚110可由铁-镍合金例如Alloy 42或Invar^TM合金或铝制成。图1中多个引脚110可集合为组。指定为111的第一组引脚使活动部件130和芯片101的集成电路之间能够电气互连。指定为112的第二组引脚使到外部部件的触点成为可能；它们允许焊接球110的附加。指定为113的第三组引脚配置为环绕开孔122的金属密封环。如图1表示的，第一、第二和第三组的引脚在一个平面中对齐，并且活动部件130安置在相同平面中。

芯片101包括金属监控板108，例如由铜制成，越过距离107a面向活动部件130。在芯片的电路侧面101a上的监控板108平行于活动部件130并通常具有与活动部件130相同的面积；面积经常在约0.5和2.25mm²之间。芯片101进一步具有多个触垫102，其通常由厚约10和50μm之间的铜制成。在图1的实施例中，芯片被通过使焊接合金回流来创造的焊接体109附着到封装引脚，因此缝隙107在活动部件130和板件108之间形成。在芯片附着中，电气垫102与第一组引脚111对齐，并且金属密封环形垫103与第三组引脚的金属密封环113对齐。

在可替换实施例中，代替铜芯片垫102和焊接体109，可使用金隆起焊盘（gold bump）；它们可通过丝球键合技术，以及后继具有压印技术的平整工艺来生产。在另一可替换实施例中，低熔点金共熔体可代替金隆起焊盘使用，例如金/锗共熔体（12.5%重量的Ge，共熔温度361℃）。

在一个实施例中，缝隙107具有在约10和60μm之间的距离107a，其中典型距离是约25μm。活动部件130和引脚111、112和113的厚度114优选在约10和25μm之间，但在其它实施例中可更薄或更厚。隔膜的厚度和隔膜与感测板之间的缝隙可被设定尺寸从而符合如下面讨论的压力传感器的期望灵敏度。

在第三组引脚113通过焊接环150附加到匹配密封环形垫103之后，缝隙107的空间被准密闭地密封。由于为主体120使用塑料化合物，因此缝隙空间107被防护环境干扰例如颗粒，但不被完全防护水分子。可替换地，在陶瓷材料用来为装置100创造封装体时，缝隙空间107被密闭地密封。

在可替换实施例中，环150的密封可由除了焊料之外的材料提供。这样的密封材料可包括玻璃、环氧树脂、共熔金属合金和扩散合金，以及其它合适材料。

通常具有相同面积并通过缝隙分离的感测板108和隔膜130形成电容器。如上面陈述的，隔膜130由金属例如铜在例如10μm的薄度制成，从而柔软并对压力改变灵敏。组装的装置100因此充当压力传感器或话筒。响应压力到达通过开孔122，通过向内和向外弯曲隔膜130修改相对于静止板108的距离107a。令作为电极的隔膜130和板件108的面积为A；在原压力下电极之间的距离为D_o；并且电极之间空间的介电常数为ε，那么电极的电容C由下面公式给出

C=ε·A/D_o。

在z方向上的压力使柔软隔膜变形，因此变形的面积必须在小面元dxdy上作为整数计算计算，同时距离D以偏斜w_x，，y在x方向和y方向上被修改。导致的电容改变由芯片101的电路测量。

为给出示例压力传感器MEMS装置的成本估计，图2图解具有侧面长度201和202的整个主体大小。已模塑材料120的侧面长度可以是3×3mm、4×4mm、3×4mm或客户期望的任何其它大小。引脚（111、112和113）和隔膜（图2中未示出）的基料可以是铜、铝或铁合金。包括活动部件的已模塑封装体的成本在量产中为约0.10美元。由于添加的约0.009美元的芯片成本，因此包括根据本发明的活动部件的塑料封装体中MEMS装置的总成本为约0.109美元。该成本与相同主体大小的常规压力传感器MEMS装置和基于FR-4的衬底材料的成本比较如下：传统封装体的成本为约0.54美元；包括活动部件的芯片的成本为约0.017美元；MEMS装置的总成本为约0.557美元。该成本为根据本发明的MEMS装置的成本的近五倍。

图3图解本发明的另一实施例，示出作为电容加速计操作的惯性传感器族的MEMS装置。在这些传感器中，加速度被转换为活动块或板的位移；位置改变被测量为相对于固定板的电容改变。电容加速计展现高灵敏度、优良DC响应和噪声性能、低漂移，以及低功率耗散和温度灵敏度。

图3的例子示出其中空腔不密封但开放的简化低成本版本。在图3中一般指定为300的示例MEMS装置是结构类似于QFN和SON型半导体装置的装置。在图3的实施例中，集成电路芯片301在第一组金属引脚311上倒转组装。第一组引脚嵌入塑料体320，优选由模塑化合物制成。引脚和塑料体表示芯片301的封装体。进一步嵌入塑料体的是MEMS装置的活动板330和使到外部部件的触点成为可能的第二组引脚312；它们尤其允许焊接球340的附加。芯片301通过缝隙307从封装体的活动部件330分离，优选缝隙307约10到60μm宽，更优选约25μm。

在图3中，塑料体320具有总厚度321、第一表面320a和相对的第二表面320b。塑料体320通常通过使用基于环氧树脂的模塑化合物的模塑技术例如传递模塑制造。化合物可通过聚合作用硬化从而向装置300给予机械强度。

穿过主体320厚度321的是开孔322，其从第一表面320a延伸到第二表面320b。开孔322可成形为圆柱体，或如在图3中示出的，成形为截锥体，或以任何其它合适立体形式成形。在第一表面320a的侧面，开孔322具有直径323。在图3的实施例中，活动部件330部分伸展越过直径323并在塑料体320的第一表面中锚定。

活动部件330通常由金属例如铜或镍制成。可替换地，活动部件330可由铁-镍合金（例如Alloy 42或Invar^TM合金）或铝制成。活动部件330通常具有与引脚311和312相同的厚度。对于许多实施例，活动部件330的厚度在约5和50μm之间。优选厚度在约10和25μm之间，但在其它实施例中可更厚或更薄。在该厚度范围中，活动部件330在正交于第一表面的方向上是柔软的，并可在开孔322和缝隙307的空间中活动。在一些实施例中，活动部件330包括长度331的悬梁和长度332的活动板。活动板332具有的面积等于芯片表面上固定板308的面积，以便形成电容器。另外，对于一些实施例，活动板322的质量可通过向板件332添加如在众所周知的丝球键合工艺中形成的变形金环的质量来增大。

引脚311和312以及活动部件330通常由铜或镍制成；可替换地，引脚和部件330可由铁-镍合金例如Alloy 42或Invar^TM合金或铝制成（引脚框方法，见下面）。如提及的，多个引脚可集合为组。指定为311的第一组引脚使活动部件330和芯片301的集成电路之间能够电气互连。指定为312的第二组引脚使到外部部件的触点成为可能；它们尤其允许焊接球340的附加。引脚和活动部件的厚度优选在约5和25μm之间，但在一些实施例中可更薄或更厚。第一和第二组引脚在一个平面中对齐，并且活动部件330安置在相同平面中。

本发明允许选择开孔322的材料和尺寸、悬梁331的长度、活动板332的面积、块333，以及活动板332与固定板308之间的电容。因此，图3的加速计可特化为将加速度变换为活动块的位移的电容位移感测加速计，或特化为直接检测施加在检验块上的力的力感测加速计。选择分量的机械传递功能使作为输入的施加加速度与作为输出的块（活动板332和块333）的位移相关。图3的组件允许在添加力：惯性力、弹性力和阻尼力之间输出的有计划分布。

例如在图1和图3中显示的例子的实施例向它们自身提供装置的堆叠。图4示出由焊接体140和440堆叠的示例封装体叠层装置，该装置包括如结合图1描述的压力传感器MEMS装置100。组件401和402是球栅阵列族的超模压（overmolded）装置。类似的封装体叠层装置可与如结合图3描述的惯性传感器MEMS装置300一起构建。

图5图解本发明的另一示例实施例500，示出在具有依赖位移的输出信号的电容模式中操作的压力传感器族的MEMS装置。示例MEMS装置是结构类似于塑料封装的、基于引脚框的QFN和SON型半导体装置的装置。指定为520的封装的塑料体具有开孔522。指定为530的活动的类隔膜部件延伸穿过开孔522。指定为101的倒转附加的半导体装置平行于活动隔膜530。装置101包括金属感测板508，例如由铜制成，越过缝隙507面向活动部件530。缝隙507的高度可在约10和60μm之间，通常约25μm。在装置101的电路侧面101a上的感测板508平行于活动部件530，并通常具有与活动部件530相同的面积；面积通常在约0.5和2.3mm²之间。

在图5的实施例中，嵌入塑料体520的金属引脚由铜或镍制成，可替换地由铁-镍合金例如Alloy 42或Invar^TM合金或铝或其它合适材料制成。图5中的多个引脚可集合为组。指定为511的第一组引脚使活动部件530和芯片101的集成电路之间能够电气互连。在引脚511和芯片101之间的物理互连由焊接体509实现。指定为512的第二组引脚使到外部部件的触点成为可能；这些触点可具有冶金学上适合压力触点的表面，或它们可具有冶金学上适合附加焊接球的表面。指定为513的第三组引脚配置为环绕开孔522的金属密封环。在引脚513和芯片101之间的物理互连由具有与焊接体509相同高度的焊接环550实现。

在可替换实施例中，代替铜芯片垫502和焊接体509，可使用金隆起焊盘；它们可通过丝球键合技术，继之以具有压印技术的平整工艺来生产。在另一可替换实施例中，可使用低熔点金共熔体代替金隆起焊盘，例如金/锗共熔体（12.5%重量的Ge，共熔温度361℃）。

如图5表示的，第一和第三组引脚511和513（以及活动部件530）在第一平面561中对齐，然而第二组引脚512安置在从第一平面偏移的第二平面562中。其偏移560的大小经选择使得芯片101的总厚度连同焊接体509的高度适应偏移560。因此，与电路侧面101a相对的芯片表面101b的平面不从引脚512表面的平面562突出。

MEMS装置500的塑料体520通过使用基于环氧树脂的模塑化合物的模塑技术（例如传递模塑）制造；化合物通过聚合作用硬化从而向装置500给予机械强度。如提及的，塑料体520具有从第一表面520a延伸到第二表面520b的开孔522。开孔522可成形为圆柱体，或如在图5中示出的，成形为截锥体，或以任何其它合适立体形式成形。在第一表面520a的侧面，开孔522具有直径523。在图5的实施例中，活动部件530伸展越过直径523并沿开孔的周界在x和y方向上在塑料体520中锚定。在其它实施例中（例如类似于图3），活动部件仅部分延伸越过开孔523。

活动部件530通常由金属例如铜或镍制成，该金属可选具有由钯或金制成的面向芯片101的表面。可替换地，活动部件530可由铁-镍合金（例如Alloy 42或Invar^TM合金）或铝制成。活动部件530通常具有与引脚511、512和513相同的厚度。对于许多实施例，活动部件530的厚度在约5和50μm之间。优选厚度在约10和25μm之间，但在其它实施例中可更厚或更薄。在该厚度范围中，活动部件530可充当在z方向上柔软的、在开孔522和缝隙107的空间中活动的隔膜。作为隔膜，部件530对穿过开孔522来自z方向，使隔膜向缝隙507内部和外部弯曲的外部压力改变灵敏。在一些实施例中，活动部件530具有在约0.5和2.3mm²之间的面积；在其它实施例中，该面积可更大或更小。

在第三组引脚513由焊接环550附加到匹配的密封环形垫503之后，缝隙507的空间被准密闭地密封。由于为主体520使用塑料化合物，因此为缝隙空间507防护环境干扰例如颗粒，但不完全防护水分子。可替换地，在陶瓷材料用来为装置500创造封装体时，缝隙空间507密闭地密封。

例如在图5中显示的例子的实施例向它们自身提供装置的堆叠。图6示出通过在两个个体装置的导电端子之间形成表面到表面触摸触点来堆叠的示例封装体叠层装置600。由于这样的触点在轻微压力下支持时最可靠地工作，因此这些触点通常被称为压力触点。封装体之一是惯性传感器MEMS装置601，其它封装体602是球栅阵列族的过模塑装置。MEMS装置601组合如结合图3中装置讨论的电容加速计的特征与如结合图5中装置讨论的基于引脚框封装体的特征。

示意图7A-10C描述制造示例基于引脚框的MEMS装置的若干工艺流程的步骤，该MEMS装置具有集成到装置封装体中的活动元件。图7A-7C和8A-8G显示制造在单平面中具有引脚的压力传感器和惯性传感器MEMS装置的工艺流程的步骤。图9A-9H和10A-10C显示制造在偏移平面中具有引脚的压力传感器和惯性传感器MEMS装置的工艺流程的步骤。全部工艺流程的MEMS装置具有薄的活动部件。然而，通过图7A-7C的流程制造的MEMS装置的引脚厚度可大于通过图8A-8G的流程制造的MEMS装置的引脚。类似的，通过图10A-10C的流程制造的MEMS装置的引脚厚度可大于通过图9A-9H的流程制造的MEMS装置的引脚。

在图7A  中，包括多个引脚和成为隔膜的节段（segment-to-become-membrane）的引脚框通过从平坦金属片模压或蚀刻来图案化，该金属片具有从100到200μm的厚度典型范围，通常约150μm的厚度714。根据一个实施例，该片由铜、铜合金或铝制成。可替换地，可选择铁-镍合金（Alloy 42或Invar^TM合金）或另一合适金属。基片的平坦度导致引脚和节段在单个平面中。片的表面701a可为改善到聚合封装化合物的粘合度而被氧化或粗糙化，同时表面710b可为改善可焊接性具有镍的薄层和贵金属例如金或钯的最外层。引脚框的节段730可具有比示意图7A表示的大得多的面积，以便成为MEMS装置的灵敏隔膜。

在下个工艺步骤图7B中，在图案化引脚框的表面701a上制造塑料体120，从而封装引脚框，使引脚和隔膜一体化为装置并向引脚框提供强度和鲁棒性。典型的制造工艺使用传递模塑技术和具有无机填料的基于环氧树脂的模塑化合物。在模塑的情况下，模具的钢材具有进入空腔的突出，因此引脚框的节段730在空腔被封装化合物填充时保持没有封装化合物，除了在主体120中锚定节段730的金属需要的外围部分730a之外。对于需要为其紧固横梁或板的惯性传感器MEMS装置，锚定可仅影响节段730外围的局部部分。对于需要为其紧固隔膜的压力传感器MEMS装置，锚定可影响节段730的整个外围。在封装工艺期间，引脚框的表面701b可由塑料膜屏蔽从而保持没有化合物；在模塑步骤完成之后从表面701b剥落该膜。

在下个工艺步骤中，没有封装化合物的区域730的金属部分被蚀刻，从而使金属从通常在约100和200μm之间的片厚度714变薄为范围约5到50μm，通常在约10和25μm之间的厚度，以便增强节段730作为MEMS装置隔膜的柔软性。在图7B中，已蚀刻隔膜的薄部分指定为731。

在图7C的工艺步骤中，半导体装置101附加到各自的引脚，并且焊接球140附加到引脚以便连接到外部部件。图7C的完成MEMS装置类似于图1的装置，除隔膜的变薄部分731之外。

对于在图8A-8G中示出的工艺流程，工艺在图8A中由选择平坦牺牲载体801开始。牺牲载体可以是具有在100和200μm之间示例厚度的裸铜或裸铝衬底；可替换地，载体801可以是可通过在工艺结束之后的蚀刻来溶解的任何其它合适材料。接下来，沉积光致抗蚀剂层在每个载体表面801a和801b上（见图8B）。表面801a上的层802然后通过掩蔽、显影和蚀刻来图案化，同时表面801b上的层803保持未图案化。蚀刻的开孔包括用于未来触垫811和812以及未来环形密封垫813的位置。

在图8C中示出的步骤中，一个或更多金属层在图案化光致抗蚀剂的每个开孔中被沉积在载体表面801a上。金属层被指定为（类似图1）节段811、812、813和830。一种沉积技术是电镀工艺。通常金属包括可焊接金属例如钯或金的层，该层与跟随有镍最外层的载体表面801a接触；可替换地，可选择任何其它合适金属例如铜或铝，或金属合金。最终层表面可以是粗糙的并应展现化学亲和力从而粘合到聚合物；一种方法包括金属氧化物形成。总的层厚度对于全部节段811、812、813和830是相同的，并通常在7和25μm之间；其可以等于或薄于光致抗蚀剂层802的厚度。此后，光致抗蚀剂层802和803被去除；见图8D。

在图8E中图解的下个工艺步骤中，封装材料820沉积在载体侧面801a上的特征上方；形成沉积因此空腔822保持开放，使节段830的大部分面积暴露同时密封节段830的周边。典型的封装工艺是传递模塑技术，并且典型的封装材料是基于环氧树脂的聚合模塑化合物，其经选择以使化合物牢固粘合到节段811、812、813和830的顶部金属。如上面陈述的，突出进入用于传递模塑技术的模具空腔的钢岗坯（steelhillock）供应防止开孔822被化合物填充的低成本方式。在模塑步骤之后，聚合物通过聚合作用硬化，导致针对MEMS装置的坚固封装体。

在图8F中，载体801由方法例如化学蚀刻去除，由此使金属层811、812和813的可焊接表面例如贵金属暴露。在剩余工艺步骤中（见图8G），半导体装置101由焊接体附加到各自的层811和密封环813，并且焊接球附加到层812。在产生的MEMS装置中，金属层830已经具有在压力传感器和话筒中作为隔膜来操作需要的薄度。

对于在图9A-9H中示出的工艺流程，工艺在图9A中通过选择平坦牺牲载体901开始。牺牲载体可以是具有在100和200μm之间示例厚度的裸铜或裸铝衬底；可替换地，载体901可以是适合压印或挤压为从平坦偏移的形状，然后在工艺结束之后在蚀刻剂中溶解的任何其它合适材料。接下来，光致抗蚀剂层沉积在每个载体表面901a和901b上（见图9B）。表面901a上的层902然后通过掩蔽、显影和蚀刻来图案化，同时表面901b上的层903保持未图案化。已蚀刻的开孔包括针对未来的触垫911和912以及未来环形密封垫913的位置。

在图9C中示出的步骤中，一个或更多金属层在图案化光致抗蚀剂的每个开孔中被沉积在载体表面901a上。金属层被指定为（类似图5）节段911、912、913和930。典型沉积技术是电镀工艺。合适金属包括可焊接金属例如钯或金的层，该层与跟随有镍最外层的载体表面901a接触。可选择其它合适金属例如铜或铝，或金属合金。最终层表面可是粗糙的并应展现化学亲和力从而粘合到聚合物；一种方法包括金属氧化物形成。总的层厚度对于全部节段911、912、913和930相同，并通常在7和25μm之间；其可以等于或薄于光致抗蚀剂层902的厚度。此后，光致抗蚀剂层902和903被去除；见图9D。

在图9E中示出的下个工艺步骤中，压印设备被用来将载体901挤压为偏移形状，因此金属节段912的载体部分被安置进从金属节段911、913和930的原平面偏移的平面。偏移的高度960经选择使得芯片101可倒转附加到各自节段而不从节段912的偏移面突出。

在图9F中图解的下个工艺步骤中，封装材料920被沉积在载体侧面901a上的特征上方；形成沉积使得空腔922保持开放，使节段930的大部分面积暴露同时密封节段930的周边。一个封装工艺是传递模塑技术，并且典型封装材料是基于环氧树脂的聚合模塑化合物，其经选择使得化合物牢固粘合到节段911、912、913和930的顶部金属。如上面陈述的，突出进入用于传递模塑技术的模具空腔的钢坯供应防止开孔922被化合物填满的低成本方式。在模塑步骤之后，聚合物通过聚合作用硬化，导致针对MEMS装置的坚固封装体。

在图9G中，载体901由方法例如化学蚀刻去除，由此使金属节段911、912和913的可焊接表面例如贵金属暴露。在剩余工艺步骤中（见图9H），半导体装置101通过焊接体倒转附加到各自的节段911和密封环913。完成的MEMS装置具有压力触点或触摸触点912以便连接到外部部件。在得到的MEMS装置中，金属节段930已经具有在压力传感器和话筒中作为隔膜操作需要的薄度。对于其它MEMS装置，例如在图6中示出的装置，节段930具有作为惯性传感器MEMS装置族的电容加速计操作需要的薄度。

在图10A中，包括多个引脚和成为隔膜的节段1030的引脚框通过从平坦金属片冲压或蚀刻来图案化，该金属片具有从100到200μm的典型厚度范围，通常约150μm的厚度714。与图案化步骤同时或在此之后，引脚框被压印为图10A中示出的偏移形状，其中节段1012在与引脚1011、1013和节段1030的平面不同的平面中。偏移的高度1060经选择使得芯片101可倒转附加（见图10C）到各自节段，而不从节段1012的偏移平面突出。该片通常由铜、铜合金或铝制成。可替换地，可选择铁-镍合金（Alloy 42或Invar^TM）或另一合适金属。该片的表面1001a可被氧化或粗糙化以改善到聚合封装化合物的粘合，同时表面1010b可具有镍的薄层和贵金属例如金或钯的最外层以改善可焊接性。引脚框的节段1030可具有比示意图10A表示的情况大得多的面积，以便成为MEMS装置的灵敏隔膜。

在下个工艺步骤图10B中，塑料体120被制造在图案化引脚框的表面1001a上，从而封装引脚框，使引脚和隔膜一体化为装置并向引脚框提供强度和鲁棒性。一种制造工艺是使用具有无机填料的基于环氧树脂的模塑化合物的传递模塑技术。在模塑的情况下，模具的钢材具有进入空腔的突出，因此引脚框的节段1030在空腔填满化合物时保持无封装化合物，除在主体120中锚定节段1030的金属需要的外围部分1030a之外。对于需要紧固横梁或板的惯性传感器MEMS装置，锚定可仅影响节段1030外围的局部部分。对于需要紧固隔膜的压力传感器MEMS装置，锚定可影响节段1030的整个外围。在封装工艺期间，引脚框的表面1001b可由塑料膜屏蔽从而保持没有化合物；在模塑步骤完成之后从表面1001b剥落该膜。

在下个工艺步骤中，没有封装化合物的区域1030的金属部分被蚀刻，从而使金属从在约100和200μm之间的片厚度1014变薄为范围约5到50μm，通常在约10和25μm之间的厚度，以便增强节段1030作为MEMS装置隔膜的柔软性。在图10B中，已蚀刻隔膜的薄部分指定为1031。在图10C的工艺步骤中，半导体装置101附加到各自引脚。图10C的完成MEMS装置类似于图9H的装置。

可对说明性实施例做出各种修改。作为例子，本发明为MEMS封装应用各种材料，包括塑料和陶瓷，并为半导体装置、集成电路和离散装置应用各种材料，包括硅、锗硅、砷化镓或制造中使用的任何其它半导体或化合物材料。作为另一例子，活动元件集成进入MEMS的基于引脚框的封装体可应用于压阻压力传感器，其中压力到电子可检测信号的转换依靠暴露于压力的隔膜或一般结构的弹性变形。作为另一例子，活动元件集成进入MEMS的基于引脚框的封装体可应用于共振压力传感器，其中共振频率取决于振动微结构中的机械应力。作为另一例子，集成活动元件进入MEMS封装体的方法通过控制隔膜的厚度并通过添加在丝球键合技术中产生的一个或更多质量单位的压扁球，允许机械传递功能的便宜精细调谐。本领域技术人员认识到许多其它实施例和变化同样可能在要求保护的发明的范围内。同样意图在此覆盖具有在示例实施例的背景下描述的特征或步骤中的一个或更多的不同结合的实施例，示例实施例具有这样特征或步骤的全部或仅一些。

Claims (12)

1.一种微机电系统装置，包含：

主体，其具有厚度、第一表面和相对的第二表面；

开孔，所述开孔穿过所述主体的所述厚度，从所述第一表面延伸到所述第二表面；

金属引脚，所述金属引脚嵌入在所述主体的所述第一表面中；

金属箔，所述金属箔锚定在所述主体中并至少部分延伸越过在所述第一表面的所述开孔；以及

集成电路芯片，所述集成电路芯片在所述第一表面上倒转组装到所述引脚，所述芯片至少部分跨越所述箔片，通过缝隙从所述箔片分离。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述箔片具有在所述第一表面上锚定的活动悬梁的构造，所述横梁延伸到远离所述锚的板，并可操作从而正交于所述第一表面移动所述板。

3.根据权利要求2所述的装置，进一步包含附加到所述板的额外块。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述金属引脚包括第一组和第二组，所述第一组的引脚使所述箔片和所述集成电路之间能够电气互连，所述第二组的引脚使到外部部件的焊接触点成为可能。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述第一组的引脚和所述箔片一起安置在第一平面中，并且所述第二组的引脚安置在从所述第一平面偏移的第二平面中。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述金属引脚进一步包括安置在所述第一平面中的第三组，所述第三组配置为环绕所述开孔的金属密封环。

7.根据权利要求1所述的装置，进一步包括在所述芯片上的金属板，所述板面向所述第一表面并与所述金属箔一起形成电容器。

8.一种制造微机电系统装置的方法，包含以下步骤：

提供具有第一和第二表面、多个引脚和节段的引脚框；

在一定厚度的聚合物中封装所述第二引脚框表面，以便穿过所述厚度的开孔使所述节段的第二表面的一部分未封装；

使未封装节段的第二表面变薄，以便所述节段变为适合作为所述微机电系统装置的所述活动部件的箔片，以及

将在所述第一芯片表面上具有电路的半导体芯片连接到所述引脚的所述第一表面，以便所述第一芯片表面跨越所述箔片，通过缝隙从所述箔片分离。

9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括在所述第一引脚框表面上形成可焊接的冶金构造。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述引脚框的所述多个引脚分组成第一、第二和第三组；并且其中所述第一、第二和第三组的所述引脚和所述引脚框的所述分段安置在一个平面中。

11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括在所述提供的步骤之后，压所述引脚框的步骤，以便所述第一和所述第三组的所述引脚与所述分段一起在第一平面中，并且所述第二组的所述引脚在从所述第一平面偏移的第二平面中。

12.一种制造微机电系统装置的方法，包含以下步骤：

沉积金属层到平坦牺牲载体上，所述层具有适合微机电系统隔膜的薄度；

使所述金属层图案化为具有多个引脚和节段的引脚框；

在一定厚度的聚合物中封装所述引脚和所述节段，以便穿过所述厚度的开孔使所述节段的一部分未封装；

去除所述牺牲载体，使所述引脚和所述节段的无封装侧面暴露；以及

将在第一芯片表面上具有电路的半导体芯片连接到所述引脚的无封装侧面，以便所述第一芯片表面跨越所述节段，通过缝隙从所述节段分离。

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