CN102659069B - 具有至少一个mems组件的部件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一些措施，这些措施能够成本有利地且节约空间地实现具有MEMS组件和通向MEMS组件的膜片结构的进入通道的部件。所述部件包括MEMS组件，其膜片结构构造在组件上侧中。MEMS组件以组件背面安装在支承件上并至少部分地嵌入到模塑物质中。在模塑物质中构造有进入开口。根据本发明，部件还包括具有至少一个通孔的至少一个另外的半导体组件，其在MEMS组件上方并且与膜片结构间隔开地容纳到模塑物质中，从而在半导体组件与膜片结构之间形成空腔。模塑物质中的进入开口通到半导体组件的通孔中并且与通孔以及半导体组件与膜片结构之间的空腔一起形成通向膜片结构的进入通道。

Description

具有至少一个MEMS组件的部件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种部件以及一种用于制造所述部件的方法。本文所述的部件包括至少一个MEMS组件，所述至少一个MEMS组件具有至少一个膜片结构，所述至少一个膜片结构构造在MEMS组件的上侧中。MEMS组件以组件背侧安装在支承件上。此外，MEMS组件至少部分地嵌入到模塑物质(Moldmasse)中，在所述模塑物质中构造有至少一个进入开口。
背景技术
在公开文献DE 199 29 026 A1中描述了一种具有模塑壳体的MEMS压力传感器元件的封装。在压力传感器元件的上侧中构造有传感器膜片，所述传感器膜片覆盖组件背侧中的空穴。借助于基座支承件压力密封地封闭所述空穴，并且所述空穴充当压力检测的参考容积。所述结构安装在引线框架上并且电接通。如此装备的引线框架支承件随后被置于模具中并且在压铸法中被嵌入到构成模塑壳体的塑料物质中。为了在模塑壳体中形成压力进入开口，注塑工具除上部件和下部件外还包括凸模(Stempel)，借助所述凸模使传感器膜片没有模塑物质。为了不损害敏感的膜片结构，不将凸模直接置于传感器元件的上侧上，而是使其与膜片表面保持一个小的距离。通过凸模的专门冷却，使凸模周围的模塑物质的流动能力下降。由此应当防止模塑物质进到凸模与传感器膜片之间的间隙中并且附着在膜片区域内。
所述方法在实践中在各方面证实是有问题的。首先，方法执行是相对耗费的并且容易产生误差，因为凸模的冷却必须与凸模几何形状、凸模与传感器膜片之间的间隙宽度以及与塑料物质的粘度特性协调一致。在任意情形中都不能在工艺上可靠地杜绝凸模的欠模塑(Untermolden)。因此凸模横截面必须设计成大于膜片面，以便防止在欠模塑时产生的飞边损害有效的传感器膜片的功能。但是，这要求在组件上侧保留否则不可使用的面积。
迄今不存在可以可靠地、密封地置于压力传感器元件的MEMS结构上的模具。此外，MEMS组件(例如麦克风)的膜片往往设计得比压力传感器元件的膜片更薄和更脆弱。相应的MEMS结构不是设计用于如其在密封地放置模具时出现的强度的机械负载。
最后应注意，由DE 199 29 026 A1公开的模塑封装是设计用于MEMS组件和可能的ASIC在支承件上的并排布置。因此，ASIC容纳到麦克风封装中不可避免地导致封装面积的增大。因为制造成本也随着封装面积而增大，所以这样的麦克风封装相对昂贵。
发明内容
通过本发明提出了一些措施，这些措施能够成本有利并且节约空间地实现开始部分所述类型的具有通向膜片结构的进入通道的组件封装。
根据本发明，这通过以下方式实现：将具有至少一个通孔的至少一个另外的半导体组件在MEMS组件的上方并且与膜片结构间隔开地容纳到模塑物质中，从而在半导体组件与膜片结构之间存在一个空腔，并且模塑物质中的进入开口通到半导体组件的通孔中并且与所述通孔以及所述半导体组件与膜片结构之间的空腔一起形成通向膜片结构的进入通道。
与现有技术中已知的压力传感器封装的并排结构不同，根据本发明的封装构思基于至少一个半导体组件在MEMS组件上的堆叠布置。即公开了堆叠布置不仅能够实现横向的封装大小的减小，而且能够工艺可靠地实现通向膜片结构的进入通道，更确切地说，借助半导体工艺的标准方法、结构和连接技术(AVT)、模塑技术——即压铸技术来实现。
根据本发明，为此在所述另外的半导体组件的处理范畴中已经在晶片水平上在所述半导体组件中产生了至少一个通孔。为此，可以使用可以非常准确地预给定通孔的尺寸和位置的方法，例如开设沟槽(Trenchen)。由此也可以实现具有微米范围内的直径的非常小的通孔。
如此预制的半导体组件随后与膜片结构间隔开地安装在MEMS组件的上侧上。为此，使用在AVT中常用的连接材料，所述连接材料能够在半导体组件与膜片结构之间产生与通孔连接的空腔。
最后，在标准模塑过程中，将MEMS组件与半导体组件一起容纳到模塑物质中。在此，空出通到半导体组件的通孔中的进入开口。在此情形中可以将相应的工具直接置于半导体组件上，因为其不包括脆弱的结构。只要空出进入开口和半导体组件中的通孔，则在所述情形中飞边的出现也是不重要的。由此，在任意情形中都不会损害膜片结构的灵敏度。因为模具和模塑过程的设计在此不像以上阐述的现有技术那样程度地取决于MEMS设计，所以制造过程中的产量显著更高。
此外，可以成本有利地在多面板衬底(Multi-Panel-Substraten)上、即批量地制造根据本发明的组件封装。
根据本发明的封装结构还能够实现半导体组件与支承件之间很大程度上的应力去耦合。一方面，半导体组件与支承件之间的距离相对较大。另一方面，半导体组件基本上仅仅与模塑物质结合，所述模塑物质的热膨胀系数可以非常良好地匹配于半导体组件的材料。由此可以在很大程度上杜绝半导体组件的热机械决定的张力和由此引起的信号漂移。
尽管半导体组件根据本发明布置在MEMS组件的上方并且如罩盖那样保护膜片结构免受外部影响，但是半导体组件的横向尺寸必须仅仅非常有限地与MEMS组件协调一致。通过半导体组件和MEMS组件通过连接层的耦合，还可以非常简单地补偿半导体组件与MEMS组件之间的横向大小差别。根据本发明的封装结构既允许在横向上较大的半导体组件与较小的MEMS组件组合，也允许较小的半导体组件与在横向上较大的MEMS组件组合。
原则上，存在实现根据本发明的组件封装的不同可能性，这尤其涉及半导体组件的布置和容纳。
在本发明的第一实施方式中，通过结构化的连接层将半导体组件安装在MEMS组件的上侧上，所述连接层持久地保留在封装结构中。在所述情形中，使用可结构化的粘接剂作为连接材料，所述粘接剂或者被施加到MEMS组件的上侧上或者被施加到半导体组件的安装侧上，并且例如被光刻地结构化，以便实现半导体组件与膜片结构之间的距离。为此，使膜片结构区域没有连接材料。在所述结构变型中，膜片结构的框架区域必须环绕地与半导体组件连接，以便防止在随后的模塑过程中出现模塑物质的侵入。
在本发明的另一个特别有利的变型中，借助于临时的粘接层将半导体组件安装在MEMS组件上。所述临时的粘接层或者被施加到MEMS组件的上侧上或者被施加到半导体组件的安装侧上，更确切地说，至少被施加在膜片结构的区域中。在将半导体组件与MEMS组件一起容纳到模塑物质中的模塑过程之后，又去除临时的粘接层，其中，在半导体组件与膜片结构之间产生一个空腔。临时的粘接层在此不仅用于固定由MEMS组件和半导体组件构成的堆，而且还定义所述空腔并且就此而言具有牺牲层功能。
所述结构变型尤其还适于包括MEMS组件和具有不同横向尺寸的半导体组件的封装。
作为临时的粘接层的材料例如考虑基于由多环烯烃族构成的热塑性塑料的聚合物漆，其可光地、湿化学地或干地结构化并且具有相对于硅和金属的高粘附力。这样的热塑性聚合物漆的软化温度位于100℃及以上的范围内。典型的分解温度位于200℃与260℃之间的范围内。更低的分解温度也是可能的。分解产物是一氧化碳、二氧化碳和氢。
在根据本发明的组件封装的一个有利的进一步构型中，附加地借助于粘接剂接缝(Klebernaht)来稳定半导体组件在封装内的位置，半导体组件通过所述粘接剂接缝至少在一侧上持久地与MEMS组件连接。
既可以面朝上地也可以面朝下地将半导体组件容纳到根据本发明的组件封装的模塑物质中。在此，可以如此布置半导体组件，使得通孔直接位于膜片结构上方。然而对于特定的应用，可以有利地将半导体组件的通孔在侧面定位在膜片结构上方，以便例如保护膜片结构免受环境影响。在本发明的一个有利的实施方式中，在半导体组件中的通孔区域中构造有成型的过滤结构，所述过滤结构防止污染颗粒到达膜片结构。这可以例如是栅格状的、多孔的、膜片状的或薄膜状的结构。
附图说明
如已经在前面讨论的那样，存在以有利的方式构型和扩展本发明教导的不同可能性。为此，一方面参照独立权利要求后面的权利要求而另一方面参照以下借助附图的多个实施例描述。尽管这些实施例涉及麦克风封装，但是本发明不限于这种类型的部件，而是一般性地包括具有MEMS组件的部件，这些MEMS组件装备有脆弱的膜片结构并且要求壳体中的介质入口。
图1a-1f借助结构的截面示图示出了在制造根据本发明的第一麦克风封装10时的各个方法步骤，
图2a-2c借助结构的截面示图说明了另一制造变型，
图3示出在ASIC与麦克风组件之间具有粘接剂接缝的麦克风封装30的截面示图，
图4a、4b示出具有与麦克风组件相比相对较小和相对较大的ASIC的麦克风组件41、42的截面示图，以及
图5示出ASIC面朝下地安装在麦克风组件上的麦克风封装50的截面示图。
具体实施方式
在图1a和1b中示出了MEMS麦克风组件1，在其上侧中构造有膜片结构11，所述膜片结构具有用于信号检测的装置。用于信号检测的装置可以通过麦克风组件1的上侧上的连接盘13接通。膜片结构11覆盖组件背侧中的空穴12。麦克风组件1以组件背侧安装在平的支承件2上，从而空穴12与支承件2一起对麦克风组件1的背侧容积限界。在膜片结构中还可以构造有通向背侧容积的声学开口。在此，印刷电路板衬底用作支承件2，麦克风组件1借助于粘接剂14固定在所述印刷电路板上。印刷电路板衬底有利地是多面板衬底。
在麦克风组件1的上方分别示出了具有通孔4的ASIC 3，所述ASIC应当布置在麦克风组件1上并且与膜片结构11间隔开。在此示出的实施例中，ASIC 3应当通过临时的粘接层5与麦克风组件1连接。在图1a的情形中，所述临时的粘接层5施加在了麦克风组件1的上侧上，使得粘接层5在整个膜片区域上方延伸，但不在连接盘13上方延伸。在图1b的情形中，临时的粘接层5在整个面积上施加在了ASIC 3的安装侧上。在这两种情形中，在晶片水平上、即在芯片制造范畴中例如通过离心涂镀施加和在必要时结构化所述临时的粘接层5。
随后在键合步骤(Bondschritt)中建立ASIC 3与麦克风组件1之间的连接，其中，使粘接层5熔化。根据粘接层5的材料来调节工艺参数——温度、保持时间和保持力。图1c中示出了所述键合步骤的结果。
现在借助于引线键合(Drahtbonds)15使如此堆叠的组件——麦克风组件1和ASIC3——彼此电接通并且与印刷电路板衬底2电接通，如在图1d中示出的那样。
随后在压铸法中，以模塑物质6包覆麦克风组件1和ASIC 3以及引线键合15，如在图1e中示出的那样。在此，将凸模状的模具17置于ASIC 3的上侧上通孔4的紧上方，以便使所述通孔4没有模塑物质6。为了补偿模具17与ASIC表面之间的公差，可以使用专门的薄膜或者柔性的模具涂层。通过所述方式在模塑壳体中产生声进入开口7，所述声进入开口7通到ASIC 3的通孔4中。使用合适的塑料物质作为模塑物质6，例如以氧化硅粒子填充的环氧化物。
在ASIC 3与麦克风组件1一起容纳到模塑壳体中之后，才去除临时的粘接层5。根据临时的粘接层5的材料，可以化学地、热学地或干化学地进行去除。在此，在任意情形中均在ASIC 3与膜片结构11之间产生一个空腔8，所述空腔8与ASIC 3中的通孔4连接并且由此也与模塑壳体中的声进入开口7连接，并且所述空腔8在侧向上仅仅被模塑物质6限界。
图1f中以麦克风封装10的形式示出了以上所述方法的结果。声进入开口7布置在封装10的上侧中并且在侧向上相对于膜片结构11错开。声进入开口7与ASIC 3中的通孔4以及ASIC 3与膜片结构11之间的空腔8一起形成麦克风封装10的声进入通道。
如同在图1a和1b的情形中那样，在图2a和2b中示出了MEMS麦克风组件1，所述MEMS麦克风组件具有组件上侧中的膜片结构11和组件上侧上的连接盘13，所述MEMS麦克风组件以组件背侧安装在平的支承件2上，从而膜片结构11下方的空穴12与支承件2一起形成麦克风组件1的背侧容积。
在麦克风组件1的上方分别示出了具有通孔4的ASIC 3，所述ASIC应当布置在麦克风组件1上并且与膜片结构11间隔开。在此示出的实施例中，ASIC 3通过结构化的粘接层25与麦克风组件1连接，所述粘接层持久地保留在麦克风封装20中。在图2a的情形中，所述粘接层25被施加在了麦克风组件1的上侧上并且被如此结构化，使得所述粘接层25仅仅在膜片结构11的框架区域(Rahmenbereich)上延伸。在图2b的情形中，粘接层25被施加在ASIC 3的安装侧上并且被相应地结构化。在这两种情形中，也可以在晶片水平上、即在芯片制造范畴中施加并且例如在光刻方法中结构化粘接层25。在每种情形中，空出膜片结构11的区域以及一个或多个连接盘13。由于粘接层25的所述结构化，在ASIC 3与膜片结构11之间存在一个空腔28，所述空腔28在侧向上通过粘接层25封闭。
如在以上所述的第一实施例中那样，现在借助于引线键合15使如此堆叠的组件——麦克风组件1和ASIC 3——彼此电接通并且与印刷电路板衬底2电接通。在随后的模塑过程中，将麦克风组件1和ASIC 3与引线键合15一起嵌入到模塑物质6中。在此借助于凸模状的模具来覆盖ASIC 3中的通孔，从而在模塑壳体的上侧中产生声进入开口7。
在图2c中示出了如此制成的麦克风封装20。在此，声进入开口7也布置在封装20的上侧中并且在侧向上相对于膜片结构11错开，并且与ASIC 3中的通孔以及ASIC 3与膜片结构11之间的空腔28一起形成麦克风封装20的声进入通道。与麦克风封装10(图1f)不同，空腔28在侧向上通过结构化的粘接层25来限界，所述粘接层持久地保留在麦克风封装20的结构中。
在图3中示出了麦克风封装30，其结构基本上相当于图1f的麦克风封装10。为了提高稳固性和可靠性，仅仅通过附加的粘接剂接缝35来补充所述结构，所述粘接剂接缝35将ASIC 3的侧壁中的至少一个与麦克风组件1的表面连接并且使芯片堆机械稳定。
通过ASIC与麦克风组件之间的临时的粘接层的厚度并且通过键合步骤的参数——温度、保持时间和保持力，可以一方面影响键合深度，即ASIC以怎样的程度沉到粘接层中，而另一方面影响ASIC侧壁上的弯月形的铸造键合温度越高，则临时的粘接层软化越严重并且ASIC在保持力相同的情况下越深地沉到粘接层中。这在随后的压铸法中证实是有利的，因为如此嵌入到粘接层中的ASIC具有比所放置的具有陡峭侧壁的芯片更小的流动阻力。出于所述原因，也优选将显著更薄的ASIC容纳到根据本发明的麦克风封装中。
在图4a和图4b中示出了两个麦克风封装41和42，其中，麦克风组件1和ASIC 31或32的横向尺寸彼此显著不同。在这两种情形中，通过临时的粘接层的合适的结构化来补偿所述大小差别。
在麦克风封装41的情形中，ASIC 31不仅显著小于麦克风组件1，而且也显著小于膜片结构11的横向尺寸。然而，整个膜片表面由临时的粘接层覆盖，以便在模塑过程中保护这个区域并使这个区域没有模塑物质。此外，在模塑过程之后通过去除临时的粘接层产生的空腔8的形状能够推断出在键合过程中ASIC 31以其深度的约70％沉到临时的粘接层中。
在麦克风封装42的情形中，ASIC 32在侧向上显著超出麦克风组件1。同样借助于临时的粘接层将ASIC 32施加到麦克风组件1上，在键合过程期间所述ASIC 32以其深度的70％沉到所述粘接层中。
图5示出根据本发明的麦克风封装的另一实施方式50，所述麦克风封装具有MEMS麦克风组件1，所述MEMS麦克风组件1以组件背侧安装在平的支承件2上，从而膜片结构11下方的空穴12与支承件2一起形成麦克风组件1的背侧容积。在此示出的实施例中，麦克风组件1不是借助于引线键合而是通过组件背侧的连接端子53进行接通。此外，麦克风封装50包括具有通孔4的ASIC 3，所述ASIC 3以倒装芯片技术、即面朝下地布置在麦克风组件1上并且与膜片结构11间隔开。在此示出的实施例中，ASIC 3通过结构化的粘接层25与麦克风组件1连接，所述粘接层25持久地保留在麦克风封装50中并且仅仅在膜片结构11的框架区域上延伸。由于粘接层25的所述结构化，在ASIC 3与膜片结构11之间存在一个空腔28，所述空腔28在侧向上通过粘接层25封闭。在此通过螺柱凸点、铜柱(Cupper-Pillar)建立了ASIC 3与麦克风组件1之间的电连接55。麦克风组件1和ASIC 3嵌入到模塑壳体的塑料物质中。在模塑壳体的上侧中构造有声进入开口7，所述声进入开口通到ASIC 3中的通孔4中。所述通孔4与ASIC 3和膜片结构11之间的空腔11连接，从而麦克风封装50装备有从封装上侧直至膜片结构11的连通的声进入通道。
因为组件1和3在麦克风封装50的情形中不通过引线键合来接通并且ASIC 3的背侧通常相对于外部影响不敏感，所以还可以使模塑壳体与ASIC 3的背侧齐平。在所述情形中，在模塑过程中，使ASIC 3的整个组件背侧与通孔4一起没有模塑物质6。因此，可以在此不使用专门的凸模状的模具来空出通孔4。
为了使声阻保持得尽可能的小，在另一实施例中提出，将ASIC 3与MEMS组件1或麦克风1之间的距离选择为至少100微米。在所有以上示出的实施例中可以遵守这样的距离。

Claims (10)

1.具有至少一个MEMS组件(1)的部件，
其中，在所述MEMS组件(1)的上侧中构造有至少一个膜片结构(11)，
其中，所述MEMS组件(1)以组件背侧安装在支承件(2)上，
其中，所述MEMS组件(1)至少部分地嵌入到模塑物质(6)中，
其中，在所述模塑物质(6)中构造有至少一个进入开口(7)，
其特征在于，具有至少一个通孔(4)的至少一个另外的半导体组件(3)在所述MEMS组件(1)的上方并且与所述膜片结构(11)间隔开地容纳到所述模塑物质(6)中，使得在所述另外的半导体组件(3)与所述膜片结构(11)之间存在一空腔(8)，并且所述模塑物质(6)中的所述进入开口(7)通到所述另外的半导体组件(3)的所述通孔(4)中并且与所述通孔(4)以及所述另外的半导体组件(3)与所述膜片结构(11)之间的所述空腔(8)一起形成通向所述膜片结构(11)的进入通道，其中，所述空腔在侧向上仅仅被所述模塑物质限界。
2.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，所述至少一个另外的半导体组件(3)面朝上地或者面朝下地在所述MEMS组件(1)的上方容纳到所述模塑物质(6)中。
3.根据权利要求1或2所述的部件，其特征在于，所述至少一个另外的半导体组件(3)被如此布置，使得所述通孔(4)直接位于所述膜片结构(11)的上方或在侧面位于所述膜片结构(11)的上方。
4.根据权利要求1或2所述的部件，其特征在于，在所述进入通道的区域中构造有成型的过滤结构。
5.根据权利要求1或2所述的部件，其特征在于，所述MEMS组件(1)与所述半导体组件(3)之间的距离为至少100微米。
6.根据权利要求4所述的部件，其特征在于，在所述至少一个另外的半导体组件的所述通孔的区域中构造有成型的过滤结构。
7.具有至少一个MEMS麦克风组件的麦克风封装(10)，
其中，至少一个膜片结构(11)构造在所述麦克风组件(1)的上侧中并且覆盖组件背侧中的空穴(12)，
其中，所述麦克风组件(1)以组件背侧安装在支承件(2)上，从而所述空穴(12)与所述支承件(2)一起对所述麦克风组件(1)的背侧容积限界，
其中，所述麦克风组件(1)至少部分地嵌入到模塑物质(6)中，
其中，在所述模塑物质(6)中构造有至少一个声进入开口(7)，
其特征在于，具有至少一个通孔(4)的至少一个另外的半导体组件(3)在所述麦克风组件(1)上方并且与所述膜片结构(11)间隔开地容纳到所述模塑物质(6)中，使得在所述半导体组件(3)与所述膜片结构(11)之间存在空腔(8)，并且所述模塑物质(6)中的所述声进入开口(7)通到所述半导体组件(3)的所述通孔(4)中并且与所述通孔(4)以及所述半导体组件(3)与所述膜片结构(11)之间的所述空腔(8)一起形成通向所述膜片结构(11)的声进入通道，
其中，所述空腔在侧向上仅仅被所述模塑物质限界。
8.用于制造根据权利要求1至6中任一项所述的部件的方法，
其中，将具有至少一个膜片结构(11)的MEMS组件(1)以组件背侧安装在支承件(2)上，
其中，在所述MEMS组件(1)上并且与所述膜片结构(11)间隔开地安装具有至少一个通孔(4)的至少一个另外的半导体组件(3)，其中，使用能够在所述另外的半导体组件(3)与所述膜片结构(11)之间产生与所述通孔(4)连接的空腔(8)的连接材料，
其中，使所述MEMS组件(1)和所述至少一个另外的半导体组件(3)彼此电连接以及与所述支承件(2)电连接，并且
其中，在模塑过程中至少将所述MEMS组件(1)和所述至少一个另外的半导体组件(3)与所述电连接(15)一起容纳到模塑物质(6)中，其中使通到所述至少一个另外的半导体组件(3)的所述通孔(4)中的进入开口(7)没有所述模塑物质(6)，
其中，使用临时的粘接层作为所述至少一个另外的半导体组件(3)与所述MEMS组件(1)之间的连接材料，所述临时的粘接层至少在所述膜片结构(11)的区域中被施加在所述MEMS组件(1)的上侧上或者被施加在所述至少一个另外的半导体组件(3)的安装侧上，并且在所述模塑过程之后又被去除。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在模塑过程范围内，将凸模状的模具放置在所述至少一个另外的半导体组件(3)上的通孔(4)的上方，以便使所述通孔(4)没有所述模塑物质(6)。
10.根据权利要求8至9中任一项所述的方法，其特征在于，在所述模塑过程中，使用补偿薄膜和/或具有柔性涂层的模具。
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