CN103385010B - 具有位于mems裸片下面的cmos裸片的封装 - Google Patents

具有位于mems裸片下面的cmos裸片的封装 Download PDF

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Abstract

提供一种封装。该封装具有基板和盖。提供MEMS裸片，该MEMS裸片具有膜片。提供CMOS裸片，其中，该CMOS裸片的至少一部分位于该膜片和该基板之间。

Description

具有位于MEMS裸片下面的CMOS裸片的封装
技术领域
本发明涉及用于MEMS换能器的封装，具体地，涉及具有减小的占用面积(footprint)的MEMS封装。
背景技术
在本领域中，构建用于容纳微机电系统(MEMS)麦克风的封装是已知的。典型的封装包括MEMS换能器裸片连同单独的互补金属氧化物半导体(CMOS)裸片(die)，CMOS裸片用于对MEMS换能器裸片所产生的信号的放大。这些裸片以并排的方式安装在封装内的基板上，并且彼此引线接合(wire bond)且与基板引线接合。关于这种类型构造的示例，可以参照编号为6,781,231和7,242,089的美国专利，通过引用将其公开内容结合于本文中(包括用于构造这类封装的材料、MEMS裸片和CMOS裸片；所有部分/组件的尺寸范围；机械和/或电气连接方法；以及任何相关的制造细节)。图1还提供了这一构造的示例。封装101包括基板102和盖103。封装101具有附接至基板102的MEMS换能器裸片104和CMOS裸片106。由于声学端口108的位置在换能器104的上面，因此换能器104的膜片105将封装101分成后腔107和前腔109(与声学端口108相邻)。如上文所描述的那样，减小了封装的占用面积是所期望的，这样可以更好地适应各种消费电子设备，例如手机、音乐播放器、计算设备等。
为此，已经尝试将给定封装的裸片堆叠以减小封装的占用面积。例如，参见图2中的封装201。在该构造中，CMOS裸片206至少部分位于MEMS裸片204的下面以减小封装的占用面积。关于CMOS裸片206至少部分位于MEMS裸片204下面的主要的缺点在于，通过这样做，或者增加了封装的高度，或者如果MEMS裸片204变薄，则封装的后腔207减小，因此消极地影响麦克风的灵敏度和信噪比。本发明的至少一个目的是要解决该问题。
附图说明
为了更完整地理解本发明，应参照下文的详细描述和附图，其中：
图1是现有技术的封装的截面图，该封装包括并排构造的单独的CMOS和MEMS裸片；
图2是现有技术的封装的截面图，该封装包括堆叠构造的单独的CMOS和MEMS裸片；
图3是本发明实施方式中的封装的截面图，该封装具有位于MEMS裸片下面的CMOS裸片；
图4是本发明的另一实施方式的具有位于MEMS裸片下面的CMOS裸片的封装的截面图，其中，CMOS裸片是倒装的，MEMS裸片是引线接合的，并且其中，声学端口位于基板内；
图5是本发明的封装的另一实施方式的截面图，其中该封装具有位于MEMS裸片下面的CMOS裸片，并且其中，声学端口位于MEMS裸片下面的基板内；
图6是本发明的封装的另一实施方式的截面图，其中该封装具有位于MEMS裸片下面的CMOS裸片，其中，声学端口位于基板内，但是相对于CMOS裸片偏移；
图7是本发明实施方式中的MEMS裸片的仰视立体图，其中，MEMS裸片包括穿过后腔的侧壁的局部切口(cut)；
图8是本发明的其中CMOS裸片部分地嵌在MEMS裸片下面的实施方式的立体图，其中，MEMS裸片包括穿过后腔的侧壁的局部切口；
图9是本发明的实施方式的封装的截面图，其中，CMOS裸片部分地嵌在MEMS裸片下面，MEMS裸片具有穿过后腔的侧壁的局部切口，并且其中，MEMS裸片具有与之相关联的通道。
具体实施方式
虽然公开的本发明能允许具有各种修改和替代形式，但是在附图中通过示例示出了某些实施方式并且本文将详细地描述这些实施方式。然而，应理解的是，本公开内容并不旨在将本发明限于所描述的具体形式，而与此相反，本发明旨在涵盖落在所附的权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、替代和等同。此外，应理解的是，相似的标号指代相似的部件。
如上文所述，MEMS麦克风的膜片有效地将封装分成两个声学空间(volume)，表示为前部空间和后部空间。前部空间是该封装的与声学端口相邻的部分，而后部空间是该封装的在该膜片的与声学端口所在的位置相反侧上的部分。后部空间的大小是关键的声学参数，并且有助于麦克风的灵敏性和信噪比。后部空间的最大化能够使麦克风的声学性能最大化。
在一个实施方式中，提供一种封装。该封装包括基板和盖。MEMS裸片位于基板上。CMOS裸片位于MEMS裸片的下面。CMOS裸片具有空间。声学端口位于封装内，其中，封装具有位于MEMS裸片和基板之间的后部空间。存在有效后部空间，有效后部空间等于后部空间减去CMOS裸片的体积。
在一个实施方式中，声学端口在盖内。
在一个实施方式中，声学端口在基板内。
在一个实施方式中，该封装具有通道，该通道创建于MEMS裸片内，其中，CMOS裸片局部地嵌在MEMS裸片下面。
在另一实施方式中，提供一种封装。该封装具有基板和盖。MEMS裸片位于基板上。CMOS裸片位于MEMS裸片的下面。CMOS裸片具有一空间。声学端口设置于封装内，其中，封装具有位于MEMS裸片和基板之间的前部空间。存在有效前部空间，有效前部空间等于前部空间减去CMOS裸片的体积。
在一个实施方式中，声学端口在基板内。
在一个实施方式中，声学端口与CMOS裸片相邻。
在另一实施方式中，提供一种封装。该封装具有基板和盖。提供MEMS裸片，MEMS裸片具有侧壁和膜片，该膜片连接至侧壁。CMOS裸片位于基板上、MEMS裸片的下面并且被MEMS裸片的侧壁所包围。
在一个实施方式中，封装具有声学端口，声学端口在盖内。
在一个实施方式中，封装具有声学端口，声学端口在基板内。
在另一实施方式中，提供一种封装。封装具有基板和盖。提供MEMS裸片，MEMS裸片具有侧壁和膜片，该膜片连接至侧壁。CMOS裸片位于基板上、局部地位于所述MEMS裸片的下面并且穿过MEMS裸片的侧壁内的通道。
在一个实施方式中，封装还具有密封剂，密封剂将CMOS裸片的位于MEMS裸片外部的部分封闭。
在一个实施方式中，封装还具有声学端口，声学端口在基板内。
在一个实施方式中，封装还具有声学端口，声学端口在盖内。
在另一实施方式中，提供一种封装，该封装具有基板和盖。提供MEMS裸片，MEMS裸片具有膜片。提供CMOS裸片，其中CMOS裸片的至少一部分位于膜片和基板之间。
在一个实施方式中，CMOS裸片包括在MEMS裸片的侧壁内。
在一个实施方式中，CMOS裸片穿过MEMS裸片内的通道延伸。
在一个实施方式中，封装还具有密封剂，密封剂将CMOS裸片的在MEMS裸片外部延伸的部分封闭。
在一个实施方式中，封装具有声学端口，声学端口在基板内。
在一个实施方式中，封装具有声学端口，声学端口在盖内。
本发明试图对反对将CMOS裸片置于MEMS裸片下面以由此减小MEMS裸片下面的体积的教导进行反驳。在本发明的第一实施方式中，如图3所示，封装301包括位于MEMS换能器裸片304下面的CMOS裸片306。声学端口308位于MEMS裸片304的上面；因此，封装301具有前部空间309和膜片305的与声学端口308相反侧上的后部空间307。为了减小封装301的占用面积，可以增加MEMS裸片304的尺寸，以使CMOS裸片306的位置容纳在MEMS裸片304的下面并且在MEMS裸片304的后腔或后部空间307内。经增大的后腔空间307(减去CMOS裸片306的体积)将提供整个后部空间，该后部空间将超出本领域已知的传统实现方式的后部空间(即，如图1所示的)。增加MEMS裸片304的尺寸可能增加MEMS裸片304的整体制造成本。然而，增加的成本通过封装的整体减小的尺寸和/或成本得以抵消。因此，具有减小的占用面积的封装实现为具有相同或更好的声学性能，同时展现出与本领域已知的传统封装的成本相当的成本。
以下是本发明的一个实施方式，例如，在这一实施方式中，封装301被配置为提供与封装101类似的声学性能。假设图1中的MEMS裸片104具有1.1mm×1.1mm×0.4mm的尺寸，后腔具有0.74mm×0.74mm×0.4mm的尺寸，后腔空间(或者理解为膜片305下面的体积)是0.22mm3。CMOS裸片106具有0.5mm×0.5mm×0.2mm的尺寸，体积为0.05mm3。为了将图3中的实施方式中的性能实现为与图1中的性能相同的级别，MEMS裸片304的尺寸必须增加到1.2mm×1.2mm×0.4mm，以提供具有0.84mm×0.84mm×0.4mm尺寸的后腔。这提供了0.28mm3的后腔空间。当CMOS裸片306置于MEMS裸片304的下面并且在MEMS裸片304的后腔内时，有效后部空间(或后腔的体积减去CMOS裸片306的体积)变成0.23mm3，该有效后部空间略微大于图1中的封装101的后部空间107。因此，通过将CMOS裸片嵌在较大尺寸的MEMS裸片下面，能够获得略胜一筹的性能。例如，较大的MEMS裸片的制造成本可能贵了20％；然而，封装尺寸能够降低(因此也降低了成本)以补偿MEMS增加的成本。
现参照图4，示出了一种实施方式，在该实施方式中，封装401(具有基板402和盖403)包括MEMS裸片404和位于MEMS裸片404下面的CMOS裸片406。整个CMOS裸片406位于MEMS裸片404的侧壁414之间。CMOS裸片406被示出为倒装接合，而MEMS裸片404是引线接合。然而，应理解的是，可以考虑本领域技术人员已知的任何类型的连接。MEMS裸片404可以具有这样的尺寸，这些尺寸使得封装401的全部或有效后部空间407(例如，膜片下面的体积减去CMOS裸片406的体积)足以产生如传统换能器封装所展现的声学性能。在这一实施方式中，声学端口408设置在基板402内，并且与MEMS裸片404相邻。
图5例示出本发明另一实施方式中的封装501。CMOS裸片506位于MEMS换能器裸片504的下面。声学端口508位于CMOS裸片506下面、基板502内。因为声学端口508位于MEMS裸片504的下面，所以后部空间507被限定为封装501的位于盖503和MEMS裸片504之间的部分。前部空间509是MEMS裸片504下面的部分(减去CMOS裸片506体积)。在这种情况下，通过在前部空间509中具有CMOS裸片506，后部空间507增加。因此，封装501可以展现出在传统封装中可见的灵敏性和信噪比特性，同时提供更小的整体占用面积。
图6例示出与图5相似的实施方式；然而，在这一实施方式中，声学端口608与CMOS裸片606相邻而不是在其下面。然而，CMOS裸片606和声学端口608都在MEMS裸片604的下面。在这一实施方式中，前部空间609被限定为声学端口608和膜片605之间的空间。可以预见的是，在这一实施方式中，MEMS裸片604可以至少在长度和/或宽度上具有比上文描述的MEMS裸片304、404、504更大的尺寸。还可以预见的是，在这一实施方式中，MEMS裸片604的大小被设置为部分地覆盖声学端口608。此外，还可以预见的是，在一种实施方式中，声学端口608位于基板602内，但是只是部分地位于CMOS裸片606的下面。
现在参照图7，例示出MEMS裸片704，该MEMS裸片704已通过局部穿过后腔716的侧壁714蚀刻或切割出通道710而进行了修改。获得通道710的优选方法是通过使用划片机(dicing saw)进行局部地切割；然而，如本领域技术人员所能预见的，其它的方法也是可行的。该实施方式中的MEMS裸片704可以用于下文所描述的封装801和901。通道710在形状上是矩形的；然而，对于特定应用的需求，也可以使用其它形状。
图8示出具有与MEMS裸片704展现的通道类似的通道810的MEMS裸片804的独立的视图，其中，裸片804安装至基板802。CMOS裸片806(如虚线所示)也安装至基板802，且部分地嵌于MEMS裸片806下面。CMOS裸片806的一部分经由MEMS裸片804内的通道810突出。CMOS裸片806可以通过各种已知方法(包括但不限于引线接合、倒装接合以及硅通孔(through-silicon vias))连接至基板802。在MEMS裸片804的侧面施加密封剂材料812(例如，硅树脂)，以在裸片的两侧密封通道810并覆盖CMOS裸片806。这将MEMS裸片804下面的空间与外界隔开。图9示出封装901的实施方式，封装901包括局部地嵌在MEMS裸片904下面的CMOS裸片906，MEMS裸片904具有通道910以容纳CMOS裸片906，即，与图8的实施方式类似。在通道910上面的MEMS裸片904的任何一侧施加密封剂材料912，以将后部空间907与前部空间909隔离开。穿过盖903的声学端口908完成该组件。在实施方式中，声学端口(未在图中示出，但是基于之前所描述的实施方式可以预见)可以位于封装901的基板902内。该端口可以位于MEMS裸片904的下面或与MEMS裸片904相邻。这些实施方式可以提供期望的灵敏性和信噪比特性，同时还能为封装901提供减小的整体占用面积。
本文描述了本发明的优选实施方式，包括发明人已知的实施本发明的最佳方式。应该理解的是，所示的实施方式仅是示例性的，并且不应作为对本发明的范围的限制。

Claims (20)

1.一种用于至少一个MEMS换能器的封装，所述封装包括：
基板；
盖；
MEMS裸片，所述MEMS裸片位于所述基板上；
CMOS裸片，所述CMOS裸片位于具有一空间的所述MEMS裸片的下面；
声学端口，所述声学端口位于所述封装内，其中，所述封装具有位于所述MEMS裸片和所述基板之间的后部空间；
其中，存在有效后部空间，所述有效后部空间等于所述后部空间减去所述CMOS裸片的体积。
2.根据权利要求1所述的封装，其中，所述声学端口在所述盖内。
3.根据权利要求1所述的封装，其中，所述声学端口在所述基板内。
4.根据权利要求1所述的封装，所述封装还包括：
通道，所述通道创建于所述MEMS裸片内，其中，所述CMOS裸片局部地嵌在所述MEMS裸片下面。
5.一种用于至少一个MEMS换能器的封装，所述封装包括：
基板；
盖；
MEMS裸片，所述MEMS裸片位于所述基板上；
CMOS裸片，所述CMOS裸片位于具有一空间的所述MEMS裸片的下面；
声学端口，所述声学端口位于所述封装内，其中，所述封装具有位于所述MEMS裸片和所述基板之间的前部空间；
其中，存在有效前部空间，所述有效前部空间等于所述前部空间减去所述CMOS裸片的体积。
6.根据权利要求5所述的封装，其中，所述声学端口在所述基板内。
7.根据权利要求5所述的封装，其中，所述声学端口与所述CMOS裸片相邻。
8.一种用于至少一个MEMS换能器的封装，所述封装包括：
基板；
盖；
MEMS裸片，所述MEMS裸片具有侧壁和膜片，所述膜片连接至所述侧壁；
CMOS裸片，所述CMOS裸片位于所述基板上、所述MEMS裸片的下面并且被所述MEMS裸片的所述侧壁包围。
9.根据权利要求8所述的封装，所述封装还包括：
声学端口，所述声学端口在所述盖内。
10.根据权利要求8所述的封装，所述封装还包括：
声学端口，所述声学端口在所述基板内。
11.一种用于至少一个MEMS换能器的封装，所述封装包括：
基板；
盖；
MEMS裸片，所述MEMS裸片具有侧壁和膜片，所述膜片连接至所述侧壁；
CMOS裸片，所述CMOS裸片位于所述基板上、部分地位于所述MEMS裸片的下面并且穿过所述MEMS裸片的侧壁内的通道。
12.根据权利要求11所述的封装，所述封装还包括：
密封剂，所述密封剂将所述CMOS裸片的位于所述MEMS裸片外部的部分封闭。
13.根据权利要求11所述的封装，所述封装还包括：
声学端口，所述声学端口在所述基板内。
14.根据权利要求11所述的封装，所述封装还包括：
声学端口，所述声学端口在所述盖内。
15.一种用于至少一个MEMS换能器的封装，所述封装包括：
基板；
盖；
MEMS裸片，所述MEMS裸片具有膜片；
CMOS裸片，其中，所述CMOS裸片的至少一部分位于所述膜片和所述基板之间。
16.根据权利要求15所述的封装，其中，所述CMOS裸片容纳在所述MEMS裸片的侧壁内。
17.根据权利要求15所述的封装，其中，所述CMOS裸片穿过所述MEMS裸片内的通道延伸。
18.根据权利要求17所述的封装，所述封装还包括：
密封剂，所述密封剂将所述CMOS裸片的在所述MEMS裸片外部延伸的部分封闭。
19.根据权利要求15所述的封装，所述封装还包括：
声学端口，所述声学端口在所述基板内。
20.根据权利要求15所述的封装，所述封装还包括：
声学端口，所述声学端口在所述盖内。
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