CN103569941A - 包括嵌入式mems器件的装置和用于制造嵌入式mems器件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括嵌入式MEMS器件的装置和用于制造嵌入式MEMS器件的方法。公开了用于形成封装的MEMS器件的系统和方法。在一个实施例中，封装的MEMS器件包括：具有第一主表面的MEMS器件，所述第一主表面具有沿第一方向和第二方向的第一区域；部署在MEMS器件的第一主表面上的膜；以及与膜相邻的背板。封装的MEMS器件进一步包括灌封MEMS器件并限定背面容积的灌封材料，而背面容积具有沿第一方向和第二方向的第二区域，其中第一区域小于第二区域。

Description

包括嵌入式MEMS器件的装置和用于制造嵌入式MEMS器件的方法
技术领域
本发明一般地涉及用于制造微机电系统（MEMS）封装的系统和方法，并且在特定实施例中涉及用于制造MEMS麦克风封装的系统和方法。
背景技术
在过去的几年中，对较小的电子形状因素和功耗以及提高的性能的渴望已经驱动了设备组件的集成。集成所发生的一个领域是MEMS器件领域。更具体而言，在诸如例如手机、膝上型电脑和平板电脑之类的电子设备中的麦克风主要是MEMS麦克风。
MEMS麦克风性能的一个特征是背面容积（back volume）的大小。背面容积提供了逆着入射声波的参考压力。一般，背面容积由硅麦克风的衬底限定。
发明内容
通过本发明的实施例，一般地解决或绕过了这些问题和其它问题，并且一般地实现了技术优点，所述的本发明的实施例公开了一种具有延伸的背面容积的MEMS结构以及制造MEMS麦克风的方法。
根据本发明的实施例，一种封装的MEMS器件包括：具有第一主表面的MEMS器件，所述第一主表面具有沿第一方向和第二方向的第一区域；部署在MEMS器件的第一主表面上的膜；以及与膜相邻的背板。封装的MEMS器件进一步包括灌封MEMS器件并限定背面容积的灌封材料，而背面容积具有沿第一方向和第二方向的第二区域，其中第一区域小于第二区域。
根据本发明的实施例，一种器件包括：组件；与组件相邻部署的换能器；以及在换能器旁边的换能器开口。器件进一步包括：灌封组件、换能器和部分换能器开口的灌封材料；以及部署在密封换能器开口的灌封材料上的盖子。
根据本发明的另一个实施例，一种用于制造器件的方法包括：在灌封材料中灌封换能器，换能器包括衬底；以及在灌封材料中灌封换能器之后，刻蚀换能器的衬底从而形成换能器开口。
根据本发明的另一个实施例，一种用于制造集成器件的方法包括：形成包括灌封材料的重构晶片，重构晶片包括在灌封材料中灌封的MEMS器件和组件；以及在重构晶片的第一主表面上形成重新分布层（RDL），RDL电连接MEMS器件和组件。方法进一步包括
从重构晶片的第二主表面暴露MEMS器件的衬底；刻蚀MEMS器件的衬底，从而形成开口；在重构晶片的第二主表面上形成材料层；以及切单片重构晶片，从而形成集成器件。
附图说明
为了更完整地理解本发明的实施例及其优点，现在连同附图参考下面采用的描述，在其中：
图1示出了集成组件的实施例的横截面图；
图2a示出了制造工艺的实施例的流程图；
图2b-2f示出了制造工艺的不同阶段；
图3a-3d示出了集成组件的实施例的横截面图；
图4a示出了制造工艺的实施例的流程图；以及
图4b示出了集成组件的实施例的横截面图。
具体实施方式
下面详细讨论目前优选的实施例的制造和使用。然而应当理解的是，本发明提供可在各种各样的具体上下文中体现的许多可适用的发明概念。讨论的具体实施例仅仅是说明制造和使用发明的具体方式，而不限制发明的范围。
将描述本发明，关于在具体上下文中的实施例，即在芯片嵌入工艺中制造的嵌入式MEMS麦克风。然而，本发明的实施例还可适用于其它MEMS器件、传感器或换能器以及其它封装工艺。
常规的MEMS麦克风的问题是：麦克风的背面容积是有限的。
本发明的实施例为MEMS麦克风提供增加的背面容积。本发明的实施例提供由灌封材料限定的背面容积。本发明的另外的实施例提供一种制造工艺，其中在灌封MEMS麦克风之后形成或创建背面容积。
本发明的实施例的优点在于改进的制造工艺，其包括：由于未释放膜导致的MEMS麦克风的容易的处理以及灌封材料中的其它组件的容易的集成。
本发明的实施例的另外的优点在于：一般，较大的背面容积比较小的背面容积更有益。
本发明的实施例的最后一个优点在于：增加的MEMS麦克风的背面容积，而不增加昂贵的膜。
针对MEMS麦克风的应用领域可能是头戴式耳机、助听器或扬声器。
图1图示了集成组件1，其包括换能器5和灌封材料10中灌封的组件18。换能器5可以是MEMS麦克风，诸如硅麦克风。可替换地，换能器5可以是传感器，诸如压力传感器、加速度计或RF MEMS。
在一个实施例中，换能器5可包括MEMS器件，所述MEMS器件具有膜14和临近膜14部署的背板13。膜14和背板13以小间隙（例如空气）距离分离，一般在约1μm至约3μm之间。在其它实施例中，间隙距离可以小于约1μm或大于约3μm。膜14/背板13将背面容积12和外部声环境分离，其中配置换能器5以感测所述外部声环境。
入射的声信号通过声音端口20可以使用膜14。如本领域技术人员所公知：入射的声信号包括引起气压振荡的声波。声波使得膜14经历偏离。该偏离是间隙距离的改变，其通过膜14和背板13上的电容改变来被测量。背面容积12提供参考容积。
集成组件1进一步包括组件18。在一个实施例中，组件18可以包括分立器件，诸如单个半导体器件或集成电路（IC）。例如，组件18可包括前置放大器和输入/输出端子。可替换地，组件18包括与前置放大器集成的功率半导体器件或保护器件。
组件18可包括诸如MOSFET之类的半导体器件，或者诸如双极型晶体管、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、功率MOSFET、晶闸管或二极管之类的功率半导体器件。可替换地，组件18例如可包括电阻器、保护器件、电容器、传感器或检测器。组件18可以是片上系统（SoC）。
此外，集成组件1包括灌封材料10。灌封材料10可包括聚酰亚胺、环氧树脂、热塑性塑料、陶瓷、金属陶瓷或金属塑料。灌封材料可以是具有导热填充物材料的环氧树脂。例如，填充物的含量是至少约70％至约93％的氧化硅、氧化铝、氮化硼或氧化锌。可替换地，灌封材料10可包括大量填充有填充物材料的硅。
灌封材料10包括换能器开口或MEMS开口30。换能器开口或MEMS开口30可限定MEMS麦克风5的背面容积12。换能器开口30包括底面32、侧壁34和顶面36。在一个实施例中，顶面36的面积包括和底面32相同的面积。在一个实施例中，底面32的面积与背板13的顶面面积相同。侧壁34是垂直的。在可替换的实施例中，侧壁被调和（temper），而顶面36的面积不同于底面32的面积。
灌封材料可包括灌封材料10的第二主表面38中的刻蚀孔15。可用材料层、帽或盖子16来密封刻蚀孔15。盖子16可以是导电材料或绝缘材料。例如盖子16可以是金属、光刻胶、层压制件或其组合。可替换地，盖子16包括适合于密封换能器开口30的其它材料。
在一个实施例中，换能器5和组件18集成在一个单个组件或芯片中。
集成传感器组件1进一步包括重新分布层（RDL）17。RDL 17被部署在集成组件1的第一主表面39上。RDL 17被部署在组件18和换能器5外部。RDL 17可包括绝缘层中嵌入的金属迹线（trace）或金属互连。金属迹线连接组件18和换能器5。金属迹线进一步将组件18和/或换能器5与RDL 17中部署的接触焊盘连接。RDL 17的绝缘材料可包括聚酰亚胺、氮化硅或氧化硅或其组合。导电迹线和接合焊盘可包括Cu或Al。
集成组件1被配置为接合到组件载体，诸如衬底或印刷电路板。为了将集成组件1接合到组件载体上，可将诸如焊料球或导线之类的互连放置在RDL的接合焊盘上或者接合到RDL的接合焊盘。
图2a示出制造工艺的实施例的流程图。在第一步骤23中，形成重构（或重构的）晶片。可通过应用芯片嵌入工艺来形成重构晶片。该芯片嵌入工艺是扇出（fan-out）晶片级封装WLP类型的技术，其允许制造组件不受芯片大小的限制。芯片嵌入工艺可包括嵌入式晶片级工艺或嵌入式晶片级球栅阵列（eWLB）。
该封装不像用传统WLP处理那样在硅晶片上实现，而是来自人工晶片成形载体。在芯片嵌入工艺的初始阶段期间，来自晶片（诸如硅晶片）的切块组件转变为人造或重构载体。此外，切块换能器（诸如来自换能器晶片或MEMS晶片的MEMS麦克风）也转变为重构晶片，并被放置在切块组件的旁边。
例如，从硅晶片上挑选已知良好的管芯（例如组件和换能器）并放置在用粘合箔片覆盖的晶片成形载体上。管芯被定向为其有源面面向载体表面。包括组件和换能器的切单片的（singulated）器件的设计大小确定了组件和换能器周围扇出区域的大小。放置的管芯之间的间隙填充有灌封材料（例如聚酰亚胺、环氧树脂、热塑性塑料、陶瓷、金属陶瓷或金属塑料）。
重构晶片包括多个集成组件。图2b示出了包括换能器和组件的一个集成组件1。在另一个实施例中，单个集成组件可包括一个组件和多个换能器、一个换能器和多个组件、或者多个组件和多个换能器，诸如两个组件和两个换能器。图2b的实施例示出了包括组件18、硅MEMS麦克风11和灌封材料10的集成组件1。关于图1描述了组件18、MEMS麦克风11和灌封材料10。
在步骤24中，在重构晶片的第一主表面上形成RDL。可形成RDL，通过：淀积第一绝缘材料或电介质材料、构造绝缘材料、在构造的绝缘材料上溅射种子层、电镀或以其它方式淀积重新分布线和连接焊盘（landing pad）、以及淀积第二绝缘材料或电介质材料。在一个实施例中，可仅仅淀积第一电介质材料或第二电介质材料。图2c示出了在淀积RDL 17之后的集成组件1。图2c示出了与膜14相邻的声音端口20。声音端口20可由在膜14旁边的RDL 17的开口形成。最靠近膜的声音端口20的面积与膜14的相同。可替换地，声音端口20的面积大于或小于膜14的面积。在一个实施例中，RDL 17包括了包括在彼此上面部署的两个或更多个RDL的RDL层堆叠。
在步骤25中，翻转重构晶片，并在重构晶片的第二主表面中形成刻蚀孔或刻蚀通孔。形成孔或开口，使得它们暴露换能器背面的至少一部分。在一个实施例中，通过构造在重构晶片的第二主表面上部署的光刻胶并且然后刻蚀灌封材料，来形成开口或孔。可在灌封材料中形成小通孔，一直向下到换能器的背面。通孔足够大，以至于可通过通孔来去除随后刻蚀的硅。可通过应用包括CHOLIN、HF、H2SO4、HNO3或其组合的刻蚀化学来形成通孔。图2d示出了具有灌封材料10中小刻蚀孔15的集成传感器组件1。仅可在MEMS麦克风11上部署小刻蚀孔15。
在一个实施例中，通过激光钻孔工艺来形成孔或通孔。例如，355nm的紫外线激光可在封装材料中的钻通孔或孔。
在一个实施例中，通过研磨形成开口。可从暴露换能器背面的第二主表面中研磨重构晶片。例如，如果换能器的背面比组件的背面更接近重构晶片的第二主表面（例如组件的高度比换能器的高度小），那么可研磨重构晶片的第二主表面。
在步骤26中，通过孔或通孔来刻蚀换能器。特别地，通过应用各向异性刻蚀（例如湿法刻蚀）或各向同性刻蚀（例如干法刻蚀）来刻蚀换能器的衬底。刻蚀化学可能不刻蚀组件，因为灌封材料保护组件免于刻蚀。刻蚀化学可去除换能器的衬底，向下直到有源器件（例如膜/背板）。刻蚀化学可去除衬底，使得通过灌封材料的侧壁来形成换能器开口（例如背面容积）的水平尺寸。在一个实施例中，刻蚀化学可选择性地刻蚀衬底，使得部分衬底形成换能器开口（例如背面容积）的侧壁。在一个实施例中，通过首先刻蚀换能器衬底、形成开口（例如各向同性刻蚀）、并且然后通过延伸开口到灌封材料中（例如各向异性刻蚀），来形成换能器开口（例如背面容积）。
用刻蚀剂执行刻蚀，诸如例如HNO3和HF、KOH、SF6或其它刻蚀剂。最终得到的换能器仅包括有源区，诸如由小间隙距离分离的膜和背板。在换能器包括除硅以外的半导体材料的一个实施例中，应用其它的刻蚀化学。
在一个实施例中，背板受刻蚀停止层（stop layer）保护。刻蚀停止层可以是诸如金属之类的导电材料，或者是诸如聚合物、氧化物或氮化物之类的绝缘材料。
图2e示出了通过孔或通孔15来形成MEMS开口12（例如背面容积）之后的集成组件1。集成组件1包括替代麦克风衬底11的MEMS开口12。
在步骤27中，换能器开口（例如背面容积）被密封。MEMS开口用盖子密封。可在重构晶片的整个第二主表面上淀积盖子，或在重构晶片的第二主表面上选择性地形成盖子。可替换地，可在均厚淀积（blanket deposition）中形成盖子，然后去除盖子，使得盖子保留在开口上。盖子可包括光刻胶、层压制件或固体结构（诸如金属或塑料）。盖子可部署在重构晶片上，并通过粘合剂或环氧树脂连接到灌封材料。盖子可以在与重构晶片的第二主表面正交的方向上壳体（casing）延伸换能器开口。
在可选步骤28中，应用互连到位于RDL中的接触焊盘。例如互连可包括焊料球、焊料凸块、铜柱或支柱（stud）。可替换地，互连可包括导线、接点栅格（land grid）或城堡状物（castellation）。在步骤29中，应用锯切工艺或激光切单片工艺来将重构晶片切单片为单独的集成组件。图2f示出了包括开口15和MEMS开口12上的盖子16的集成组件1。焊料球19部署在RDL 17的接触焊盘上。
单独的集成组件1可放置在载体上并接合到载体，诸如印刷电路板（PCB），例如柔性板、衬底或陶瓷板。
图3a-3c示出了具有增加的MEMS开口（例如背面容积）的集成传感器组件的实施例。MEMS麦克风的性能实质上可能受背面容积的大小影响。在一个实施例中，背面容积被延伸到灌封材料的扇出区域，从而增加了背面容积，而不改变MEMS麦克风的尺寸。可替换地，通过在重构晶片的第二主表面上放置体或壳体，正交于MEMS器件的膜延伸背面容积。此外，通过增加到扇出区域的背面容积并通过在MEMS开口上放置壳体或体，来延伸背面容积。在一个实施例中，膜与背板可保留由MEMS麦克风衬底限定的同样大小（当从晶片切割时），而背面容积增加到灌封材料中，和/或正交增加到壳体中。
图3a示出了具有延伸的背面容积（例如MEMS开口）12的集成传感器组件1。背面容积12的水平长度hl1大于沿x轴的MEMS器件5的水平长度hl2（或者膜14或背板13的水平长度）。类似地，背面容积12的水平面积（包括长度hl1和垂直于长度hl1的长度（即沿着y轴））大于MEMS器件5的水平面积（包括长度hl2和垂直于hl2的长度（即沿着y轴））（或者膜14或背板13的水平面积）。MEMS开口12包括基本上垂直的侧壁。
图3b的实施例示出了具有锥形侧壁的延伸的MEMS开口（例如背面容积）12。类似于图3a的实施例，MEMS开口12的尺寸由灌封材料限定，而不是由MEMS麦克风5的衬底限定。对于MEMS开口12的整个高度h或者MEMS开口12高度h的相当大部分来说，MEMS开口12的水平长度hl1大于MEMS器件5的水平长度hl2（或者膜14或背板13的水平长度）。类似地，对于MEMS开口12的整个高度h或者MEMS开口12高度h的相当大部分来说，MEMS开口12的水平面积（包括长度hl1和垂直于长度hl1的长度（即沿着y轴））大于MEMS器件5的水平面积（包括长度hl2和垂直于hl2的长度（即沿着y轴））（或者膜14或背板13的水平面积）。
图3c示出了具有延伸的背面容积（例如MEMS开口）12的集成传感器组件1。沿z轴增大背面容积12的垂直长度vl。盖子16可提供额外的长度。例如，盖子16包括具有集成开口22的壳体或体。壳体被放置在灌封和延伸MEMS开口12的集成组件1的第二主表面上。图3c的实施例可与图3a或3b的实施例组合。
图3d示出了集成组件1的实施例，所述集成组件1包括用集成组件1的第二主表面38上的导电的盖子16密封的延伸的MEMS开口12。可沿着通孔21将导电的盖子16连接到集成组件1的第一主表面39。在一个实施例中，导电的盖子16电连接到RDL 17中的连接焊盘。导电的盖子16可提供对外部或内部干扰（诸如电干扰）的屏蔽。在一个实施例中，导电的盖子16可放置在组件18和MEMS器件5上。可替换地，导电的盖子可放置在组件18上或放置在MEMS器件5上。图3d的实施例可与图3b或3c的实施例组合。
图4a示出了制造集成组件的实施例的流程图。步骤41重复图2a的步骤23-25。形成包括组件和换能器（例如硅MEMS麦克风）的重构晶片。在重构晶片的第一主表面上形成RDL，并通过形成刻蚀孔或刻蚀通孔来从第二主表面上打开重构晶片，例如在待创建的换能器开口上刺穿重构晶片的灌封材料。刻蚀孔或刻蚀通孔暴露换能器的衬底。刻蚀孔或刻蚀通孔由355nm的UV激光形成。相邻刻蚀孔或刻蚀通孔之间的间距可以是约30μm至约45μm，而单独孔的直径约为15μm。
在步骤41之后，刻蚀换能器，从而通过通孔和孔去除换能器的衬底。例如，可完全去除MEMS麦克风的衬底，一直向下到背板。灌封材料可形成换能器开口（例如背面容积）的侧壁（步骤42）。在步骤43中，氧（O2）等离子体被应用到覆盖换能器开口的灌封材料的刺穿的第二主表面。氧等离子体可能使得刺穿的灌封材料亲水。
在接下来的步骤44中，在重构晶片的整个第二主表面上部署光刻胶。光刻胶可以是环氧树脂光刻胶。例如，光刻胶可包括永久的环氧负性光刻胶（诸如Microchem的SU-8®）或永久的光刻胶（诸如TOK的TMMR®）。可在重构晶片的第二主表面上旋涂（spin-coat）光刻胶。光刻胶可包括约20μm至约40μm的厚度。可替换地，光刻胶可包括约30μm或更大的厚度。缓慢地烘干光刻胶。例如，通过将温度设置到约60℃，然后逐步增加温度至约100℃，来烘干光刻胶。从约60℃至约100℃增加温度可能花费大约15分钟。然后将温度保持在约100℃，达大约另一个15分钟。不能将温度增加太快，因为光刻胶可能变成液体，并可能流入或滴入换能器开口中。
在步骤45中，在高于约200℃的温度下暴露和显影环氧树脂光刻胶。在一个实施例中，在约200℃的温度下暴露和显影环氧树脂光刻胶。除了切单片道（street）外，仅在MEMS开口的区域上或在重构晶片的整个第二主表面上暴露光刻胶。
可替换地，光刻胶可以是箔片光刻胶（例如TMMF/TOK）。可在重构晶片的第二主表面上层压箔片光刻胶。箔片光刻胶可包括约50μm或更大的厚度。用这种厚度，箔片光刻胶可覆盖具有高达200μm直径的开口、孔或通孔。
最后，在步骤46中重复图2a的步骤28和29。可将互连应用到重构晶片的RDL的连接焊盘，且重构晶片被切单片，从而形成单独的集成组件。
图4b示出了根据图4a的工艺制造的集成组件1的实施例。集成组件1包括与其它实施例（诸如图1的实施例）的集成组件类似的元件和材料。然而，集成组件1的盖子16包括环氧树脂光刻胶。此外，集成组件1包括部署在集成组件1的整个第二主表面上的光刻胶层或盖子。
虽然已经详细描述了本发明及其优点，但应当理解：可在这里作出各种改变、替换和更改而不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。
此外，本申请的范围并不意图限于说明书中所述的工艺、机器、制造、物质成分、手段、方法和步骤的特定实施例。正如本领域普通技术人员将容易地从本发明的公开中所领会，可根据本发明利用目前现有的或以后将被开发的执行与在这里所述的对应实施例基本上相同的功能或实现基本上上相同的结果的工艺、机器、制造、物质成分、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求意图在其范围内包括这种工艺、机器、制造、物质成分、手段、方法或步骤。

Claims (23)

1.一种封装的MEMS器件，其包括：
具有第一主表面的MEMS器件，所述第一主表面具有沿第一方向和第二方向的第一区域；
部署在MEMS器件的第一主表面上的膜；
与膜相邻的背板；以及
灌封MEMS器件并限定背面容积的灌封材料，而背面容积具有沿第一方向和第二方向的第二区域，其中第一区域小于第二区域。
2.根据权利要求1所述的封装的MEMS器件，进一步包括盖子，其中盖子被部署在MEMS器件的第二主表面上。
3.根据权利要求2所述的封装的MEMS器件，其中，
盖子包括背面容积。
4.根据权利要求1所述的封装的MEMS器件，其中，
背面容积包括垂直的侧壁。
5.根据权利要求1所述的封装的MEMS器件，其中，
背面容积包括调和的侧壁。
6.根据权利要求1所述的封装的MEMS器件，其中，
膜和背板被配置为电容性地感测声信号。
7.一种器件，其包括：
组件；
与组件相邻部署的换能器；
在换能器旁边的换能器开口；
灌封组件、换能器和部分换能器开口的灌封材料；以及
部署在密封换能器开口的灌封材料上的盖子。
8.根据权利要求7所述的器件，其中，
换能器被配置为接收声信号。
9.根据权利要求7所述的器件，其中，
盖子密封开口的整个顶面。
10.根据权利要求7所述的器件，其中，
盖子密封部分开口顶面。
11.根据权利要求7所述的器件，其中，
换能器开口是背面容积。
12.一种用于制造器件的方法，其包括：
在灌封材料中灌封换能器，换能器包括衬底；以及
在灌封材料中灌封换能器之后，刻蚀换能器的衬底以形成换能器开口。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括在灌封材料中灌封组件。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，
刻蚀换能器的衬底包括：
通过钻孔或通孔到灌封材料中，来暴露换能器的衬底；以及
刻蚀换能器的衬底。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，
刻蚀换能器的衬底包括：
暴露换能器的衬底；
研磨灌封材料；以及
刻蚀换能器的衬底。
16.根据权利要求12所述的方法，进一步包括用盖子密封换能器开口。
17.根据权利要求12所述的方法，进一步包括通过在灌封材料上放置壳体，来延伸换能器开口。
18.一种制造集成器件的方法，其包括：
形成包括灌封材料的重构晶片，重构晶片包括在灌封材料中灌封的MEMS器件和组件；
在重构晶片的第一主表面上形成重新分布层（RDL），RDL电连接MEMS器件和组件；
从重构晶片的第二主表面暴露MEMS器件的衬底；
刻蚀MEMS器件的衬底，从而形成开口；
在重构晶片的第二主表面上形成材料层，从而密封开口；以及
切单片重构晶片，从而形成集成器件。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，
形成材料包括在开口上选择性地形成盖子或帽。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，
形成材料层包括在重构晶片的整个第二主表面上形成盖子或帽。
21.根据权利要求18所述的方法，其中，
暴露衬底包括在重构晶片的第二主表面处在灌封材料中形成孔或通孔。
22.根据权利要求18所述的方法，其中，
暴露衬底包括在重构晶片的第二主表面处研磨灌封材料。
23.根据权利要求18所述的方法，其中，
MEMS器件包括硅膜和背板，并且其中开口是背面容积。
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