CN103958393A - Mems传感器封装及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及MEMS传感器封装及其方法。一种微机电系统(MEMS)传感器封装，包括：第一晶片，其上形成有读出集成电路(ROIC)；第二晶片，其对应于第一晶片设置并在其一侧上具有凹部以及在凹部上制备的MEMS传感器；连结焊料，其沿MEMS传感器周围形成并通过连结第一和第二晶片而密封MEMS传感器；以及盘焊料，其形成为电连接第一晶片的ROIC电路和第二晶片的MEMS传感器。根据本发明，在对其上形成有ROIC的晶片和其上形成有MEMS传感器的晶片进行连结和封装时，通过在内部形成盘焊料以电连接ROIC和MEMS传感器封装件的尺寸可减小并可稳定地提供电信号。

Description

MEMS传感器封装及其方法
技术领域
本公开涉及一种微机电系统(MEMS)传感器封装及其方法，并尤其涉及能够通过形成内部盘焊料以在连结和封装其上形成有ROIC电路的晶片和其上形成有MEMS传感器的晶片时电连接读出集成电路(ROIC)和MEMS传感器而减小封装件的尺寸并稳定地提供电信号的MEMS传感器封装及其方法。
背景技术
MEMS指的是通过使用半导体制造技术制造传感器、微执行器或陀螺仪的技术领域。因此，精确加工、产品的一致性以及半导体技术的高生产率被应用于MEMS，并且其性能提高并且成本降低。
为了保护或增加灵敏性，例如加速度传感器、陀螺仪传感器和谐振陀螺仪的MEMS器件被封装。随着MEMS器件制造技术的迅速发展，MEMS器件的高密度和小型化被实现，并因此，其封装件的小型化是必需的。
因此，频繁地尝试晶片级封装，它以其上形成有器件的晶片状态执行封装。
通过典型晶片级封装得到的MEMS器件封装件具有一种结构，其中基于玻璃的覆盖衬底和基于硅的器件衬底通过阳极键合被连结在一起。然而，由于用于覆盖的玻璃衬底的厚度，封装件的厚度变得更大，并且由于在玻璃衬底内形成的大通孔，减小封装件的尺寸存在限制。使用这种大尺寸的MEMS器件封装件导致妨碍器件最小化。
另外，由于将每个器件以单位器件状态布置在平面上并使用引线键合工艺的方法在MEMS器件需要气密特征的情形下通过使用器件上的帽而保持气密，因此整个封装件的封装件尺寸大并且其工艺是复杂的。
公开内容
技术问题
本公开的一个方面提供能够通过形成内部盘焊料以在连结和封装其上形成有ROIC电路的晶片和其上形成有MEMS传感器的晶片时电连接读出集成电路(ROIC)和MEMS传感器而减小封装件的尺寸并稳定地提供电信号的MEMS传感器封装及其方法。
本发明的技术问题不限于前面描述的那些，并且其它技术问题对本领域内技术人员来说能从下面的说明书中被清楚地理解。
技术方案
根据本发明的一个方面，这里提供一种微机电系统(MEMS)传感器封装，包括：第一晶片，其上形成有读出集成电路(ROIC)；第二晶片，其对应于第一晶片设置并在其一侧上具有凹部以及在凹部上制备的MEMS传感器；连结焊料，其沿MEMS传感器周围形成并通过连结第一和第二晶片而密封MEMS传感器；以及盘焊料，其形成为电连接第一晶片的ROIC电路和第二晶片的MEMS传感器。
第一晶片可包括：衬底；形成在衬底上的ROIC电路的电极盘；形成以露出电极盘的绝缘层；填充穿透衬底的通孔的填充物金属，用以电连接至电极盘；以及形成在绝缘层上的吸气剂。
吸气剂可包括从下组中选取的一种或多种：Ba,Ca,Mg,Ti,V,Zr,Nb,Mo,Ta,Th和Ce，或者从下组的金属合金中选取的一种或多种：Ba-Al,Zr-Al,Ag-Ti和Zr-Ni。
第二晶片可包括：衬底，其具有由形成在其一侧上的凹部构成的空间；润湿层，其以预定图案形成在衬底上；以及MEMS传感器，其连接至所述润湿层并与一位置具有预定间隔地独立设置，所述位置对应于形成凹部的位置。
润湿层可形成拟连接至MEMS传感器的两个电极的盘图案，并形成沿MEMS传感器周围的环图案。
MEMS传感器可制备成隔膜结构或梳状结构。
MEMS传感器可包括红外检测器件。
红外检测器件可包括有选择地透射具有8-12μm波长的红外光的滤光器单元。
红外检测器件可包括微型热辐射仪。
根据本发明的另一方面，提供了一种MEMS传感器封装方法，包括：去除绝缘层的预定部分以露出其上形成ROIC电路的第一晶片上的电极盘；在电极盘被露出的预定部分形成盘焊料并沿MEMS传感器周围形成环型连结焊料；在其上形成盘焊料和连结焊料的第一晶片上形成吸气剂；并将其上形成有MEMS传感器的第二晶片连结到其上形成有吸气剂的第一晶片上。
连结焊料和盘焊料是由金属材料形成的。
连结焊料和盘焊料可通过使用物理溅射、热沉积工艺或化学镀工艺中的任意一种来形成。
连结可以是通过热压(TC)键合或共晶键合中的任意一种来连结第一和第二晶片。
吸气剂可由从下组中选取的一种或多种材料构成：Ba,Ca,Mg,Ti,V,Zr,Nb,Mo,Ta,Th和Ce，或者从下组的金属合金中选取的一种或多种：Ba-Al,Zr-Al,Ag-Ti和Zr-Ni。
第二晶片可包括：衬底上盘型图案的润湿层，该润湿层电连接至MEMS传感器的两个侧电极；以及沿MEMS传感器周围环型图案的润湿层，所述连结焊料相应地连结至环型图案润湿层并且所述盘焊料相应地连结至盘型图案润湿层。
MEMS传感器可通过盘焊料电连接至ROIC。
有益效果
如前所述，根据本公开的示例性实施例，在对其上形成有ROIC电路的晶片和其上形成有MEMS传感器的晶片进行连结和封装时，通过在内部形成盘焊料以电连接读出集成电路(ROIC)和MEMS传感器，封装件的尺寸可减小并可稳定地提供电信号。
附图描述
本发明前述和其它的方面、特征和其它优势结合附图从下面的详细描述中可以更清楚地理解，在附图中：
图1示意地示出根据本发明示例性实施例的微机电系统(MEMS)传感器封装结构；
图2是根据本发明示例性实施例示出其中形成MEMS传感器封装的连结焊料和盘焊料的结构的平面图；以及
图3-图6是根据本发明一示例性实施例的MEMS传感器封装方法的工艺流程图。
最佳模式
以下将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。然而，在后面的描述中，公知的功能或构造的详细描述将被省略，因为它们不必要地使本发明变得晦涩。
另外，每张图中提供的相同或相似的附图标记表示相同或相似的组件。
在描述中，如果某些部分被描述为连接至其它部分，它们不仅直接连接至其它部分，而且可借助任何其它设备连接至其它部分。除非另有定义，否则将进一步理解本文中使用的术语“包括”和/或“包含”规定了声称的特征或组件的存在，但不排出一个或多个其它特征或组件的存在或附加。
下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。
图1示意地示出根据本发明实施例的微机电系统(MEMS)传感器封装结构。图2是示出根据本发明实施例其中形成MEMS传感器封装的连结焊料和盘焊料的结构的平面图。如图1和图2所示，根据本发明实施例的MEMS传感器封装包括：第一晶片100，其上形成有读出集成电路(ROIC)；对应于第一晶片100设置的第二晶片200，其一侧上具有凹部并在凹部中制备有MEMS传感器210，沿MEMS传感器210周围形成的连结焊料140以使MEMS传感器210通过连结第一和第二晶片100、200而被密封；以及盘焊料150，第一晶片100的ROIC电路和第二晶片200的MEMS传感器通过该盘焊料150被电连接。
第一晶片包括：衬底；形成在衬底上的ROIC电路的电极盘120a、120b；形成以露出电极盘120a、120b的绝缘层110；填充穿透衬底的通孔的填充物金属130a、130b，用以电连接至电极盘120a、120b；以及形成在绝缘层110上的吸气剂160。
衬底包括用于驱动MEMS传感器210的ROIC以及向外侧或从外侧传递或接收某一电信号的电极盘120a、120b。
绝缘层110是防止衬底受到接下来的工艺的损坏或防止与器件的短路发生的保护层，并由SiO2或SiNx等形成。
在衬底上穿透通孔之后，通过将每个通孔填充以金属而形成填充物金属130a、130b。这里，在填充通孔时，可使用Sn,Cu,Sn/Bi,Sn/In,Au/Sn和Sn/Ag/Cu中的任何一种金属。这里，由于填充通孔的填充物金属，可在衬底之外接收或输出电信号。
吸气剂160形成在绝缘层110形成在衬底上的预定区域。详细地说，吸气剂表示吸收残留在真空装置中的气体或与该气体形成化合物的材料。这里，作为形成吸气剂的材料，使用与湿气和氧具有强反应、具有低熔点并易于蒸发的金属。金属的吸收性允许渗入器件的湿气或气体被去除。这种材料包括从下组中选取的一种或多种：Ba,Ca,Mg,Ti,V,Zr,Nb,Mo,Ta,Th和Ce，或者从下组的金属合金中选取的一个或多个：Ba-Al,Zr-Al,Ag-Ti和Zr-Ni。
第二晶片200包括：衬底，在其中通过在一侧上形成凹部240而制备一空间；润湿层220a、220b、230a和230b，它们在衬底上以预定图案形成；以及MEMS传感器210，其与一位置具有预定间隔地独立设置，所述位置对应于形成凹部的位置。
在衬底的一侧形成有凹部240，用以将MEMS传感器210安装在其上。这里，MEMS传感器210不被安装在凹部240内，但以具有空间的悬浮方式安装。
润湿层220a、220b、230a和230b通过诸如溅射或金属有机化学气相沉积(MOCVD)的工艺由导电金属材料以预定图案形成。即，润湿层220a、220b、230a和230b形成拟连接至MEMS传感器210两侧电极的盘型图案220a、220b，并形成沿MEMS传感器210周围的环型图案230a、230b。
MEMS传感器210被连接至润湿层220a、220b、230a和230b的每个盘，并在凹部240的空间内被制备成悬浮的。这里，MEMS传感器210可被制备成多种类型，例如隔膜结构或梳状结构。
另外，MEMS传感器210包括红外检测器件，并在利用该红外检测器件的情形下，滤光器单元有选择地透射具有8-12μm波长的红外射线。这里，红外检测器件可包括微型热辐射仪。
连结焊料140a、140b使用键合部件，该键合部件连结和密封第一和第二晶片100、200，并被形成为密封MEMS传感器210以保护MEMS传感器210免受外侧影响。
盘焊料150a、150b电连接MEMS传感器210和ROIC，并允许电信号被稳定地接收和输出。也就是说，在MEMS传感器封装件尺寸减小的同时可增加MEMS传感器封装的气密性，并通过连接电信号而无需外部引线键合工艺，可简化其制造工艺。
详细地说，包括连结焊料140a、140b以及盘焊料150a、150b的可焊层可通过物理溅射、热沉积工艺或化学镀工艺来形成。如果需要，可焊层可以沉积凸块下金属层(UBM)(即粘合层和可焊层)并随后形成导电键合材料的机制形成。用作连结层的可焊层可包括纯金属，例如铟(In)、锡(Sn)，或基于铟、基于锡、基于铋或基于铅(Pb)的合金。当可焊层被用作键合层时，键合层具有低温下的连结特性并允许金属盖连结至载体衬底，并在高温下具有熔合特性并允许载体衬底被拆卸。
此外，根据本发明实施例描述了MEMS传感器封装方法。
图3-图6是根据本发明实施例的MEMS传感器封装方法的工艺流程图。
首先，如图3所示，执行去除预定部分的绝缘层110，以使其上形成ROIC电路的第一晶片100的电极盘120a、120b露出。
详细地说，第一晶片100包括：衬底；形成在衬底上的ROIC电路的电极盘120a、120b；形成在电极盘120a、120b上的绝缘层110；填充贯穿衬底的通孔并电连接至电焊盘120a、120b的填充物金属130a、130b；以及形成在绝缘层110上的吸气剂160。绝缘层110是防止衬底受到接下来的工艺的损坏或防止与器件的短路发生的保护层，并由SiO2或SiNx等形成。
这里，绝缘层110通过蚀刻工艺被移除以露出电极盘120a、120b，并且焊料150形成在电极盘120a、120b上。
另一方面，形成ROIC电路的第一晶片工艺可采用典型工艺，并且其详细描述被省去。
如图4所示，形成环型连结焊料140是沿对应于盘焊料150和使电极盘120a、120b露出的预定部分上的MEMS传感器210周围的位置执行的。
详细地说，包括连结焊料140a、140b以及盘焊料150a、150b的可焊层可通过物理溅射、热沉积工艺或化学镀工艺来形成。如果需要，可焊层可以沉积UBM(即粘合层和可焊层)并随后形成导电键合材料的机制形成。用作连结层的可焊层可包括纯金属，例如铟(In)、锡(Sn)，或基于铟、基于锡、基于铋或基于铅(Pb)的合金。当可焊层被用作键合层时，键合层具有低温下的连结特性并允许金属盖连结至载体衬底，并在高温下具有熔合特性并允许载体衬底被拆卸。
即，连结焊料140a、140b使用键合部件，该键合部件连结和密封第一和第二晶片100、200，并被形成为密封MEMS传感器210以保护MEMS传感器210免受外侧影响。
另外，盘焊料150a、150b电连接MEMS传感器210和ROIC电路，并允许电信号被稳定地接收和输出。也就是说，MEMS传感器封装的封装件尺寸可减小，并通过连接电信号而无需外部引线键合工艺，可简化其制造工艺。
如图5所示，在第一晶片100上形成吸气剂160，所述第一晶片100上形成有盘焊料150a、150b以及连结焊料140a、140b。
这里，作为形成吸气剂的材料，使用与湿气和氧具有强反应、具有低熔点并易于蒸发的金属。金属的吸收性允许渗入器件的湿气或气体被去除。这种材料可包括从下组中选取的一种或多种：Ba,Ca,Mg,Ti,V,Zr,Nb,Mo,Ta,Th和Ce，或者从下组的金属合金中选取的一个或多个：Ba-Al,Zr-Al,Ag-Ti和Zr-Ni。
如图6所示，对其上形成MEMS传感器210的第二晶片200的连结是在其上形成吸气剂160的第一晶片100上执行的。
详细地说，连结方法允许使用热压(TC)键合方法或共晶键合方法来连结第一晶片100和第二晶片200。
这里，形成在第一晶片100上的盘焊料150a、150b和连结焊料140a、140b与形成在第二晶片200上的润湿层220a、220b、230a和230b连结。即，润湿层220a、220b、230a和230b以焊盘型图案形成以连接至MEMS传感器210的两个电极，并沿MEMS传感器210周围形成环型图案。连结焊料140a、140b对应地连结至环型图案润湿层230a、230b，而盘焊料150a、150b对应地连结至盘型图案润湿层220a、220b。
因此，MEMS传感器210通过盘焊料150a、150b电连接至ROIC，并且电信号可被稳定地接收和输出。即，在MEMS传感器封装件尺寸减小的同时可增加MEMS传感器封装的气密性，并通过连接电信号而无需外部引线键合工艺，可简化其制造工艺。
尽管已结合示例性实施例示出和描述了本发明，但本领域内技术人员清楚知道可做出多种修正和变型而不脱离本发明如所附权利要求书定义的精神和范围。
工业适用性
根据本发明的实施例，当连结和封装其上形成有ROIC的晶片和其上形成有MEMS传感器的晶片时，通过在内部形成将ROIC和MEMS传感器电连接的盘焊料，可减小封装件的尺寸并可稳定地提供电信号。

Claims (16)

1.一种微机电系统(MEMS)传感器封装，包括：
第一晶片，其上形成有读出集成电路(ROIC)；
第二晶片，其对应于所述第一晶片设置并在其一侧上具有凹部以及在所述凹部上制备的MEMS传感器；
连结焊料，其沿MEMS传感器周围形成并通过连结所述第一和第二晶片而密封所述MEMS传感器；以及
盘焊料，其形成为电连接所述第一晶片的ROIC电路和所述第二晶片的MEMS传感器。
2.如权利要求1所述的MEMS传感器封装，其特征在于，所述第一晶片包括：
衬底；
形成在所述衬底上的ROIC电路的电极盘；
形成以露出所述电极盘的绝缘层；
填充穿透所述衬底的通孔并电连接至所述电极盘的填充物金属；以及
形成在所述绝缘层上的吸气剂。
3.如权利要求2所述的MEMS传感器封装，其特征在于，所述吸气剂包括从下组中选取的一种或多种：Ba,Ca,Mg,Ti,V,Zr,Nb,Mo,Ta,Th和Ce，或者从下组的金属合金中选取的一种或多种：Ba-Al,Zr-Al,Ag-Ti,和Zr-Ni。
4.如权利要求1所述的MEMS传感器封装，其特征在于，所述第二晶片包括：
具有通过形成在其一侧上的凹部形成的空间的衬底；
在所述衬底上以预定图案形成的润湿层；以及
MEMS传感器，其连接至所述润湿层并与一位置具有预定间隔地独立设置，所述位置对应于形成所述凹部的位置。
5.如权利要求4所述的MEMS传感器封装，其特征在于，所述润湿层形成为拟连接至所述MEMS传感器的两个电极的盘图案，并形成为沿所述MEMS传感器周围的环型图案。
6.如权利要求4所述的MEMS传感器封装，其特征在于，所述MEMS传感器被制备成隔膜结构或梳状结构。
7.如权利要求4所述的MEMS传感器封装，其特征在于，所述MEMS传感器包括红外检测器件。
8.如权利要求7所述的MEMS传感器封装，其特征在于，所述红外检测器件包括选择地透射8-12μm的波长的红外光的滤光器单元。
9.如权利要求7所述的MEMS传感器封装，其特征在于，所述红外检测器件包括微型热辐射仪。
10.一种MEMS传感器封装方法，包括：
去除绝缘层的预定部分以使其上形成ROIC电路的第一晶片的电极盘露出；
在所述电极盘被露出的预定部分形成盘焊料并沿MEMS传感器周围形成环型连结焊料；
在其上形成所述盘焊料和所述连结焊料的第一晶片上形成吸气剂；以及
将其上形成MEMS传感器的第二晶片连结到其上形成吸气剂的第一晶片上。
11.如权利要求10所述的MEMS传感器封装方法，其特征在于，所述连结焊料和所述盘焊料由金属材料形成。
12.如权利要求11所述的MEMS传感器封装方法，其特征在于，所述连结焊料和所述盘焊料是通过使用物理溅射、热沉积工艺或化学镀工艺中的任意一种来形成的。
13.如权利要求10所述的MEMS传感器封装方法，其特征在于，所述连结是通过使用热压(TC)键合或共晶键合中的任何一种将所述第一和第二晶片连结。
14.如权利要求10所述的MEMS传感器封装方法，其特征在于，所述吸气剂由包括从下组中选取的一种或多种的材料形成：Ba,Ca,Mg,Ti,V,Zr,Nb,Mo,Ta,Th和Ce，或者从下组的金属合金中选取的一种或多种的材料形成：Ba-Al,Zr-Al,Ag-Ti和Zr-Ni。
15.如权利要求10所述的MEMS传感器封装方法，其特征在于，所述第二晶片包括：衬底上盘型图案的润湿层，所述润湿层电连接至所述MEMS传感器的两个侧电极；以及沿MEMS传感器周围的环型图案的润湿层，所述连结焊料相应地连结至所述环型图案润湿层并且所述盘焊料相应地连结至盘型图案润湿层。
16.如权利要求10所述的MEMS传感器封装方法，其特征在于，所述MEMS传感器通过所述盘焊料电连接至所述ROIC。
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