CN104030233B - 顶部端口微机电系统腔体封装 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造包封微机电系统（MEMS）设备的封装的方法提供具有盖（13）和侧壁（15）的覆盖物（12），端口（16）通过盖（13）延伸。第一底座部件（14）结合到侧壁（15），从而限定内腔体。该第一底座部件（14）进一步包括通过其延伸的孔隙（38）。MEMS设备（18）通过孔隙插入并且结合到盖（13），该MEMS设备（18）至少部分地与端口（16）重叠。组装通过将第二底座部件（32）结合到第一底座部件（14）以便密封孔隙（38）而完成。

Description

顶部端口微机电系统腔体封装
技术领域
公开了一种容纳微机电系统设备的封装，更特别地，公开了一种用于制造顶部端口封装的方法以及这样制造的封装。
背景技术
一种微机电系统（MEMS）设备是一种用于个人电子设备（PED）的麦克风芯片中使用的声换能器。这些设备包括但不限于蜂窝电话、膝上型计算机、平板计算机和诸如IPad（苹果公司，库比谛诺，加利福尼亚）之类的移动数字设备。Loeppert等人的题为“MiniatureSilicon Condenser Microphone”的美国专利No.5,870,482中公开了一种声换能器。该声换能器被公开为具有带有氮化硅膜片（diaphragm）的框架，该膜片结合到框架的一侧并且悬臂式地延伸到另一侧上方。框架与膜片之间的间隙形成可变空气间隙电容器。声学（声）波对膜片的偏转改变间隙间距，从而创建可测量的电容变化。
对于容纳MEMS设备的封装的需求是迫切的。该设备必须免受污垢、灰尘和机械损坏。需要电互连以在该设备与PED的其他电部件之间传输电信号。膜片的偏转违背固定的空气量，需要邻近设备一侧的气密腔体。此外，随着蜂窝电话和其他电气设备变得更小和重量更轻，容纳MEMS设备的封装必须促成那些目标。同样地，对产品的成本约束要求所述封装廉价且优选地组装不过于复杂。
Bolognia等人的题为“Reversible Top/Bottom MEMS Package”的美国专利No.8,030,722以及公布的Wu等人的题为“MEMS Microphone Package”的美国专利申请出版物No.2011/0075875中公开了用于容纳MEMS设备的代表性封装。
美国8,030,722公开了一种用于MEMS设备的封装，其具有由印刷电路板材料形成的覆盖物和底座。传导侧壁将底座和覆盖物电互连。MEMS设备安装到底座或者覆盖物，并且从MEMS设备延伸的丝焊接触覆盖物和底座二者上的电路迹线；将MEMS设备与这二者电互连。
美国2011/0075875公开了一种具有安装到封装覆盖物的MEMS设备的MEMS封装。该MEMS设备与电路迹线电互连，这些电路迹线从覆盖物延伸到传导侧壁到底座中形成的电路迹线。诸如放大器或噪声滤波器之类的集成电路设备与底座中形成的电路迹线电互连。
顶部和底部端口封装主要由于终端应用的机械要求而存在。顶部端口封装经常是优选的，因为底部端口封装在麦克风所安装的应用PCB中需要相应的孔。然而，如果膜（membrane）后面的空气的比率大于其前面的比率，那么封装尤其是关于信噪比具有改进的技术性能（后面的空气量大于前面的空气量）。利用其中MEMS管芯直接连接到封装衬底的底部端口封装，容易通过将MEMS管芯安装到声音端口上方而获得这种改进的后面的量与前面的量的比率。对于许多应用在机械上需要的顶部端口封装而言，不可能利用标准封装以获得改进的机械技术性能的方式安装MEMS管芯。
有时，希望的是将MEMS设备安装到包封该设备的封装的覆盖物。然而，像在上面引用的公开中那样在覆盖物和导电侧壁中形成电路迹线以便与MEMS设备来回传输电信号，导致需要精确对准的复杂封装，这与简化这种封装并且降低这种封装的成本的目标相反。存在对于鲁棒的封装的需求，该封装允许将MEMS设备安装到该封装的覆盖物部件，没有复杂组装和高成本的缺点。
发明内容
本文公开了一种制造包封微机电系统（MEMS）设备的封装的方法。该方法包括步骤：（1）提供具有盖和侧壁的覆盖物，端口通过盖延伸。（2）将第一底座部件结合到侧壁，从而限定具有由盖、侧壁和第一底座部件形成的表面的内腔体。该第一底座部件进一步具有通过其延伸的孔隙。（3）通过孔隙插入MEMS设备并且将MEMS设备结合到盖，该MEMS设备至少部分地与端口重叠。（4）以及将第二底座部件结合到第一底座部件以便密封孔隙。
本文也公开了制造包封MEMS设备的封装面板的方法。该方法包括步骤：（1）提供具有第一底座部件矩阵的面板。每个第一底座部件具有通过其延伸的孔隙。（2）提供用于矩阵的每个第一底座部件构件的覆盖物。每个覆盖物具有盖和侧壁，端口通过盖延伸。（3）将第一底座部件结合到侧壁，从而限定具有由盖、侧壁和第一底座部件形成的表面的内腔体。（4）通过每个孔隙插入MEMS设备并且将该MEMS设备结合到盖，该MEMS设备至少部分地与端口重叠。（5）将第二底座部件结合到每个第一底座部件以便密封孔隙。（6）以及切分第一面板以便形成多个封装。
还公开了这样产生的封装，这些封装包括具有盖和侧壁的覆盖物，端口通过盖延伸。MEMS设备结合到盖且与设置在第一底座部件的表面上的导电特性物电互连。第二底座部件结合到第一底座部件，跨越所述孔隙。
附图说明
附图和下面的描述中阐明了本发明的一个或多个实施例的细节。本发明的其他特征、目的和优点根据说明书和附图以及根据权利要求书将是清楚明白的。
图1为依照第一实施例的顶部端口MEMS腔体封装的制造中的第一中间组件。
图2为依照第一实施例的顶部端口MEMS腔体封装的制造中的第二中间组件。
图3为依照第一实施例的顶部端口MEMS腔体封装的制造中的第三中间组件。
图4为依照第一实施例制造的顶部端口MEMS腔体封装。
图5为用在多个顶部端口MEMS腔体封装的制造中的第一底座部件面板的透视图。
图6为依照第二实施例的顶部端口MEMS腔体封装的制造中的第一中间组件。
图7为依照第二实施例的顶部端口MEMS腔体封装的制造中的第二中间组件。
图8为依照第二实施例的顶部端口MEMS腔体封装的制造中的第三中间组件。
图9为依照第二实施例制造的顶部端口MEMS腔体封装。
图10图示出用于本文公开的封装的可替换衬底。
图11为依照第三实施例的顶部端口MEMS腔体封装的制造中的第一中间组件。
图12为依照第三实施例的顶部端口MEMS腔体封装的制造中的第二中间组件。
图13为依照第三实施例的顶部端口MEMS腔体封装的制造中的第三中间组件。
图14为依照第三实施例制造的顶部端口MEMS腔体封装。
图15为用于本文公开的封装的覆盖物的底部透视图。
图16为用于本文公开的封装的中间组件的底部透视图。
图17为组装的封装的底部透视图。
图18为组装的封装的顶部透视图。
图19为依照第一实施例制造的可替换顶部端口MEMS腔体封装。
图20(A)-(B)为具有以倒装芯片方式附接于其中的电路设备的实施例封装的示意性侧视图。
图21(A)-(B)为具有嵌入的电路设备的实施例封装的示意性侧视图。
图22(A)-(B)为具有附接于其中的无源部件的实施例封装的示意性侧视图。
图23(A)-(B)为具有嵌入的无源部件的实施例封装的示意性侧视图。
图24(A)-(B)为其中以倒装芯片方式附接MEMS设备的实施例封装的示意性侧视图。
图25(A)-(B)为其中以倒装芯片方式附接MEMS设备并且存在嵌入的电路设备的实施例封装的示意性侧视图。
图26(A)-(B)为其中以倒装芯片方式附接MEMS设备并且存在附接的无源部件的实施例封装的示意性侧视图。
图27(A)-(B)为其中以倒装芯片方式附接MEMS设备并且存在嵌入的无源部件的实施例封装的示意性侧视图。
具体实施方式
图1-4以截面表示图示出用于制造顶部端口MEMS腔体封装（图4中的附图标记100）的第一组装工艺。在图1中，第一中间组件10包括覆盖物12和第一底座部件14。虽然“覆盖物”和“顶部”可交互地使用，但是应当认识到，封装可以翻过来并且覆盖物为底部。这样，措词覆盖物应当广泛地解释为封装的非衬底侧。
覆盖物12具有盖13和侧壁15。端口16通过盖13延伸并且尺寸确定为允许声波与MEMS设备（图2中的附图标记18）相互作用。端口16可以是开放腔体或者利用纤维材料或聚合物薄膜密封以便保护MEMS设备。覆盖物12由诸如金属、陶瓷、液晶聚合物或者其他模制聚合物之类的任何适当材料形成。第一底座部件14形成衬底（图4中的附图标记20）的部分。第一底座部件14由典型地在印刷电路板制造中使用的电介质（例如FR-R或陶瓷）形成。丝焊附接部位22和传导电路迹线24在第一底座部件上和第一底座部件中形成。金属化焊垫26可以在第一底座部件14的外表面28上形成以便促进与第二底座部件32（图4）中形成的导电通孔30电互连。
覆盖物12的侧壁15利用粘合剂34或者其他密封剂结合到第一底座部件14，从而限定具有由盖13、侧壁15和第一底座部件14形成的表面的内腔体60。由于覆盖物12中的电路迹线与第一底座部件14中的电路迹线之间的电互连是不必要的，因而粘合剂34不必导电，并且优选地为可以通过诸如印刷、分配或者浸渍之类的任何适当工艺施加的诸如环氧树脂之类的电介质材料。此外，无需精确对准覆盖物12和第一底座部件14以便对准电路迹线。
参照图2，例如US5,870,482中描述的MEMS设备18经由通过孔隙38插入而附接到覆盖物12的内表面36，所述孔隙通过第一底座部件14延伸。孔隙38足够大以便使得MEMS设备18能够以足够的精度通过其插入，以便在端口16上方将MEMS设备调整为至少部分地与端口重叠。精确的插入可以使用标准的生产管芯附接装备，使用用于对准的衬底14上的对准特征和基准点而获得。然后，例如利用粘合剂40将MEMS设备结合到覆盖物12。MEMS设备18与覆盖物12上的电路系统（如果有的话）之间的电互连是不需要的，并且MEMS设备优选地与覆盖物12电隔离。
参照图3，焊线42附接到MEMS设备18上的丝焊部位44。第一底座部件14的外表面28与丝焊部位44之间的距离D大约为从0至500μm，处于标准丝焊机器的能力内。焊线42的相对端结合到丝焊附接部位22。
如图4中所示，顶部端口MEMS腔体封装100通过将第二底座部件32结合到第一底座部件14，密封孔隙38以便对内腔体60形成气密密封并且形成电互连而完成。
图19图示出依照第一实施例制造的一种可替换的顶部端口MEMS腔体封装120。在该可替换方案中，MEMS设备18和粘合剂40的组合高度H大于覆盖物12的侧壁45的长度L。MEMS设备18的部分在第一底座部件14的孔隙38中容纳。焊线42装配在第一底座部件14与第二底座部件32之间的空隙47内。
尽管顶部端口MEMS腔体封装100可以如图1-4所示以单数形式组装，但是封装组装特别地可修改为封装单元阵列的自动组装。图5为具有第一底座部件14矩阵的面板50的透视图，每个矩阵构件具有用在多个顶部端口MEMS腔体封装的制造中的孔隙38。图1-4中所示的组装步骤或者下面描述的其他实施例使用单独的覆盖物或者具有用于结合到第一底座部件矩阵的覆盖物矩阵的第二面板来执行。在插入和丝焊MEMS设备和其他设备部件之后，所述封装单元通过沿着锯切线52切割而切分。可以添加第二底座部件以便创建气密密封和面板形式的电互连，作为切分之前的第三面板，或者作为切分之后的单独的部件。尽管针对十二个封装图示出面板50，但是可以利用例如包含高达1000个封装单元的大得多的矩阵。典型的面板包含从75至100个单元。
图6-9图示出依照第二实施例的组装工艺。如图6中所示，诸如放大器或噪声滤波器之类的集成电路设备54附接到第一底座部件14的表面56并且例如通过丝焊58与第一底座部件14的诸如表面56上的传导迹线之类的导电特性物电互连，并且也与MEMS设备电互连。
参照图7，接着例如利用粘合剂34将覆盖物12结合到第一底座部件14。接下来，如图8中所示，将MEMS设备18结合到覆盖物12的内表面36，形成围绕端口16的气密密封。焊线42将MEMS设备18与丝焊附接部位22电互连。然后，如图9中所示，封装通过结合第二底座部件32而完成。
这里公开的每个MEMS封装具有内腔体60，该内腔体在MEMS设备18的膜62通过声波而移位时经历体积和压力的变化。该内腔体60的体积可以例如通过如图10中所示添加在第二底座部件32中形成的盲腔体64而变化，从而改变封装的灵敏度。该盲腔体64与内腔体60对准以便与其流体连通。MEMS设备18的附接需要完全围绕MEMS设备的底座的密封，使得不存在声波行进的泄漏或替换路线。
图11-14图示出依照第二实施例的组装工艺。如图11中所示，第一底座部件14中的孔隙38被放大以便促进插入集成电路设备54和MEMS设备18二者（图12）。参照图13，丝焊58接着将集成电路设备54和MEMS设备18电互连。丝焊42将这些设备54、18与第一底座部件14上的丝焊附接部位22电互连。接着，第二底座部件32密封封装，形成内腔体60。在这里的任何实施例中，次级腔体64可以延伸到金属化焊垫26上方以便容纳焊线42。
图15为图示出端口16的覆盖物12的内部的透视图。图16为中间组件的透视图，示出从集成电路设备54延伸到第一底座部件14上的传导电路迹线（不可见）的丝焊42。传导电路迹线终止于金属化焊垫26处。图17图示出具有导电通孔30的完成的封装，这些通孔延伸到第二底座部件32的外表面以便提供封闭的设备与外部电路系统和设备之间的电互连。图18为组装的封装的顶部透视图。
图20(A)-(B)图示出一个实施例封装2001，其在许多方面类似于上面描述的某些其他的实施例。电路设备2002以倒装芯片方式连接到第一底座部件14。连接器2003将电路设备2002电连接到连接点2004。连接器2003可以是任何适当的材料，例如焊料或者金。连接点2004可以为金属化垫。应当理解的是，倒装芯片连接方法对于本申请所属领域的技术人员而言是已知的。当第一底座部件14和侧壁15结合时，电路设备2002设置在封装2001的内腔体内。在如本申请所公开的封装的产生中，电路设备2002可以在结合侧壁15和第一底座部件14之前以倒装芯片方式附接到第一底座部件14。图20B图示出可替换覆盖物2005的使用。
图21(A)-(B)图示出实施例封装2101。第二底座部件2102将电路设备2103嵌入其中。焊线2104将电路设备2103电连接到焊线附接部位2105。图21B图示出可替换覆盖物2106的使用。在如本申请所公开的封装的产生中，可以在组装封装2101之前嵌入电路设备2103。
图22(A)-(B)图示出实施例封装2201。无源部件2202附接到第一底座部件14。无源部件2202以这样的方式附接，使得它在第一底座部件14和侧壁15结合时设置在封装的内腔体内。在如本申请所公开的封装的产生中，电路设备2202可以在结合侧壁15和第一底座部件14之前附接到第一底座部件14。图22B图示出可替换覆盖物2203的使用。
图23(A)-(B)图示出实施例封装2301。第二底座部件2302将无源部件2303嵌入其中。图23B图示出可替换覆盖物2304的使用。在如本申请所公开的封装的产生中，可以在组装封装之前嵌入无源部件2303。
图24(A)-(B)图示出实施例封装2401。MEMS设备18以倒装芯片方式附接到第二底座部件32。连接器2402分别电连接第一和第二连接点2403，因而将MEMS设备18电连接到第一连接点2403。封装2401可以部分地通过在将第二底座部件32结合到第一底座部件14的步骤期间以倒装芯片方式将MEMS设备18电连接到第二底座部件32而产生。图24B图示出可替换覆盖物2405的使用。
图25(A)-(B)图示出实施例封装2501。MEMS设备18以倒装芯片方式附接到第二底座部件2502。电路设备2503嵌入到第二底座部件2502中。焊线2504将电路设备2503电连接到焊线连接部位2505。在如本申请所公开的封装的产生中，可以在组装封装之前嵌入电路设备2503。图25B图示出可替换覆盖物2506的使用。
图26(A)-(B)图示出实施例封装2601。MEMS设备18以倒装芯片方式附接到第二底座部件32。无源部件2602附接到第一底座部件14。无源部件2602以这样的方式附接，使得它在第一底座部件14和侧壁15结合时设置在封装的内腔体内。在如本申请所公开的封装的产生中，无源部件2602可以在结合侧壁15和第一底座部件14之前附接到第一底座部件14。图26B图示出可替换覆盖物2603的使用。
图27(A)-(B)图示出实施例封装2701。MEMS设备18以倒装芯片方式附接到第二底座部件2702。第二底座部件2702将无源部件2703嵌入其中。图27B图示出可替换覆盖物2704的使用。在如本申请所公开的封装的产生中，可以在组装封装之前嵌入无源部件2703。

Claims (16)

1.一种用于制造包封微机电系统(MEMS)设备的封装的方法，包括步骤：
提供具有盖(13)和侧壁(15)的覆盖物(12)，端口(16)通过所述盖(13)延伸；
将第一底座部件(14)结合到所述侧壁(15)，从而限定具有由所述盖(13)、所述侧壁(15)和所述第一底座部件(14)形成的表面的内腔体，所述第一底座部件(14)具有通过其延伸的孔隙(38)；
通过所述孔隙(38)插入所述微机电系统设备(18)并且将所述微机电系统设备(18)结合到所述盖(13)，所述微机电系统设备(18)至少部分地与所述端口(16)重叠；以及
将第二底座部件(32)结合到所述第一底座部件(14)以便密封所述孔隙(38)。
2.一种用于制造多个封装的方法，每个封装包封微机电系统(MEMS)设备，该方法包括步骤：
提供具有第一底座部件(14)矩阵的面板(50)，每个所述第一底座部件(14)具有通过其延伸的孔隙(38)；
提供用于所述矩阵的每个第一底座部件构件(14)的覆盖物(12)，所述覆盖物(12)具有盖(13)和侧壁(15)，端口(16)通过所述盖(13)延伸；
将第一底座部件(14)结合到所述侧壁(15)，从而限定具有由所述盖(13)、所述侧壁(15)和所述第一底座部件(14)形成的表面的内腔体；
通过每个所述孔隙(38)插入所述微机电系统设备(18)之一并且将所述微机电系统设备(18)结合到所述盖(13)，所述微机电系统设备(18)至少部分地与所述端口(16)重叠；
将第二底座部件(32)结合到每个所述第一底座部件(14)以便密封所述孔隙(38)；以及
切分所述面板(50)以便形成所述多个封装。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一底座部件(14)具有以倒装芯片方式与其附接的电路设备(2002)，使得当所述第一底座部件(14)和所述侧壁(15)结合时，该电路设备(2002)设置在所述内腔体内。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第二底座部件(2102)将电路设备(2013)嵌入其中。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一底座部件(14)具有与其附接的无源部件(2202)，使得当所述第一底座部件(14)和所述侧壁(15)结合时，该无源部件(2202)设置在所述内腔体内。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第二底座部件(2302)将无源部件(2303)嵌入其中。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中将所述第二底座部件(32)结合到所述第一底座部件(14)的步骤包括以倒装芯片方式将所述微机电系统设备(18)电连接到所述第二底座部件(32)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中将电路设备(2503)嵌入到所述第二底座部件(2502)中。
9.根据权利要求7所述的方法，其中将无源部件(2703)嵌入到所述第二底座部件(2702)中。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一底座部件(14)具有与其附接的无源部件(2602)，使得当所述第一底座部件(14)和所述侧壁(15)结合时，该无源部件(2602)设置在所述内腔体内。
11.一种用于容纳微机电系统(MEMS)设备的封装，包括：
覆盖物(12)，其具有盖(13)和侧壁(15)，端口(16)通过盖(13)延伸；
第一底座部件(14)，其具有通过其延伸的孔隙(38)并且结合到所述侧壁(15)，从而限定具有由所述盖(13)、所述侧壁(15)和所述第一底座部件(14)形成的表面的内腔体；
微机电系统设备(18)，其结合到所述盖(13)且与设置在所述第一底座部件(14)的表面上的导电特性物电互连；以及
第二底座部件(32)，其结合到所述第一底座部件(14)，跨越所述孔隙(38)。
12.根据权利要求11所述的封装，其中电路设备(2002)设置在所述封装内并且以倒装芯片方式附接到所述第一底座部件(14)。
13.一种用于容纳微机电系统(MEMS)设备的封装，包括：
覆盖物(12)，其具有盖(13)和侧壁(15)，端口(16)通过盖延伸；
第一底座部件(14)，其具有通过其延伸的孔隙(38)并且结合到所述侧壁(15)，从而限定具有由所述盖(13)、所述侧壁(15)和所述第一底座部件(14)形成的表面的内腔体；
第二底座部件(32)，其结合到所述第一底座部件(14)，跨越所述孔隙(38)；
微机电系统设备(18)，其结合到所述盖(13)并且以倒装芯片方式与所述第二底座部件(32)电互连。
14.根据权利要求11或13所述的封装，其中电路设备(2503)嵌入到所述第二底座部件(2502)内。
15.根据权利要求11或13所述的封装，其中无源部件(2602)设置在所述封装内并且附接到所述第一底座部件(14)。
16.根据权利要求11或13所述的封装，其中无源部件(2703)嵌入到所述第二底座部件(2702)内。
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