CN104937951B - 具有集成基板的麦克风封装 - Google Patents

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Abstract

描述了包括集成在封装壳体基底基板上的ASIC的MEMS麦克风封装。还描述了制造该MEMS麦克风封装的方法以及从晶片形式组装阵列中分离单个麦克风封装的方法。

Description

具有集成基板的麦克风封装
相关申请
本申请要求2013年3月14日提交的、名称为“INTEGRATED SILICON SUBSTRATEMICROPHONE PACKAGE”的美国临时专利申请No.61/782569的优先权，其全部内容通过参考引用的方式结合于此。
技术领域
本发明涉及麦克风系统封装以及从晶片形式的封装阵列中提取和分离各封装的单片化方法。
背景技术
一些现有的麦克风封装包括构造为在其内形成空腔的封装壳体。MEMS麦克风组件可以耦接到封装壳体基础层的内表面上。特定应用集成电路(ASIC)或其他控制电路也被安装到基础层的内表面上。该ASIC被配置为通信来自MEMS麦克风组件的电信号，并提供麦克风组件的某些控制功能。该ASIC形成于芯片上，芯片包括安装硬件和接合焊盘，以在ASIC芯片和麦克风封装壳体之间提供电气和物理互连。
当此类型的麦克风封装以阵列形式被制造(即，多个麦克风封装形成为单个原始晶片且切割/分离成单个的封装)，封装的基础层(和ASIC芯片本身)必须具有最小厚度以在组装和从晶片形式分离过程中提供MEMS器件和ASIC芯片的安全物理支撑。此外，封装必须被设计为在麦克风封装之间提供足够的划片街区宽度。
发明内容
在一些实施例中，本发明提供一种ASIC集成为硅基板基础层的部分的MEMS麦克风封装。其结果是，单独的ASIC芯片在制造过程中不需要被安装在封装空腔内部。此外，由于在麦克风的基板基底和单独的ASIC芯片之间不需要接合焊盘和其它互连机构，麦克风封装的布局密度和整体尺寸被降低。相比于使用单独ASIC芯片的裸片嵌入基板的方案，基板厚度也降低，这是因为在层压成二级基板组装期间对于ASIC处理没有最小厚度要求。
在一个实施例中，本发明提供一种MEMS麦克风封装，其包括基底基板层，盖，和位于封装空腔之内的MEMS麦克风组件。基底基板层包括配置为允许声压达到封装空腔内部的MEMS麦克风组件的声学端口开口。特定应用集成电路被形成为基底基板层的集成部分。MEMS麦克风组件被电耦接到基底基板层的特定应用集成电路。
在另一个实施例中，本发明提供了形成多个MEMS麦克风封装的方法。硅基板基础层被提供且硅基板间隔层耦接到基础层。硅基板盖层相反于基础层耦接到间隔层上。间隔层被蚀刻以形成麦克风封装空腔阵列。执行隐形切割(stealth dice)以在MEMS麦克风封装中的每个之间限定穿过间隔层的激光划线。MEMS麦克风组件耦接到基础层，且在间隔层被耦接到基板基底之后形成电气互连，以及在间隔层上执行隐形切割之前或之后都可以完成电气互连。特定应用集成电路被形成为基础层的集成部分。在MEMS麦克风组件耦接到基础层后，基础层的第一部分锯切(saw cut)和盖层的第二部分锯切被执行。部分锯切分别沿着间隔层中的激光划线完全分离基础层和盖层，但不完全分离间隔层。在执行部分锯切后，通过执行带扩张(tape expansion)以沿着激光划线断裂硅基板基础层，MEMS麦克风装置被分离。
在另一个实施例中，本发明提供了一种从MEMS麦克风封装阵列中分离多个MEMS麦克风封装的方法。阵列包括硅基板顶盖层，硅基板基础层，和被蚀刻以限定多个麦克风封装空腔的硅基板间隔层。特定应用集成电路在所述多个麦克风封装空腔的每个中形成在基础层中，并且声学端口开口在麦克风封装空腔的每个中穿过基础层形成。MEMS麦克风组件也在麦克风封装空腔的每个中被耦接到基础层。分离MEMS麦克风封装的方法包括执行间隔层的隐形切割以限定激光划线。在MEMS麦克风组件在每个麦克风封装空腔中被耦接到基础层之前执行隐形切割。在MEMS麦克风组件耦接到基础层之后，基础层的第一部分锯切和盖层的第二部分锯切被执行。部分锯切分别沿着激光划线完全分离基础层和盖层，但不完全分离间隔层。在部分锯蚀刻被执行之后，通过执行带扩张以沿着激光划线断裂硅基板基础层，MEMS麦克风装置被分离。
本发明的其他方面将通过详细说明和附图而变得明显。
附图说明
图1A是根据一实施例的麦克风封装的立体图。
图1B是图1A的麦克风封装从相反侧的另一立体图。
图1C是图1B的麦克风封装移除盖层的立体图。
图1D是图1A麦克风封装的水平剖视图。
图1E是图1A麦克风封装的垂直剖视图。
图2是制造多个图1A麦克风封装的方法的流程图。
图3是图1A麦克风封装阵列的正视图，显示出根据图2方法的分离线。
图4是根据另一实施例麦克风封装的立体图。
具体实施方式
在本发明任一实施例被详细说明之前，应当理解，本发明在其应用方面并不限于下面说明所描述的或下面附图所示的组件结构和配置的细节。本发明能够有其他实施例并且能够以各种方式被实践或被实施。
图1A示出了硅麦克风封装100的第一结构。封装壳体由硅基板基础层101，硅基板间隔层103，和硅基板盖层105形成。如下面的进一步详细说明，间隔层103至少部分是中空的，以在麦克风封装壳体内部形成空腔。围绕着基础层101内的声学端口开口109蚀刻锥形边缘107。相比于纯圆柱形声学端口，锥形边缘107降低了声阻抗。一系列三个电触点111也定位在基础层101的外表面上。如下面的进一步详细说明，这些触点111提供与形成为基础层101集成部分的特定应用集成电路(ASIC)和安装于基础层101内表面的MEMS麦克风组件的电信号通信。
如图1B所示，在此实施例中，没有声学端口开口形成在盖层105内，也没有任何电触点、电路组件或硅通孔形成在盖层105上。然而，在一些替代结构中，ASIC可以集成到盖层105的硅基板，而不是(或还有)基础层101的硅基板。此外，图1A和1B所示的结构是底部开口的麦克风封装。在其他“顶部开口”的麦克风封装中，声学端口开口穿过盖层105而形成，而不是穿过基础层101。
图1C示出了盖层105被移除的麦克风封装100以说明麦克风封装内部组件的布置和配置。如上所述，间隔层103被蚀刻以在麦克风封装100内部形成中空的空腔113。MEMS麦克风组件115被定位在空腔113内并耦接到基础层105。此实施例中的MEMS麦克风组件115包括响应通过声学端口开口109进入的声压而物理移动的隔膜117。麦克风隔膜117的移动引起麦克风组件115电容的变化。电容的这种变化产生可通过电触点111电连通到麦克风封装外部组件的电压信号。
ASIC 119集成到硅基础层101的剩余部分。如图1D的剖视图所示，一个或多个有源电路组件121形成在基础层基板101的包含ASIC 119的部分中。再分布层(RDL)用于基础层基板101的顶部和底部表面，以形成必要的互连结构，如用于MEMS裸片的丝焊/倒装芯片接合焊盘，到有源电路的连接，和用于基础层基板101外表面上的I/O接口的焊盘垫(landpad)。在图1D的例子中，基础层基板101的顶部(内部)表面上还设有一系列电迹线123。在基础层基板的内部和外部表面的这些迹线和电互连是通过使用硅电通孔(TSV)联系在一起。附加的布线层可以通过传统的硅处理技术(包括，例如，诸如聚酰亚胺路由贴剂的粘结材料，超薄硅裸片，再分布层(RDL)或在集成电路制造过程中使用的金属化层)被添加到基础层基板101的顶部和/或底部表面上。这些额外的布线层被用于构建无源装置(例如，电阻器，电容器，电感器等)，或用于信号互连的额外空间。
图1E的剖视图示出MEMS麦克风组件115的机械操作，MEMS麦克风组件115安装到麦克风封装100空腔113内的基础层基板101。在MEMS麦克风组件115和盖层105之间的空腔113内的额外空间允许麦克风隔膜的移动。此外，如上所述，当声压(即，声音)穿过声学端口开口109到达MEMS麦克风组件115时，围绕着声学端口开口109蚀刻的锥形边缘107允许减小的声阻抗。
由于ASIC 119是直接集成为麦克风封装的基础层101的部分，因此没有必要在ASIC和麦克风封装壳体之间设有安装硬件。也没有必要设有电接触片以在封装壳体和单个ASIC芯片之间提供电通信。因此，如图1A-1D所示的麦克风封装100允许有减小的尺寸和/或布局密度。此外，如上所述的麦克风封装提供了新技术用于以晶片形式制造麦克风封装阵列和从晶片阵列中分离单个麦克风封装。
图2示出了一种以晶片形式制造多个麦克风封装的方法。在将用作基础层基底的基板上以阵列形成用于每个麦克风封装的ASIC(步骤201)。声学端口开口也被蚀刻到用于每个麦克风封装的基底基板中(步骤203)。间隔层基板然后被蚀刻以形成用于每个麦克风封装的封装空腔(步骤205)。蚀刻的间隔层基板然后耦接到基础层基板(步骤207)。
然后穿过间隔层执行隐形切割(步骤209)，留下基底基板层完好。激光隐形切割的深度被控制，以使得晶格破坏限于间隔层晶片。从组装的这点来看，基板晶片提供了保持封装在适于组装的阵列格式上所需的机械结构。MEMS裸片然后在麦克风空腔的每个中耦接到基底基板层并且电连接到相应的预先在基底基板层建成的ASIC(步骤211)。盖层基板晶片然后被放置以密封每个单独的麦克风封装空腔(步骤213)。
每个组件以阵列(例如，间隔晶片，MEMS裸片，丝焊，盖晶片)封装后，在封装的顶部和底部表面上执行部分锯切，由此使得盖层和基础层被单片化，仅留下间隔层完好。如图3所示，隐形切割(步骤209)在阵列的每个麦克风封装之间穿过间隔层103限定激光划线301。第一部分锯切(步骤215)沿着和激光划线301相同的形式切割盖层105。第二部分锯切(步骤217)也沿着和激光划线301相同的形式切割基础层101。如图3所示，第一部分锯通路303完全切割穿过盖层105并且部分穿过间隔层103。同样，第二部分锯通路305完全切割穿过基础层101并且部分穿过间隔层103。在完成部分锯切之后，间隔层103的分离通过带扩张(步骤219)沿着之前形成的激光划线断裂封装(即，在步骤209中)实现。
上述实施例提供了底部开口的麦克风封装。然而，如上所述，其他配置是可能的。例如，顶部开口的麦克风封装可以通过类似于图2所示的工艺组装。然而，在顶部开口结构中，图形化的硅晶片用在封装的顶部和底部层(即，基础层101和盖层105)上。一个或多个硅通孔(TSV)穿过间隔层而形成，以使封装的盖层和基础层之间电连接。MEMS装置在一些顶部开口的结构中被安装在盖层的内表面上，而ASIC的部分被形成在盖层和基础层中，这是ASIC所提供的封装设计和麦克风功能的具体细节所要求的。
此外，上述实施例中，麦克风封装通过蚀刻硅层以形成空腔来形成。然而，在其他结构中，独立的盖组件可以被直接安装到基底基板层以形成空腔。一种这样的结构如图4所示。麦克风封装400的基础层401与如上面图1A所示的基础层101大致相同。锥形边缘403围绕着穿过基础层401而形成的声学端口开口405被蚀刻。一系列电触点407提供与集成到基础层401的硅基板上的ASIC的电连通。然而，代替于包括蚀刻的间隔层和硅盖层以在基础层401的内部表面形成空腔，单个的盖组件409耦接到基底基板层401的后部表面以限定空腔。
也像上面所描述的结构，图4的麦克风封装400可以在单个晶片上形成为麦克风封装阵列。然而，由于只有单个层需要被单片化(即，基础层401)，后侧隐形切割可以被执行以从组装阵列中提取单个单元。由于这种类型的切割要求近零宽度的划片街区，通过省去维持在阵列晶片中单个组件之间的间隙(即，划片街区或切割街区)，整体封装尺寸和阵列尺寸可以显著降低。
因此，除其他事项外，本发明提供一种具有ASIC集成到麦克风封装的基底基板的MEMS麦克风器件封装，以及制造这种麦克风封装和从一个组件阵列分离各个麦克风封装的方法。本发明的各种特征和优点阐述在权利要求中。

Claims (6)

1.一种MEMS麦克风封装，包括：
基底基板层，其包括声学端口开口和形成为基底基板层的集成部分的特定应用集成电路；
盖，其耦接到基底基板层，从而在基底基板层和盖之间形成封装空腔；以及
MEMS麦克风组件，其位于封装空腔内且配置为接收穿过基底基板层内的声学端口开口的声压，所述MEMS麦克风电耦接到基底基板层的特定应用集成电路，
其中，所述基底基板层还包括在所述基底基板层的外表面上的、围绕所述声学端口开口的锥形边缘。
2.如权利要求1所述的MEMS麦克风封装，其特征在于，所述MEMS麦克风封装还包括所述基底基板层的外表面上的一个或多个电信号触点，其中，所述一个或多个电信号触点提供与所述特定应用集成电路的电连接。
3.如权利要求1所述的MEMS麦克风封装，其特征在于，所述盖包括耦接到所述基底基板层的形成的盖组件。
4.一种MEMS麦克风封装，包括：
基底基板层，其包括声学端口开口和形成为基底基板层的集成部分的特定应用集成电路；
盖，其耦接到基底基板层，从而在基底基板层和盖之间形成封装空腔；以及
MEMS麦克风组件，其位于封装空腔内且配置为接收穿过基底基板层内的声学端口开口的声压，所述MEMS麦克风电耦接到基底基板层的特定应用集成电路，
其中，所述盖包括顶盖基板层和间隔层，其中，所述间隔层至少部分是中空的并且耦接在所述顶盖基板层和所述基底基板层之间，以在所述基底基板层和所述顶盖基板层之间形成密封的封装空腔。
5.如权利要求4所述的MEMS麦克风封装，其特征在于，所述基底基板层、所述间隔层和所述顶盖基板层都由硅-基材料形成。
6.如权利要求4所述的MEMS麦克风封装，其特征在于，所述MEMS麦克风封装还包括所述基底基板层的外表面上的一个或多个电信号触点，其中，所述一个或多个电信号触点提供与所述特定应用集成电路的电连接。
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