CN106458575A - 包含微机电系统声敏感测器和环境感测器的集成封装件及其制造方法 - Google Patents

包含微机电系统声敏感测器和环境感测器的集成封装件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本文披露一种包括至少一环境感测器以及至少一MEMS声敏感测器的集成封装件。该封装件包含一分享端口，用于将该两个感测器暴露于该环境中，其中，该环境感测器测量该环境的特性，该声敏感测器测量声波。该端口将该环境感测器暴露于气流以及将该声敏感测器暴露于声波。该声敏感测器的一个实施例为一麦克风，该环境感测器的一个实施例为湿度感测器。

Description

包含微机电系统声敏感测器和环境感测器的集成封装件及其 制造方法
相关申请案的交互参照
本申请主张于2014年5月9日提交的美国专利申请号为14/273,845，名称为“包含微机电系统声敏感测器和环境感测器的集成封装件及其制造方法”的优先权，该专利申请在此全部引用作为参考。
技术领域
本主题披露的实施例通常涉及声敏以及环境感测器，尤指这些感测器的集成封装件。
背景技术
消费者电子产品的组件设备的集成化有利于减低形状因素(form factor)。集成化因为可将多个设备变成一个集成系统的一部分，而往往可以减小尺寸。集成系统其本身在尺寸上也可随着时间的推移而逐步地减小。将多个设备集成到一个系统是复杂的，并在每一个设备是一个不同的类型并具有不同的制造要求的形况下更为复杂。
例如，声敏感测器(如麦克风)是利用在环境感测器的应用中(例如湿度及/或温度感测器)。目前，湿度及/或温度感测器，在当作为同一产品(如麦克风)的一部分时，为独立于该麦克风的封装。换句话说，感测器的类型是作为独立元件位于同一产品内。除了制造更为复杂之外，这也将导致成本的增加，因为每一个元件必须单独地组装到产品的主机电路板上。一个包括多个感测器的单个封装件将大大简化制造、降低成本，并减少整体电路板的面积。此外，如果感测器可以随着一专用集成电路(ASIC)集成在同一封装件内，可实现进一步降低成本以及减小尺寸。
然而，对于整合上述的感测器的努力会受到一些挑战所阻碍。一种挑战是将麦克风(声敏感测器的一部分)粘合到一专用集成电路(ASIC)。用于这种粘合的温度通常是约430摄氏度及更高。环境感测材料，如聚合物，是不太可能在这样的环境下生存的。另一个挑战发生在释放蚀刻时期，在声敏感测器的制造期间使用的一个制程，如果不是在所有情况下则在大多数情况下，当聚合物在经历不利影响时而使其造成缺陷。这样的缺点阻止了声敏感测器与环境感测器集成在相同的IC基板及/或封装基板上。
希望能有一种集成封装件以及制造一种集成封装件的方法，可同时包含声敏及环境感测器以及用于处理这些感测器所产生的数据的ASIC。
发明内容
本主题披露的一个实施例包括封装设备，其包括至少一环境感测器、至少一声敏感测器以及连接该设备至该环境的至少一端口，其中，该至少一环境感测器测量该环境的特性，该至少一声敏感测器测量声波。该端口将该环境感测器以及该声敏感测器暴露于该环境中。声敏感测器的一个实施例为麦克风，而环境感测器的一个实施例为湿度感测器。
若需进一步了解本发明所公开的特定实施例的性质及优点，可参考说明书的其余部分以及所附的图示来实现。
附图说明
图1示出了一集成封装件的实施例，其中，该声敏感测器以及该环境感测器与该端口对齐。
图2示出了一集成封装件的实施例，其中，该环境感测器位于该声敏感测器的后腔中。
图3示出了一集成封装件的实施例，其中，该声敏感测器与该环境感测器位于一ASIC的顶部上并接附至该ASIC。
图4示出了一集成封装件的实施例，其中，该声敏感测器与该环境感测器附接至不同的ASIC。
图5示出了一集成封装件的实施例，其中，该麦克风为焊接至一ASIC。
图6示出了一集成封装件的实施例，其中，该端口位于该封装件的盖体(或盖子)中。
图7示出了一集成封装件的实施例，其中，该麦克风接附至该盖体并与位于该封装件的盖体中的该端口对齐。
图8示出了环境感测器的一实施例。
图9示出了环境感测器的另一实施例。
图10示出了包含一声敏感测器以及一环境感测器的一集成封装件的一示例性应用。
具体实施方式
在所述的实施例中，集成电路(IC)基板可指代一具有电子电路的硅基板，通常为CMOS电路。另外，一CMOS IC基板可包括一ASIC。一个空腔可指代在一基板或一盖体(或盖子)中的一凹槽。一外壳可指代通常环绕该MEMS结构以及通常由该IC基板、结构层、MEMS基板以及支架密封环(standoff seal ring)所形成的一完全封闭的体积。一端口可为通过一基板以将该MEMS结构暴露于周围环境中的一开口。需了解的是，在本主题披露的各个实施例中，一外壳将包括一声敏端口。
在所述的实施例中，一芯片包括通常由一半导体材料所形成的至少一基板。一单一芯片可由多个基板所形成，其中，上述基板为机械性键合以保持功能。多个芯片包括至少两个基板，其中，该两个基板为电性连接但无需机械键合。一封装件可提供在芯片上的焊垫之间的电性连接至一可焊接至一印刷电路板(PCB)的金属垫。一封装件通常包括一基板以及一盖体。需了解的是，该封装件密封其元件，除了该封装件的该端口开口以允许气流进出该封装件之外。同样需了解的是，该封装件提供一声敏密封件，除了该封装件以中允许声波进出该封装件的该端口开口之外。
于所述的实施例中，一空腔可指代一基板晶片中的一开口或凹槽，外壳可指代包括一个端口开口的一完全封闭的空间。于所述的实施例中，后腔可指代通过压力平衡通道(PEC)以均衡环境压力的一部分密封腔。在本主题披露的各个方面，该后腔提供声敏密封，除了其允许声波通过一声敏MEMS感测元件(如一隔膜)进出之外。在一些实施例中，后腔也被称为后室。形成于该CMOS-MEMS设备中的一后腔可被称为集成后腔。
于所述的实施例中，在受力时移动的一声敏系统内的一刚性结构可被称为一板体。一背板可以是用作为一电极以电性感测该移动板体的一穿孔板。在所述的实施例中，穿孔指用于在移动板体中减少空气阻尼的声敏开口。声敏端口可以是一个用于检测声压的一开口。一声屏障可为阻止声压到达该设备的某些部分的一结构。联动装置为通过一锚点为一基板提供兼容接附的一结构。
现请参考图1，其为根据本主题披露的一个实施例所显示的一设备100。所示的该设备100包括一声敏感测器102、一环境感测器104、一端口106、一盖体(或盖子)108、一封装基板130、一集成电路(IC)基板112以及一后腔134。所示的该声敏感测器102物理连接至该环境感测器104。焊垫114连接设备100至外部基板。该盖体108以及该封装基板130形成一“封装件”。
于图1的实施例中，所示的该端口106与一声敏感测器端口128对齐，如在此将予以显示并讨论的，这些端口不需要对齐。此外，封装基板130中的端口106可以接收通过声敏感测器102所检测的声波，并根据具体的实施例可以接收其他环境现象。该声敏感测器102包括一后腔134、感测元件120(例如隔膜)、声敏感测基板126、声敏感测端口128以及IC基板112。
根据本主题披露的未予以列表的许多其他实施例中的其中一者，所示的该声敏感测器102位于该IC基板112的上方。焊线116将该IC基板112电性耦接至该封装基板130。通过该IC基板112以及该声敏感测器102之间的物理连接，该声敏感测器102也电性耦接至该封装基板130。所示的该环境感测器104位于该封装基板130以及IC基板112的下方，这又是许多其他实施例中的仅仅一个实施例。
所示的该环境感测器104包括感测电极144，以及直接设置于封装基板130上的一环境感测材料105。所示的该环境感测器104包括一加热器122以及在一些实施例中可以作为一温度感测器。所示的该端口106形成于该封装基板130以及该IC基板112中。所示的该端口106延伸穿过该环境感测材料105。在一些实施例中，该环境感测器104可设置于该端口的一侧，以消除该端口106扩展穿过该环境感测材料105。
在一些实施例中，该声敏感测器102为一麦克风，例如，但不限于，一MEMS麦克风。在这些实施例中，该感测元件120为可响应一声敏信号而移动的一微机械结构。各支架118为一导电路径，并将感测元件120与该IC基板112隔开。该感测元件120以及通常是位于该IC基板112上的顶部铝层的一导电层共同构成一电容器。由于声压震动导致该感测组件120的移动，所以该电容的变化会随着该感测元件120与该IC基板112之间的距离而变化。这些震动是由于通过该端口106进入设备100的声波所引起的。
该环境感测器104的操作可以使用电容变化、电阻变化或质量负荷，以感测被感测到的特定环境特征。这样的特征(但不限于)为温度、湿度、压力、生物及其他未予以列表的许多特征。
为此，该IC基板112起着双重的作用，因为其处理两个感测元件的变化，例如，与声敏感测器102以及环境感测器104相关联的感测元件。该声敏感测器102的感测元件以及该环境感测器104的感测元件可共享该IC基板112的电子处理能力。
需了解的是，在此所使用的空间术语，例如“顶部”，“底部”，“侧面”等是相对的，它们在所描述的各种实施例中的使用只是为了讨论以及提供例子的目的。需了解的是，也可使用其他的空间关系及/或相同的空间关系可能是与在此披露的关系相反的关系。例如，该声敏感测器102可被翻转，使得它形成于该封装基板130的顶部并位于该IC基板112之下。实际上，根据可替换的实施例，该环境感测器104可形成于该声敏感测器102的顶部。
于本主题披露的一实施例中，该盖体108是由金属制成。于本主题披露的一实施例中，该封装基板130是由一聚合物或陶瓷所制成。于本主题披露的一实施例中，该声敏感测器102为一麦克风或任何其他具有一端口(或暴露部分)的声敏感测器。于本主题披露的另一实施例中，该环境感测器104是一种适于通过该端口106暴露于环境中的气体、温度、压力、生物、纳米颗粒、孢子、病原体或化学感测器，或其他任何合适的感测器。
在一些实施例中，该声敏感测器102为一麦克风，例如但不限于，一MEMS麦克风。在一些实施例中，该集成后腔134为该麦克风的一部分，即如本领域所熟知者。
在本主题披露的一些实施例中，该声敏感测器102以及该环境感测器104形成于一单一基板上，例如该封装基板130。在本主题披露的一些实施例中，该声敏感测器102以及该环境感测器104形成于分离的(不同的)基板上。在本主题披露的一些实施例中，该声敏感测器102以及该环境感测器104形成于一单一IC基板上。在本主题披露的一些实施例中，该声敏感测器102以及该环境感测器104形成于不同的封装基板上。
虽然在此仅显示并讨论了一个声敏感测器以及一个环境感测器，但应了解的是，可以采用一个以上的各该感测器。上述的替代方案适用于本主题披露在此显示并讨论的其他实施例中，也包括在此未予以显示及讨论的其他元件。
需了解的是，图1中适于其他实施例的替代及变化，除非另有明确表示，也包含其他的实施方案。
图2为根据本主题披露的另一实施例所显示的一设备200。该设备20除了下述的特征之外，类似于该设备100。该环境感测器204为相对于IC基板212以及声敏感测器102横向地设置，并设置于该声敏感测器的后腔234内。所示的声敏感测器102设置并耦接至该IC基板212，且所示的IC基板212设置于该封装基板230上。实际上，在图2的实施例中，所示的该环境感测器204未设置于该端口106的顶部。所示的该环境感测器204包括电容器244、环境感测材料205以及一加热器222，其中，在一些实施例中也可作为一温度感测器。此外，如同图1的设备100，设备200可包括一焊线116以将该IC基板212电性耦接至该封装基板230，以及连接设备200至外部基板的焊垫114。该盖体108以及该封装基板230可形成一“封装件”。
图3为根据本主题披露的另一实施例所显示的一设备300。在图3的实施例中，所示的该环境感测器304包括电容器344、环境感测材料305以及加热器322。所示的该环境感测器304形成于该IC基板112的顶部，如图1所示的实施例，该IC基板112为设置于该封装基板130上。在图3所示的实施例中无需将该环境感测器304焊接至该IC基板112，此是由于该环境感测器304为设置并形成于该IC基板112的顶部。因此，该环境感测器304为物理性地且电性地耦接至该IC基板112并形成于该封装基板130上。该声敏感测器102为物理性地且电性地耦接至该IC 112，相较于其他实施例，图3的该环境感测器304以及该声敏感测器102为完全集成至一个单一IC基板112之上。如图1的设备100，所示的设备300包括一声敏感测器102、一环境感测器304、一端口106、一盖体(或盖子)108、一封装基板130、一集成电路(IC)基板112以及一后腔334。此外，设备300可包括焊垫114以连接设备300至外部基板。该盖体108以及该封装基板130形成一“封装件”。
图4为根据本主题披露的另一实施例所显示的一设备400。在图4的实施例中，所示的该环境感测器404包括该环境感测材料405、该电容器444以及该加热器422。所示的该环境感测器404是独立的而不是该IC基板112的一部分，因为其是形成在设置于该封装基板130的顶部的一环境感测基板450上。该环境感测基板450可包括一IC基板。因此，该环境感测器404物理性地且电性地耦接至包括该IC基板的该环境感测基板450。在这种情况下，该IC基板450也可为环境感测器404的数据提供部分或全部的信号处理功能。焊线452电性耦接该环境感测器404至该封装基板130。IC基板112通过该焊线116独立地电性耦接至该封装基板130。如图1的实施例，所示的该声敏感测器102形成于该IC基板112的顶部。如同图1的设备100，所示的设备400包括一声敏感测器102、一环境感测器404、一端口106、一盖体(或盖子)108、一封装基板130、一集成电路(IC)基板112以及一后腔。此外，设备400可包括焊垫以连接设备400至外部基板。该盖体108以及该封装基板130形成一“封装件”。
图5为根据本主题披露的另一实施例中所显示的一设备500。该设备500类似于该设备400，除了图4中该声敏感测器是连接并形成于该IC基板112的顶部，而该声敏感测器502未形成于该IC基板的顶部。也就是，包括一IC基板的环境感测基板550可包括组构成同时处理由该环境感测器504所生成的数据以及该声敏感测器502所生成的数据的功能。所示的该环境感测器504包括该电容器544、该加热器522以及该环境感测材料505。所示的该环境感测器504设置并形成于包括一IC基板的该环境感测基板550的顶部。因此，该环境感测器504为物理性地且电性地耦接至包括一IC基板的该环境感测基板550。所示的包括一IC基板的该环境感测基板550形成于该封装基板530的顶部上且通过该焊线552而电性耦接至该封装基板530。所示的该声敏感测器502设置于该封装基板530的顶部上，且通过该焊线554而电性耦接至包括一IC基板的该环境感测基板550。如同图4的设备400，所示的设备500包括一声敏感测器502、一环境感测器504、一端口106、一盖体(或盖子)108、一封装基板530以及一后腔。此外，设备500可包括焊垫以连接设备500至外部基板。该盖体108以及该封装基板530形成一“封装件”。
图6为根据本主题披露的又一实施例所显示的一设备600。该设备600类似于该设备500，除了该封装基板630在设置该环境感测器504以及该声敏感测器502的位置处没有端口。相反地，其在该盖体608中具有一端口606，基本上位于该环境感测器504的顶部上以及水平偏离该声敏感测器502并设置于该声敏感测器502的顶部上的一处地方。如同图5的设备500，所示的设备600包括一声敏感测器502、一环境感测器504、一端口606、一盖体(或盖子)608、一封装基板630以及一后腔。所示的该环境感测器504包括该电容器544、该加热器522以及该环境感测材料505。包括一IC基板的该环境感测基板550形成于该封装基板630的顶部上，且通过该焊线552电性耦接至该封装基板630。所示的该声敏感测器502设置于该封装基板630的顶部上且通过该焊线554电性耦接至包括一IC基板的该环境感测基板550。此外，设备600可包括焊垫114以连接设备600至外部基板。该盖体608以及该封装基板630形成一“封装件”。
图7为根据本主题披露的另一实施例所显示的一设备700。图7的实施例类似于图6的实施例，除了所示的该声敏感测器702是位于与该环境感测器504相反的一位置上。更特别的是，所示的该声敏感测器702是设置于包括有声敏感测器702的一基板的一盖体708的内侧上，且所示的环境感测器504设置于该封装基板730上，类似于该设备600的环境感测器504的位置。所示的一端口706穿过该盖体708的该顶部部分并延伸穿过该声敏感测器702。该声敏感测器702通过焊线754转而电性耦接至盖体708。图7描述了包括基本与印刷电路板的材料相同的一整个封装件，其中使用了三个封装层，例如封装基板730、护墙层710以及包括声敏感测器702的一基板的盖体708。因此，封装基板730支撑护墙层710，其定义了该封装外壳的高度，然后盖体708被组装至该护墙层之上，以完成用于表示该声敏感测器702的后腔体积的该外壳。如同图6的设备600，包括一IC基板的该环境感测基板550形成于该封装基板730的顶部，并通过该焊线552电性耦接至该封装基板730。此外，设备700可包括焊垫114以连接设备700至外部基板。该盖体708与该封装基板730形成一“封装件”。
图8为根据本主题披露的一实施例所显示的该环境感测器800的一部分。所示的该环境感测器800具有一层压基板802、金属线801(例如金属线801a、801b及801c)、包括金属电极801a及801b的感测电容器144以及环境感测材料805。该感测电容器144针对与环境感测材料805有关的且由环境感测材料所经历的一特定环境特征中的一变化，在金属电极801a及801b之间提供一可变电容。该层压基板802可分别为图1的基板130或图2的基板230，在其上可形成该环境感测器104或204。于图8的实施例中，一金属或半导体层803，包括具有一电阻相对较高于金属层801的一材料层，并形成在层压基板802上，可形成一加热元件及/或被连接于形成于层803上的金属线801b及801c之间的基于电阻的温度感测器。
图9为根据本主题披露的一实施例所显示的该环境感测器900的一部分。该感测器900类似于感测器800，除了该感测器900具有两个金属层，由层压基板902的材料分离的金属层901及金属层910，因此，这两个金属层没有直接物理接触。感测电容可以穿过形成于单一金属层901中的交叉指型电极901a及901b来测量。所示的环境感测材料905形成于金属层901的顶部上以及由金属层901形成的该交叉指型电极901a及901b之间。金属层910可作为一加热元件以及温度感测器。
如果该金属电阻对抗温度特性具有显着特征，也可将该加热元件转换成一温度感测器。在一个典型的层压制程中，该金属层的所有暴露的部分将被镀金处理。由于环境感测材料受潮而导致的潜在的腐蚀也将不再存在。
因此，在正确选择湿度-敏感材料的情况下，可以将湿度感测器完全集成于该IC基板的正上方，其可在半导体加工期间(<450℃)以及一些释放加工期间(例如气相氟化氢释放蚀刻)维持较高的温度。因此，这样一个完全集成的实施例，如图3所示的一实施例，是有吸引力的，考虑到最小的形状因素以及实现最低的制造成本。
图10显示了本主题披露的各个实施例的一示例性应用。更具体地说，所示的一主机系统1000包括一端口1006、一环境感测器1004以及一声敏感测器1002，共同定义出一混合设备1009。该混合设备1009具有其自己的端口，其可以或无需与端口1006对齐。
该声敏感测器1002的示例如图1至图7的该声敏感测器；同样地，该环境感测器1004的示例如图1至图7的该环境感测器。该主机系统1000可为需要声敏以及环境感测器的任何系统，例如一智能手机、一智能手表或一可穿戴式运动装置。该混合设备1009的其他应用方式均可以预期，不再予以一一列举。
虽然针对特定的实施例提供了描述，但这些特定实施例仅仅是说明性的，并非用于限制。
在此所使用的术语“顶部”、“底部”、“左”以及“右”均是相对的，仅为所披露结构的几个例子。需了解的是该结构的关系可能与所陈述的是相反的。例如，在此使用的该术语“底部”可以在本主题披露的其他实施例中为“顶部”。
在此所描述中以及整个权利要求书中所使用的“一”、“一个”以及“该”可包括多个参考物，除非上下文另有明确规定。同样地，在此描述中以及整个权利要求书中所使用“中”的意思包括“中”以及“上”，除非上下文另有明确规定。
因此，虽然已经在此描述了特定的所述方案，修改范围，各种变化，以及替换方案均适于上述披露，而应该理解的是，在某些情况下，特定实施例的一些特征可在不脱离本主题披露所阐述的范围及精神下，在没有对应使用其他特征时被采用。因此，许多修改可能是为了适应特定的情况或材料的基本范围以及精神。

Claims (19)

1.一种设备，包括：
封装件；
MEMS声敏感测器，其设置于该封装件中；
环境感测器，其设置于该封装件中；以及
端口，其设置于该封装件中，经组构成接收该声敏感测器的声波以及该环境感测器的空气；其中，
该封装件包括与该声敏感测器相关联的隔音后腔。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，该封装件包括集成电路(IC)芯片。
3.根据权利要求1所述的设备，还包括：
专用集成电路(ASIC)，其设置于该封装件中；其中，
该ASIC经组构成处理由该MEMS声敏感测器所生成的数据。
4.根据权利要求1所述的设备，还包括：
专用集成电路(ASIC)，其设置于该封装件中；其中，
该ASIC经组构成处理由该MEMS声敏感测器以及该环境感测器所生成的数据。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，该MEMS声敏感测器包括MEMS麦克风。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，该环境感测器包括湿度感测器、气体感测器、温度感测器、压力感测器、化学感测器、生物参数感测器、纳米粒子感测器、孢子感测器或病原体感测器中的其中一个。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，该端口包括方形空腔、矩形空腔或圆形空腔中的其中一个。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，该环境感测器设置于与该MEMS声敏感测器相关联的该后腔中。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，该环境感测器以与该端口对齐的方式设置。
10.一种用于制作封装件的方法，包括：
形成基板；
形成MEMS声敏感测器；
形成环境感测器；
形成接附至该基板的盖体，其中，该盖体定义出与该MEMS声敏感测器相关联的后腔；以及
形成位于该封装件中的空腔，其中，该开口经组构成接收声波以及气流。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
形成位于该基板上方的专用集成电路(ASIC)芯片。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
形成位于该ASIC与该MEMS声敏感测器及该环境感测器之间的电性连接。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，形成该基板包括形成一层压基板。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，形成该环境感测器包括在与该MEMS声敏感测器相关联的该后腔中形成该环境感测器。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，形成该环境感测器包括将该环境感测器与该空腔对齐。
16.一种集成电路芯片，包括：
基板；
端口，其设置于基板中；
环境感测器，其与该端口对齐；
专用集成电路(ASIC)，其设置于该基板上方；
MEMS声敏感测器，其设置于该ASIC上方；以及
盖体，其接附至该基板，其中，该盖体定义与该MEMS声敏感测器相关联的后腔。
17.一种集成电路芯片，包括：
基板；
端口，设置于基板中；
环境感测器，其设置于该基板上方；
专用集成电路(ASIC)，其设置于该基板上方并邻接该环境感测器；
MEMS声敏感测器，其设置于该ASIC上方；以及
盖体，其接附至该基板，其中，该盖体定义与该MEMS声敏感测器相关联的后腔。
18.一种集成电路芯片，包括：
基板；
端口，其设置于基板中；
专用集成电路(ASIC)，其设置于该基板上方；
MEMS声敏感测器，其设置于该ASIC上方；
环境感测器，其设置于该ASIC上方并邻接该MEMS声敏感测器；以及
盖体，其接附至该基板，其中，该盖体定义与该MEMS声敏感测器相关联的后腔。
19.一种集成电路芯片，包括：
基板；
端口，其设置于基板中；
专用集成电路(ASIC)，其设置于该基板上方；
MEMS声敏感测器，其设置于该端口上方并邻接该ASIC；
环境感测器，其设置于该ASIC上方；以及
盖体，其接附至该基板，其中，该盖体定义与该MEMS声敏感测器相关联的后腔。
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