CN107251575B - Mems麦克风封装 - Google Patents
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Abstract
在一个实施例中，微电子机械系统（MEMS）麦克风封装包括：多层基底；上声学端口，其形成为穿过所述多层基底的多个上层并且暴露膜部分的上表面；下声学端口，其形成为穿过所述多层基底的多个下层并且暴露所述膜部分的下表面；环形槽，其形成为穿过所述多个上层中的至少一个并且暴露金属环；位于所述环形槽上方的MEMS芯片；铜柱环，其在所述金属环与所述MEMS芯片之间延伸；以及定位在所述铜柱环的第一表面上的焊接柱环，所述铜柱环和所述焊接柱环将所述MEMS芯片附接到所述金属环。
Description
本申请要求在2014年4月22日提交的美国临时申请序列号61/982,382的优先权，该公开的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及麦克风并且特别地涉及MEMS麦克风。
背景技术
MEMS装置（微电子机械系统）是在半导体材料（例如硅）的基片或芯片中集成机械和电气功能的微型化装置。MEMS装置具有许多优点，包括微型化和低制造成本。这些优点通过使用微制造光刻技术来实现。最终组装的装置通常由硅芯片制成，其中MEMS装置是集成的并可选地具有使用传统组装工艺安装在基底上的、用于特定应用的集成电路。
通常通过包覆成型MEMS装置和安装在基底上的任何其他装置来形成固定到基底的罩或盖，从而形成保护MEMS装置免受外部物理应力的壳体。
在MEMS平台中可生产许多类型的传感器。一个这样的传感器是麦克风。包括蜂窝电话、笔记本电脑等的许多应用包含MEMS麦克风。MEMS麦克风的吸引力在于能够提供轻量和小型化的麦克风。由于低制造成本和小占有面积，MEMS麦克风正越来越多地替代电容式麦克风（ECM）。此外，MEMS麦克风具有电力消耗低（160μA）的固有优点，该电力约为ECM电力的1/3。对于具有受限电力存储能力的移动电话和笔记本电脑应用而言，使用MEMS麦克风能够实现的电力节省是显著的。
然而，已知的MEMS麦克风的一个限制是其易受湿气损坏。例如，为了正常运行，MEMS麦克风的传感器部分必须构造成对声波做出反应。然而，通过为声波提供入口，也向湿气提供了入口。
因此，需要一种向传感器区域提供保护以使其免受湿气的MEMS麦克风。还需要一种提供被限定的前部容积的MEMS麦克风，该前部容积与（诸如标准半导体封装通用的）环氧树脂包覆成型工艺相适应。
发明内容
在一个实施例中，微电子机械系统（MEMS）麦克风封装包括多层基底；上声学端口，其形成为穿过所述多层基底的多个上层并且暴露膜部分的上表面；下声学端口，其形成为穿过所述多层基底的多个下层并且暴露所述膜部分的下表面；环形槽，其形成为穿过所述多个上层中的至少一个并且暴露金属环；位于所述环形槽上方的MEMS芯片；铜柱环，其在所述基底上的所述金属环与所述MEMS芯片之间延伸；以及定位在所述铜柱环的第一表面上的焊接柱环，所述铜柱环和所述焊接柱环将所述MEMS芯片附接到位于所述基底上的所述金属环。
在一个或多个实施例中，所述膜部分包括防水膜部分。
在一个或多个实施例中，所述第一表面是所述铜柱环的下表面。
在一个或多个实施例中，MEMS麦克风封装包括后部腔，其限定在所述MEMS芯片内并且在上端部分上由盖封闭，所述盖定位在所述MEMS芯片的上表面上。
在一个或多个实施例中，所述多个上层包括第一上金属层和在所述第一上金属层的上表面上的上焊接掩膜；并且塑料包覆件定位在所述上焊接掩膜的上表面上，从而包围所述MEMS芯片。
在一个或多个实施例中，所述塑料包覆件在所述环形槽内延伸，但不超过连接所述MEMS芯片和基底的所述铜密封环。
在一个或多个实施例中，MEMS麦克风封装包括延伸穿过所述上焊接掩膜的至少一个井，和从所述MEMS芯片向下延伸到所述井中的至少一个输入/输出柱，所述输入/输出柱包括上铜柱部分，通过使用定位在所述上铜柱部分的下表面上的焊接柱部分来将所述上铜柱部分焊接在对应的井内。
在一个或多个实施例中，所述多个上层包括中间预浸有机层和下金属层，所述中间预浸有机层位于所述上金属层和所述下金属层之间，形成在所述上金属层中的相应的接触垫位于每个所述井内；以及所述对应的输入/输出柱焊接到位于所述井中的所述相应的接触垫。
在一个或多个实施例中，MEMS麦克风封装包括定位在所述下声学端口中的金属声学密封环。
在一个或多个实施例中， 形成MEMS麦克风封装的方法包括：穿过多层基底的多个上层来形成上声学端口以暴露膜部分的上表面；穿过所述多层基底的多个下层来形成下声学端口以暴露所述膜部分的下表面；穿过所述多个上预浸层中的至少一个来形成环形槽以暴露金属环；将MEMS芯片定位在所述环形槽上方；并且通过使用铜柱环和焊接柱环将所述MEMS芯片附接到所述金属环，所述铜柱环在所述金属环与所述MEMS芯片之间延伸，所述焊接柱环定位在所述铜柱环的第一表面上。
在一个或多个实施例中，形成所述上声学端口包括穿过所述多层基底的所述多个上层来形成所述上声学端口以暴露防水膜部分的上表面。
在一个或多个实施例中，形成MEMS麦克风封装的方法包括将所述焊接柱环插入到所述环形槽中；并且回流焊所述焊接柱环。
在一个或多个实施例中，形成MEMS麦克风封装的方法包括在所述MEMS芯片内限定后部腔；并且采用盖封闭所述后部腔的上端部分。
在一个或多个实施例中，形成MEMS麦克风封装的方法包括提供具有第一上金属层和在所述第一上金属层的上表面上的上焊接掩膜的所述多层基底；并且在所述上焊接掩膜的上表面上形成塑料包覆件，从而包围所述MEMS芯片。
在一个或多个实施例中，形成所述塑料包覆件包括使所述塑料包覆件在所述环形槽内流动至（但不超过）将所述MEMS装置连接到所述基底的所述铜密封环。
在一个或多个实施例中，形成MEMS麦克风封装的方法包括穿过所述上焊接掩膜形成至少一个井；以及定位从所述MEMS芯片向下延伸到所述井中的至少一个输入/输出柱，所述输入/输出柱包括上铜柱部分和下焊接柱部分；以及回流焊所述井内的所述下焊接柱部分。
在一个或多个实施例中，形成MEMS麦克风封装的方法包括在所述上金属层内形成至少一个垫，其中形成所述至少一个井包括暴露所述至少一个垫。
在一个或多个实施例中，提供所述多层基底还包括：提供具有中间预浸有机层和下金属层的多层基底，所述中间预浸有机层位于所述上金属层和所述下金属层之间。
在一个或多个实施例中，形成下声学端口包括暴露定位在下预浸有机层上的金属声学密封环。
附图说明
图1描绘包括声透防水膜和铜柱环的MEMS麦克风组件的侧横截面图，该铜柱环用作包覆件坝体并且限定麦克风前部容积；
图2描绘图1的MEMS芯片的底透视图，其中将盖移除并且示出铜柱环；
图3描绘图2的MEMS芯片的侧平面图；
图4描绘图2的MEMS芯片的底平面图；
图5描绘图2的MEMS芯片的顶透视图；
图6描绘图1的基底的底平面图；
图7描绘图1的基底的顶平面图；以及
图8描绘可与图1的MEMS麦克风组件一起使用的基底的侧横截面图。
具体实施方式
为了促进对本公开原理的理解的目的，现在将参考在附图中示出的和在下面书面描述中描述的实施例。应理解，不旨在由此限定本公开的范围。还应理解，本公开包括对所示实施例的任何改变和修改，并包括本公开所属领域中的普通技术人员通常能想到的本公开原理的其他应用。
图1描绘MEMS麦克风组件100。MEMS麦克风组件100包括支撑在防水基底104上并被包围在塑料包覆件106中的MEMS芯片102。盖108定位在MEMS芯片102的后部腔110上方。MEMS芯片102还包括在图2-5中额外地详细示出的向下延伸的铜柱环112。在铜柱环112的下远端处，在铜柱环112的下表面上设置有焊接柱环114。在一些实施例中，焊接柱环定位在铜柱环的上表面处。如下面进一步详细讨论的，焊接柱环114用于将MEMS芯片102附接到基底104。
MEMS芯片102还包括四个I/O形柱116,118,120和122。I/O形柱116,118,120和122中的每个包括上铜柱126,128,130和132以及下焊接柱136,138,140和142。I/O形柱116,118,120和122提供MEMS芯片102与基底104之间的电气连接点。在不同实施例中，可包括更多个或更少个I/O形柱。
回到图1，基底104是多层基底。基底104的底层是焊接掩膜层150。金属层152位于焊接掩膜层150的上表面上。预浸渍（预浸）有机层154位于金属层152与另一金属层156之间。下层150,152,154和156中的每个被穿孔以形成终止在防水膜160处的下声学端口158。焊接掩膜层150和金属层152中的开口大于其他层154和156中的开口以允许金属声学密封环（垫）162定位在预浸有机层154的下表面上，如图6进一步所示。同样如图6所示，是四个封装I/0形垫164。通常，声学密封环162和I/O形垫164由金属层152形成。
回到图1，在防水膜160上方，一对金属层166和168夹持上预浸有机层170。上焊接掩膜层172位于金属层168的上表面上。上层172,166,168和170中的每个被穿孔以形成终止在防水膜160处的上声学端口174。上声学端口174与下声学端口158对齐。
参考图7，四个井180,192,184和186成形为穿过上焊接掩膜层172以暴露形成在金属层168中的I/O形垫188,190,192和194的部分。环形槽196也成形为穿过上焊接掩膜层172和金属层168以暴露预浸有机层170的环并形成金属环171。
通过使用任何期望的制备工艺来大体完成MEMS麦克风组件100的制备。例如，用于I/O形垫164和I/O形垫188,190,192和194的电气连接可通过钻通孔来设置在基底104内，所述通孔然后用导电环氧树脂填充或经由电镀技术使用标准PCB来填满并电镀。同样地，通过使用任何期望工艺来夹持基底104的层。然而，在至少一个实施例中，基底104包括防水膜160。防水膜160是限制湿气从中通过的声透可透气材料。在一个实施例中，防水膜160由聚四氟乙烯（PTFE）形成。因此，阻止流体通过声学端口158和174进入到MEMS芯片102中。
与已知装置的一个不同点是：使用穿过上焊接掩膜层172和金属层168的环形槽196来形成金属环171。环171构造成，在倒装基片组装过程期间使用在图1中描绘的焊接柱环114来附接到铜柱环112。例如，通过使用在2004年1月27日公布的美国专利第6,681,982号中描述的过程的修改来形成铜柱环112和焊接柱环114。在一个实施例中，使用修改的982专利过程来形成具有80μm高度的铜柱环112，同时焊接柱环114具有20μm高度。铜柱环112和焊接柱环114都具有75μm的直径。I/O形柱116,118,120和122分别以相同于铜柱环112和焊接柱环114的方式来形成。
因此，当MEMS芯片102在倒装基片过程期间定位在基底104上时，下焊接柱136,138,140和142定位成穿过相应的井180,182,184和186并且与相应的I/O形垫188,190,192和194接触。此外，焊接柱环114定位成穿过环形槽196并与环171接触。下焊接柱136,138,140和142然后使用回流焊工艺连接到相应的I/O形垫188,190,192和194。焊接柱环114也在回流焊工艺期间连接到环171。铜柱环112因此在成品组件中形成麦克风前部容积。
盖108然后定位在MEMS芯片102的上端上（参见图1）并且塑料包覆件包覆成型到MEMS芯片102和上焊接掩膜层172上。在一些实施例中，环形槽196充分大于铜柱环112，以便允许塑料包覆件106中的一些流入井中以提供增加的结合，如在图1中所描绘。
MEMS麦克风组件100因此提供MEMS芯片与基底之间的防水密封，其还包括整合到基底中的防水膜使得可在封装水平下实施防水/抗水的声学端口。这通过在防水可透气膜上结合两个基底芯来实现，该基底芯已预钻有声学端口孔。在一些实施例中，以插入件形式来提供防水可透气膜。
作为示例，图8描绘替代基底104在MEMS麦克风组件100中使用的基底198。基底198是多层基底。基底198的底层是焊接掩膜层200。金属层202位于焊接掩膜层200的上表面上。预浸有机层204位于金属层202与另一金属层206之间。层200,202,204和206中的每个被穿孔以形成终止在防水膜210处的下声学端口208。焊接掩膜层200和金属层202中的开口大于其他层204和206中的开口以允许金属声学密封环（垫）212定位在预浸有机层204的下表面上。
在防水膜210上方，一对金属层216和218夹持上预浸有机层220。上焊接掩膜层222位于金属层218的上表面上。层216,218,220和222中的每个被穿孔以形成终止在防水膜210处的上声学端口224。上声学端口224与下声学端口208对齐。环形槽226形成为穿过上焊接掩膜层222以暴露金属环227，并且还设置有井、通孔以及I/O形柱（未示出）。因此，基底198大体与基底104相同，并且以与基底104相同的方式组装到MEMS芯片102。主要差别在于：替代膜层，防水膜210在基底芯228内形成为插入件。
两者的下基底允许以任何期望方式（诸如通过激光或机械地钻通孔，该通孔然后用导电环氧树脂填充或经由电镀技术使用标准PCB来填满并电镀）来提供顶部基底和底部基底之间的电气连接。MEMS麦克风组件100还包括电镀到MEMS芯片形式上的铜柱环。当芯片已结合到基底/基片承载件时，该环形成用于随后过程的屏障。具体地，环在麦克风组件的包覆成型过程期间形成环氧树脂屏障。
MEMS麦克风组件100因此提供包含防水/抗水性质并允许包覆成型封装构造的新的半导体封装形状因数。在一些实施例中，封装设计还解决用于将防水膜整合到MEMS麦克风封装的孔口中以避免湿气损害的需要。此外，MEMS麦克风组件100提供以下方法：使用铜柱密封环产生被限定的前部容积，其与标准半导体封装所共通的环氧树脂包覆成型工艺相适应。
尽管在附图和上文描述中已对本公开进行了详细说明和描述，但本公开本质上应被理解为示例性的而不是限制性的。应理解，仅已呈现了优选实施例，并且所有落在本公开的精神内的改变、修改以及其他应用都期望得到保护。
Claims (19)
1.一种微电子机械系统麦克风封装，包括：
多层基底；
上声学端口，其形成为穿过所述多层基底的多个上层并且暴露膜部分的上表面；
下声学端口，其形成为穿过所述多层基底的多个下层并且暴露所述膜部分的下表面；
环形槽，其形成为穿过所述多个上层中的至少一个并且暴露金属环；
位于所述环形槽上方的微电子机械系统芯片；
铜柱环，其在所述金属环与所述微电子机械系统芯片之间延伸；以及
定位在所述铜柱环的第一表面上的焊接柱环，所述铜柱环和所述焊接柱环将所述微电子机械系统芯片附接到所述金属环。
2.如权利要求1所述的微电子机械系统麦克风封装，其中，所述膜部分包括防水膜。
3.如权利要求1所述的微电子机械系统麦克风封装，其中，所述第一表面是所述铜柱环的下表面。
4.如权利要求1所述的微电子机械系统麦克风封装，还包括：
后部腔，其限定在所述微电子机械系统芯片内并且在上端部分上由盖封闭，所述盖定位在所述微电子机械系统芯片的上表面上。
5.如权利要求1所述的微电子机械系统麦克风封装，其中：
所述多个上层包括第一上金属层和在所述第一上金属层的上表面上的上焊接掩膜；并且
塑料包覆件定位在所述上焊接掩膜的上表面上，从而包围所述微电子机械系统芯片。
6.如权利要求5所述的微电子机械系统麦克风封装，其中：
所述塑料包覆件在所述环形槽内延伸。
7.如权利要求5所述的微电子机械系统麦克风封装，还包括：
延伸穿过所述上焊接掩膜的至少一个井，和
从所述微电子机械系统芯片向下延伸到所述至少一个井中的至少一个输入/输出柱，所述至少一个输入/输出柱包括上铜柱部分，通过使用定位在所述上铜柱部分的下表面上的焊接柱部分来将所述上铜柱部分焊接在所述至少一个井内。
8.如权利要求7所述的微电子机械系统麦克风封装，其中：
所述多个上层包括中间预浸有机层和下金属层，
所述中间预浸有机层位于所述上金属层和所述下金属层之间，
形成在所述上金属层中的相应的接触垫位于所述至少一个井中的每个内；以及
所述至少一个输入/输出柱焊接到所述相应的接触垫。
9.如权利要求8所述的微电子机械系统麦克风封装，还包括：
定位在所述下声学端口中的金属声学密封环。
10.一种形成微电子机械系统麦克风封装的方法，包括：
穿过多层基底的多个上层来形成上声学端口以暴露膜部分的上表面；
穿过所述多层基底的多个下层来形成下声学端口以暴露所述膜部分的下表面；
穿过所述多个上预浸层中的至少一个来形成环形槽以暴露金属环；
将微电子机械系统芯片定位在所述环形槽上方；并且
通过使用铜柱环和焊接柱环将所述微电子机械系统芯片附接到所述金属环，所述铜柱环在所述金属环与所述微电子机械系统芯片之间延伸，所述焊接柱环定位在所述铜柱环的第一表面上。
11.如权利要求10所述的方法，其中，形成所述上声学端口包括：
穿过所述多层基底的所述多个上层来形成所述上声学端口以暴露防水膜部分的上表面。
12.如权利要求10所述的方法，还包括：
将所述焊接柱环插入到所述环形槽中；并且
回流焊所述焊接柱环。
13.如权利要求10所述的方法，还包括：
在所述微电子机械系统芯片内限定后部腔；并且
采用盖封闭所述后部腔的上端部分。
14.如权利要求10所述的方法，还包括：
提供具有第一上金属层和在所述第一上金属层的上表面上的上焊接掩膜的所述多层基底；并且
在所述上焊接掩膜的上表面上形成塑料包覆件，从而包围所述微电子机械系统芯片。
15.如权利要求14所述的方法，其中，形成所述塑料包覆件包括：
使所述塑料包覆件在所述环形槽内流动。
16.如权利要求15所述的方法，还包括：
穿过所述上焊接掩膜形成至少一个井；以及
定位从所述微电子机械系统芯片向下延伸到所述至少一个井中的至少一个输入/输出柱，所述至少一个输入/输出柱包括上铜柱部分和下焊接柱部分；以及
回流焊所述至少一个井内的所述下焊接柱部分。
17.如权利要求16所述的方法，还包括：
在所述上金属层内形成至少一个垫，其中形成所述至少一个井包括：
暴露所述至少一个垫。
18.如权利要求17所述的方法，其中，提供所述多层基底还包括：
提供具有中间预浸有机层和下金属层的多层基底，所述中间预浸有机层位于所述上金属层和所述下金属层之间。
19.如权利要求18所述的方法，其中，形成下声学端口包括：
暴露定位在下预浸有机层上的金属声学密封环。
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