CN107635910A - Mems传感器组件 - Google Patents

Abstract

提供了具有对内部或外部应力的减小的灵敏度和小的空间尺寸的MEMS传感器组件。组件包括MEMS芯片，其被布置在盖下方的腔体中并且通过连接元件以倒装芯片配置弹性地安装到载体基板。

Description

MEMS传感器组件

技术领域

本发明涉及MEMS传感器组件，例如MEMS压力传感器、MEMS大气气压传感器或MEMS麦克风。

背景技术

MEMS传感器组件（MEMS = Micro-Electro-Mechanical System（微机电系统））可以包括具有灵敏功能元件的MEMS芯片。进一步地，MEMS传感器组件可以包括电气或电子电路以评估由功能元件提供的传感器信号。

例如，MEMS麦克风包括柔性膜和刚性多孔背板。膜和背板建立电容器的电极。所接收的声音信号引起膜振荡。电容器的电极的振荡造成振荡容量。通过经由电气或电子电路监测电容器的容量，声音信号被转换为电信号。用于监测电容器的电气组件可以被集成在ASIC芯片（ASIC =应用专用集成电路）中。

MEMS传感器组件必须提供壳体元件以机械地并且电气地连接所有电路组件，并保护灵敏元件免遭于有害的环境条件。

进一步地，趋于小型化的发展趋势要求更小的组件。然而，为了提供对于足够好的电信号质量而言所需要的良好的声学特性，在MEMS麦克风的情况下大的机械活动区域或大的背部体积是有益的。附加地，由于MEMS传感器组件的壳体的各结构部分正变得更薄，所以观察到对内部和外部机械应力的增加的灵敏度。类似的情况对于MEMS大气气压压力传感器（其甚至是更加应力灵敏的）而言保持为真。这样的装置检测在具有亚纳米范围内的宽度的薄膜的偏转上的取决于压力的变化。微小的应力引发的膜的形变可能容易地干扰偏转。

因此，需要的是如下的MEMS传感器组件：其允许小的横向尺寸，提供良好的信号质量，并且对内部和/或外部机械应力是鲁棒的。

从US 2013/0193533已知MEMS麦克风。从US 2014/0036466已知进一步的MEMS麦克风。

然而，仍然存在对于如下的MEMS传感器组件的需要：其具有对于内部和外部机械应力的减小的灵敏度。

发明内容

一种具有对于应力的减小的灵敏度的MEMS传感器组件，包括：载体基板；嵌入在载体基板中的ASIC芯片；布置在载体基板之上或上方的MEMS芯片；布置在载体基板上方的盖；在载体基板的底侧处的焊料焊盘；至少在ASIC芯片和焊料焊盘之间的电互连部；以及连接元件。盖围成在盖和载体基板之间的腔体。MEMS芯片布置在腔体中。连接元件是可弹性形变的弹簧元件。连接元件将MEMS芯片以倒装芯片配置机械地连接到载体基板。连接元件将MEMS芯片电连接到所述互连部。

可能的是并且可能优选的是，连接元件是弹簧元件或多个弹簧元件（例如四个），被实现为如下的图案化的薄金属层：在一个端部处被固定到载体基板并且平行于载体基板延伸但是与其分隔开直至另一个端部。在载体基板上的和在MEMS芯片上的对应的接触点之间可能存在平面内偏移。因此，与如焊料球的对准接合（其在原理上也有些弹性）相比实现高度改进的柔顺性。

在弹簧元件中包含的典型材料是Cu，Ni或Al等。进一步地，可能的是弹簧元件由如Cu，Ni或Al的金属组成。在厚度上典型的尺寸为5-100μm，在宽度上为10-100μm，并且在长度上为100-2000μm。对于包括典型地被焊接到4个弹簧上的MEMS的组件而言弹簧常数低于100kN/m，对于x-，y-和z-轴而言优选地在0.1-10kN/m的量级上。

在这样的传感器组件中，MEMS芯片被以机械方式从如下的任何外部或内部应力解耦：载体基板被暴露于该外部或内部应力，这是因为连接元件将MEMS芯片保持在它的稳定状态位置而不传递足够大的机械力来干扰芯片的机械功能。ASIC芯片嵌入在载体基板中。然而，具有集成的电子电路的芯片不太受机械力的影响。

围成腔体的盖保护MEMS芯片和芯片的相应的灵敏结构元件免受有害的外部影响（诸如在装置的周围气氛中的灰尘颗粒、腐蚀性成份等）。倒装芯片配置—MEMS芯片被以倒装芯片配置安装到载体基板—允许短的信号路径以及把MEMS芯片从基板解耦的柔性安装。

常规的倒装芯片组件将芯片刚性地耦合到基板。内部或外部应力被直接传递到芯片并且可能造成功能结构的灵敏度的偏差。因此，可能获得在常规的麦克风的灵敏度上的温度引发的改变。如果在灵敏度上的温度引发的改变达到MEMS麦克风的规定容限，则对应的MEMS麦克风不示出稳定的性能。然而，由于经由连接元件的对MEMS芯片的柔软支承，本MEMS传感器组件具有巨大地增加的优异性能温度范围。

可能的是载体基板包括有机材料。

可能的是有机材料可以包括聚合物。

在常规的MEMS传感器组件中，载体基板需要具有如下的材料：该材料耐受在载体基板的顶侧处形成连接元件所需要的侵蚀性化学作用。发现的是，诸如聚合物的有机材料是与用于形成类似弹簧的连接元件所需要的构造步骤相适应的，而且同时与把ASIC芯片嵌入在载体基板的体材料中的步骤相适应。

进一步可能的是连接元件包括金属并且具有独立式端部。

尤其是对于这样的连接元件而言，需要复杂的制造步骤，因为牺牲材料需要被布置在载体基板的顶侧和独立式端部的更后方的位置之间。在将连接元件的金属布置在牺牲材料上之后，需要去除相应的牺牲材料以便对连接元件的独立式端部给予用以在所有方向上移动的所需要的可能性。

因此，发现聚合物是用以使得ASIC芯片被嵌入并且使得复杂的连接元件被制造于其顶侧处的最佳材料。

可能的是载体基板是多层基板，并且包括在两个介电层之间的金属化层。

在金属化层中，可以构造诸如电阻元件、电容元件或电感元件或移相器的信号导体或电路元件或者类似的电路元件。

相应地，可能的是MEMS传感器组件包括嵌入在多层基板中的这样的附加的电路元件。进一步可能的是，附加的电路元件是有源电路元件，例如作为附加的ASIC电路的一部分或作为未集成在ASIC芯片中的电路的一部分。

附加的电路元件可以包括在金属化层中的、在金属化层上方或下方的附加金属化层中的、或者在金属化层上方和下方的附加金属化层中的所构造的金属化。电感元件可以通过在同一金属化层内的线圈形状的导体条实现。电容元件可以包括存在于一个被堆叠在另一个之上的不同金属化层中的电极。

过孔连接可以被利用于电连接在不同的金属化层中的不同的电路元件和/或在载体基板的顶侧上的连接焊盘和/或在载体基板的底侧处的焊料焊盘。

可能的是盖密封腔体。

如果MEMS传感器组件建立了MEMS麦克风，则那么需要被从麦克风的环境声学地解耦的背部体积以防止声学短路。该背部体积可以被至少部分地布置在腔体中并且密封盖防止声音信号损害麦克风的内部压力水平。

然而，可能的是腔体具有开口，例如声音开口。声音进入开口可以是通过孔来实现的。孔可以被布置在载体基板中或者被布置在盖的区段中。需要声音进入以将声学信号传导到MEMS芯片的功能元件。

因此，可能的是腔体包括被充分地从组件的环境密封分开的至少一个区段。

相应地，可能的是盖或载体基板包括开口，例如可以被实现为孔的声音进入开口。

可能的是MEMS传感器组件除了连接元件之外还包括柔软固定元件。柔软固定元件将MEMS芯片连接到载体基板和/或盖的内表面。

可能的是柔软固定组件包括柔软层压箔或凝胶。

可能的是柔软固定组件包括含有硅酮的硅酮类型的凝胶。

例如采用硅酮类型的凝胶的形式的柔软固定组件可以在把MEMS芯片保持在其稳定状态位置而不使MEMS芯片暴露于内部或外部应力的方面对连接元件进行支承。

可能的是柔软固定组件填充在MEMS芯片和载体基板之间或者在MEMS芯片和盖之间的体积的至少一部分。

柔软固定组件在没有损害MEMS芯片的功能元件的危险的情况下改进机械阻尼和冲击震动鲁棒性。柔软固定元件与大多数的传感器类型（诸如具有用于使MEMS芯片解耦的弹簧的传感器）相适应。柔软固定组件可以主要具有流体的粘性特性，没有传递静态力的可能性而是具有保持在其稳定状态位置的可能性。因此，MEMS芯片的灵敏功能元件未受危害。

相应地，可能的是MEMS芯片包括功能结构，例如偏转传感器、膜、刚性多孔背板等。尤其可能的是，MEMS芯片选择自麦克风芯片、压力传感器芯片和大气气压传感器芯片。

可能的是，在MEMS芯片内的具有或没有背部体积的腔体被柔软固定元件的材料填充。

可能的是盖包括边沿和在边沿中的孔。

还可能的是盖包括侧部和在侧部中的孔。

进一步地，可能的是盖包括在距载体基板第一距离处的第一区段以及在距载体基板不同于第一距离的第二距离的第二区段。然后，在更靠近载体基板的区段中形成孔。

这样的实施例在盖中具有孔，例如声音进入孔。然而，传感器组件可以在没有使孔封闭的风险的情况下在某些制造步骤期间被至少暂时地倒置布置在辅助箔上。尤其是当辅助箔具有粘合带以紧固地保持组件时，孔不能被粘合剂填充。

附图说明

在随附各图中示出了MEMS传感器组件、其基本工作原理以及所选择的但不是限制的一组优选的实施例。详细地：

图1示出了MEMS传感器组件的基本构造；

图2示出了MEMS麦克风的实施例；

图3示出了MEMS麦克风的替换实施例；

图4示出了具有由盖子封闭的背部体积的MEMS传感器组件；

图5示出了在盖中具有孔的实施例；

图6示出了具有在保持MEMS芯片方面对连接元件进行支承的柔软固定元件的实施例；

图7示出了其中由柔软固定元件填充大体积的腔体的实施例；

图8示出了其中柔软固定元件被布置在盖和MEMS芯片的顶侧之间以及其中孔布置在盖的边沿区域中的实施例；

图9示出了具有成梯状的盖的实施例，成梯状的盖包括距载体基板的顶侧不同距离的不同的区段；

图10示出了具有集成的电容元件的实施例；

图11示出了具有集成的电感元件的实施例；

图12示出了具有附加的电路元件的实施例。

具体实施方式

图1示出了具有MEMS芯片MEMS的MEMS传感器组件MSC，MEMS芯片MEMS被布置在载体基板CS之上。在载体基板CS的顶侧处创建两个或更多个连接元件CE以电连接并且机械地支承MEMS芯片MEMS。连接元件CE包括直接连接到载体基板CS的区段和在独立式端部处的附加区段，该附加区段直接连接到在MEMS芯片MEMS的底侧处的焊料球。

进一步地，ASIC芯片ASIC嵌入在载体基板CS中。在载体基板CS的底侧处布置有至少两个焊料焊盘SP，其被提供用于将MEMS传感器组件MSC连接到外部电路环境。互连部INT包括多个导体区段并且电连接MEMS芯片MEMS、ASIC芯片ASIC和所述一个或多个焊料焊盘SP。

盖CP被布置在载体基板CS之上并且围成其中布置有MEMS芯片MEMS的腔体CV。

图1中示出的MEMS传感器组件MSC的实施例包括通过载体基板CS的孔，MEMS芯片以及其灵敏功能结构分别经由该孔连接到组件的环境。

图2示出了作为MEMS麦克风的MEMS传感器组件的实施例。该麦克风具有布置在载体基板CS中的孔H上方的MEMS芯片，孔H可以作为声音进入孔工作。腔体CV的主要部分充当背部体积BV以防止声学短路。为了将背部体积BV与麦克风周围的声音压力分离开，外部密封件S封闭在盖CP和载体基板CS之间的可能的空隙。内部密封件​​S封闭在MEMS芯片MEMS和载体基板CS之间的可能的空隙。因此，声音压力仅施加到MEMS芯片MEMS的功能结构。

图3示出了MEMS麦克风的替换实施例，其中利用内部密封件S将MEMS芯片密封到布置在载体基板的顶侧上的框架结构FR。因此，膜M和背板BP仅暴露于从一侧进入孔的声音信号。几乎腔体CV的整个体积作为背部体积BV起作用，这对于良好的声学特性而言是有益的，同时使麦克风的总体积最小化。框架结构FR或至少内部密封件S的材料可以包括柔软材料，该柔软材料—除了连接元件CE之外—还作为震动吸收器起作用可以并且把MEMS芯片从内部地或外部地引发的应力机械地解耦，同时将MEMS芯片MEMS保持在稳定状态位置处。

进一步的金属化ME可以被布置在载体基板的顶侧上。如果盖CP包括导电材料，则盖可以经由金属化ME连接到地电位以改进电屏蔽。

图4示出了MEMS麦克风的实施例，其中背部体积BV被布置在MEMS芯片的内部部分中，并且其中盖子L将背部体积BV与腔体CV的其它部分分离开。从麦克风的环境接收的信号可以是经由载体基板CS中的孔获得的。除了MEMS芯片的功能结构FS之外，在腔体CV内但是不在背部体积BV内的其它表面暴露于外部信号。因此，腔体CV可以包括进一步的传感器组件（诸如进一步的MEMS芯片）以获取关于组件的环境的信息。

图5示出了其中孔H被布置在盖CP中的实施例。背部体积BV被盖子L密封。不需要通过载体基板CS构造孔。

图6示出了其中附加的柔软固定元件支承MEMS芯片MEMS的实施例。柔软固定元件可以进一步防止通过孔进入腔体的颗粒与功能结构FS直接接触。然而，由于柔软固定元件的粘性特性，可以在不危害功能结构的机械功能的情况下获取有关于组件的环境（例如大气压力）的信息。进一步地，图6中示出的MEMS传感器组件可以例如在制造步骤期间或在正常操作期间被浸入到液体中。因此，组件可以被用作为用于水下操作的测深仪。

图7示出了MEMS传感器组件的另一实施例，其中腔体的主要部分被填充有柔软固定元件，其中柔软固定元件甚至接触MEMS芯片的功能结构。因此，即使MEMS芯片包括对腐蚀性环境灵敏的功能结构，也能够在这样的腐蚀性环境中操作组件。

图8示出了其中柔软固定元件从与载体基板相对的位置支承MEMS芯片的实施例。

孔H被布置在盖CP的边沿区域E中。这允许新的制造步骤，其中组件或组件的一部分（诸如盖CP）被倒置布置在诸如粘合剂辅助箔的辅助载体上。来自辅助载体的粘合剂不能封闭孔H。然后，当盖被倒置布置时，柔软固定元件可以被施加到盖CP的内部侧。 此后，可以将包括柔软固定元件SFE的盖CP以竖直定位拖动到布置在载体基板上的MEMS芯片上方。

图9示出了其中盖CP具有在距载体基板的顶侧第一距离处的第一区段SG1和在距载体基板的顶侧第二距离处的第二区段SG2的实施例。孔H可以被布置在更靠近载体基板的区段中。因此，盖CP可以被倒置布置在辅助载体上而不直接接触孔H。

图10示出了在载体基板CS的多层结构中布置诸如无源电路元件（例如电容元件CPE）的附加电路元件的可能性。两个导体区段建立电连接到互连部的电容器的电极。

图11示出了将电感元件IE集成在多层载体基板中的可能性。

图12示出了将附加电路元件ACE（例如附加的集成电路芯片）嵌入在多层基板中的可能性。

MEMS传感器组件不限制于上面陈述的特征或由各图示出的实施例。包括进一步的电路元件或连接元件的组件也被本发明所包括。

参考标号列表：

ACE：附加电路元件

ASIC：ASIC芯片

BP：背板

BV：背部体积

CE：连接元件

CPE：电容元件

CP：盖

CS：载体基板

CV：腔体

FR：框架

FS：功能结构

H：孔

IE：电感元件

INT：互连部

L：盖子

M：膜

ME：金属化

MEMS：MEMS芯片

MSC：MEMS传感器组件

S：密封件

SFE：柔软固定元件

SG1：盖的第一区段

SG2：盖的第二区段

SP：焊料焊盘

VIA：过孔连接。

Claims (20)

1.一种MEMS传感器组件，包括：

载体基板;

嵌入在所述载体基板中的ASIC芯片;

布置在所述载体基板之上或上方的MEMS芯片;

盖，其被布置在所述载体基板上方，其中盖围成腔体并且MEMS芯片被布置在腔体中;

在所述载体基板的底侧处的焊料焊盘;

在ASIC芯片和焊料焊盘之间的电互连部; 和

连接元件，包括可弹性形变的弹簧元件，其中连接元件以倒装芯片配置将MEMS芯片机械地连接到所述载体基板，并且其中连接元件将MEMS芯片电连接到互连部。

2.根据权利要求1所述的MEMS传感器组件，其中所述载体基板包括有机材料。

3.根据权利要求2所述的MEMS传感器组件，其中所述载体基板包括聚合物。

4.根据前述权利要求中的一项所述的MEMS传感器组件，其中连接元件包括金属并具有独立式端部。

5.根据前述权利要求中的一项所述的MEMS传感器组件，其中所述载体基板包括多层基板，所述多层基板包括在两个介电层之间的金属化层。

6.根据权利要求5所述的MEMS传感器组件，进一步包括嵌入在所述多层基板中的附加电路元件，附加电路元件包括有源电路元件或无源电路元件。

7.根据权利要求6所述的MEMS传感器组件，其中附加电路元件包括电阻元件、电感元件或电容元件，附加电路元件包括在金属化层中的所构造的金属化。

8.根据前述权利要求中的一项所述的MEMS传感器组件，其中盖密封腔体。

9.根据前述权利要求中的一项所述的MEMS传感器组件，其中盖或所述载体基板包括开口。

10.根据前述权利要求中的一项所述的MEMS传感器组件，进一步包括将MEMS芯片机械地连接到所述载体基板的柔软固定元件。

11.根据权利要求10所述的MEMS传感器组件，其中柔软固定元件包括柔软层压箔或凝胶。

12.根据权利要求11所述的MEMS传感器组件，其中柔软固定元件包括硅酮类型的凝胶。

13.根据权利要求10至12中的一项所述的MEMS传感器组件，其中柔软固定元件填充在MEMS芯片和所述载体基板之间或者在MEMS芯片和盖之间的体积的至少一部分。

14.根据权利要求10至13中的一项所述的MEMS传感器组件，其中柔软固定元件将MEMS芯片机械地连接到盖或所述载体基板。

15.根据权利要求10至14中的一项所述的MEMS传感器组件，其中连接元件嵌入在柔软固定元件中。

16.根据前述权利要求中的一项所述的MEMS传感器组件，其中MEMS芯片包括功能结构。

17.根据前述权利要求中的一项所述的MEMS传感器组件，其中MEMS芯片包括麦克风芯片、压力传感器芯片或大气气压传感器芯片。

18.根据前述权利要求中的一项所述的MEMS传感器组件，其中盖包括边沿和在所述边沿中的孔。

19.根据前述权利要求中的一项所述的MEMS传感器组件，其中盖包括侧部和在所述侧部中的孔。

20.根据前述权利要求中的一项所述的MEMS传感器组件，其中盖包括在距所述载体基板第一距离的第一区段和在距所述载体基板不同于所述第一距离的第二距离的第二区段，在更靠近所述载体基板的区段中形成孔。