CN107667068B - 包括双密封环的晶片级mems封装件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微机电系统(MEMS)封装件，其包括在用以限定长度的第一对外边缘与用以限定宽度的第二对外边缘之间延伸的基底。基底上设置有密封环组件并且该密封环组件包括至少一个密封环，所述至少一个密封环产生与至少一个MEMS器件相邻的第一边界点以及与所述外边缘中的至少一个外边缘相邻的第二边界点。该封装件还包括位于密封环组件上的窗盖件，以限定包含至少一个MEMS器件的密封间隙。密封环组件在第二边界点处将窗盖件锚固至基底，使得窗盖件向密封间隙中的偏转减小。

Description

包括双密封环的晶片级MEMS封装件

政府许可权限

本发明是在政府支持下按政府颁布的HR0011-11-C-0125做出的。政府对本发明享有特定权利。

背景技术

本公开涉及微机电系统(MEMS)，更具体地，本发明涉及微辐射热计封装件设计。

微机电系统(MEMS)由一个或更多个非常小规模的电气部件组成。例如，包括在MEMS中的MEMS器件的尺寸范围可以从例如约20微米(μm)至约1毫米(mm)。微辐射热计是一种包括具有温度依赖性电阻的热敏材料的MEMS器件类型。微辐射热计的一个特征是响应于接收的热能量或辐射能量对入射电磁辐射的功率进行测量的能力。实质上，微辐射热计表现为图像像素，其中，像素的输出强度是基于所接收的热/辐射能量的量。因此，微辐射热计广泛用于各种能量感测器件——比如红外(IR)传感器、热成像照相机和夜视照相机——以响应于热/辐射能量刺激而产生图像。

微辐射热计的一个设计特征是需要将微辐射热计与外部环境温度——即，外部热能——热隔离的高真空环境。参照图1，例如，MEMS封装件5包括微辐射热计封装件10。微辐射热计封装件10通常包括真空区域15，该真空区域15通过经由单个窄密封环30将晶片级封装件(WLP)20密封至窗盖晶片25(即，窗盖件25)而产生。WLP 20包括设置在WLP 20上的一个或更多个基准像素(RP)35。因而，真空区域15限定了RP 35与窗盖件25之间的间隙(d)。然而，真空区域15内的真空相对于外部大气压力产生压力差，从而导致窗盖件25朝向WLP 20变形/偏转并进入到真空区域15中。

常规微辐射热计封装件10仅使用形成在WLP 20与窗盖件25之间的金属底层(U/L)上的单个窄密封环30来减小窗盖件25的应力和偏转。针对1D的情况，我们可以将1D视为简单的梁，以了解接合点处的偏转和应力如何是焊接点之间的距离(跨度)的强函数。窗的偏转可以和以下公式相关联：

在X＝L/2(1)

其中，

针对1D的情况，W_a是单位长度的力，

E是杨氏模量并且是窗的材料性能，并且

I是面积惯性矩，I可以被进一步描述为:其中，h是窗的厚度。

从等式1，可以理解的是，偏转随着至第四功率的跨度(长度)而增大，使得跨度的小的增加导致偏转大大增大。接合点上的弯矩是由施加在窗上的力引起的。该弯矩直接与窗的面积成比例。针对1D的情况，该弯矩直接与跨度成比例。此外，压力被定义为P＝F/A，其中，“F”是力，“A”是面积，并且压力被固定为1个大气压。然而，面积“A”将随着跨度的增加而改变。因而，由于面积“A”改变，力“F”也改变。由于在真空区域15处存在真空，则跨度越大，力(F)就越大。引起力矩的力(F)越大，接合点处的应力就越大。

参照图2A至图2B，实验结果进一步说明了压力差随着真空区域15的尺寸增加而增加，从而增大了窗盖件25的偏转。如果真空区域15形成为太大，则允许窗盖件25绕密封环30枢转并且可以接触和/或挤压RP 35(参见图1)。一种抵消偏转增大的常规解决方案是增加窗盖件25的厚度。然而，由于窗盖件25的厚度增加，入射电磁辐射被阻止到达WLP 20。因此，常规微辐射热计封装件设计受限于腔区域的尺寸及窗盖件的厚度，这最终限制了成像器件的整体热敏性和图像质量。

发明内容

根据一个实施方式，微机电系统(MEMS)封装件包括基底，该基底在用以限定长度的第一对外边缘与用以限定宽度的第二对外边缘之间延伸。在基底上设置有密封环组件并且该密封环组件包括至少一个密封环，所述至少一个密封环形成与至少一个MEMS器件相邻的第一边界点以及与至少一个外边缘相邻的第二边界点。该封装件还包括位于密封环组件上的窗盖件以限定包含至少一个MEMS器件的密封间隙。该密封环组件在第二边界点处将窗盖件锚固至基底，使得窗盖件向密封间隙中的偏转得以减小。

根据另一实施方式，一种减小包括在MEMS封装件中的窗盖件的偏转的方法包括形成密封环组件，该密封环组件包括位于基底的上表面上的至少一个密封环，以形成与形成于上表面上的至少一个MEMS器件相邻的第一边界点以及与基底的外边缘中的至少一个外边缘相邻的第二边界点。该方法还包括在密封环组件上形成窗盖件以限定包含至少一个MEMS器件的密封间隙。该方法还包括经由至少第二边界点将窗盖件锚固至基底，使得窗盖件向密封间隙中的偏转得以减小。

通过本发明的技术来实现附加特征及优点。在本文中详细描述了本发明的其它实施方式及方面，并且本发明的其它实施方式及方面被认为是所要求保护的本发明的一部分。参照说明书和附图以便更好地理解本发明的优点及特征。

附图说明

为了更加完整地理解本公开，现参照以下结合附图的详细描述的总体描述部分，其中，相同的附图标记表示相同的部件：

图1为常规微辐射热计封装件的截面图，该常规微辐射热计封装件包括单个窄密封环以及能够响应于大气压力绕密封环枢转的窗盖件；

图2A为示出了常规微辐射热计封装件的窗偏转与微辐射热计封装件的腔尺寸之比的线形图；

图2B为示出了图2A的线形图中示出的数据的表格；

图3A是根据非限制性实施方式的包括双密封环组件的微辐射热计封装件的俯视图；以及

图3B是沿着线A-A’截取的微辐射热计封装件的剖视图，并且示出了阻止窗盖件偏转到腔区域中的双密封环组件；

图4是对与包括单个窄密封环的常规封装件设计相比的包括双密封环组件的各种微辐射热计封装件设计的分析结果进行概述的表格；

图5A至图5B示出了根据另一非限制性实施方式的包括宽密封环组件的微辐射热计封装件；并且

图6A至图6B示出了根据另一非限制性实施方式的包括具有非连续密封环及连续密封环的双密封件组件的微辐射热计封装件的俯视图。

具体实施方式

本公开的各种非限制性实施方式提供了MEMS封装件，例如比如微辐射热计封装件，该微辐射热计封装件包括双密封环组件并且该微辐射热计封装件与仅具有单个窄密封环的常规微辐射热计封装件相比减小了窗盖件的变形和偏转。根据实施方式，该双密封环组件包括内密封环以及外密封环，该内密封环设置在紧邻诸如视频基准像素(VRP)组的一个或更多个MEMS器件的附近处，并且外密封环设置在紧邻MEMS封装件的一个或更多个边缘的附近处。内密封环和外密封环的布置防止了窗盖件绕内密封环进行枢转，从而减小了窗盖件的偏转。以这种方式，MEMS封装件的腔区域可以增大成使得可以在MEMS封装件中实施更大的像素阵列(即，更大数量的像素)。此外，窗盖件的厚度可以减小，由此提高MEMS封装件的热敏性。因此，一种实施根据本发明教导的至少一个实施方式设计的MEMS封装件的成像器件实现了改进的图像质量。

现参照图3A和图3B，示出了根据非限制性实施方式的微机电系统(MEMS)封装件100。根据非限制性实施方式，MEMS封装件100被构造为微辐射热计封装件，但本发明不局限于此。MEMS封装件100包括基底102和窗盖件104。基底102沿着第一轴线延伸以限定基底长度，沿着第二轴线延伸以限定基底宽度，并且沿着第三轴线延伸以限定基底高度。基底102可以由——包括但不限于——硅(Si)的各种半导体材料形成并且可以具有从约200μm至约800μm的典型厚度，然而，应当理解的是，这些是标称值并且所述值根据应用可以更薄或更厚。窗盖件104由允许所关注的波长透过的材料——比如，例如允许8微米至12微米的红外波长透过的硅——形成，并且经由在下文更详细描述的双密封环组件联接至基底102。

双密封环组件产生气密密封，所述气密密封保护双密封环组件、窗盖件104和基底102之间的区域免受MEMS封装件100周围的外部环境的影响并且能够实现100的腔区域108内的真空环境。根据非限制性实施方式，窗盖件104包括从窗盖件104的内表面的端部延伸的内唇缘106。该内唇缘106抵靠双密封环组件而密封成使得腔区域108和密封间隙110形成在基底102与窗盖件104之间。由于由双密封环组件产生的气密密封，腔区域108和密封间隙110被保护免受MEMS封装件100周围的环境的影响。在腔108和密封间隙110中可以建立真空。根据非限制性实施方式，真空可以用于将需要隔离的一个或更多个MEMS器件与其环境热隔离以便改善所述一个或更多个MEMS器件的性能，如下面更详细地讨论的。根据另一非限制性实施方式，腔108和密封间隙110可以用气体回填以提供已知的本底以减轻冲击和润湿。以这种方式，MEMS封装件100可以被构造为例如加速计。

腔区域108的高度范围例如为约200微米(μm)至约400μm。然而，密封间隙110的高度范围例如为约2μm至约12μm。然而，应当理解的是，密封间隙100的高度不局限于此，只要窗盖件104与VRP组114之间不存在物理接触即可。此外，窗盖件104的位于腔108上方的部分可以具有例如从约100μm至约1000μm范围的厚度，这取决于应用及设计意图。

MEMS封装件100还包括一个或更多个MEMS器件。例如，MEMS封装件100包括像素阵列112和VRP组114。像素阵列112包括多个传感器——比如例如形成在位于腔区域108中的基底102的上表面上的红外辐射传感器。传感器可以配置为微辐射热计，使得MEMS可以构造为微辐射热计封装件。因此，像素阵列112插置在窗盖件104的内表面与基底102之间。VRP组114形成在位于密封间隙110中的基底102的第二部分上。因此，VRP组114插置在内唇缘106与基底102之间。例如，包括在像素阵列112中的每个传感器配置成对例如波长在约7.5μm与约14μm之间的红外辐射进行检测。响应于红外辐射，微辐射热计的电阻发生变化。如本领域中的普通技术人员所理解的，该电阻变化被测量并被处理成可以用于产生图像的温度。VRP组114还包括一个或更多个微辐射热计。然而，与像素阵列112不同，例如，VRP组114的微辐射热计经由VRP护罩116被屏蔽接收红外辐射。VRP护罩116可以由阻挡辐射到达VRP组114的任何材料形成。以这种方式，VRP组114被用作基准以将在像素阵列112处接收的红外辐射与存在于像素环境中的一般噪声进行区分。

如图3A至图3B进一步所示，根据非限制性实施方式的双密封环组件包括内密封环118a和外密封环118b。内密封环118a和外密封环118b中的每一者在基底102与窗盖件104之间延伸以限定约7μm的高度(但是，可以小至2微米并且大至12微米)，并且内密封环118a和外密封环118b中的每一者各自沿着基底102的长度延伸以限定范围约200μm至约250μm的密封长度。然而，应当理解的是，每个密封环118a/118b的宽度可以根据MEMS封装件100的几何形状而较大或较小。内密封环118a和外密封环118b中的每一者由气密密封材料形成，以产生保护腔区域108和密封间隙110免受外部环境的影响的气密密封。气密材料包括各种材料，例如，包括但不限于：AuSn焊料及其合金、Indium焊料及其合金、SnPb及其钛(Ti)合金、诸如Ti基焊料材料的易熔金属合金材料、或玻璃粉材料。

根据非限制性实施方式，内密封环118a和外密封环118b形成在基底102上的特定位置处以限定MEMS封装件100的期望边界条件。例如，内密封环118a可以形成为尽可能靠近VRP组114，而外密封环118b形成为尽可能靠近内唇缘106的外边缘。因此，在内密封环118a与外密封环118b之间形成有密封空隙120。内密封环118a与外密封环118b之间的距离可以根据MEMS封装件100的具体尺寸进行变化。然而，至少一个实施方式包括将内密封环118a与外密封环118b间隔开约250μm的距离的密封空隙120。以这种方式，形成气密密封，该气密密封形成真空密封并保护腔区域108和密封间隙110免受外部环境影响，而外密封环118b将内唇缘106锚固至基底102。因此，防止了内唇缘106的外边缘绕内密封环118a进行枢转，从而减小了窗盖件104的偏转。换句话说，外密封环118b减小了窗偏转，从而防止了窗盖件104接触VRP组114。

如上文详细描述的，上文描述的至少一个非限制性实施方式提供了一种MEMS封装件100，该MEMS封装件100包括具有间隔开的外密封环118b和内密封环118a的双密封环组件。外密封环118b将窗盖件104锚固至基底102，从而减小窗盖件104的偏转。参照图4，例如，示出了显示与单个密封环组件设计相比的各种双密封环组件设计的测试结果的表格。从结果可以理解的是，与允许窗盖件偏转约1.69μm的单个密封环组件的设计相比，双密封环组件的设计允许窗盖件偏转约0.87μm。换句话说，双密封环组件将窗盖件的偏转减小了几乎一半。此外，内密封环118a和外密封环118b的实施极大降低了施加至密封环组件的窗盖件应力。例如，仅具有单个窄密封环的常规微辐射热计封装件实现了约17,010磅/平方英寸(PSI)的窗盖件应力。然而，将双密封环组件实施到相同的微辐射热计封装件中将施加至密封环组件的窗盖件压力降低到约4,264PSI。因此，双密封环组件将窗盖件应力减小了约四倍。因此，由于双密封环组件减小了窗偏转以及施加至密封件组件本身的总应力，则根据本公开的至少一个实施方式的MEMS封装件100可以被设计成与常规微辐射热计封装件相比具有更大的腔区域108并同时使用较薄的窗盖件104。

现参照图5A至图5B，示出了根据另一非限制性实施方式的MEMS封装件100。图5A至图5B中示出的微辐射热计封装件100将包括内密封环118a和外密封环118b的双密封环组件用宽密封环组件122替代。宽密封环组件122包括内边缘124a和外边缘124b。内边缘124a在内边界点126a处将窗盖件104联接至基底102。外边缘124b在外边界点126b处将窗盖件104联接至基底102。以这种方式，宽密封环122的宽度可以被设定为使得内边缘124a和外边缘124b限定MEMS封装件100的期望边界条件。因此，外边缘124b防止宽密封环组件122绕内边界点126a进行枢转，使得窗盖件104的偏转得以减小。因此，腔区域108的尺寸可以增大同时窗盖件104的厚度可以减小，以提供具有比常规微辐射热计封装件更高精度的MEMS封装件100。

现参照图6A和图6B，根据另一非限制性实施方式示出了双密封环组件122的俯视图。双密封环组件122包括连续的密封环118和非连续的密封环128。连续的密封环118可以插置在非连续的密封环128与腔之间(见图6A)。替代性地，非连续的密封环128可以插置在连续的密封环118与腔108之间。连续的密封环118构造成形成气密密封，而非连续的密封环128由其之间具有中断或空隙130的分散元件形成。以这种方式，非连续的密封环128允许保存焊料的同时仍然提供支承。尽管仅示出了两个密封环，但应当理解的是，可以存在多于两个的密封环，只要至少一个密封环构造成连续的密封环118以提供气密密封即可。

以下权利要求中的所有器件或步骤以及功能元件的相应结构、材料、动作和等同物旨在包括与具体阐述的其它要求保护的元件相结合执行作用的任何结构、材料或动作。出于示例和说明目的给出了对本发明的描述，并且所述描述并非旨在是穷举的或是将本发明限于所公开的形式。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变型对本领域中的普通技术人员是显而易见的。选择和描述了实施方式以便最好地解释本发明的原理及实际应用，并且使得本领域中的普通技术人员能够理解本发明所包括的具有适合于预期的具体使用的各种修改的各种实施方式。

尽管已经描述了本发明的优选实施方式，但应当理解的是，现在以及将来本领域中的普通技术人员可以进行各种改变和改进，这些改变和改进落入下文的权利要求的范围中。这些权利要求应该解释为对首次描述的本发明进行适当保护。

Claims (15)

1.一种微机电系统MEMS封装件，包括：

基底，所述基底在第一对外边缘之间延伸而限定长度且在第二对外边缘之间延伸而限定宽度；

密封环组件，所述密封环组件位于所述基底上并且包括内密封环和外密封环，所述内密封环产生与至少一个MEMS器件相邻的第一边界点，所述外密封环产生与所述基底的所述外边缘中的至少一个外边缘相邻的第二边界点，其中，所述内密封环和所述外密封环中的一者是连续的密封环，并且所述内密封环和所述外密封环中的另一者是非连续的密封环；以及

窗盖件，所述窗盖件位于所述密封环组件上，用以限定包含所述至少一个MEMS器件的密封间隙，

其中，所述密封环组件在所述第二边界点处将所述窗盖件锚固至所述基底，使得所述窗盖件向所述密封间隙中的偏转减小，并且其中，所述外密封环将所述窗盖件锚固至所述基底并防止所述窗盖件绕所述内密封环枢转。

2.根据权利要求1所述的MEMS封装件，其中，所述密封环组件产生气密密封，所述气密密封保护所述密封间隙免受所述MEMS封装件周围的外部环境的影响。

3.根据权利要求2所述的MEMS封装件，其中，所述密封环组件的一部分完全沿着所述基底的外周边延伸。

4.根据权利要求1所述的MEMS封装件，其中，所述内密封环与所述外密封环间隔开以在所述内密封环与所述外密封环之间限定密封空隙，所述密封空隙的距离为约250μm，使得所述外密封环将所述窗盖件的内唇缘锚固至所述基底并防止所述窗盖件绕所述内密封环枢转。

5.根据权利要求1所述的MEMS封装件，其中，所述窗盖件在第一对窗边缘与第二对窗边缘之间延伸以限定窗盖件表面，所述窗边缘中的至少一个窗边缘联接至所述外密封环以阻止所述窗盖件绕所述内密封环进行枢转。

6.根据权利要求4所述的MEMS封装件，其中，所述密封空隙的宽度大于所述内密封环的宽度和所述外密封环的宽度中的每一者。

7.根据权利要求2所述的MEMS封装件，其中，所述连续的密封环包含构造成形成所述气密密封的密封材料。

8.根据权利要求2所述的MEMS封装件，其中，所述至少一个MEMS器件包括位于所述基底的上表面上的像素阵列以及位于所述基底的所述上表面上的至少一个基准像素，所述至少一个基准像素为所述像素阵列提供基准，并且其中，所述窗盖件限定包含所述像素阵列的腔区域，所述窗盖件和所述密封环组件将所述腔区域和所述密封间隙与所述MEMS封装件周围的外部环境热隔离并形成红外传感器器件。

9.一种减小包括在MEMS封装件中的窗盖件的偏转的方法，所述方法包括：

在基底的上表面上形成密封环组件，所述密封环组件包括内密封环和外密封环，所述内密封环产生与形成在所述上表面上的至少一个MEMS器件相邻的第一边界点，所述外密封环产生与所述基底的外边缘中的至少一个外边缘相邻的第二边界点，其中，所述内密封环和所述外密封环中的一者是连续的密封环，并且所述内密封环和所述外密封环中的另一者是非连续的密封环；

在所述密封环组件上形成窗盖件以限定包含所述至少一个MEMS器件的密封间隙；并且

经由至少所述第二边界点将所述窗盖件锚固至所述基底，使得所述窗盖件向所述密封间隙中的偏转减小，并且防止所述窗盖件绕所述内密封环枢转。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括使用所述密封环组件形成气密密封以保护所述密封间隙免受所述MEMS封装件周围的外部环境的影响。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括使所述密封环组件的一部分完全沿着所述基底的外周边延伸。

12.根据权利要求9所述的方法，还包括将所述内密封环与所述外密封环间隔开以在所述内密封环与所述外密封环之间限定距离为约250μm的密封空隙，使得所述外密封环防止所述窗盖件的内唇缘绕所述内密封环枢转。

13.根据权利要求9所述的方法，还包括直接在所述外密封环上形成至少一个窗边缘以阻止所述窗盖件绕所述内密封环进行枢转。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括使所述密封空隙的宽度形成为大于所述内密封环的宽度和所述外密封环的宽度中的每一者。

15.根据权利要求10所述的方法，还包括由密封材料形成所述连续的密封环以产生所述气密密封。