CN110937569A - 用于制造mems传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造MEMS传感器的方法，包括步骤：‑提供MEMS结构，具有用于MEMS结构中的空缺部的至少一个入口，‑将MEMS结构施加在载体结构上，使得通过MEMS结构中的空缺部形成载体结构和MEMS结构之间的腔，该腔能够通过至少一个入口加载以介质，‑密封MEMS结构和载体结构之间的中间空间，使得腔除了至少一个入口之外是密封的，并且‑通过至少一个入口使腔和至少一个入口填充以介质。

Description

用于制造MEMS传感器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造MEMS传感器的方法。
本发明还涉及一种MEMS传感器。
虽然本发明可以一般性地用于任意的MEMS传感器，但本发明参照MEMS压力传感器来说明。
背景技术
已知的压力传感器具有例如呈膜片的形式的压力敏感层，所述膜片必须与环境接触，以便确保通向该膜片的压力入口。然而MEMS传感器也必须针对环境影响、例如灰尘或水受保护。对此已知的是，通过以凝胶填充(所谓的胶封)来保护压力传感器免受环境影响。
发明内容
本发明在实施方式中提出一种用于制造MEMS传感器的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供MEMS结构，该MEMS结构具有用于MEMS结构中的空缺部的至少一个入口，
-将MEMS结构这样施加在载体结构上，使得通过MEMS结构的空缺部形成在载体结构和MEMS结构之间的腔，该腔可以通过所述至少一个入口加载以介质，
-密封MEMS结构和载体结构之间的中间空间，使得所述腔除了所述至少一个入口之外是密封的，并且
-通过所述至少一个入口使腔和所述至少一个入口填充以介质。
在另外的实施方式中，本发明提出一种按照本发明所提出方法制造的MEMS传感器，其包括：
MEMS结构，该MEMS结构具有空缺部，其中，空缺部具有至少一个入口，
载体层，
其中，MEMS结构这样固定在载体层上，使得通过在MEMS结构中的空缺部形成在载体层和MEMS结构之间的中间空间，
其中，布置有密封介质，使得中间空间形成腔，该腔仅能够通过所述至少一个入口加载以介质，其中，腔填充以尤其呈凝胶形式的介质。
由此实现的优点之一是非常高的耐介质性能，因为MEMS结构的区域被完全封装。此外，能够实现成本有利的制造，因为在该MEMS结构的制造中可以使用标准工艺。
本发明的其他特征、优点和其他实施方式在下面描述或可以由此公开。
根据有利的扩展方案，MEMS结构设有至少一个敷镀通孔以用于到载体结构上的电接触。这能够实现MEMS结构和载体结构的紧凑构造。由此可以取消键合线连接部。
根据另外的有利的扩展方案，提供呈ASIC元件形式的载体结构。以该方式可以实现MEMS结构和ASIC元件的特别紧凑的构造。
根据另外的有利的扩展方案，ASIC元件设有至少一个敷镀通孔以实现ASIC元件和MEMS结构的电接触。由此可以实现MEMS结构和ASIC元件包括电接触在内的更紧凑的构造。
根据另外的有利的扩展方案，MEMS结构和/或ASIC元件借助于钎焊、尤其借助于重熔钎焊固定在呈衬底形式的载体结构上。由此能够实现MEMS结构和/或ASIC元件在衬底上的简单的、成本有利的并且同时可靠的固定。
根据另外的有利的扩展方案，使MEMS结构和ASIC元件借助于粘接连接彼此固定。这能够实现MEMS结构在ASIC元件上的简单的、成本有利的并且同时可靠的固定。
根据另外的有利的扩展方案，中间空间的密封借助于注射方法、优选在使用压电点分配器(Piezopunktspender)的情况下实现。借助于该注射方法、尤其在使用压电泵分配器的情况下，能够实现用于密封中间空间的填充物或密封物的精确配量。
根据另外的有利的扩展方案，通过介质在背离腔的一侧上在MEMS结构的表面上形成顶部包封(Glob-Top)。由此实现的优点之一是，介质可以在温度变化时自由地并且没有机械阻力地膨胀。由此实现MEMS传感器的高性能，换言之，通过引入介质使MEMS传感器的性能降低最小化。
根据另外的有利的扩展方案，在背离腔的一侧上在MEMS结构的表面上布置有尤其呈沟槽形式的介质停止装置。这例如能够在MEMS结构的上侧上实现不受介质加载的区域。由此这整体上简化了MEMS传感器的操作，因为该区域随后可以通过合适的接收装置来接收MEMS结构。
根据另外的有利的扩展方案，MEMS结构和载体结构和尤其ASIC元件布置在壳体中，尤其地，其中，壳体具有至少一个开口。以该方式，传感器被包覆并且受到足够保护。
根据另外的有利的扩展方案，ASIC元件被围入到模塑物中。由此针对ASIC元件提供特别高的保护。
本发明的其他重要特征和优点由附图和参照附图的说明得出。
当然，前面提到的和后面还要阐释的特征不仅能够以相应说明的组合使用，而且也能够以其他组合或单个地使用，而不偏离本发明的框架。
附图说明
本发明的优选实施方案和实施方式在附图中示出并且在下面的说明书中详细阐释，其中，相同的附图标记涉及相同的或类似的或功能相同的构件或元件。
在此以示意性形状并且以横截面示出：
图1根据本发明的实施方式的MEMS传感器；
图2根据本发明的实施方式的MEMS传感器；
图3根据本发明的实施方式的MEMS传感器；
图4根据本发明的实施方式的MEMS传感器的部分；和
图5根据本发明的实施方式的方法的步骤。
具体实施方式
图1示出根据本发明的实施方式的MEMS传感器。
在图1中示出MEMS传感器1。MEMS传感器1具有衬底4，在该衬底上布置有具有开口14a的壳体14。壳体14可以由塑料和/或金属制造。
在壳体14中在一侧布置有倒装式ASIC 3，该ASIC通过焊球8与衬底4上的焊垫6电连接。在图1中，在ASIC 3左边还布置有MEMS结构2。MEMS结构2具有框架10，在该框架中布置有敷镀通孔9。此外，MEMS结构2具有呈弹簧结构28的形式的应力解耦结构，该弹簧结构使具有功能层12的岛25与框架10连接。MEMS结构2同样通过焊球8与在衬底4上的相应焊垫6连接。在此，MEMS结构2、更确切地说其敷镀通孔9这样布置，使得所述敷镀通孔能够实现通过焊球8与焊垫6并且由此与衬底4的电连接。在MEMS结构2和ASIC 3之间的电接触借助于在衬底4上的布线5实现。在此，MEMS结构2的岛25通过在功能层12下方的空缺部21形成。在此，MEMS结构2进一步这样布置和构造，使得在MEMS结构2固定在衬底4上之后形成在框架10的下侧和衬底4的上侧之间的中间空间23。在图1中，该中间空间23借助于填充部7填充。由此产生在MEMS结构2中的向下封闭的容积，所述容积在弹簧结构28的区域中还保留通向该容积的入口11。该封闭容积(下面称为腔22)经由入口11以凝胶13无气泡地填充。附加地，通过凝胶13在MEMS结构2的上侧上成形有顶部包封24。
图2示出根据本发明的实施方式的MEMS传感器。
在图2中基本上示出根据图1的MEMS传感器1。与根据图1的MEMS传感器1不同，在根据图2的MEMS传感器1中MEMS结构2布置在ASIC 3上并且没不分开地布置在ASIC 3旁边。ASIC 3的电接触通过键合线15实现，该键合线与衬底4上的键合垫5连接。在此，MEMS结构2例如通过热压缩键合锚固在ASIC 3上并且与该ASIC电接触。ASIC 3首先通过薄膜粘接剂、例如芯片粘接薄膜(Die-Attach-Film)或液态粘接剂粘接在衬底4上并且如上面提到的那样通过键合线15与衬底4电连接。在MEMS结构2和ASIC 3之间形成的中间空间23通过填充部7密封。
图3示出根据本发明的实施方式的MEMS传感器。
在图3中基本上示出根据图1的MEMS传感器1。与根据图1的MEMS传感器1不同，在根据图3的MEMS传感器1中，ASIC 3粘接在衬底4上并且通过键合线连接部15与衬底4电连接。此外，ASIC 3通过薄膜支持的模塑以模塑物17模制。在模塑物17中提供空缺部或腔26，然后在该空缺部或腔中将如图1中示出的MEMS结构2布置在衬底4上。
在此，在图1至3中尤其实施下面的制造步骤：
1)首先将MEMS结构2要么钎焊到传感器衬底4上要么键合到之前粘接在衬底上的ASIC芯片3上，例如借助于回流焊接和/或热压缩键合。
2)通过底部填充物7、即所谓的“底部填充坝”密封在MEMS结构2和衬底4或ASIC 3之间存在的中间空间23。
3)以凝胶13经由入口11填充MEMS结构2。通过之前的步骤2)防止在衬底2或ASIC 3上的MEMS钎焊连接部8之间的凝胶13流出。
具体地，根据封装概念，MEMS结构2要么以回流焊接的方式钎焊在层压衬底4、如有机物或陶瓷衬底上，要么通过热压缩键合施加在ASIC 3上，该ASIC之前已经粘接在衬底4上。在回流焊接在衬底4上的情况下，相应的MEMS晶片为此事先设有焊料隆起部8。为了在ASIC 3上的热压缩键合，MEMS晶片可以预备地设有铜柱(所谓的copper pillars)。在两种情况下，MEMS结构2机械地锚固在衬底4或ASIC 3上并且也通过钎焊连接部8电触点接通。在施加MEMS结构2之后，仅焊料隆起部8或铜柱与衬底2或ASIC 3机械接触。在MEMS结构2、即框架10的基面的其余部位处保留MEMS结构2和衬底4或ASIC 3之间的间隙23。如果随后直接以凝胶13填充MEMS结构2，那么凝胶13会经过该中间空间或间隙23重新流出。为了防止凝胶13的这种流出，在下一步骤中围绕MEMS结构2的基面分配底部填充材料7。在此，所述材料7形成“底部填充坝”。在此，为了精确的底部填充配量有利的是，在使用压电泵分配器的情况下采用注射工艺。
在随后使底部填充材料7硬化之后，该底部填充材料完全封闭之前存在于MEMS结构2和衬底4或ASIC 3之间的中间空间23。在MEMS结构2/衬底4或MEMS结构2/ASIC 3的中间空间23密封之后，紧接着以合适的凝胶13经由入口11填充MEMS结构2。在此，凝胶13无气泡地既充满MEMS结构2在传感器“岛”25下方的空腔22，该空腔向下通过衬底4或ASIC 3限界，也充满呈MEMS结构2的弹簧结构28形式的应力解耦结构的中间空间，该弹簧结构提供或者说能够实现入口11，并且所述凝胶形成在MEMS结构2的上侧上的顶部包封24，该顶部包封例如使构造压力传感器膜片的功能层12和暴露的金属结构钝化并且保护其免受环境影响。
换言之，参照图1，首先通过回流焊接将MEMS结构2和ASIC 3钎焊在衬底4上。MEMS结构2和ASIC 3之间的电接触以及从ASIC 3至外部封装焊垫5的电接触通过在衬底4上的布线实现。然后使MEMS结构2通过上面所述方法步骤1)至3)以凝胶13钝化。可选地，ASIC 3可以附加地同样通过标准底部填充部7保护。最后，壳体14以塑料或金属盖封闭。压力入口通过在壳体14的盖中的孔14a实现。
参照图2，首先将ASIC 3例如借助芯片粘接薄膜(DAF)粘接在在衬底4上并且通过键合线与衬底4电连接。然后在下一步骤中，将MEMS结构2堆叠到ASIC 3上并且在此通过热压缩键合与ASIC 3机械地和电地连接。然后又实施上面提到的方法步骤1)至3)，以便使MEMS结构2填充以凝胶13。可选地，ASIC键合线15的键合脚同样可以通过微胶封而钝化来进一步提高MEMS传感器1的耐介质性能。如参照图1所述，然后使组件包(Package)2、3、4通过具有用于压力入口的孔14a的塑料或金属盖14封闭。
参照图3，首先将ASIC 3借助DAF、芯片粘接薄膜粘接在衬底4上并且通过键合线15与衬底4电连接。然后使ASIC 3和键合线15通过薄膜支持的模塑(FAM)过程以模塑物17模制。在此，在衬底4上释放在模塑物14中的腔26，随后将MEMS结构2布置在该腔中。如在图1中那样，在这里也通过回流焊接将MEMS结构2钎焊在衬底4上。在MEMS结构2和ASIC 3之间的电接触以及从ASIC 3至焊垫8的电接触又通过在衬底4上的布线实现。然后使MEMS结构2通过上述方法步骤1)至3)以凝胶13钝化。最后，使组件包2、3、4通过具有用于压力入口的孔14a的、扁平的塑料或金属盖14封闭。
图4示出根据本发明的实施方式的MEMS传感器的部分。
在图4中基本上示出由根据图2的MEMS结构2和ASIC元件3组成的组件包。相对于图1至3的实施方式，在图4中示出的MEMS结构2被键合到ASIC 3上，其中，该键合以晶片级实现，例如借助于共晶键合或另外的晶片至晶片方法，以便实现所谓的晶片级芯片级封装。借助于在MEMS结构2和ASIC元件3之间的键合连接部16能够实现MEMS结构2与ASIC3的电接触和机械固定。在此，MEMS结构2的框架10和ASIC 3的框架10‘这样构型，使得这些框架环绕地并且彼此对准地构造并且键合连接部完全封闭岛25的下侧和ASIC 3的上侧之间的腔22，从而防止随后以凝胶13经由入口11的填充物的流出。为了电接触，MEMS结构2和ASIC元件3均设有敷镀通孔9、19并且ASIC元件在它的下侧设有焊球20。
在晶片键合步骤之后，所形成的MEMS腔22以晶片级填充以凝胶。在此，MEMS结构2的整个内部容积以凝胶13经由入口11无气泡地充满，并且形成在MEMS结构2的上侧上的凝胶顶部包封24。为了简化MEMS传感器1随后的操作，顶部包封24可以这样实施，使得主动电结构(aktive elektrische Strukturen)9和压力传感器膜片12为了针对环境影响的钝化而完全由凝胶13覆盖，其中，在MEMS结构2的边缘处的操作框架27保持没有凝胶13。在这里，过程安全性可以通过将凝胶停止边缘18导入在MEMS结构2的上侧上来实现，例如通过平面的沟槽，所述沟槽禁止凝胶13流出到操作框架27上。然后可以通过机械切割使晶片分离。在此，MEMS结构2通过凝胶13保护以防止由切割颗粒和切割水添加物所引起的污染。替代地，倒转的过程流也是可能的，其中，首先使晶片分开，并且接着在最后的接收和布置步骤之前使MEMS结构2以晶片级填充以凝胶13。
因为在MEMS结构2和ASIC 3之间的电接触完全严密封闭地在键合框架10、10‘内部实施，这样制造的MEMS传感器1具有高耐介质性能。视目标应用而定，MEMS传感器1也可以与另外的第一级组件包(1st-Level-Package)组合，例如通过钎焊到在图1中示出的组件包的衬底4上。通过配属的盖14的合适设计，由此可以实现在安装时MEMS传感器1的操作以及与第二级组件包的优化适配，同时确保耐介质性能。替代地也可能的是，通过图1的MEMS传感器1借助钎焊直接集成到第二级组件包中，该第二级组件包又为了实现更高的耐介质性能而同样通过凝胶填充部钝化。
图5示出根据本发明的实施方式的方法的步骤。
在图5中示出用于制造MEMS传感器的方法。
在此，在第一步骤S1中提供MEMS结构，该MEMS结构具有用于MEMS结构中的空缺部的至少一个入口。
在此，在另外的步骤S2中将MEMS结构这样施加在载体结构上，使得通过MEMS结构的空缺部形成在载体结构和MEMS结构之间的腔，该腔可以通过至少一个入口加载以介质。
在此，在另外的步骤S3中密封MEMS结构和载体结构之间的中间空间，使得所述腔除了所述至少一个入口之外是密封的。
在此，在另外的步骤S4中通过所述至少一个入口使所述腔和所述至少一个入口填充以介质。
总结而言，本发明的实施方式中的至少一个实施方式具有下列优点中的至少一个：
·高传感器性能。
·高耐介质性能或针对环境影响的高抗性。
·成本有利的制造。
虽然本发明已参照优选实施例描述，但本发明不限制于此，而是能够以多种方式改型。
尤其可以应用具有压阻式和/或电容式功能层的MEMS结构的制造方法。

Claims (12)

1.用于制造MEMS传感器(1)的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供(S1)MEMS结构(2)，该MEMS结构具有用于在所述MEMS结构(2)中的空缺部(21)的至少一个入口，
-将所述MEMS结构(2)施加(S2)在载体结构(3、4)上，使得通过所述MEMS结构(2)的所述空缺部(21)形成在载体结构(3、4)和MEMS结构(2)之间的腔(22)，该腔能够通过所述至少一个入口(11)被加载以介质(13)，
-密封(S3)所述MEMS结构(2)和所述载体结构(3、4)之间的中间空间(23)，使得所述腔(22)除了所述至少一个入口(11)之外是密封的，并且
-通过所述至少一个入口(11)以介质(13)填充(S4)所述腔(22)和所述至少一个入口(11)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述MEMS结构(2)设有至少一个敷镀通孔以实现通过所述载体结构(3、4)的电接触。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述载体结构(3、4)以ASIC元件(3)的形式提供。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述ASIC元件(3)设有至少一个敷镀通孔以实现ASIC元件(3)和MEMS结构(2)的电接触。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，借助于钎焊、尤其借助于重熔钎焊将所述MEMS结构(2)和/或ASIC元件(3)固定在呈衬底(4)形式的所述载体结构上。
6.根据权利要求3或4所述的方法，其中，借助于粘接连接使MEMS结构(2)和ASIC元件(3)彼此固定。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述中间空间(23)的密封(S3)借助于注射方法、优选在使用压电泵分配器的情况下进行。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，通过所述介质(13)在所述MEMS结构(2)的表面上在背离所述腔(22)的一侧上形成顶部包封(24)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在所述MEMS结构(2)的表面上在背离所述腔(22)的一侧上布置有尤其呈沟槽形式的介质停止装置(18)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，MEMS结构(2)和载体结构(3、4)、尤其是ASIC元件(3)布置在壳体(14)中，尤其地，其中，所述壳体具有至少一个开口(14a)。
11.根据权利要求3所述的方法，其中，所述ASIC元件(3)被围入到模塑物(17)中。
12.MEMS传感器，该MEMS传感器根据权利要求1至11中任一项所述的方法制造，该MEMS传感器包括：
MEMS结构(2)，该MEMS结构具有空缺部(21)，其中，所述空缺部(21)具有至少一个入口(11)，
载体层(3、4)，
其中，所述MEMS结构(2)固定在所述载体层(3、4)上，使得通过所述MEMS结构(2)中的所述空缺部(21)形成在载体层(3、4)和MEMS结构(2)之间的中间空间(23)，
其中，布置有密封介质(7)，使得所述中间空间(23)形成腔(22)，该腔仅能够通过所述至少一个入口(11)被加载以介质(13)，其中，所述腔(22)通过尤其呈凝胶的形式的介质(13)填充。
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