CN112840465A - Mems封装包 - Google Patents

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鸟俊孝
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Abstract

封装一个或多个微机电系统(MEMS)设备的电子组件的封装包气密密封使得可使用具有粗糙表面的框架。即，框架包围组件并且通过框架粘附层固定到基板的表面。封盖通过封盖粘附层固定至框架。框架粘附层和封盖粘附层各自包括在金属粘附层之间的焊料层。焊料层包括回流焊料球。该封装包使得基板与散热片直接接触。

Description

MEMS封装包
相关申请
本申请要求于2018年9月26日提交的美国临时申请专利62/737,084的优先权和权益，其全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及用于封装微机电系统(MEMS)装置的封装包。
背景技术
将具有一个或多个机械可移动元件的MEMS装置封装以确保封闭封装包内的气氛干燥，这是可取的。在一些情况下，无摩擦操作(例如，当机械可移动元件接触另一个表面(例如阻挡件)时)需要抗粘涂层。也可以包括冷却系统。可以满足这些要求的封装包是复杂的系统。
发明内容
微机电系统(MEMS)封装包，包括MEMS装置，所述MEMS装置包括基板，在所述基板上形成有电子电路；框架，所述框架包围所述电子电路，并通过框架粘附层固定在所述基板的表面上；和封盖，所述封盖通过封盖粘附层固定至所述框架。所述封盖将所述电子电路封装在所述框架内，其中，所述框架粘附层和所述封盖粘附层各自包括在至少两个金属粘附层之间的焊料层，所述焊料层包括回流焊料球。
下面参考附图描述本文所述的这些实施方式的细节，以及这些实施方式和其他实施方式的变型。
附图说明
结合附图并根据以下详细描述可以更好地理解本公开。要强调的是，根据惯例，附图的各个特征未按比例绘制。相反，为了清楚起见，各种特征的尺寸被任意地扩大或缩小。
图1是根据本文的教导的MEMS封装包的第一示例的侧视图。
图2是图1所示的MEMS封装包的透视图。
图3是制造根据本文的教导的MEMS封装包的焊接步骤的结果的图示。
图4是在图3的焊接步骤之后进行的回流步骤的结果的图示。
图5是图1所示的MEMS封装包的侧视图，示出了相对于投射透镜的反射光。
图6是根据本文的教导的MEMS封装包的第二示例的侧视图，示出了相对于投射透镜的反射光。
图7是图6所示的MEMS封装包的透视图。
图8是图1所示的MEMS装置的侧视图，其包括散热片。
图9是可被容纳在如本文所述的MEMS封装包内的MEMS装置的截面图。
详细说明
确保MEMS装置的封装包(在本文中也称为MEMS封装包)内部的气氛干燥的一种方式是利用气密密封。气密密封可以包括金属密封以避免挥发性有机化合物(VOC)。可以通过化学金属化或真空蒸发或溅射来施加用于金属密封的金属粘附层。密封表面的平整度应小于金属粘附层的厚度，以形成紧密的密封。然而，金属粘附层的厚度可以在5微米以下(例如1至2微米)。在金属粘附层的厚度以下获得平坦的密封表面是困难的，并且可能是昂贵的。根据本文的教导，本文所描述的MEMS封装包使得能够相对低成本地制造相对粗糙表面的气密密封。
图1是根据本文的教导的MEMS封装包1000的第一示例的侧视图，图2是图1的MEMS封装包1000的透视图。一般而言，MEMS装置的封盖1001、框架1003和半导体基板1010(在此也称为MEMS基板1010)被粘附层1002、1007气密密封以形成用于一个或多个电子电路的封装空间。封装空间可以充满N2或惰性气体。封装空间内的压力可能低于一个大气压(atm)。
MEMS装置1009形成在MEMS基板1010之上，MEMS基板1010可以是支撑MEMS装置1009的一个或多个驱动电路的互补金属氧化物半导体(CMOS)基板。MEMS装置1009可以包括形成显示器的MEMS装置阵列。由于可能的实现方式的数量以及各个组件的相对尺寸的原因，因此在图1中未详细示出MEMS装置1009。可以参考图9的MEMS装置101来描述MEMS装置1009示例。
MEMS装置101包括基板111。在基板111上形成至少一个电子电路，在该示例中，至少一个电子电路是一个或多个晶体管116、117。电介质中间层112、113、114形成在基板111上。即，电介质中间层112形成在基板111和电子电路的一部分(在此为晶体管116、117)上。电介质中间层113形成在电介质中间层112上，电介质中间层114形成在电介质中间层113上。可以结合更多或更少的电介质中间层。电介质中间层在本文中也可以称为绝缘层。止蚀层115形成在离基板最远的(例如，顶部)电介质中间层114上。至少所述基板的所述表面包括氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2SO3)、硅或二氧化铪(HfO2)。
MEMS装置101具有金属层136、137、138、139、140、141和电极121、122、123用于在电介质中间层112、113、114之间的电气布线。此外，MEMS装置101具有连接电气布线和电极的通孔127、128、129、130、131、132、133、134、135。更一般而言，MEMS装置101可包括一个或多个电极，其安装在止蚀层115上，以通过金属层和使用电介质中间层绝缘的通孔与MEMS装置101的一个或多个电子电路电连接。根据本文教导的MEMS装置的电极、金属层和通孔的数量可以基于MEMS装置101内的电子电路及其在其中的布置而变化。
如图1所示，通孔127提供从形成在止蚀层115上的电极121穿过电介质中间层114到形成在电介质中间层114上的金属层136的导电路径。通孔128提供从形成在电介质中间层114上的金属层136穿过电介质中间层113到形成在电介质中间层112上的金属层137的导电路径。通孔129提供从形成在电介质中间层112上的金属层137穿过电介质中间层112到基板111的导电路径。通过通孔127、128、129和金属层136、137，电极121可以通过基板111、电介质中间层113和电介质中间层114上的触点电连线或电连接到电子电路。
以类似的方式，通孔130提供从形成在止蚀层115上的电极122穿过电介质中间层114到形成在电介质中间层114上的金属层138的导电路径。通孔131提供从形成在电介质中间层114上的金属层138穿过电介质中间层113到形成在电介质中间层112上的金属层139的导电路径。通孔132提供从形成在电介质中间层112上的金属层139穿过电介质中间层112到基板111的导电路径。通过通孔130、131、132和金属层138、139，电极122可以通过基板111、电介质中间层113和电介质中间层114上的触点电连线或电连接到电子电路。
图1中根据电极123连接到一个或多个晶体管116、117的触点示出了电极与电子电路的连接。通孔133提供从形成在止蚀层115上的电极123穿过电介质中间层114到形成在电介质中间层114上的金属层140的导电路径。通孔134提供从形成在电介质中间层114上的金属层140穿过电介质中间层113到形成在电介质中间层112上的金属层141的导电路径。通孔135提供从形成在电介质中间层112上的金属层141穿过电介质中间层112到一个或多个晶体管116、117的触点的导电路径。通过通孔133、134、135和金属层140、141，电极123可以通过电介质中间层113和电介质中间层114上的触点电连线或电连接到电子电路。
此外，MEMS装置101具有铰链152，该铰链152直接形成在电极122上或形成在安装在电极122上的附加导电支撑结构上，其中每个附图中示例性地示出的导电支撑件可以由与电极122相同的材料形成。MEMS装置101具有反射镜元件151，该反射镜元件151形成在铰链152的上侧。在该实施例中，反射镜元件151是可结合到MEMS装置中的可移动元件。同时，机械阻挡件153、154形成在铰链152的底部。所示的机械止动件153、154是由与铰链152相同的材料形成的单件，其平行于镜元件151的默认或未激发位置延伸，其又与基板111及其层的安装表面平行。
基板111可以由单晶硅或其他某些基板材料构成。在该示例中，晶体管116和117是CMOS晶体管，但是其他电子电路也可以。电介质中间层112、113、114是层间绝缘膜或层，包括二氧化硅(SiO2)或另一种合适的绝缘材料。
金属层136、137、138、139、140、141例如由铝(Al)、铜(Cu)或铝铜合金(Al-Cu)制成。
电极121、122、123由钨(W)或与通孔相同的材料制成。每个通孔127、128、129、130、131、131、132、133、134、135形成为贯孔，该贯孔延伸穿过MEMS装置101的至少一个层并填充有导电材料，在此示例中为钨(W)。另外，在制造期间在通孔127、130、133与止蚀层115之间形成间隙124、125和126，这会产生问题，因为随后使用的蚀刻剂可能会穿透这些间隙并损坏该结构。为了减轻该问题，假设通孔127的半径为r，那么期望电极121覆盖止蚀层115的距离x是r的两倍以上。对于安装在止蚀层上的每个电极，同样期望穿过止蚀层的通孔的半径r与安装在止蚀层上的电极的长度或距离x之间存在相同的关系。
在本文中的结构中，电极(例如电极122)安装在止蚀层(例如止蚀层115)上，该关系在上面被描述为电极覆盖止蚀层的距离x是r的两倍以上。可将电极描述为沿着其安装表面具有至少两倍于与其电气连接的通孔半径的长度、大小或尺寸(例如，长度、宽度或半径)。
例如，期望覆盖止蚀层115的电极121、122、123的尺寸大小是与每个电极连接的通孔的半径的两倍以上。这防止了蒸气蚀刻剂(i)穿透电极121、122、123和止蚀层115，以及(ii)通过间隙123、125、126侵蚀电介质中间层114。
铰链152是支撑反射镜元件151的可变形构件。例如，铰链152由诸如非晶硅或多晶硅的材料制成。
反射镜元件151是能够反射来自光源的光的元件。反射镜元件151可以具有由钛(Ti)、W等构成的支撑层，以及由反射率良好的材料(例如Al、金(Au)或银(Ag)或其任意组合)构成的反射镜层，或者它们的任意组合。
反射镜元件151静电吸引到电极123，并且铰链152由于反射镜元件151变形至ON位置而倾斜。这可能是由于形成在基板111上的电子电路(例如，晶体管116、117)或通常安装在其他位置的电压源在可移动元件(例如，反射镜元件151)与电极123之间施加电压而导致的。该电压引起吸引力。反射镜元件151通过与止动件153接触，可防止与未被绝缘层覆盖的电极123接触。也就是说，机械止动件153、154安装在电极121、123上方的某一高度处，并具有某一尺寸(例如长度)，足以防止铰链152变形导致反射镜元件151倾斜以接触电极123。例如，机械止动件153、154的长度允许在反射镜元件151倾斜时与反射镜元件151接触，以防止反射镜元件151与MEMS装置的其他部分接触。铰链152变形防止导致反射镜元件151与电极123接触。因此，可以防止电短路。在该示例中，由于机械止动件153、154由与铰链152相同的材料形成，因此也可能会发生轻微变形，但是这种变形可以忽略，或者可以在确定机械止动件153、154的长度和安装高度时考虑。在没有施加电压的情况下，铰链152返回到图9所示的反射镜元件151的OFF位置。
图9示出了具有单个可移动元件的单个MEMS装置101，作为可被封装在MEMS封装包1000内的MEMS装置的示例，其中基板111对应于图1的基板1010。然而，本文描述的MEMS装置可包括多个可移动元件。例如，在可移动元件是反射镜使MEMS装置用于显示器的情况下，MEMS装置1009可以包括许多(例如，数百万个)反射镜，并且它们的电连接类似于布置在一个或多个互连基板111上的阵列中的MEMS装置101的结构。
此外，可以将MEMS装置101的不同实施例结合到MEMS装置1009中。例如，止蚀层115可以可选地形成在电极121、122、123上方，而不是在电极121、122、123下方。由于可以通过与止蚀层115接触来限制由铰链152的变形引起的反射镜元件151的倾斜，因此可以省略图9所示的机械止动件153、154，该止蚀层115是由可以防止电短路的AlN或氧化铝(Al2O3)构成的绝缘膜。在包括机械止动件的情况下，它们可以具有与机械止动件153、154不同的形式、数量和布置。例如，一个或多个止动件可以从基板111的顶表面垂直延伸穿过止蚀层115某一高度，以在铰链152变形时防止反射镜元件151与电极、止蚀层115或两者接触。
MEMS装置1009可以包括MEMS装置的阵列，其全部具有相同的结构或具有不同结构的组合，如MEMS装置101。
参照图1和图2，框架1003包括至少一个壁，该壁包围MEMS装置1009并且通过粘附层1007密封至MEMS装置1009的MEMS基板1010。一条或多条吸湿材料带(在本文中称为吸气剂1008)可以沉积在MEMS基板1010的表面上。吸气剂1008可以与MEMS装置1009间隔开。吸湿材料可以包括磷灰石、沸石、氧化钙、碳酸钙、二氧化钛、二氧化锆、氧化钇、金属有机框架或硅胶中的至少一种。
如图2的示例所示，框架1003可以包括矩形管。框架1003可包括方管、圆柱体或任何其他形状，其尺寸(例如宽度)足以包围MEMS装置1009和吸气剂1008(如果存在的话)。例如，框架1003可以是大约20mm×16mm。框架1003的壁至少足够高，以使得在MEMS装置1009的任何操作阶段期间，MEMS装置1009的任何部件都不与封盖1001接触。例如，在MEMS装置包括MEMS装置101阵列的情况下，框架1003的壁足够高，以使得当反射镜元件151倾斜到ON状态或位置时，反射镜元件151的边缘不接触封盖1001。该高度可以是至少5微米，更优选地是10微米以上。
封盖1001可以由透明或半透明的材料制成。在一些实施方式中，封盖1001包括玻璃，可以是强化玻璃。玻璃可能会吸收紫外线(UV)。玻璃可以涂覆有抗反射层，该抗反射层具有至少在400nm至700nm波长之间的最小反射。该玻璃可以涂覆有红外(IR)和紫外(UV)光反射层。封盖1001可以是平板。在一些实施方式中，封盖1001的厚度可以为大约1mm。封盖1001的形状可以与框架1003的形状一致。例如，封盖1001可以具有矩形、正方形、圆形或任何其他形状。封盖1001的尺寸可以足以覆盖框架1003的整个顶部开口，并提供用于使用粘附层1002与框架1003密封的边缘。封盖1001的外部尺寸可大于框架1003的外部尺寸。框架1003的材料的唯一要求是其强度足以支撑封盖1001并且具有足以为封盖1001和MEMS基板1010提供密封表面的宽度。然而，期望的是，框架1003由具有与封盖1001相似的热膨胀系数的材料制成，以形成并保持紧密的密封。因此，在封盖1001由玻璃形成的示例中，框架1003可以由金属或金属合金(例如可伐合金)形成。框架1003还可以包括玻璃或含镍重量比大于20％的钢，或者这些材料的某种组合。关于框架1003的宽度，其应当至少与如下所述的待施加的焊料一样宽，在一个示例中，宽度为大约200至300微米。
MEMS装置1009的电子电路(例如，CMOS)的多个垫片1005位于框架1003的外部。因此，垫片1005位于密封的外部。虽然在图1和图2中被示出为直接固定到MEMS基板1010，但是垫片1005也可以通过插座连接或直接焊接到具有焊料凸块1004的PC板或柔性PC板上。焊料凸块1004以及下文所述的焊料凸可以由包括以下至少一种的合金形成：Au、Sn、InSn或In。多个垫片1005可以耦合到安装在MEMS基板1010上的迹线，并且可以耦合到MEMS封装包1000外部的电压源和/或电流源以控制电子电路。例如，在MEMS装置1009是包括MEMS装置101的MEMS阵列的情况下，迹线可以在MEMS基板的表面上形成阵列，用于发送信号通知各个MEMS装置101中的晶体管116、117。多个垫片1005可以耦合到迹线和MEMS封装包1000外部的电压源以在反射镜元件151与电极之间施加电压。
图3和图4示出了根据本文的教导的MEMS封装包的一些制造步骤。具体地，示出了粘附层1007的形成。粘附层1002、1007各自包括至少三层，其中包括将焊料层夹在中间的至少两个金属粘附层。
图3是制造根据本文的教导的MEMS封装包(例如MEMS封装包1000)的焊接步骤的结果的图示。具体地，金属粘附层3002被应用于待封装的MEMS装置的MEMS基板3001。金属粘附层3002符合框架(例如框架1003)的壁的形状。在该示例中，金属粘附层3002形成矩形的轮廓。可以通过化学金属化或真空蒸发或溅射来施加金属粘附层3002。金属粘附层3002的厚度可以在5微米以下(例如1至2微米)。此后，焊接步骤施加焊料球以在金属粘附层3002的表面上形成焊料凸块3003。例如，可以通过喷墨打印机的喷雾来施加焊料球。在该示例中，产生的焊料凸块3003的厚度可以为约50至100微米。其他厚度也是可能的。
图4是制造MEMS封装包的回流步骤的结果的图示。回流步骤在焊接步骤之后进行。即，图3的焊料凸块3003通过加热(例如，熔化)回流以形成焊料层4003。焊料层4003理想地是平坦且连续的。在一示例中，焊料层4003的厚度超过5微米。在其他示例中，焊料层4003更厚，例如厚度为几十微米。在回流之后，例如，焊料层4003的厚度可以在10至30微米之间。
在回流步骤之后，可以将另一金属粘附层施加到焊料层4003和下面的金属粘附层3002的任何暴露部分。然后可以将框架(例如框架1003)安装在相对较厚的粘附层上以将框架密封至MEMS基板3001。将封盖密封至框架的粘附层可以以相同的方式形成。例如，可以通过以与金属粘附层3002相同的方式施加第一金属粘附层而将粘附层1002形成在框架1003的面向顶部的边缘(即，背离MEMS基板1010的边缘)的顶部，然后进行如图3所述的焊接步骤。所得的焊料凸块可被回流以形成粘附层1002的焊料层。最后，可以施加第二金属粘附层以最终完成粘附层1002。然后可以将封盖安装在相对较厚的粘附层上，以将封盖固定至框架。
在一些情况下，粘附层1002、1007的第一金属层和第二金属层各自本身可以由分离的层形成。不管包括多少层，应仔细选择金属粘附层和形成粘附层1002、1007的焊料层的材料，以使它们牢固地粘附到将要接触的材料上。焊料可以是金合金，例如共晶金锡(AuSn)。粘附层1002、1007的第一金属层和第二金属层各自可以由Ti、镍(Ni)、铂(Pt)、Au、铬(Cr)或这些材料的任意组合制成。在一个实施方式中，第一金属层、第二金属层或两者可以由两层或三层形成。例如，当由两层形成时，第一层可以包含Cr，第二层可以包含Au。如此形成的第一金属层、第二金属层或两者，在本文中可被称为由Cr/Au制成。
当粘附层1002由三层形成时，第一层可以由与封盖1001的材料(其中封盖1001由玻璃制成，例如Ti)具有良好粘附性的材料形成，第三层可以由与焊料层4003的材料具有良好粘附性的材料(例如Au)形成，而第二层可以由与第一层和第三层的材料具有良好粘附性的材料形成，例如Pt。由此形成的第一金属层、第二金属层或两者，在本文中可以被称为由Ti/Pt/Au制成。
虽然粘附层1007的材料和结构可以与粘附层1002的材料和结构相同，但是在某些封装包中，粘附层1007的材料可以与粘附层1002不同。粘附层1007可以由于在MEMS基板1010、3001的表面上的材料而不同。例如，在粘附层1007由三层形成的情况下，与MEMS基板1010、3001相邻的层可以不同。如果MEMS基板1010、3001的表面是AlN、Al2O3或硅，则相邻层可以由Ti形成。粘附层1007的第一金属层、粘附层1007的第二金属层或两者可以由Ti/Pt/Au制成，其与上述粘附层1002的三层示例的各层相同。
所描述的MEMS封装包1000的结构在金属粘附层的顶部使用相对较厚的焊料层，该金属粘附层被另一金属粘附层夹在中间。这种结构使得能够相对低成本地制造相对粗糙表面的气密密封。该结构还通过包含至少两个金属粘附层来去除VOC。
尽管MEMS封装包1000的结构具有显着的益处，但是根据本文的教导的替代结构是可能的。例如，替代性结构可以首先参考图5。图5示出了用作MEMS显示器的MEMS封装包1000，其通过投射透镜5013将图像投射到屏幕。在这种布置中，封盖1001的表面平行于基板1010。
入射光束5011投射到安装在MEMS封装包1010内的MEMS装置1009的表面上。在该示例中，MEMS装置1009包括像素阵列。所产生的反射图像(例如，由于反射镜元件151的切换)沿着箭头5014的方向传送。MEMS装置1009还使入射光束5011的一部分在箭头5015的方向上偏转。到达MEMS设备1009的表面时，入射光束5011投射到封盖1001上。封盖1001虽然可以是透明的，但通常会沿箭头5012的方向反射一部分入射光。即使当表面涂覆有一层或多层抗反射层时也会发生这种情况。例如，即使使用抗反射层，反射率也可以在0.3％至0.6％的范围内。这会降低图像的对比度。一些制造商声称对比度为10000:1，甚至20000:1。如果被反射的0.3％入射光全部进入投射透镜5013，则对比度可以降低到300:1。
图6是根据本文的教导的MEMS封装包6000的第二示例的侧视图，其可以减少由封盖6001引起的不想要的光反射，图7是图6所示的MEMS封装包6000的透视图。MEMS封装包6000可以在结构上与MEMS封装包1000基本相似。
即，封盖6001、框架6003和MEMS装置的半导体基板6010(在本文中也称为MEMS基板6010)被粘附层6002、6007气密密封。封盖6001可以包括与封盖1001相同的结构和材料，粘附层6002、6007可以包括与粘附层1002、1007相同的结构和材料。框架6003可以包括基本上类似于框架1003的结构，以下将进一步详细讨论。
MEMS装置6009形成在MEMS基板6010之上，MEMS基板6010可以是支撑MEMS装置6009的一个或多个驱动电路的CMOS基板。MEMS基板6010可以包括与MEMS基板1010相同的结构和材料。MEMS装置6009可包括一个MEMS装置或MEMS装置阵列，例如以上参照图9的MEMS装置101示例和图1的MEMS装置1009示例。
可以在框架6003内的MEMS基板6010的表面上沉积一条或多条吸湿材料条(在本文中也称为吸气剂6008)，以使吸气剂6008被MEMS装置6009气密密封。吸气剂6008可以包括与吸气剂1008相同的结构和材料。
MEMS装置6009的电子电路(例如，CMOS)的多个垫片6005使用相应的焊料凸块6004直接固定到框架6003外部的MEMS基板6010上。垫片6005和焊料凸块6004可以分别具有与垫片1005和焊料凸块1004相同的结构和材料。也就是说，例如，垫片6005可以通过插座连接或者可以利用焊料凸块6004直接焊接到PC板或柔性PC板上。多个垫片6005可以耦合到安装在MEMS基板6010上的迹线，并且可以耦合到MEMS封装包6000外部的电压源和/或电流源以采用与MEMS封装包1000相似的方式控制电子电路。
与框架1003一样，框架6003包括包围MEMS装置6009的至少一个壁和可选的吸气剂6008，其通过粘附层6007被密封至MEMS装置6009的MEMS基板6010，通过粘附层6002被密封至封盖6001。框架6003可以包括方管、圆柱体或任何其他形状，其尺寸(例如宽度)足以包围MEMS装置6009和吸气剂6008(如果存在的话)。框架6003的壁至少足够高，以使得在MEMS装置6009的任何操作阶段期间，MEMS装置6009的任何部件都不与封盖6001接触。例如，在MEMS装置包括如图9中所描述的MEMS装置101的阵列的情况下，框架6003的壁具有最小高度，使得当反射镜元件151倾斜到ON状态或位置时，反射镜元件151的边缘不接触封盖6001。
与框架1003不同，框架6003不在MEMS基板的表面上方延伸至相同的高度，从而使封盖平行于该表面安装。参照图6和图7，可以看到这种差异，其中MEMS封装包6000的框架6003的示例包括矩形管。矩形管包括处于最小高度的第一边缘，处于最大高度的相对的第二边缘以及在第一边缘和第二边缘之间延伸的倾斜的相对边缘。
如图5所示，MEMS封装包6000可以用作通过投射透镜6013将图像投射到屏幕的MEMS显示器。入射光束6011被投射到安装在MEMS封装包6010内的MEMS装置6009的表面上。在该示例中，MEMS装置6009包括像素阵列。例如，如像素阵列可以包括多个反射镜元件151及其相关联的电子器件，图9所描述的MEMS装置101。由于反射镜元件151在ON和OFF位置之间的切换而产生的反射图像沿着箭头6014的方向传送。MEMS装置6009仍然使入射光束6011的一部分在箭头6015的方向上偏转。
到达MEMS装置6009的表面时，入射光束6011投射到封盖6001上。封盖6001与封盖1001类似，通常沿箭头6012的方向反射一部分入射光。然而，在该示例中，箭头6012的方向不同于图5中的箭头5012的方向，这是因为封盖6001的角度(例如，坡度、倾斜度等)。具体地，封盖6001的倾斜角度使反射光被引导更远离投射透镜6013。即，大部分的反射光被引导远离投射透镜6013。与某些实施方式中的MEMS封装包1000相比，这提高了对比度。
封盖6001在平行上方的倾斜角或倾斜度以及框架6003的尺寸可以取决于MEMS装置6009的结构。例如，在MEMS装置6009使用MEMS装置101阵列的实施方式中，封盖6001可以倾斜成与反射镜元件151的倾斜角一样大，但是沿相反的方向。参照图6和图9，如果定向成如图9所示的MEMS装置101以图6中所示的方向安装在MEMS封装包6000内，则反射镜元件151的ON位置是反射镜元件151与止动件153、154之一接触的位置。在该示例中，反射镜元件151的倾斜朝向图6的右侧向下延伸，在ON位置与止动件153接触。因此，封盖6001的倾斜方向为图6的左侧。封盖相对于基板的表面倾斜超过5度是可取的。
图8示出了根据本文的教导的MEMS封装包的另一变型。MEMS装置的常规封装包可能难以冷却。例如，这种封装包通常包括陶瓷基板，用于在硅MEMS芯片与印刷电路板(PCB)之间进行连接，以控制MEMS芯片的电子器件。具有内部电路的陶瓷基板通常很昂贵。此外，其热导率不如金属。本文所述的MEMS封装包可减少成本并通过此类设计提高导热性。
在图8所示的示例中，导热粘附剂8002将散热片8004固定至MEMS基板1010。这是直接附接到MEMS基板10的背面。背面也可以称为与MEMS基板1010的顶表面(例如，安装表面)或底表面相对的一侧。顶表面是MEMS基板1010面向封盖1001的表面。因为封盖1001和框架1003直接密封至MEMS基板1010，所以直接附接散热片8004是可能的，因为用于电连接的垫片1005暴露于气密密封的外部。这种结构使得MEMS装置1009与散热片8004直接接触。这确保了比具有陶瓷基板的封装包更高的热流。
尽管图8示出了散热片8004附接到MEMS基板1010作为MEMS封装包1000的一部分，但是散热片8004也可以附接到根据本文教导的MEMS封装包的任何示例。例如，导热粘附剂8002可以将散热片8004固定到MEMS基板6010。
尽管已经根据某些实施例描述了本发明，但是应该理解，这样的公开不应该被解释为限制性的。在阅读本公开之后，各种改变和修改对于本领域技术人员将变得显而易见。因此，所附权利要求书应当解释为覆盖落入其范围内的所有替换和修改。

Claims (20)

1.一种微机电系统(MEMS)封装包，包括：
MEMS装置，所述MEMS装置包括基板，在所述基板上形成有电子电路；
框架，所述框架包围所述电子电路，并通过框架粘附层固定在所述基板的表面上；和
封盖，所述封盖通过封盖粘附层固定至所述框架，所述封盖将所述电子电路封装在所述框架内，其中，所述框架粘附层和所述封盖粘附层各自包括在至少两个金属粘附层之间的焊料层，所述焊料层包括回流焊料球。
2.根据权利要求1所述的MEMS封装包，还包括：
吸湿材料层，所述吸湿材料层安装在所述基板上并由所述电子电路封装。
3.根据权利要求1或2所述的MEMS封装包，还包括：
垫片，所述垫片电连接到所述电子电路并安装在所述框架的外部。
4.根据权利要求1或2所述的MEMS封装包，其中，所述MEMS装置包括MEMS装置的阵列，每个MEMS装置包括：
在所述基板上的电子电路；
电连接到所述电子电路的电极；和
可移动元件，通过在所述电极和所述可移动元件之间施加电压来控制所述可移动元件。
5.根据权利要求1所述的MEMS封装包，其中，所述封盖包括吸收紫外线的玻璃。
6.根据权利要求1或5所述的MEMS封装包，其中，所述框架包括玻璃、可伐合金、含镍重量比大于20％的钢或其任意组合。
7.根据权利要求1或5所述的MEMS封装包，其中，至少所述基板的所述表面包括AlN、Al2SO3、硅或HfO2或其任意组合。
8.根据权利要求1或2所述的MEMS封装包，其中，每个所述金属粘附层包括Ti、Ni、Pt、Au、Cr或其某种组合。
9.根据权利要求8所述的MEMS封装包，其中，至少一些所述金属粘附层包括三层，第一层为Ti，第二层为Pt，第三层为Au。
10.根据权利要求1或2所述的MEMS封装包，其中，所述焊料层的厚度大于5微米。
11.根据权利要求10所述的MEMS封装包，其中，所述焊料层由包括Au、Sn、InSn或In中的至少一种的合金形成。
12.根据权利要求1或2所述的MEMS封装包，其中，所述焊料层通过喷涂焊料球并且随后使所述焊料球回流而形成。
13.根据权利要求12所述的MEMS封装包，其中，所述焊料球的高度大于50微米。
14.根据权利要求1或2所述的MEMS封装包，其中，所述封盖包括涂覆有抗反射层的玻璃，所述抗反射层具有至少在400nm至700nm波长之间的最小反射。
15.根据权利要求1或2所述的MEMS封装包，其中，所述封盖包括涂覆有红外和紫外光反射层的玻璃。
16.根据权利要求2所述的MEMS封装包，其中，所述吸湿材料包括磷灰石、沸石、氧化钙、碳酸钙、二氧化钛、二氧化锆、氧化钇、金属有机框架或硅胶中的至少一种。
17.根据权利要求1或2所述的MEMS封装包，其中，所述封盖、所述框架和所述基板形成封装空间，在所述封装空间内填充有N2、惰性气体或两者。
18.根据权利要求17所述的MEMS封装包，其中，所述封装空间内的压力低于1atm。
19.根据权利要求1或2所述的MEMS封装包，还包括：固定在所述基板的底面上的散热片。
20.根据权利要求1或2所述的MEMS封装包，其中，所述封盖相对于所述基板的表面倾斜超过5度。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023199375A1 (ja) * 2022-04-11 2023-10-19 三菱電機株式会社 中空パッケージ

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006085825A1 (en) * 2005-02-08 2006-08-17 Altus Technologies Pte. Ltd. A packaging method for mems devices, and mems packages produced using the method
US20080218844A1 (en) * 2004-08-14 2008-09-11 Fusao Ishii MEMS devices with an etch stop layer
CN101746706A (zh) * 2009-10-16 2010-06-23 华中科技大学 Mems圆片级真空封装横向互连结构及其制造方法
CN102169229A (zh) * 2004-09-27 2011-08-31 高通Mems科技公司 用于封装一mems装置的方法及系统
CN102351141A (zh) * 2011-11-01 2012-02-15 北京大学 一种mems器件的圆片级真空封装方法
CN102757010A (zh) * 2011-04-20 2012-10-31 特罗尼克斯微系统有限公司 微机电系统(mems)装置
CN103224218A (zh) * 2013-04-12 2013-07-31 华中科技大学 一种mems器件的封装方法
US20140268300A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Fusao Ishii Packages of MEMS
CN104582430A (zh) * 2013-10-29 2015-04-29 德尔福技术有限公司 具有附连到散热器的焊料球体的电气组件

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4360582B2 (ja) 2000-10-31 2009-11-11 京セラ株式会社 デジタルマイクロミラーデバイス収納用パッケージ
US6627814B1 (en) * 2002-03-22 2003-09-30 David H. Stark Hermetically sealed micro-device package with window
US6661090B1 (en) * 2002-05-17 2003-12-09 Silicon Light Machines, Inc. Metal adhesion layer in an integrated circuit package
US6903860B2 (en) 2003-11-01 2005-06-07 Fusao Ishii Vacuum packaged micromirror arrays and methods of manufacturing the same
US8194305B2 (en) * 2003-11-01 2012-06-05 Silicon Quest Kabushiki-Kaisha Package for micromirror device
US20050173812A1 (en) 2004-02-06 2005-08-11 Howard Morgenstern Microsystem enclosure and method of hermetic sealing
JP4550653B2 (ja) 2005-04-15 2010-09-22 富士通株式会社 マイクロ可動素子および光スイッチング装置
US20070190747A1 (en) * 2006-01-23 2007-08-16 Tessera Technologies Hungary Kft. Wafer level packaging to lidded chips
JP2008182103A (ja) * 2007-01-25 2008-08-07 Olympus Corp 気密封止パッケージ
WO2008108413A1 (ja) 2007-03-05 2008-09-12 Kyocera Corporation 微小構造体装置および微小構造体装置の製造方法
TWI544580B (zh) * 2015-05-01 2016-08-01 頎邦科技股份有限公司 具中空腔室之半導體封裝製程
US10315915B2 (en) 2015-07-02 2019-06-11 Kionix, Inc. Electronic systems with through-substrate interconnects and MEMS device
EP3580166A4 (en) 2017-02-09 2020-09-02 Invensas Bonding Technologies, Inc. RELATED STRUCTURES
US10167191B2 (en) * 2017-04-04 2019-01-01 Kionix, Inc. Method for manufacturing a micro electro-mechanical system
US10678046B2 (en) * 2018-03-21 2020-06-09 Infineon Technologies Ag Packages for microelectromechanical system (MEMS) mirror and methods of manufacturing the same

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080218844A1 (en) * 2004-08-14 2008-09-11 Fusao Ishii MEMS devices with an etch stop layer
CN102169229A (zh) * 2004-09-27 2011-08-31 高通Mems科技公司 用于封装一mems装置的方法及系统
WO2006085825A1 (en) * 2005-02-08 2006-08-17 Altus Technologies Pte. Ltd. A packaging method for mems devices, and mems packages produced using the method
CN101746706A (zh) * 2009-10-16 2010-06-23 华中科技大学 Mems圆片级真空封装横向互连结构及其制造方法
CN102757010A (zh) * 2011-04-20 2012-10-31 特罗尼克斯微系统有限公司 微机电系统(mems)装置
CN102351141A (zh) * 2011-11-01 2012-02-15 北京大学 一种mems器件的圆片级真空封装方法
US20140268300A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Fusao Ishii Packages of MEMS
CN103224218A (zh) * 2013-04-12 2013-07-31 华中科技大学 一种mems器件的封装方法
CN104582430A (zh) * 2013-10-29 2015-04-29 德尔福技术有限公司 具有附连到散热器的焊料球体的电气组件

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