CN114105084A - Mems共腔分膜的soc芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种MEMS共腔分膜的SOC芯片及其制备方法，其中，MEMS共腔分膜的SOC芯片包括第一芯片组件和第二芯片组件；所述第二芯片组件通过键合工艺固定在所述第一芯片组件的顶部，并且，所述第二芯片组件的功能部位与所述第一芯片组件的功能部位位置对应。本发明提供的MEMS共腔分膜的SOC芯片及其制备方法能够有效地降低现有的多芯片组合产品的整体体积，提升集成度。

Description

MEMS共腔分膜的SOC芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及电子器件技术领域，更为具体地，涉及一种MEMS共腔分膜的SOC芯片及其制备方法。

背景技术

随着消费类市场的快速繁荣，MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)传感器的市场规模得到了极大的提高，出现了消费类电子微型化、智能化、集成化的发展趋势，这种发展趋势要求包括整机、基板、封装、芯片等各个环节对器件布局进行重新设计以升级产品的堆叠方式。

伴随终端消费产品的多功能化、娱乐化、商务化等发展要求，以器件功能为导向，其搭载的传感器种类也越来越多，使本来空间比较狭小的消费类产品的有效空间更加局促。因此，多芯片组合方案成为提高空间利用率的主要手段，目前多芯片组合方式主要为SIP(System in Package)封装技术，然而，由于SIP封装方案主要采用多颗芯片通过封装堆叠的方式，因此，形成的产品的整体体积仍然较大，经常无法满足客户的需求。

基于上述技术问题，亟需一种能够进一步降低多芯片组合产品的整体体积的方法。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种能够有效降低多芯片组合产品的整体体积的MEMS共腔分膜的SOC芯片。

本发明提供的一种MEMS共腔分膜的SOC芯片，包括第一芯片组件和第二芯片组件；其中，

所述第二芯片组件通过键合工艺固定在所述第一芯片组件的顶部，并且，所述第二芯片组件的功能部位与所述第一芯片组件的功能部位位置对应。

此外，优选的方案是，所述第一芯片组件为麦克风芯片，所述第二芯片组件为加速度芯片；并且，

所述麦克风芯片的振膜与所述加速度芯片的质量块上下位置对应。

此外，优选的方案是，所述麦克风芯片包括第一衬底，所述振膜固定在所述第一衬底的顶部，在所述振膜的上方固定有背极板，所述加速度芯片通过键合工艺固定在所述背极板的顶部。

在所述振膜与所述背极板之间形成有振动腔。

此外，优选的方案是，所述加速度芯片包括固定在所述背极板的顶部的第二衬底，在所述第二衬底上连接有悬臂梁，所述质量块连接在所述悬臂梁远离所述第二衬底的一端，并且，在所述悬臂梁远离所述质量块的一端设置有电阻应变片。

此外，优选的方案是，所述振膜和所述背极板分别通过第一PAD引线自所述麦克风芯片的两侧引出，所述电阻应变片通过第二PAD引线自所述加速度芯片的一侧引出。

此外，优选的方案是，在所述第一衬底上开设有与所述振膜上下位置对应的外通腔，在所述第二衬底上开设有与所述质量块上下位置对应的导通腔；并且，

在所述振膜上开设有两端分别与所述外通腔以及所述振动腔连通的第一通孔，在所述背极板上开设有两端分别与所述导通腔以及所述振动腔连通的第二通孔。

另一方面，本发明还提供一种MEMS共腔分膜的SOC芯片制备方法，包括：

分别制作所述第一芯片组件和所述第二芯片组件；

为所述第一芯片组件制作第一PAD引线，并为所述第二芯片组件第二PAD引线；

通过键合工艺将所述第二芯片组件固定在所述第一芯片组件的顶部。

此外，优选的方案是，所述第一芯片为麦克风芯片，所述第二芯片为加速度芯片；并且，

制作所述麦克风芯片的过程包括：

制作第一衬底，并在所述第一衬底上制作振膜；

在所述振膜上制作绝缘介质层；

在所述绝缘介质层上制作背极板；并且，

制作所述加速度芯片的过程包括：

制作第二衬底，并所述第二衬底上制作悬臂梁；

在所述悬臂梁远离所述第二衬底的一端连接质量块；其中，在所述悬臂梁远离所述质量块的一端设置有电阻应变片。

此外，优选的方案是，MEMS共腔分膜的SOC芯片制备方法为所述第一芯片组件制作第一PAD引线的过程包括：

将所述振膜和所述背极板分别通过所述第一PAD引线自所述麦克风芯片的两侧引出；并且，

为所述第二芯片组件制作第二PAD引线的过程包括：

将所述电阻应变片通过第二PAD引线自所述加速度芯片的一侧引出。

此外，优选的方案是，所述MEMS共腔分膜的SOC芯片制备方法还包括：

在所述第一衬底上开设与所述振膜上下位置对应的外通腔，并在所述第二衬底上开设与所述质量块上下位置对应的导通腔；并且，

在通过键合工艺将所述加速度芯片固定在所述麦克风芯片的顶部的过程中：使所述麦克风芯片的振膜与所述加速度芯片的质量块上下位置对应。

和现有技术相比，上述根据本发明的MEMS共腔分膜的SOC芯片，有如下有益效果：

本发明提供的MEMS共腔分膜的SOC芯片，通过键合工艺将两个功能相关的芯片设计为一个MEMS共腔分膜的SOC芯片，能够最大限度地节省空间，提升空间利用率。具体地，本发明通过特殊的结构设计，利用MEMS麦克风芯片收集音频信号，然后在麦克风芯片的上表面通过键合工艺设计一款MEMS加速度芯片，通过该种设计，可以有效地实现在单颗芯片体积上同时采集音频信号和惯性信号，显著提升整个芯片的空间利用率。

在本发明中，充分考虑到背进音的麦克风传感器性能优于同原理正进音，所以本方案中底层麦克风采用背进音的方式，上层加速度芯片设计为质量块结构，四周采用镂空设计，可以有效降低音频传输阻隔，保证了麦克风的信号采集与灵敏度等参数。MEMS加速度传感器芯片设计采用压阻式原理，结合调理端惠斯通电桥电路，能够将加速度转变为模拟信号，整体设计结构简单，也从整体上降低了加速度芯片的制程难度，降低芯片整体尺寸的同时，保证了本发明中的SOC芯片具有低成本、一致性、高可靠性的生产优势。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的MEMS共腔分膜的SOC芯片的主视图；

图2为根据本发明实施例的麦克风芯片的初步加工后的结构图；

图3为根据本发明实施例的麦克风芯片在制作第一PAD引线时的结构图；

图4为根据本发明实施例的加速度芯片在制作第二PAD引线时的结构图；

图5为根据本发明实施例的MEMS共腔分膜的SOC芯片在进行键合工艺时的结构图。

附图标记：麦克风芯片1、第一衬底11、振膜12、绝缘介质层13、背极板14、第一PAD引线15、键合胶17、振动腔18、加速度传感器2、第二衬底21、质量块22、第二PAD引线23、电阻应变片24。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在详细介绍本发明提供的MEMS共腔分膜的SOC芯片之前，需要提前说明的是，SOC(System on Chip，片上系统芯片技术)意指一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。同时它又是一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并完成设计的整个过程。而本发明提供的MEMS共腔分膜的SOC芯片正是基于片上系统芯片技术设计出来的。

下面结合附图对本发明提供的MEMS共腔分膜的SOC芯片的结果及其制备方法的流程，进行详细说明。

图1为根据本发明实施例的MEMS共腔分膜的SOC芯片的主视图。

由图1可知，本发明提供的MEMS共腔分膜的SOC芯片至少包括第一芯片组件和第二芯片组件；其中，第一芯片组件需要与第二芯片组件的功能需要相互关联，以实现两者的功能联动。

具体地，为降低第一芯片组件和第二芯片组件的集成度，有效提升器件的空间利用率，第二芯片组件需要通过键合工艺固定在第一芯片组件的顶部，并且，第二芯片组件的功能部位与第一芯片组件的功能部位位置对应，以实现两者的功能联动。

需要说明的是，键合工艺是指通过化学和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其它材料紧密地结合起来的方法。硅片键合工艺往往与表面硅加工和体硅加工相结合，用在MEMS的加工工艺中。常见的硅片键合技术包括金硅共熔键合、硅/玻璃静电键合、硅/硅直接键合以及玻璃焊料烧结等。

需要说明的是，在实际设计过程中，第一芯片组件和第二芯片组件均可以为微电子领域的任何一种功能的芯片，只要满足第一功能芯片与第二功能芯片的功能联动即可，并且，也可以在第二芯片组件的顶部继续固定具有联动功能的第三芯片组件(以此类推)。在本发明的一个具体的实施方式中，第一芯片组件可以为麦克风芯片1，第二芯片组件可以为加速度芯片；并且，在将加速度芯片键合固定在麦克风芯片1顶部的后，麦克风芯片1的功能部位(主要是振膜12)与加速度芯片的功能部位(主要是质量块22)恰好上下位置对应。

更为具体地，麦克风芯片1包括第一衬底11(通常选用硅衬底)，振膜12需要固定在第一衬底11的顶部，在振膜12的上方固定有背极板14，加速度芯片通过键合工艺(可以使用键合胶17粘接的方式固定)固定在背极板14的顶部；并且，在振膜12与背极板14之间形成有振动腔18。

在实际使用过程中，麦克风芯片1的振膜12在振动腔18内振动，使得振膜12与背极板14之间的距离发生变化，从而实现麦克风芯片1的传声功能。

进一步地，加速度芯片包括固定在背极板14的顶部的第二衬底21(通常选用硅衬底)，在第二衬底21上连接有悬臂梁，质量块22连接在悬臂梁远离第二衬底21的一端，并且，在悬臂梁远离质量块22的一端设置有电阻应变片24。在实际使用过程中，当整个MEMS共腔分膜的SOC芯片移动产生加速度后停止时，悬臂梁上的电阻应变片24会发生弯曲，随着电阻应变片24的弯曲，其电阻值会发生变化，从而实现对整个MEMS共腔分膜的SOC芯片加速度的测量。

需要说明的是，由于麦克风芯片1的电性功能部件为振膜12和背极板14，而加速度芯片的功能部件为电阻应变片24，并且加速度芯片恰好固定在背极板14的顶部，为了能够在不增加整个MEMS共腔分膜的SOC芯片整体体积的前提下，实现振膜12和背极板14分别与外界器件的电性连接，可以将振膜12和背极板14分别通过第一PAD(焊盘)引线自麦克风芯片1的两侧引出，然后再与外界器件相连。

此外，又由于电阻应变片24设置在第二衬底21的顶部的悬臂梁上，为了能够在不增加整个MEMS共腔分膜的SOC芯片整体体积的前提下，实现电阻应变片24与外界器件的电性连接，可以将电阻应变片24通过第二PAD引线23自加速度芯片的一侧引出，然后再与外界器件相连。

需要说明的是，为了确保麦克风芯片1的传声效果，可以在第一衬底11远离振膜12的一端开设有与振膜12上下位置对应的外通腔，在第二衬底21上开设有与质量块22上下位置对应的导通腔；并且，在振膜12上开设有两端分别与外通腔以及振动腔18连通的第一通孔，在背极板14上开设有两端分别与导通腔以及振动腔18连通的第二通孔。通过这种设计，可以使外通腔、第一通道、振动腔18、第二通道以及导通腔共同形成一个空气通路，从而确保麦克风芯片1的传声效果。当然，通过这种设计导通腔不仅能够平衡整个MEMS共腔分膜的SOC芯片各位置的气压，并还能够为加速度传感器2提供振动空间(由导通腔提供)，从而显著提升加速度传感器2的测量精度。

另一方面，本发明还提供一种MEMS共腔分膜的SOC芯片制备方法，并且，图2示出了根据本发明实施例的麦克风芯片1的初步加工后的结构，图3示出了根据本发明实施例的麦克风芯片1在制作第一PAD引线15时的结构，图4示出了根据本发明实施例的加速度芯片在制作第二PAD引线23时的结构，图5示出了根据本发明实施例的MEMS共腔分膜的SOC芯片在进行键合工艺时的结构。结合图1至图5共同所示，发明提供的MEMS共腔分膜的SOC芯片制备方法包括：

分别制作第一芯片组件和第二芯片组件；

为第一芯片组件制作第一PAD引线15，并为第二芯片组件第二PAD引线23；

通过键合工艺将第二芯片组件固定在第一芯片组件的顶部，以形成如图1所示的MEMS共腔分膜的SOC芯片的结构。

具体地，第一芯片可以为麦克风芯片1，第二芯片可以为加速度芯片；并且，制作麦克风芯片1的过程包括：

制作第一衬底11，并在第一衬底11上制作振膜12；

在振膜12上制作绝缘介质层13；

在绝缘介质层13上制作背极板14。

此外，制作加速度芯片的过程包括：

制作第二衬底21，并第二衬底21上制作悬臂梁；

在悬臂梁远离第二衬底21的一端连接质量块22；其中，在悬臂梁远离质量块22的一端设置有电阻应变片24。

此外，优选的方案是，MEMS共腔分膜的SOC芯片制备方法为第一芯片组件制作第一PAD引线15的过程包括：

将振膜12和背极板14分别通过第一PAD引线15(两根)自麦克风芯片1的两侧引出，用于连接外界的其他电性部件。

并且，为第二芯片组件制作第二PAD引线23的过程包括：

将电阻应变片24通过第二PAD引线23自加速度芯片的一侧引出，用于连接外界的其他电性部件。

此外，优选的方案是，MEMS共腔分膜的SOC芯片制备方法还包括：

在第一衬底11上开设与振膜12上下位置对应的外通腔，并在第二衬底21上开设与质量块22上下位置对应的导通腔；并且，

在通过键合工艺将加速度芯片固定在麦克风芯片1的顶部的过程中：使麦克风芯片1的振膜12与加速度芯片的质量块22上下位置对应。

需要说明的是，通过这种设计，可以使外通腔、第一通道、振动腔18、第二通道以及导通腔共同形成一个空气通路，从而确保麦克风芯片1的传声效果。当然，通过这种设计导通腔不仅能够平衡整个MEMS共腔分膜的SOC芯片各位置的气压，并还能够为加速度传感器2提供振动空间(由导通腔提供)，从而显著提升加速度传感器2的测量精度。

如上参照图1至图5以示例的方式描述根据本发明的MEMS共腔分膜的SOC芯片。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的MEMS共腔分膜的SOC芯片，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (10)

1.一种MEMS共腔分膜的SOC芯片，其特征在于，包括第一芯片组件和第二芯片组件；其中，

所述第二芯片组件通过键合工艺固定在所述第一芯片组件的顶部，并且，所述第二芯片组件的功能部位与所述第一芯片组件的功能部位位置对应。

2.如权利要求1所述的MEMS共腔分膜的SOC芯片，其特征在于，

所述第一芯片组件为麦克风芯片，所述第二芯片组件为加速度芯片；并且，

所述麦克风芯片的振膜与所述加速度芯片的质量块上下位置对应。

3.如权利要求2所述的MEMS共腔分膜的SOC芯片，其特征在于，

所述麦克风芯片包括第一衬底，所述振膜固定在所述第一衬底的顶部，在所述振膜的上方固定有背极板，所述加速度芯片通过键合工艺固定在所述背极板的顶部；并且，

在所述振膜与所述背极板之间形成有振动腔。

4.如权利要求3所述的MEMS共腔分膜的SOC芯片，其特征在于，

所述加速度芯片包括固定在所述背极板的顶部的第二衬底，在所述第二衬底上连接有悬臂梁，所述质量块连接在所述悬臂梁远离所述第二衬底的一端，并且，在所述悬臂梁远离所述质量块的一端设置有电阻应变片。

5.如权利要求4所述的MEMS共腔分膜的SOC芯片，其特征在于，

所述振膜和所述背极板分别通过第一PAD引线自所述麦克风芯片的两侧引出，所述电阻应变片通过第二PAD引线自所述加速度芯片的一侧引出。

6.如权利要求5所述的MEMS共腔分膜的SOC芯片，其特征在于，

在所述第一衬底上开设有与所述振膜上下位置对应的外通腔，在所述第二衬底上开设有与所述质量块上下位置对应的导通腔；并且，

在所述振膜上开设有两端分别与所述外通腔以及所述振动腔连通的第一通孔，在所述背极板上开设有两端分别与所述导通腔以及所述振动腔连通的第二通孔。

7.一种MEMS共腔分膜的SOC芯片制备方法，其特征在于，包括：

分别制作所述第一芯片组件和所述第二芯片组件；

为所述第一芯片组件制作第一PAD引线，并为所述第二芯片组件第二PAD引线；

通过键合工艺将所述第二芯片组件固定在所述第一芯片组件的顶部。

8.如权利要求7所述的MEMS共腔分膜的SOC芯片制备方法，其特征在于，所述第一芯片为麦克风芯片，所述第二芯片为加速度芯片；并且，

制作所述麦克风芯片的过程包括：

制作第一衬底，并在所述第一衬底上制作振膜；

在所述振膜上制作绝缘介质层；

在所述绝缘介质层上制作背极板；并且，

制作所述加速度芯片的过程包括：

制作第二衬底，并所述第二衬底上制作悬臂梁；

在所述悬臂梁远离所述第二衬底的一端连接质量块；其中，在所述悬臂梁远离所述质量块的一端设置有电阻应变片。

9.如权利要求8所述的MEMS共腔分膜的SOC芯片制备方法，其特征在于，

为所述第一芯片组件制作第一PAD引线的过程包括：

将所述振膜和所述背极板分别通过所述第一PAD引线自所述麦克风芯片的两侧引出；并且，

为所述第二芯片组件制作第二PAD引线的过程包括：

将所述电阻应变片通过第二PAD引线自所述加速度芯片的一侧引出。

10.如权利要求8或9所述的MEMS共腔分膜的SOC芯片制备方法，其特征在于，还包括：

在所述第一衬底上开设与所述振膜上下位置对应的外通腔，并在所述第二衬底上开设与所述质量块上下位置对应的导通腔；并且，

在通过键合工艺将所述加速度芯片固定在所述麦克风芯片的顶部的过程中：使所述麦克风芯片的振膜与所述加速度芯片的质量块上下位置对应。

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