CN202705026U - 具有mems器件的装置 - Google Patents

Abstract

具有MEMS器件的装置。提出一种装置和用于具有至少一个MEMS器件的装置的制造方法，所述装置包括封装，该封装密封地包围MEMS器件并且相对于环境影响密封。该封装作为密封体包括借助于功能组聚合的全氟聚醚构成的PFPE层。

Description

具有MEMS器件的装置

背景技术

MEMS器件（MEMS=微机电系统）必须被保护免受机械和其他环境影响并且为此需要一种特别形式的封装，在该封装中，微机械机构优选布置在空腔中，从而实现在移动的或振动的结构运行期间的不受干扰的功能。

作为附加的要求，MEMS器件可能需要一种密封的封装，该封装尤其是相对于气体和潮气是密封的。

已知用于制造空腔壳体的不同技术，这些技术证实了不同的优点和缺点。在新一代的所谓CSP封装（CSP=芯片尺寸的封装）中，具有MEMS器件结构的芯片以倒装芯片装置的形式施加在载体上。框形的、包围MEMS芯片的器件结构的框用作为间隔结构。接着可以用聚合物覆盖该倒装芯片装置，例如借助于层压体或者浇注体。

当将覆盖晶片放到包围MEMS芯片的器件结构的间隔结构上时，获得一种更加密封的和更加简单地制造的封装，其中器件结构被包含在这样得到的封装的空腔中。这种覆盖晶片可以由硅树脂、玻璃或者压电材料构成并且优选与MEMS芯片的材料一致。相应的框可以由聚合物、金属或者金属合金构成。

还有可能的是，配备具有已经预先结构化的凹槽的覆盖晶片并且将该覆盖晶片作为罩形的覆盖体放到MEMS芯片上。连接可以借助于粘合剂或者其他晶片接合方法来进行。但是，所述其他晶片接合方法通常包括可能导致MEMS器件损坏的高温步骤。

用于制造封装的其他方法包含复杂的和耗费的步骤，这些方法在大规模制造中难以实施或者不必要地为封装提高费用并且从而提高成本。

实用新型内容

本实用新型的任务因此是，说明一种具有至少一个MEMS器件的装置，该装置可用简单和成本有利的方式来制造并且为MEMS器件实现了气密的封装。

该任务根据本实用新型通过根据权利要求1的装置来解决。本实用新型的有利构型从其他权利要求中得出。

提出对于所述装置的封装使用至少一个PFPE层作为密封体或覆盖体，所述密封体或覆盖体通过具有功能组的全氟聚醚的聚合获得。MEMS器件在此可以布置在载体上并且在所述装置中通过封装相对于周围环境得到保护。所述PFPE层在封装中用作为密封层。

在US 2007/0254278中，PFPE作为材料由于其化学惰性已经被提议用于制造微结构地在医学领域中使用的所谓的微流体设备。

PFPE层包括由全氟分叉或者不分叉的烷基链构成的聚醚。聚醚可以在聚醚的氧桥之间包括不同长度的分叉或者不分叉的链环。同样地，PFPE可以具有在醚桥上分叉的结构。

相对于环境影响密封的并且在本实用新型中使用的PFPE层优选完全聚合并且三维交联。这样交联的PFPE层可以从短链的“单体”中获得，这些短链的“单体”在末端配备有可聚合或可交联的功能组。优选地，在交联/聚合时形成碳-碳键，从而单体的功能组被相应地选择并且例如包括烯烃双键。可以用于制造PFPE层的单体本身是全氟聚醚，其例如配备有甲基丙烯酸酯组作为可交联的功能组。利用可交联的苯乙烯组的功能化也是可能的。

在聚醚的全氟烷基残留上，PFPE层的聚合材料具有强疏水的特性并且因此实现了气密密封层的构造。

该PFPE层此外与特氟龙（Teflon）®类似地是化学惰性的并且因此在腐蚀性环境中也不会被侵蚀。为MEMS器件的常用衬底材料构造紧密和密封的连接并且因此可以良好地作为密封体以及连接或粘接层使用。

另一优点是，所述单体在室温时是流体的并且不要求溶剂来进行处理。因此，在完全聚合的情况下，PFPE层不导致气体析出，在升高的温度时也是如此。化学稳定性此外与热稳定性相联系，从而在升高的温度时也可以没有分解产物或者其他气体析出从PFPE层中漏出并且在此封装的气密性也不可能被破坏。

PFPE层可以通过施加流体的单体而被施加到要密封或者要覆盖的表面上并且接着借助于辐射被聚合。辐射/曝光可以利用掩模来进行或者结构化地进行，使得聚合可以导致结构化的PFPE层。

然而还有可能的是，PFPE层在中间载体上被施加并且预先聚合或转化到部分交联的状态中、必要时结构化。接着，预先聚合或部分交联的PFPE层——其于是例如具有凝胶状的亚稳定的一致性——被转移到具有MEMS器件的装置上。在那里，相对软的部分交联的PFPE层与基底上的不平坦匹配并且因此可以补偿直至几μm高度的阶梯或紧密地贴近这样的阶梯。PTFE层因此也可以用于使不平坦的表面平坦化并且因此代替附加的平坦化层。

在通过辐射下的聚合而使PFPE层最终并且完全硬化之前，可以在第一PFPE层上施加另外的PFPE层，该另外的PFPE层于是在硬化时与该第一层化学交联。

PFPE层在一种实施中大面积地施加在所述装置上。在此，PFPE层至少覆盖MEMS器件或者其器件结构。如果MEMS器件安装或者布置在载体上，则PFPE层优选覆盖MEMS器件和整个载体的至少部分。这于是在所述MEMS器件作为所谓的裸露MEMS器件安装在衬底上时具有优点。通过这种方式还可能的是，除了MEMS器件还一起覆盖布置在衬底上的其他器件。

在另一实施中，对PFPE层进行结构化。所述PFPE层可以在该形式中位于载体和MEMS器件上或者仅位于MEMS器件或载体上，覆盖所述装置的仅仅一部分。

在一种实施中，PFPE层结构化地布置位于MEMS器件或者载体上并且是用于覆盖体的密封的中间隔层（Zwischenlage）。除了载体或MEMS器件与覆盖体之间的密封功能以外，所述中间隔层还可以满足连接和粘接功能，尤其是当在制造所述装置时作为最后一步将PFPE层施加到衬底或者载体上之后PFPE层在衬底或载体上进行完全交联时。在此，产生PFPE层到常见载体和衬底材料、尤其是到陶瓷、压电晶体以及到金属和玻璃的固定连接。

位于作为中间隔层的PFPE层上的覆盖体因此可以包括陶瓷或结晶材料的板或者小板。

对于其特性可受到机械张力损害的特别敏感的MEMS器件来说，当MEMS器件的衬底或者载体包括与覆盖体相同的结晶或陶瓷材料时，获得变形特别小的封装。

当PFPE层框形地结构化并且在此构造用于覆盖体的实现空腔的间隔结构时，PFPE层可以特别有利地构造为中间隔层。框形结构化的PFPE层可以布置在MEMS器件的表面上并且包围器件的器件结构或者该PFPE层可以布置在载体的表面上并且至少包围整个MEMS器件。所述覆盖体于是密封地布置在框形结构化的PFPE层上并且与该PFPE层固定连接，使得在覆盖体、PFPE层与MEMS器件或载体的表面之间构造气密密封的空腔。

PFPE层可以包围至少第一和第二结构化的部分层，这两个层相叠并且彼此化学连接。第一和第二PFPE层于是可以构造三维结构。在一个实施中，PFPE层构造了罩形式的三维结构，所述罩在一侧具有开放的凹槽，所述凹槽在罩被放到载体或MEMS器件上时包围用于MEMS器件结构或者用于MEMS器件的空腔。所述罩于是密封地放在MEMS器件或者载体上并且因此保护MEMS器件或其器件结构免受环境影响。部分层可以在此被施加并且被结构化，然后在该部分层上产生和结构化下一部分层。通过这种方式实现了，产生由不同结构化的和相叠布置的部分层构成的三维结构。

PFPE层的三维结构可以在一侧上具有多个凹槽，这实现了对相应数量的空腔的构造，在这些空腔中于是分别布置要封装的或要气密密封的器件。每个元件可以是MEMS器件或者另一要密封的器件或者其一部分。

PFPE层也可以大面积地作为密封层施加在以倒装芯片技术安装在载体上的MEMS器件上。

所述MEMS器件可以被选择为微机械开关、可变电容器、传感器（例如压力传感器或话筒）、或者用声波工作的器件（如SAW（=surface acoustic wave，表面声波）、BAW（=bulk acoustic wave,体声波）或者GBAW（=guided acoustic wave，引导声波）器件）。其他MEMS器件也是适合的。

在载体上可以设置另外的器件，这些器件与MEMS器件和共同的密封体一起被密封。但是还可能的是，这些器件中的仅仅单个器件用PFPE层来密封或者恰好只有MEMS器件用PFPE层来密封。

附加的器件可以是半导体器件、MEMS器件或者无源器件或者集成地包括无源和有源器件的模块。集成的无源器件例如可以用多层结构的形式构造，其中结构化的金属层交替地用介电并且尤其是陶瓷层布置。金属化部平面之间的贯通接触部提供电连接，使得多个无源的器件结构可以集成在这样的器件中。

用于密封和屏蔽目的的另外的覆盖层可以直接构造在覆盖PFPE层上。这种另外的覆盖层优选是可以用薄层方法施加并且具有气密特性的覆盖层。因此，例如金属层或者由气相沉积的介电层——例如氧化物层、氮化物层和类似物——适合作为另外的覆盖层。

可能的还有，PFPE层布置在由其他材料构造的第一覆盖层上。第一覆盖层例如可以是用于MEMS器件的本身已知的薄膜封装的最上层，也已知为零级封装（Zero Level Package）。在这种封装中，借助于薄膜方法产生这样的层构造，该层构造包括用于敏感MEMS器件结构的空腔。所述空腔例如可以由牺牲层产生，所述牺牲层与所提到的第一覆盖层相叠。通过优选侧向的蚀刻开孔或者通道，牺牲层的材料可以被剥离或者蚀刻除去。所述蚀刻开孔或者通道然后可以被封闭。PTFE层可以用作为封闭层。

在一个实施中，MEMS器件是HF器件，例如HF滤波器。

所述装置的可能制造至少包括将PFPE层施加到MEMS器件或者载体上的步骤，其中所述PFPE层除了配备可交联组的全氟聚醚以外还包含光引发剂（Fotoinitiator）。另一制造步骤包括借助于辐射、例如借助于UV光来交联PFPE层。所述交联可以通过聚合可交联的烯烃组、例如苯乙烯或甲基丙烯酸酯组来进行。所述交联可以直接在所述装置上进行。

但是可能的还有，所述交联被分成多个子步骤，其中除了最后一个子步骤之外的所有子步骤都导致PFPE层的不完全的交联。分成子步骤所具有的优点是，通过这种方式可以相叠地施加并且稍后彼此连接多个可以不同地结构化的部分层。在借助于足够的辐射持续时间或辐射强度达到完全交联的最后一步中，也产生了PFPE层到所有材料的良好连接，这些材料在所述装置中与PFPE层紧密接触。

附图说明

下面根据实施例和所属附图进一步阐述本实用新型。这些图仅仅是示意性的并且不按照正确比例来实施，从而不能从图中获得绝对的或相对的尺寸。

图1A至1D示出在载体和PFPE层上具有MEMS器件的不同装置，

图2A至2C示出MEMS器件的不同装置，其中覆盖体直接放在MEMS器件上，

图3A至3E示出在载体和包括PFPE层的覆盖体上具有多个器件的装置的不同实施，

图4A至4C示出具有SAW器件的本实用新型装置。

具体实施方式

图1A示出本实用新型装置的简单实施，其中MEMS器件MB以倒装芯片装置的形式安装在载体TR上。电和机械固定通过凸点（Bump）、例如通过焊料凸点或者钉头凸点进行。所述凸点在此也起到间隔保持器的作用，从而在载体TR与MEMS器件MB之间保留间隙并且MEMS器件的朝下的移动的或振动的器件结构可以在机械上不受损伤地工作。

为了相对于环境影响对MEMS器件MB进行密封，在MEMS器件MB的上侧上布置构造为覆盖层AS的PFPE层。该覆盖层与MEMS器件MB的边沿重叠并且用载体TR封闭。该PFPE层PS利用常规的载体材料——例如利用陶瓷、玻璃或者金属——达到紧密的、密封的和牢固的连接，从而利用这样的覆盖层AS为MEMS器件产生了气密密封的和具有空腔HR的空腔壳体。同时在侧面密封了所述间隙，从而在PFPE层PS下方在载体TR与MEMS器件MB之间构造了密封的空腔HR。

图1B示出另一装置，其中MEMS器件MB再次安装在载体上。该MEMS器件用覆盖罩AK覆盖并且在此构造空腔HR，在该空腔中布置MEMS装置MB。为了对空腔HR进行可靠的密封，在覆盖罩AK与载体TR之间布置有结构化的中间层（Zwischenschicht）ZS，该中间层包括PFPE层PS或者由PFPE层PS构成。

该覆盖罩AK可以由机械上足够牢固的和可结构化的材料构成。优选地，该覆盖罩AK由覆盖晶片结构化，例如由玻璃或者陶瓷板由半导体晶体或者任意其他材料作为固体可结构化的材料。这所具有的优点是，通过这种方式可以由覆盖晶片、例如通过在覆盖晶片的底侧中构造相应的凹槽结构化出多个覆盖罩，这些覆盖罩然后根据使用放在多个MEMS器件上并且在完全工艺化之后才被分隔成各个器件。构造为中间层ZS的PFPE成PS可以在载体TR上或者在覆盖罩AK的底侧上被结构化或者作为已经被结构化的层施加在载体TR或覆盖晶片上。

图1C示出装置的另一实施，其中MEMS器件MB安装在载体TR上。经过结构化的PFPE层PS构造了中间层ZS，该中间层ZS在载体TR上包围MEMS器件并且同时构造了间隔元件，构造为覆盖晶片AW的覆盖体位于该间隔元件上。

该实施所具有的优点是，该覆盖晶片不必被结构化并且可以作为平坦和薄的晶片放上。仅仅对中间层ZS结构化，这又可以直接在载体TR上、直接在覆盖晶片AW上或者与这两部分分开地通过在载体与覆盖晶片之间对PFPE层及其后来的布置进行单独的部分交联来进行。当中间层ZS的高度大于MEMS器件在载体TR表面上的高度时，这里也保证了足够的空腔HR。

图1D示出载体上的MEMS器件MB，该MEMS器件用PFPE层PS覆盖，该PFPE层被构造为覆盖罩AK。这种覆盖罩AK可以由PFPE层的多个部分层构成，这些部分层被单个结构化并且在最后的交联中彼此连接成三维结构、即同样连接成覆盖罩。

在根据图1B至1D的实施中，可以保持开放的是，以何种精确程度将MEMS器件安装在载体TR上。该MEMS器件可以被粘上、焊上或者以倒装芯片结构方式与载体连接。在前两个变型中，至载体TR的电连接可以借助于接合线进行。还可以有以SMD技术的安装。

图2A至2C示出本实用新型的装置的不同实施，其中器件结构的密封直接在MEMS器件MB上进行并且因此可以已经在MEMS晶片层上进行，也就是在分隔MEMS器件之前进行。在这些图中，MEMS器件布置在载体TR上，但是也可以在没有载体的情况下示出根据本实用新型的完整的装置。

在图2A中，在MEMS器件MB上布置覆盖罩AK，该覆盖罩包括PFPE层PS。覆盖罩AK在其下方包围空腔HR，在该空腔中布置器件结构BES并且所述器件结构因此可以不受干扰地工作。

覆盖罩AK可以完全由PFPE层PS构成，或者可以包括PFPE层作为部分层。尤其是可以在PFPE层PS下方布置另一材料的另外的层。可能的是，例如PFPE层是薄膜封装的最上面的密封层，该薄膜封装也已知为零级封装。对于这样集成制造的并且为MEMS器件结构保留空腔HR的封装来说，已知有不同的方法。

在晶片层封装中，可以包封多个在MEMS晶片上预先结构化的MEMS器件或与配备用于覆盖罩AK的或与配备凹槽的PFPE层PS一起包封MEMS器件结构。在分隔MEMS器件之后，每个MEMS器件都具有自己的覆盖罩AK。

图2B示出借助于直接放在MEMS器件MB上的被结构化为中间层ZS的PFPE层对器件结构BES的覆盖，该PFPE层构造了围绕器件结构BES的框并且构造为覆盖晶片AW的覆盖体位于该PFPE层上。这里，中间层ZS也充当间隔保持器，使得在MEMS器件MB与覆盖晶片AW之间构造有用于器件结构BES的空腔HR。

图2C示出具有MEMS器件MB的装置，其中器件结构BES用结构化的覆盖罩AK覆盖，该覆盖罩AK例如由硬的、优选陶瓷的或者结晶的材料构造。结构化为中间层ZS的PFPE层PS布置在覆盖罩AK与MEMS器件MB的表面之间并且负责所述罩下的空腔HR的密封封闭。

图3A至3E示出所述装置的实施，其中MEMS器件和至少一个另外的器件WB布置在载体TR上。

根据图3A，这两个器件用共同的覆盖层AS覆盖，该覆盖层包括PFPE层作为唯一的层或者作为层复合体的部分层。该覆盖层AS环绕这些器件与载体RS密封地进行封闭并且因此负责载体上器件的密封包封。

在根据图3B的实施中，只有MEMS器件MB由覆盖层AS覆盖。

图3C示出一种装置，其中MEMS器件MB和另一器件WB集成在一个封装中，该封装由中间隔层ZS和尤其是覆盖晶片AW的覆盖体构成。中间隔层ZS由PFPE层PS结构化，放在载体TR上并且框形地包围器件。该中间隔层ZL同时用作为间隔保持器和用于优选硬的覆盖体AW的支架，从而在中间层中构成的每个框与覆盖体一起包围用于相应的器件的空腔HR。

图3D示出一种装置，其中结构化的PFPE层PS作为密封的中间隔层ZS布置在覆盖体、例如结构化的覆盖晶片AW与载体之间。在覆盖体AW下方分别包围有用于相应的器件MB、WB的空腔HR，该空腔主要由覆盖体中的凹槽构成。

图3E示出一种装置，其中具有凹槽的结构化的覆盖体AW完全由PFPE层构成，该PFPE层直接放在载体上。在这里可以放弃中间隔层。覆盖体AW可以由多个结构化的部分层构造。

图4A示出一种装置，其中详细示出结构和载体TR的可能功能。载体TR由介电层多层地构造，在这些介电层之间布置结构化的金属化平面。不同的金属化平面通过贯通接触部彼此连接。在载体TR的上侧上，设置用于MEMS部件MB和必要时另外的器件的连接金属化部。在载体TR的底侧上设置外部接触部KA，借助于所述外部接触部KA，该装置可以与电路环境例如通过焊接来连接。

MEMS器件MB经由凸点与载体TR的电连接面机械和电连接。器件结构BES朝下并且布置在载体TR的表面与MEMS器件MB之间的在那里保留的窄的间隙中。在侧面，MEMS器件与载体TR之间的间隙借助于覆盖层AS密封，该覆盖层AS大面积地放在MEMS器件和载体的上侧上并且由PFPE层PS构造。该覆盖层AS可以利用近似统一的层厚度并且与表面共形地（oberflächenkonform）来施加。但是，覆盖层AS也可以以更大的层厚度来施加，例如以直至达到MEMS器件的上棱的层厚度来施加，使得MEMS器件实际上被包埋在覆盖层AS以下。

MEMS器件在这里示出为SAW器件，其包括压电衬底和金属器件结构以及衬底底侧上的连接垫。但是，MEMS器件也可以是BAW器件，其中具有BAW谐振器的层结构构造在包括例如结晶硅的衬底的表面上。该MEMS器件也可以是GBAW器件，其中类似于SAW的器件结构利用附加的层来覆盖。

图4B示出另一构型，其中相对薄地由PFPE层PS构造的覆盖层AS配备有另一覆盖层WA，该另一覆盖层WA在这里例如作为浇注材料施加，其完全覆盖MEMS器件并且具有平坦表面。这样的另一覆盖体WA例如可以作为浇注材料并且例如通过压铸来施加。

图4C示出装置的另一构型，该装置具有施加在覆盖层AS上的、薄的并且与表面共形地施加的层形式的另一覆盖体WA。这样的薄层优选借助于来自气相的薄层方法来施加，例如借助于CVD方法、等离子体沉积方法或者喷溅。所述薄层可以包括例如SiO₂或者另一介电材料。

还可能的是，施加作为金属层的另外的覆盖层WA并且为此从溶液中沉积出该覆盖层。还可能的是，施加来自气相的基础金属化部并且将该基础金属化部在溶液中电镀地或者无电流地强化。另一金属覆盖层WA可以用于电磁屏蔽。金属层还可以提高整个封装的稳定性并且因此提高要求。

本实用新型不限于在图中所示和所描述的实施例。但是，所有这些实施都是一般性的，即装置的密封通过MEMS器件的封装借助于PFPE层来进行。该PFPE层可以进行唯一的密封和覆盖或者可以如所述那样构造为中间层或者连接层。本实用新型的装置也可以包括所述或者所示实施例的子组合。

附图标记列表

MB MEMS器件

TR 载体

PS PFPE层

ZS 密封的中间层

AW 覆盖晶片

BES MEMS器件结构

HR 空腔

AK 覆盖罩

WA 另外的覆盖层（金属层、介电层）

AS 覆盖层

BW 另外的器件

Claims (17)

1.具有至少一个MEMS器件的装置，

－ 包括至少包围MEMS器件并且相对于周围环境密封的封装，

－ 其中所述封装作为密封体包括由借助于功能组聚合的全氟聚醚构成的PFPE层。

2.根据权利要求1的装置，

其中所述PFPE层被结构化并且覆盖所述装置的一部分。

3.根据权利要求1或2的装置，

其中所述MEMS器件布置在载体上，

其中所述PFPE层大面积地覆盖所述MEMS器件，至少部分地位于所述载体上并且相对于载体密封MEMS器件。

4.根据权利要求3的装置，

其中所述PFPE层经结构化地施加在MEMS器件或者载体上并且为布置在所述PFPE层上的覆盖体构造密封的中间隔层。

5.根据权利要求4的装置，

其中所述覆盖体包括陶瓷或者结晶材料的板或小板。

6.根据权利要求4或5的装置，

其中所述MEMS器件或者所述载体与所述覆盖体包括相同的结晶或者陶瓷材料。

7.根据权利要求1－6之一的装置，

其中所述PFPE层被框形地结构化，并且要么位于MEMS器件的表面上并且包围所述MEMS器件的器件结构，要么位于载体的表面上并且包围至少所述MEMS器件，并且其中所述覆盖体密封地位于框形结构化的PFPE层上，使得在覆盖体、PFPE层与MEMS器件或载体的表面之间构造空腔。

8.根据权利要求1－7之一的装置，

其中所述PFPE层被结构化并且至少包括第一和第二结构化的部分层，

其中所述第二结构化的部分层位于第一部分层上并且化学地与该第一部分层连接，

其中第一和第二PFPE部分层一起构造三维结构。

9.根据权利要求8的装置，

其中所述三维结构构造罩的形式，在该罩中定义一侧打开的凹槽，其中所述罩相对于MEMS器件或者载体的表面密封地放在所述MEMS器件上或者所述载体上，使得器件结构或者整个MEMS器件都布置在凹槽中并且相对于环境影响得到保护。

10.根据权利要求8或9的装置，

其中所述三维结构在一侧具有多个凹槽，在所述凹槽中分别布置器件或者MEMS器件的器件结构。

11.根据权利要求1－10之一的装置，

其中所述PTFE层大面积地作为密封层施加在以倒装芯片技术安装在载体上的MEMS器件上。

12.根据权利要求1－11之一的装置，

其中在载体上设置另外的器件并且借助于大面积的或者结构化的PTFE层对所述器件中的至少一个进行密封。

13.根据权利要求1－12之一的装置，

其中所述PTFE层覆盖MEMS器件或者该MEMS器件的器件结构，

其中直接在PTFE层上使用用于密封或屏蔽目的的另外的覆盖层。

14.根据权利要求13的装置，

其中所述另外的覆盖层是金属层或者由气相沉积的介电层。

15.根据权利要求1－14之一的装置，

其中所述MEMS器件是具有移动部分的微结构化的机电器件、传感器或者用声波工作的器件。

16.根据权利要求1－15之一的装置，

其中所述MEMS器件是HF器件。

17.根据权利要求1－16之一的装置，

其中PTFE层的功能组是交联的甲基丙烯酸酯组。

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