CN203503623U - 基于导电柱圆片级封装的单片集成式mems芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种基于导电柱圆片级封装的单片集成式MEMS芯片,由盖板、MEMS结构层和ASIC芯片键合而成,盖板上有上腔体,ASIC芯片上有下腔体,上、下腔体与MEMS结构层形成密封腔,MEMS结构位于密封腔内;盖板与MEMS结构层间有盖板绝缘层,盖板上有导电柱,导电柱一端有金属焊块,导电柱另一端有导电塞,导电柱通过导电塞与MEMS导电块连接;ASIC芯片的衬底上有第一绝缘层和第二绝缘层,第二绝缘层上有金属密封层,MEMS结构层通过金属密封层与ASIC芯片键合在一起,第一绝缘层和第二绝缘层间有第二金属层,第二金属层与金属密封层连接,第一绝缘层内有第一金属层,第一金属层与第二金属层电连接。本芯片体积小、成本低,环境干扰信号和封装应力对MEMS器件性能的影响小。
Description
技术领域
本实用新型属于芯片封装领域,具体是一种基于导电柱圆片级封装的单片集成式MEMS芯片。
背景技术
电子封装是将一个或多个电子芯片相互电连接,然后封装在一个保护结构中,其目的是为电子芯片提供电连接、机械保护或化学腐蚀保护等。然而有些电子产品,芯片表面不能与封装材料接触,特别是一些微传感器,如MEMS器件、表声波/体声波滤波器、震荡器等,需要用陶瓷管壳、金属管壳或塑料管壳等进行气密性封装,但这些封装方法成本高、体积大,不适用于消费类电子产品中。封装技术的发展趋势,是封装外形越来越小,器件功能越来越多,成本越来越低。随着MEMS器件在消费领域中的广泛使用,低成本,小体积的塑料封装方法,如LGA(栅格阵列封装)、QFN(方形扁平无引脚封装)、DFN(双边无铅封装)等被广泛采用。但这些封装方法中,塑封料是直接与芯片接触的,所以对那些表面有可动部件的MEMS芯片,必须先通过圆片级封装的方法将MEMS结构保护起来,然后再进行一般的塑料封装,这样塑封料接触圆片级封装的外围,而不会直接接触MEMS结构。圆片级封装技术是对整个制作有电子器件的圆片进行封装测试后再切割成单个成品电子器件的加工技术。圆片级封装后的成品具有重量轻、体积小、厚度薄、价格低的优点,是电子元器件封装技术的发展趋势。另外,圆片级封装后的芯片后续加工方便,不需要超净环境,圆片切割时也不需要特殊保护,节约了加工成本。
MEMS芯片的圆片级封装中,盖板一般是用与MEMS结构相同的材料制作,通常为Si,下部制作有一个凹腔。 盖板的主要作用是与底板一起,形成一个密封的空腔,向被密封于该空腔的MEMS结构提供一个可自由运动的空间,同时,保证MEMS结构不受外部环境的干扰。底板可以是集成电路芯片,也可以是不带电路的Si材料。
MEMS元器件成品通常由两个芯片组成,一个为微机械芯片,即MEMS芯片,另一个是用于控制MEMS芯片的专用集成电路芯片,即ASIC芯片。这两个芯片可以是独立的,通过装片,打线,包封等常规电子封装方法组合在一起,成为MEMS成品器件。MEMS芯片也可以和ASIC芯片在圆片加工过程中,通过圆片级封装集成在一起,成为单片集成式MEMS芯片,再通过常规封装,或植焊球形成MEMS成品。在单片集成式MEMS芯片中,MEMS芯片与ASIC芯片面对面紧贴在一起,信号通道短,受外界环境干扰信号的影响小,所以MEMS芯片的原始信号可以设计得较小,从而使得MEMS芯片面积小,降低了芯片成本。而且,单片集成式MEMS芯片的体积小,后封装简单、便宜。本实用新型就是关于单片集成式MEMS芯片圆片级封装的加工方法,特别是关于到带Si导电柱的MEMS圆片级封装方法。
现有圆片级封装的MEMS芯片主要有以下两种:
图1是现有圆片级封装的MEMS芯片的示意图,由盖板101和底板105构成的密封腔106为MEMS结构103a提供一个可自由活动的空间,MEMS层103与底板105间有密封层104提供气密性连接,MEMS层103与盖板101间有盖板绝缘层102电隔离,所以MEMS层103与盖板101是电绝缘的,盖板101上蚀刻有两个槽108,两个槽108之间的盖板形成导电柱101a;盖板绝缘层102中有导电层107,导电柱101a与MEMS结构103a通过导电层107电连接,导电柱101a上有金属焊块109,通过金属线110将MEMS的信号引出到ASIC芯片或封装基板上。该芯片只适用于独立的MEMS芯片的圆片级封装,不能用于单芯片集成式MEMS芯片的封装,而且由于导电柱在芯片一侧,不能通过植焊球的方式形成MEMS倒装芯片。在后续封装时,必须通过金属线将MEMS芯片和ASIC芯片进行电连接,然后再将两个或多个芯片封装在一起。这种芯片后续封装成本高,成品器件体积较大,且环境对信号干扰较大。
图2是现有基于Si穿孔(TSV)的圆片级封装的MEMS芯片的示意图,由盖板201和底板205构成的密封腔206为MEMS结构203a提供一个可自由活动的空间,MEMS结构层203与盖板201间有盖板绝缘层202a提供电隔离,MEMS结构层203与底板205间有绝缘层202b电隔离,所以MEMS结构层203与盖板201和底板205间是绝缘的,为了将MEMS结构203a的电信号引出,在底板205上蚀刻出Si穿孔(TSV),并在其侧壁上形成绝缘层202c,用以将导电柱201a与底板205隔离,在导电柱201a的外端有金属焊块209,与底板205间有绝缘层202d隔离,金属焊块209上植有焊球210,这样,MEMS元器件就可以直接倒装焊在PCB板或其他芯片上。但是这种芯片形成Si穿孔(TSV)导电柱的工艺复杂,成本高。而且,焊球位置离MEMS结构较近,在随后的二次封装时,封装应力会通过焊球传导到MEMS结构上,影响MEMS器件的性能。
实用新型内容
本实用新型的要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种基于导电柱圆片级封装的单片集成式MEMS芯片,该芯片体积小,导电柱间接与MEMS结构电连接,能够将二次封装中应力对MEMS器件性能的影响降至最低。
为解决上述技术问题,本实用新型提供一种基于导电柱圆片级封装的单片集成式MEMS芯片,由盖板、MEMS结构层和ASIC芯片键合而成,盖板上至少有一个上腔体,盖板与MEMS结构层通过盖板绝缘层键合在一起,盖板与MEMS结构层之间没有直接电连接,MEMS结构层分为MEMS结构(MEMS结构层的可动部分)和MEMS导电块(MEMS结构层的不动部分),盖板上蚀刻有至少一个导电柱,所述导电柱为Si导电柱,导电柱第一端有金属焊块,导电柱第二端连有导电塞,导电柱通过所述导电塞与MEMS导电块电连接;
ASIC芯片包括ASIC衬底,ASIC衬底上有第一绝缘层和第二绝缘层,第二绝缘层上沉积有图形化的金属密封层,金属密封层可按功能分为导电块、密封环和锚点;第一绝缘层和第二绝缘层之间有第二金属层,第二金属层既可用作MEMS结构的垂直方向的感应电极,还用作ASIC芯片与密封金属层间的电信号通道,第二金属层与导电块电连接,第一绝缘层内有第一金属层,第二金属层通过第一绝缘层的通孔与第一金属层电连接;
第一绝缘层、第二绝缘层和金属密封层共同界定出至少一个下腔体,所述下腔体与上腔体、MEMS结构层和密封环形成密封腔,密封腔内部可以是真空或特定压力、特定气体,MEMS结构可在密封腔自由运动,MEMS结构层通过金属密封层与ASIC芯片键合在一起,MEMS结构至少通过一个锚点与第二金属层电连接,MEMS结构的电信号可通过锚点输入到ASIC芯片中,位于密封腔内的第二金属层作为下电极感应MEMS结构在垂直方向的运动;
所述ASIC芯片具有完整的集成电路功能,可将MEMS结构输入的信号加以处理后,输出终端用户需要的信号,或反向向MEMS芯片输入信号,控制MEMS结构运动。
为简单说明问题起见,以下对本实用新型所述基于导电柱圆片级封装的单片集成式MEMS芯片均简称为本芯片。
本芯片导电柱通过导电塞与MEMS导电块电连接,而与MEMS结构无电连接,MEMS结构的信号通过锚点、金属导线和金属层传给ASIC芯片,ASIC芯片处理后的信号通过第一金属层、第二金属层、导电块、MEMS导电块、导电塞和导电柱传导到金属焊块上,无需制作Si穿孔(TSV)导电柱,制作工艺简单,而且由于导电柱分布于芯片的外侧,与MEMS结构层不直接相连,可以缓冲部分应力,可以减小应力对MEMS结构的影响;MEMS结构的初始信号一般非常微弱,任何环境干扰信号都会对MEMS信号产生影响,影响MEMS器件的性能,本芯片通过ASIC芯片将MEMS结构的信号放大,这样,环境干扰信号相对而言就可忽略不计;本芯片的MEMS结构层和ASIC芯片通过金属密封层键合在一起,MEMS结构的信号通道较短,抗环境干扰能力强,这样,在同样的性能的条件下,即使MEMS结构的初始信号弱于其它同类产品,也可通过ASIC芯片将信号放大,从而满足要求,由于AISC芯片与MEMS结构键合成一个芯片,后续封装时只要进行单芯片封装,比双芯片或多芯片封装体积小、成本低。
所述金属焊块上植有焊球,焊球材料为铝或金上再淀积一层钨钛合金作为焊点下金属层(UBM),用于粘附焊球和阻挡焊料扩散用。
附图说明
图1是现有圆片级封装的MEMS芯片的示意图。
图2是现有基于Si穿孔(TSV)的圆片级封装的MEMS芯片的示意图。
图3是本实用新型基于导电柱圆片级封装的单片集成式MEMS芯片的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
如图3所示,基于导电柱圆片级封装的单片集成式MEMS芯片,由盖板301、MEMS结构层303和ASIC芯片400键合而成,盖板301的材料是重掺杂的Si片,其电阻率在0.01 Ω·cm左右,是较好的导电材料,MEMS结构层303分为MEMS结构303a和MEMS导电块303b,MEMS结构303a为MEMS结构层303的可动部分,盖板301上有一个上腔体306a,盖板301与MEMS结构层303通过盖板绝缘层302键合在一起,盖板绝缘层302的材料为SiO2,盖板301与MEMS结构层303之间没有直接电连接,盖板303上蚀刻有两个深槽308,该深槽308将盖板301的局部与盖板301其他区域隔离,形成导电柱301a,所述导电柱308为Si导电柱,导电柱308第一端有金属焊块309,金属焊块309上植有焊球310,导电柱308第二端连有导电塞304,导电柱308通过所述导电塞304与MEMS导电块303b电连接;
ASIC芯片400包括ASIC衬底405,ASIC衬底405材料为轻掺杂的单晶Si,其电阻率在10 Ω·cm左右,ASIC衬底405上有第一绝缘层402和第二绝缘层403,第二绝缘层403上沉积有图形化的金属密封层404,金属密封层404可按功能分为导电块404a、密封环404b和锚点404c,第一绝缘层402内有第一金属层406,第一绝缘层402和第二绝缘层403之间有第二金属层407,第一金属层406与第二金属层407通过第一绝缘层402的通孔408电连接,第二金属层407与导电块404a电连接;第一金属层406是ASIC的内部金属互连线,第二金属层407可用作MEMS结构303a在垂直方向的感应电极,也用作ASIC与密封金属层404间的电信号通道;
第一绝缘层402、第二绝缘层403和金属密封层404共同界定出一个下腔体306b,所述下腔体306b与上腔体306a、MEMS结构层303和密封环404b形成一个密封腔306,密封腔306内部是真空,MEMS结构303a位于该密封腔306内,为MEMS结构303a提供一个自由活动的密闭空间,MEMS结构层303通过金属密封层404与ASIC芯片400键合在一起,第二金属层407位于密封腔306内的部分作为下电极感应MEMS结构303a在垂直方向的运动,MEMS结构303a通过锚点404c与第二金属层407电连接,MEMS结构303a的电信号可通过锚点404c、第二金属层407和第一金属层406输入到ASIC芯片400中,ASIC芯片400处理后的信号通过第一金属层406、第二金属层407、导电块404a、MEMS导电块303b、导电塞304和导电柱301a传导到金属焊块309上;所述ASIC芯片400具有完整的集成电路功能,可将MEMS结构303a输入的信号加以处理后,输出终端用户需要的信号,或反向向MEMS结构303a输入信号,控制MEMS结构303a运动。
以上所述仅是本实用新型的具体实施方式。应当指出,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本实用新型原理的前提下,还可以对本实用新型的技术方案进行若干变形或者等同替换,例如,金属焊块上不植焊球,而是在后封装时直接在金属焊块上打金属线使用;导电柱根据需要可以分布在盖板的一侧、三侧或四侧;导电柱中至少有一个与盖板相连,用于盖板接地;这些变形或替换也能实现本实用新型的技术效果,也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (3)
1.基于导电柱圆片级封装的单片集成式MEMS芯片,由盖板、MEMS结构层和ASIC芯片键合而成,盖板上至少有一个上腔体,盖板与MEMS结构层通过盖板绝缘层键合在一起,盖板上蚀刻有至少一个导电柱,导电柱第一端有金属焊块,MEMS结构层分为MEMS结构和MEMS导电块,其特征在于:
导电柱第二端连有导电塞,导电柱通过所述导电塞与MEMS导电块电连接;
所述ASIC芯片包括ASIC衬底,ASIC衬底上有第一绝缘层和第二绝缘层,第二绝缘层上沉积有图形化的金属密封层,金属密封层分为导电块、密封环和锚点,第一绝缘层和第二绝缘层之间有第二金属层,第二金属层与导电块电连接,第一绝缘层内有第一金属层,第一金属层与第二金属层电连接;
第一绝缘层、第二绝缘层和金属密封层共同界定出至少一个下腔体,所述下腔体与上腔体、MEMS结构层和密封环形成密封腔,MEMS结构位于该密封腔内,MEMS结构层通过金属密封层与ASIC芯片键合在一起,至少有一处MEMS结构通过锚点与第二金属层电连接。
2.根据权利要求1所述的基于导电柱圆片级封装的单片集成式MEMS芯片,其特征在于:金属焊块上植有焊球。
3.根据权利要求1所述的基于导电柱圆片级封装的单片集成式MEMS芯片,其特征在于:所述导电柱为Si导电柱。
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