CN219269475U - 压电微机械超声波换能器的封装结构 - Google Patents

Abstract

一种压电微机械超声波换能器的封装结构，包含硅基板、第一保护层、压电复合膜、第一金属层、第二金属层、第一焊垫、第二焊垫及第二保护层。硅基板开设有第一贯穿孔及第二贯穿孔。第一保护层开设有凹槽、第一连通孔及第二连通孔，压电复合膜包含第一电极层及第二电极层。第一金属层及第二金属层分别填入第一连通孔及第一贯穿孔中、及第二连通孔及第二贯穿孔中以连接第一金属层及第二金属层。第一焊垫及第二焊垫分别连接第一金属层及第二金属层。第二保护层远离压电复合膜的表面为平坦表面，且与压电复合膜共同封闭凹槽，而形成密闭空腔。

Description

压电微机械超声波换能器的封装结构

技术领域

本申请涉及感测领域，尤其是一种压电微机械超声波换能器的封装结构。

背景技术

压电微机械超声波换能器在各种电子装置的感测应用上越来越广。同时，电子装置轻薄化，整体内部空间的厚度都受到限制。压电微机械超声波换能器的厚度也限制了电子装置的设计裕度。

目前压电微机械超声波换能器较大的瓶颈在于焊接部分的厚度，传统上通常是以其顶端开设焊垫开口，整体厚度难以下降，同时，整体缺乏与电子装置可以胶黏的平面，造成设计上的限制。

实用新型内容

为了解决先前技术所面临的问题，在此提供一种压电微机械超声波换能器的封装结构，其包含硅基板、第一保护层、压电复合膜、第一金属层、第二金属层、第一焊垫、第二焊垫、以及第二保护层。

硅基板开设有第一贯穿孔及第二贯穿孔。第一保护层设置于硅基板上，且开设有凹槽、第一连通孔及第二连通孔，第一连通孔与第一贯穿孔连通，第二连通孔与第二贯穿孔连通，且第一连通孔及第二连通孔与凹槽不连通。压电复合膜设置于第一保护层上，压电复合膜的垂直投影与凹槽至少部分重叠，压电复合膜包含第一电极层及第二电极层，第一电极层的第一连接部暴露于第一连通孔及第一贯穿孔，第二电极层的第二连接部暴露于第二连通孔及第二贯穿孔。第一金属层及第二金属层分别填入第一连通孔及第一贯穿孔中与第一电极层连接，以及填入第二连通孔及第二贯穿孔中与第二电极层连接。第一焊垫及第二焊垫位于硅基板上相反于第一保护层的一侧，分别连接第一金属及第二金属层。第二保护层位于压电复合膜上，且第二保护层远离压电复合膜的表面为平坦表面，且第二保护层与压电复合膜共同封闭凹槽，而形成密闭空腔。

在一些实施例中，在第一连通孔、第一贯穿孔与第一金属层之间，以及第二连通孔、第二贯穿孔与第二金属层之间还包含金属底层。

在一些实施例中，压电复合膜至少开设二连通信道，二连通信道贯穿压电复合膜且与凹槽连通，第二保护层填入两个连通通道，而封闭凹槽形成密闭空腔。

更详细地，在一些实施例中，压电微机械超声波换能器的封装结构还包含支撑柱。支撑柱位于密闭空腔中，抵接压电复合膜与第一保护层。密闭空腔的侧壁面与支撑柱之间的最短距离为第一距离，两个连通通道之间的第二距离大于两倍第一距离，且支撑柱的高度与第一距离比为1/70至1/200，支撑柱的宽度为3至10um，其中在密闭空腔中非支撑柱的区域彼此连通。

更详细地，在一些实施例中，压电微机械超声波换能器的封装结构还包含第二支撑柱，第二支撑柱位于密闭空腔中，其中第二支撑柱位抵接压电复合膜与第一保护层，在密闭空腔中非支撑柱及第二支撑柱的区域彼此连通。

在一些实施例中，第一距离小于等于150um。更具体地，在一些实施例中，第一距离为10至40um。

在一些实施例中，压电复合膜包含依序堆栈于第一保护层的第一压电层、第一电极层、第二压电层及第二电极层，第一压电层开设有第一开口以暴露出第一连接部，而第一压电层及第二压电层开设有第二开口以暴露出第二连接部。

更详细地，在一些实施例中，压电复合膜还包含第三压电层，第三压电层覆盖第二电极层，且与第二保护层接触。

更详细地，在一些实施例中，第一压电层的厚度为10至40nm、第一电极层及第二电极层的厚度为150至300nm、第二压电层的厚度为800nm至1200nm、第三压电层的厚度为150至250nm、第二保护层的厚度为1.6至2.4um、以及第一保护层至第一压电层之间的距离为800至1200nm。

由前述实施例可以理解的是，通过硅穿孔技术，能将整体的焊垫移至压电微机械超声波换能器的背面，可以提供完整的平面以利于平贴于电子装置的表面，也能使得整体封装结构的厚度将低，而更利于各种电子装置的组装设计。

附图说明

图1为压电微机械超声波换能器的封装结构第一实施例的剖面示意图。

图2为压电微机械超声波换能器的封装结构第二实施例的剖面示意图。

图3为压电微机械超声波换能器的封装结构第三实施例的剖面示意图。

附图标记说明：

1:压电微机械超声波换能器的封装结构；

10:硅基板；

11:第一贯穿孔；

13:第二贯穿孔；

20:第一保护层；

21:第一连通孔；

23:第二连通孔；

25:凹槽；

27:密闭空腔；

271:壁面；

29:支撑柱；

30:压电复合膜；

30A,30B:连通通道；

31:第一压电层；

311:第一开口；

33:第一电极层；

331:第一连接部；

35:第二压电层；

351:第二开口；

37:第二电极层；

371:第二连接部；

39:第三压电层；

41:第一金属层；

43:第二金属层；

45:金属底层；

51:第一焊垫；

53:第二焊垫；

60:第二保护层；

61:表面；

D1:第一距离；

D2:第二距离；

H:支撑柱的高度。

具体实施方式

在以下说明中，术语「第一」、「第二」、「第三」这些术语仅用于将一个组件、部件、区域、或部分与另一个组件、部件、区域、层或部分区分开，而非表示其必然的先后顺序。此外，诸如「下」和「上」、「内」和「外」的相对术语可在本文中用于描述一个组件与另一组件的关系，应当理解，相对术语旨在包括除了图中所示的方位之外的装置的不同方位。例如，如果一个附图中的装置翻转，则被描述为在其他组件的「下」侧的组件将被定向在其他组件的「上」侧。此仅表示相对的方位关系，而非绝对的方位关系。

附图中，为了清楚起见，放大了部分组件、区域等的宽度。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的组件。应当理解，当诸如组件被称为在另一组件「上」或「连接到」另一组件时，其可以直接在另一组件上或与另一组件连接，或者中间组件可以也存在。相反，当组件被称为「直接在另一组件上」或「直接连接到」另一组件时，不存在中间组件。

图1为压电微机械超声波换能器的封装结构第一实施例的剖面示意图。如图1所示，压电微机械超声波换能器的封装结构1，其包含硅基板10、第一保护层20、压电复合膜30、第一金属层41、第二金属层43、第一焊垫51、第二焊垫53、以及第二保护层60。

硅基板10开设有第一贯穿孔11及第二贯穿孔13。第一保护层20设置于硅基板10上，且开设有凹槽25、第一连通孔21及第二连通孔23，第一连通孔21与第一贯穿孔11连通，第二连通孔23与第二贯穿孔13连通，且第一连通孔21及第二连通孔23与凹槽25不连通。在此，第一保护层20可以为二氧化硅或四乙氧基硅烷(TEOS)。

压电复合膜30设置于第一保护层20上，压电复合膜30的垂直投影与凹槽25至少部分重叠，压电复合膜30包含第一电极层33及第二电极层37，第一电极层33的第一连接部331暴露于第一连通孔21及第一贯穿孔11，第二电极层37的第二连接部371暴露于第二连通孔23及第二贯穿孔13。第一金属层41填入第一连通孔21及第一贯穿孔11中与第一连接部331连接。第二金属层43填入第二连通孔23及第二贯穿孔13中与第二连接部371连接。第一焊垫51及第二焊垫53位于硅基板10相反于第一保护层20的一侧，分别连接第一金属层41及第二金属层43。第二保护层60位于压电复合膜30上，且第二保护层60远离压电复合膜30的表面61为平坦表面，且第二保护层60与压电复合膜30共同封闭凹槽25，而形成密闭空腔27。在此，密闭空腔27可以是凹槽25的空间，即压电复合膜30及第二保护层60的底部可以是共平面，也可以是凹槽25的空间加上压电复合膜30及第二保护层60底部产生的空间。

更具体地，在一些实施例中，压电复合膜30至少开设两个连通通道30A,30B，两个连通通道30A,30B贯穿压电复合膜30且与凹槽25连通，第二保护层60填入两个连通通道30A,30B，而封闭凹槽25形成密闭空腔27。在此，连通通道30A,30B实际上可以做为蚀刻第一保护层20内原先预留于凹槽25中之非晶硅的蚀刻通道，藉此通入蚀刻气体来形成凹槽25。第二保护层60可以完全填满连通通道30A,30B，也可以仅封闭连通通道30A,30B的上端，而留下部分的空间，做为密闭空腔27的一部分。在此，第二保护层60可以为二氧化硅或四乙氧基硅烷(TEOS)。然而，以上仅为示例，而非限于此，例如，可以通过真空接合的方式，来维持凹槽25而不需要连通通道30A,30B。

在一些实施例中，压电复合膜30包含依序堆栈于第一保护层20的第一压电层31、第一电极层33、第二压电层35及第二电极层37，第一压电层31开设有第一开口311以暴露出第一连接部331，而第一压电层31及第二压电层35开设有第二开口351以暴露出第二连接部371。在此，第二开口351贯通第一压电层31及第二压电层35。

进一步地，在一些实施例中，压电复合膜30还包含第三压电层39，第三压电层39覆盖所述第二电极层37，且与第二保护层60接触。在前述实施例中，第一压电层31、第二压电层35、第三压电层39的材料为氮化铝(AlN)，而第一电极层33及第二电极层37的材料为钼(Mo)。

更详细地，第一压电层31的厚度为10至40nm、第一电极层33及第二电极层37的厚度为150至300nm、第二压电层37的厚度为0.8至1.2um、第三压电层39的厚度为150至250nm、第二保护层60的厚度为1.6至2.4um、以及第一保护层20至所述第一压电层31之间的距离为800至1200nm。

另外，第一金属层41、第二金属层43、第一焊垫51、第二焊垫53可以为铝、铜，或其合金，进一步地，第一连通孔21、第一贯穿孔11与第一金属层41之间，以及第二连通孔23、第二贯穿孔13与第二金属层43之间还包含金属底层45。金属底层45可以做为长晶层，可以为铜铝合金。

图2为压电微机械超声波换能器的封装结构第二实施例的剖面示意图。如图2所示，同时参见图1，第二实施例进一步地在密闭空腔27中还包含支撑柱29。支撑柱29抵接压电复合膜30与第一保护层20，可以避免在对密闭空腔27进行抽真空时，防止压电复合膜30与第一保护层20吸引或接触。通常是通过第一保护层20以图案化设计，或是控制蚀刻条件，来制作支撑柱29，支撑柱29可以是非晶硅、二氧化硅或四乙氧基硅烷(TEOS)。密闭空腔27的一侧壁面271与支撑柱29之间的最短距离为第一距离D1，两个连通通道30A,30B之间的第二距离D2大于两倍第一距离D1。支撑柱的高度H与第一距离D1比为1/70至1/200，支撑柱29的宽度为3至10um，其中在密闭空腔27中非支撑柱29的区域彼此连通，也就是密闭空腔27呈现以支撑柱29为中心的环状空间。在一些实施例中，第一距离D1小于等于150um。较佳地，第一距离D1为10至40um。

图3为压电微机械超声波换能器的封装结构第三实施例的剖面示意图。如图3所示，同时参照图2，在第三实施例中，在密闭空腔27中还包含二个支撑柱29，然而这仅为示例，而非用以限制，实际上也可以具有多个支撑柱29。通过支撑柱29，可以进一步降低密闭空腔27的高度，而防止压电复合膜30与第一保护层20吸引或接触。

综上所述，通过硅穿孔技术，能将整体的焊垫51,53移至压电微机械超声波换能器的背面，可以提供完整的平面以利于平贴于电子装置的表面，也能使得整体封装结构的厚度将低，而更利于各种电子装置的组装设计。

通过上述的详细说明，即可充分显示本申请的目的及功效上均具有实施的进步性，极具产业的利用性价值，完全符合专利要件，爰依法提出申请。唯以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，当不能用以限定本申请所实施的范围。即凡依本申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属于本申请专利涵盖的范围内，谨请贵审查委员明鉴，并祈惠准，是所至祷。

Claims (10)

1.一种压电微机械超声波换能器的封装结构，其特征在于，包含：

硅基板，开设有第一贯穿孔及第二贯穿孔；

第一保护层，设置于所述硅基板上，且开设有凹槽、第一连通孔及第二连通孔，所述第一连通孔与所述第一贯穿孔连通，所述第二连通孔与所述第二贯穿孔连通，且所述第一连通孔及所述第二连通孔与所述凹槽不连通；

压电复合膜，设置于所述第一保护层上，所述压电复合膜的垂直投影与所述凹槽至少部分重叠，所述压电复合膜包含第一电极层及第二电极层，所述第一电极层的第一连接部暴露于所述第一连通孔及所述第一贯穿孔，所述第二电极层的第二连接部暴露于所述第二连通孔及所述第二贯穿孔；

第一金属层，填入所述第一连通孔及所述第一贯穿孔中，与所述第一连接部连接；

第二金属层，填入所述第二连通孔及所述第二贯穿孔中，与所述第二连接部连接；

第一焊垫及第二焊垫，位于所述硅基板相反于所述第一保护层的一侧，分别连接所述第一金属层及所述第二金属层；以及

第二保护层，位于所述压电复合膜上，且所述第二保护层远离所述压电复合膜的表面为平坦表面，且所述第二保护层与所述压电复合膜共同封闭所述凹槽，而形成密闭空腔。

2.如权利要求1所述的压电微机械超声波换能器的封装结构，其特征在于，在所述第一连通孔、所述第一贯穿孔与所述第一金属层之间，以及所述第二连通孔、所述第二贯穿孔与所述第二金属层之间还包含金属底层。

3.如权利要求1所述的压电微机械超声波换能器的封装结构，其特征在于，所述压电复合膜至少开设两个连通通道，所述两个连通通道贯穿所述压电复合膜且与所述凹槽连通，所述第二保护层填入所述两个连通通道，而封闭所述凹槽形成所述密闭空腔。

4.如权利要求3所述的压电微机械超声波换能器的封装结构，其特征在于，还包含支撑柱，位于所述密闭空腔中，所述支撑柱抵接所述压电复合膜与所述第一保护层，且所述密闭空腔的一侧壁面与所述支撑柱之间的最短距离为第一距离，所述两个连通通道之间的第二距离大于两倍所述第一距离，且所述支撑柱的高度与所述第一距离比为1/70至1/200，所述支撑柱的宽度为3至10um，其中在所述密闭空腔中非所述支撑柱的区域彼此连通。

5.如权利要求4所述的压电微机械超声波换能器的封装结构，其特征在于，还包含第二支撑柱，所述第二支撑柱位于所述密闭空腔中，其中所述第二支撑柱位抵接所述压电复合膜与所述第一保护层，在所述密闭空腔中非所述支撑柱及所述第二支撑柱的区域彼此连通。

6.如权利要求4所述的压电微机械超声波换能器的封装结构，其特征在于，所述第一距离小于等于150um。

7.如权利要求6所述的压电微机械超声波换能器的封装结构，其特征在于，所述第一距离为10至40um。

8.如权利要求1所述的压电微机械超声波换能器的封装结构，其特征在于，所述压电复合膜包含依序堆栈于所述第一保护层的第一压电层、所述第一电极层、第二压电层及所述第二电极层，所述第一压电层开设有第一开口以暴露出所述第一连接部，而所述第一压电层及所述第二压电层开设有第二开口以暴露出所述第二连接部。

9.如权利要求8所述的压电微机械超声波换能器的封装结构，其特征在于，所述压电复合膜还包含第三压电层，所述第三压电层覆盖所述第二电极层，且与所述第二保护层接触。

10.如权利要求9所述的压电微机械超声波换能器的封装结构，其特征在于，所述第一压电层的厚度为10至40nm、所述第一电极层及所述第二电极层的厚度为150至300nm、所述第三压电层的厚度为150至250nm、所述第二压电层的厚度为0.8至1.2um、所述第二保护层的厚度为1.6至2.4um、以及所述第一保护层至所述第一压电层之间的距离为800至1200nm。

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