KR20140104473A - Mems 칩 스케일 패키지 - Google Patents

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KR20140104473A
KR20140104473A KR1020147018631A KR20147018631A KR20140104473A KR 20140104473 A KR20140104473 A KR 20140104473A KR 1020147018631 A KR1020147018631 A KR 1020147018631A KR 20147018631 A KR20147018631 A KR 20147018631A KR 20140104473 A KR20140104473 A KR 20140104473A
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제이 에스. 살몬
리카르도 에렌포르트
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 플립 칩 MEMS 장치 및 이러한 MEMS 장치의 제조에 관한 것이다. 상기 장치는 기판 및 MEMS 다이를 포함한다. 상기 기판은 복수의 범프들, 상기 MEMS 장치를 또 다른 장치에 전기적으로 연결하게 구성되는 복수의 연결 지점들, 및 상기 범프들을 상기 연결 지점들에 전기적으로 연결하는 복수의 비아들을 포함한다. 상기 MEMS 다이는 플립 칩 제조 기술들을 사용하여 상기 기판에 부착되지만, 상기 MEMS 다이는 플립 칩 제조를 위한 범프들을 생성하는 것과 일반적으로 관련되어 처리하는 것에 종속되지 않는다.

Description

MEMS 칩 스케일 패키지 {MEMS CHIP SCALE PACKAGE}
본 발명은 MEMS 장치들의 제조에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 전기적 상호연결부들 및 MEMS 장치와 캐리어 사이의 타이트 (tight)한 공기 시일 모두를 제공하는 플립 칩 상호연결 방법(flip chip interconnect method)들을 사용하는 기판들, 회로 보드 (circuit board)들 또는 캐리어들 상으로의 MEMS 장치들의 플립 칩 본딩 (flip chip bonding)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 MEMS 다이와 호환되지 않는 공정들을 기판으로 이동시켜서 웨이퍼 범핑 (wafer bumping) 및 MEMS 장치들과 일반적으로 관련되는 도금 공정들과 관련된 호환성 문제를 다룬다.
와이어 본딩 (wire bonding)은 전자 부품들 또는 칩들이 위를 향하여 배치되고 와이어 연결에 의해 회로 보드 또는 기판에 연결되는 기술이다. 플립 칩 마이크로전자 어셈블리 (flip chip microelectronic assembly)는 칩 본드 패드 (chip bond pad)들과 기판들, 회로 보드들, 또는 캐리어들 사이의 도전성의 상호연결부들에 의해 기판들, 회로 보드들, 또는 캐리어들 상으로 아래로 향하는 (따라서, 플립된) 전자 구성요소들의 직접적인 전기적 연결이다.
현재의 MEMS 장치들의 패키지 크기는 다이와 기판 사이의 와이어 본딩을 위한 공간 요구들 및 MEMS 칩과 기판 사이의 적절한 시일을 형성하는 데 필요한 표면적에 의해 제한된다. 플립 칩 어셈블리로 이동시키는 것은 패키지 사이즈 감소, 기판 상호연결부들에 대한 다이의 일괄 처리, 및 기판 시일에 대한 MEMS의 개선된 폼 팩터 (form factor)를 허용한다. MEMS 장치들 제조에 있어서 인쇄 또는 습식 화학 범핑 기술의 사용은 MEMS 장치들에 포함된 민감한 자유 이동 기계적 구조들로 인해 중요한 공정 개발 문제점을 제기한다.
일 실시예에서, 본 발명은 플립 칩 제조 MEMS 장치를 제공한다. 상기 장치는 기판 및 MEMS 다이를 포함한다. 상기 기판은 복수의 융기 구조들, 상기 MEMS 장치를 또 다른 장치에 전기적으로 연결하게 구성되는 복수의 연결 지점들, 및 상기 융기 구조들을 상기 연결 지점들에 전기적으로 연결하는 복수의 비아들을 포함한다. 상기 MEMS 다이는 플립 칩 제조 기술들을 사용하여 상기 기판에 부착되지만, 상기 MEMS 다이는 플립 칩 제조를 위한 융기 구조들을 생성하는 것과 일반적으로 관련된 처리에 종속되지 않는다. 다시 말해서, 상기 다이는 상기 다이에 범프들을 배치하지 않고 부착된다.
플립 칩 장착 장치들을 위한 전기적 상호연결부들을 제공하는 것 외에도, 본 발명의 실시예들은 상기 실제 MEMS 다이와 상기 기판 사이에 음향 실링 (acoustic sealing)을 제공한다.
본 발명의 다른 양태들은 상세한 설명 및 첨부 도면들을 고려함으로써 명백해 질 것이다.
도 1a는 상부-포트 MEMS 마이크로폰의 평면도이다.
도 1b는 상부-포트 MEMS 마이크로폰의 측면도이다.
도 1c는 상부-포트 MEMS 마이크로폰의 저면도이다.
도 1d는 상부-포트 마이크로폰의 사시도이다.
도 1e는 라인 1e-1e를 따르는 상부-포트 마이크로폰의 단면도이다.
도 2a는 상부-포트 마이크로폰의 실리콘 캡의 평면도이다.
도 2b는 상부-포트 마이크로폰의 실리콘 캡의 측면도이다.
도 2c는 상부-포트 마이크로폰의 실리콘 캡의 사시도이다.
도 2d는 라인 2d-2d를 따르는 상부-포트 마이크로폰의 실리콘 캡의 단면도이다.
도 3a는 하부-포트 MEMS 마이크로폰의 평면도이다.
도 3b는 하부-포트 MEMS 마이크로폰의 측면도이다.
도 3c는 하부-포트 MEMS 마이크로폰의 저면도이다.
도 3d는 하부-포트 MEMS 마이크로폰의 사시도이다.
도 3e는 라인 3e-3e를 따르는 하부-포트 MEMS 마이크로폰의 단면도이다.
도 4a는 하부-포트 MEMS 마이크로폰의 실리콘 캡의 평면도이다.
도 4b는 하부-포트 MEMS 마이크로폰의 실리콘 캡의 측면도이다.
도 4c는 하부-포트 MEMS 마이크로폰의 실리콘 캡의 저면도이다.
도 4d는 라인 4d-4d를 따르는 실리콘 캡의 제1 단면도이다.
도 4e는 라인 4e-4e를 따르는 실리콘 캡의 제2 단면도이다.
도 5a는 하부-포트 MEMS 마이크로폰을 위한 기판 캐리어의 평면도이다.
도 5b는 하부-포트 MEMS 마이크로폰을 위한 기판 캐리어의 측면도이다.
도 6a는 단일 기판 캐리어 상의 복수의 하부-포트 MEMS 마이크로폰의 평면도이다.
도 6b는 단일 기판 캐리어 상의 복수의 하부-포트 MEMS 마이크로폰의 측면도이다.
도 6c는 단일 기판 캐리어 상의 복수의 하부-포트 MEMS 마이크로폰의 사시도이다.
도 7은 하부-포트 MEMS 마이크로폰의 다른 실시예의 개략도이다.
본 발명의 어떠한 실시예들도 상세히 설명되기 전에, 본 발명은 이하의 설명에 기재되거나 이하의 도면들에 도시된 구성의 세부 사항들 및 구성 요소들의 배열에 그 적용이 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명은 다른 실시예들을 할 수 있고 다양한 방법으로 실시되거나 실행될 수 있다.
플립 칩 제조 기술들은 MEMS 장치 제조에 일반적으로 사용되는 와이어 본딩 기술들로 달성될 수 있는 것보다 더 높은 밀도의 전기적 연결들을 허용한다. 그러나, 플립 칩 제조와 연관된 공정은 MEMS 다이들에 손상을 줄 수 있다. 본 발명은 이러한 문제들을 처리하고 MEMS 장치들을 위한 플립 칩 제조의 사용을 가능하게 한다. 이하의 설명들은 MEMS 마이크로폰들에 대하여 제시되지만, 본 발명은 (MEMS이든 아니든) 다른 장치들에 대한 응용을 갖는다.
이하에 개시된 실시예들 중 일부는 구리 필러 기술 [copper (Cu) pillar technology]을 사용한다. 2002년 6월 12일에 출원된 미국 특허 제 6,681,982호는 이러한 구리 필러 기술을 개시하며, 그 전체 내용은 본 명세서에서 참고 문헌으로서 인용된다.
도 1a, 도 1b, 도 1c, 도 1d, 및 도 1e는 본 발명의 일 실시예를 포함하는 상부-포트 MEMS 마이크로폰(100)을 도시한다. 상기 마이크로폰(100)은 리드(105)(lid), CMOS MEMS 다이(110), 및 실리콘 캡(115)을 포함한다. 도 2a, 도 2b, 및 도 2c는 상기 실리콘 캡(115)을 보다 상세히 도시한다. 상기 실리콘 캡(115)은 복수의 제1 융기 구조(120)들 (즉, 연결 지점들), 복수의 관통 실리콘 비아(125)(through-silicon-via, TSV)들, 융기 링(130), 및 복수의 제2 융기 구조(135)들을 포함한다. 상기 복수의 제1 융기 구조(120)들은 완성된 마이크로폰(100)을 장치(예를 들어, 휴대 전화)에 전기적으로 연결하기 위한 것이다. 상기 복수의 제2 융기 구조(135)들은 상기 MEMS 다이(110)에 전기적으로 연결된다. 상기 TSV(125)들은 상기 제1 융기 구조(120)들의 각각을 상기 복수의 제2 융기 구조(135)들의 각각으로 전기적으로 연결한다. 상기 MEMS 다이(110)는 플립 칩 방법들을 사용하여 상기 실리콘 캡(115)에 부착된다. 상기 융기 링(130)은 상기 MEMS 다이(110)와 시일을 형성하며, 상기 실리콘 캡(115)에 형성된 공동(140)과 함께 상기 마이크로폰(100)을 위한 백 볼륨 (back volume)을 생성한다. 상기 도시된 실시예에서, 상기 융기 구조(120, 135)들, 및 상기 융기 링(130)은 구리 필러들로 형성된다.
일부 실시예들에서, 상기 상부-포트 MEMS 마이크로폰(100)은 상기 실리콘 캡(115) 대신에 공동을 구비한 유기 기판을 사용한다. 이러한 실시예들에서, 상기 상호연결부들은 상기 실리콘 캡(115)과 함께 사용되는 상기 TSV들 대신에 표준 인쇄 회로 보드 (printed circuit board, PCB) 비아들일 수 있다. 또한, 상기 융기 구조들은 스터드 범핑 (stud bumping) 및 이방성 도전성 에폭시 (anisotropic conductive epoxy, ACE) 또는 구리 필러들을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 실리콘 캡(115)에 상기 MEMS 다이(110)의 플립 칩 장착의 사용, 및 상기 실리콘 캡(115)에 상기 필러들/범프들의 부착은 제조 공정에 의해 손상되는 것으로부터 상기 MEMS 다이(110)의 이동 가능한 기계적인 구조들을 보호한다. 상기 리드(105)는 음향 포트(145)를 포함하고, 상기 캡(115)에 상기 다이(110)의 플립 칩 장착 전 또는 후에 상기 MEMS 다이(110)에 부착된다.
도 3a, 도 3b, 도 3c, 도 3d, 및 도 3e는 본 발명의 일 실시예를 포함하는 하부-포트 MEMS 마이크로폰(100')을 도시한다. 상기 마이크로폰(100')은 리드(105'), CMOS MEMS 다이(110'), 및 실리콘 캡(115')을 포함한다. 도 4a, 도 4d, 및 도 4e는 상기 실리콘 캡(115')을 보다 상세히 도시한다. 상기 실리콘 캡(110')은 복수의 제1 융기 구조(120')들, 복수의 TSV(125')들, 융기 링(130'), 및 복수의 제2 융기 구조(135')들을 포함한다. 상기 복수의 제1 융기 구조(120')들은 완성된 마이크로폰(100')을 장치(예를 들어, 휴대 전화)에 전기적으로 연결하기 위한 것이다. 상기 복수의 제2 융기 구조(135')들은 상기 MEMS 다이(110')에 전기적으로 연결한다. 상기 TSV(125')들은 상기 제1 융기 구조(120')들의 각각을 상기 복수의 제2 융기 구조(135')들의 각각으로 전기적으로 연결한다. 상기 MEMS 다이(110')는 플립 칩 방법들을 사용하여 상기 실리콘 캡(115')에 부착된다. 상기 융기 링(130')은 상기 MEMS 다이(110')와 시일을 형성한다. 상기 도시된 실시예에서, 상기 융기 구조(120', 135')들, 및 상기 융기 링(130')은 구리 필러들로 형성된다.
상기 캐리어 내로 매립 (embedded)되거나 가공 (machined)되는 입자 스크린의 추가는 상기 장치 공동으로 유입하는 입자들에 차단부로 기능할 수 있다. 또한, 이 스크린은 패키지된 장치 내의 민감한 구조들에 대한 EMI/ESD 차폐부로 작용할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 하부-포트 MEMS 마이크로폰(100')은 상기 실리콘 캡(115') 대신에 유기 기판을 사용한다. 이러한 실시예들에서, 상기 상호연결부들은 상기 실리콘 캡(115')과 함께 사용되는 상기 TSV들 대신에 표준 PCB 비아들 일 수 있다. 또한, 상기 융기 구조들은 스터드 범핑 및 이방성 도전성 에폭시 (ACE) 또는 구리 필러들을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 리드(105')는 에폭시, 연납 (soft solder) 등을 포함한 여러 상호연결 기술들 중 하나를 사용하여 연결될 수 있다.
상기 마이크로폰(100')은 상기 실리콘 캡(115')이 (에칭 또는 가공 기술들에 의해 구멍 또는 메쉬로 형성될 수 있는) 음향 포트(145')를 포함하고, 상기 리드(105')가 음향 포트를 포함하지 않는다는 점을 제외하고는 도 1 및 도 2의 상기 마이크로폰(100)과 유사하다. 또한, 상기 리드(105')는 상기 MEMS 다이(110')와 결합하여 상기 백 볼륨을 형성한다.
도 5a 및 도 5b는 하부-포트 MEMS 마이크로폰을 위한 기판 캐리어(115")를 도시한다. 상기 캐리어(115")에는 복수의 융기 링(130")들 및 복수의 융기 구조 상호연결부(135")들이 배치되었다. 또한, 상기 캐리어(115")는 복수의 음향 포트(145")를 포함하도록 변경되었다. 도 6a, 도 6b, 및 도 6c는 상기 기판 캐리어(115")에 플립 칩 장착되어 있는 복수의 MEMS 다이(110")들 및 리드(105")들을 도시한다. 상기 MEMS 다이(110")들의 장착 후에, 상기 기판 캐리어(115")는 복수의 하부-포트 MEMS 마이크로폰(100')을 생성하도록 절단된다 (도 3 및 도 4 참조).
도 7은 플립 칩이 조립된 MEMS 마이크로폰(200)의 또 다른 실시예를 도시한다. 기판(205)은 스터드 범프(215)들을 보유하는 상부면(210)에 패드들을 포함한다. 상기 스터드 범프들은 상기 기판(205)에 적용되거나 상기 MEMS 다이(220)에 적용될 수 있다. 상기 MEMS 다이(220)는 플립 칩 방법들을 통해 상기 기판(205) 상에 배치된다. 이후, 언더필(225)(underfill)이 상기 백 볼륨을 시일하고 상기 마이크로폰(200)의 구성 요소들을 안정화시키기 위해 부가된다.
또 다른 실시예에서, 이방성 도전성 에폭시(225)(ACE)는, 상기 스터드 범핑 후에, 그러나 상기 기판에 상기 MEMS 다이가 플립 칩 장착되기 전에, 상기 기판 또는 상기 MEMS 다이에 적용된다. 상기 ACE는 상기 백 볼륨을 시일하고 상기 마이크로폰(200)의 구성요소들을 기계식으로 안정화시킨다.
상기 실시예들은 예시적인 것으로 의미되며, 제한적인 것이 아니다. 예를 들어, 상기 비아(125)들은 하나 보다 많은 제1 융기 구조(120)를 하나 이상의 제2 융기 구조(135)들에 전기적으로 연결할 수 있고 그리고/또는 그 반대일 수 있다.
본 발명의 다양한 특징들 및 장점들은 이하의 청구의 범위들에 기재된다.

Claims (12)

  1. MEMS 장치이며,
    복수의 융기 구조들, 상기 MEMS 장치를 또 다른 장치에 전기적으로 연결하게 구성되는 복수의 연결 지점들, 및 상기 융기 구조들 중 일부를 상기 연결 지점들로 전기적으로 연결하는 복수의 비아들을 포함하는 기판과,
    상기 다이 상에 융기 구조들을 배치하지 않고 플립 칩 제조 기술들을 사용하여 상기 기판에 부착되는 MEMS 다이를 포함하는,
    MEMS 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 융기 구조들 중 적어도 하나는 링이며, 상기 링은 상기 MEMS 다이와 상기 기판 사이에서 음향 시일을 형성하는,
    MEMS 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 MEMS 다이는 플립 칩 제조 기술들을 사용하여 상기 기판에 부착되는,
    MEMS 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 융기 구조들은 와이어 본딩에 비해 상대적으로 높은 밀도의 전기적 연결들을 제공하는,
    MEMS 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 융기 구조들은 습식 공정을 사용하여 상기 기판 상에서 형성되는,
    MEMS 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 융기 구조들은 상기 기판 상의 그루브들에 위치해 있는 솔더 볼 (solder ball)들이며, 상기 MEMS 다이는 언더필에 의해 상기 기판에 장착되는,
    MEMS 장치.
  7. 복수의 비아들로 기판을 생성하는 단계와,
    상기 기판 상에 상기 비아들에 연결되는 복수의 융기 구조들을 형성하는 단계와,
    상기 기판 상에 상기 비아들에 연결되는 복수의 연결 지점들을 형성하는 단계와,
    플립 칩 기술들을 사용하여 복수의 융기 구조들 상에 MEMS 다이를 장착하는 단계를 포함하며,
    MEMS 장치를 제조하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 융기 구조들 중 적어도 하나에 의해 음향 시일을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 융기 구조는 링인,
    MEMS 장치를 제조하는 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    플립 칩 제조 기술들을 사용하여 상기 기판에 상기 MEMS 다이를 부착하는 단계를 더 포함하는,
    MEMS 장치를 제조하는 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 융기 구조들에 의해 와이어 본딩에 비해 상대적으로 높은 밀도의 전기적 연결들을 제공하는 단계를 더 포함하는,
    MEMS 장치를 제조하는 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    습식 공정을 사용하여 상기 기판 상에 상기 복수의 융기 구조들을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    MEMS 장치를 제조하는 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    언더필에 의해 상기 MEMS 다이를 상기 기판에 장착하는 단계를 더 포함하며,
    상기 복수의 융기 구조들은 상기 기판 상의 그루브들에 위치해 있는 솔더 볼들인,
    MEMS 장치를 제조하는 방법.
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