TWI592360B - 集成有倒裝晶片之微機電系統感測器 - Google Patents

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Description

集成有倒裝晶片之微機電系統感測器
本發明關於微機電系統(MEMS)感測器，並且更具體地關於積體MEMS感測器及倒裝晶片部件。
本申請案根據美國法典第35篇第119(e)款要求於2014年8月26日提交的題為“帶有倒裝晶片部件之積體MEMS感測器(INTEGRATED MEMS SENSOR WITH FLIP-CHIP COMPONENTS)”的美國臨時專利申請案號62/042,135之權益，該專利申請案藉由引用以其全文結合於此。
由於封裝基底上的引線鍵合連接或者對部件之並排集成，與其他部件集成在一起的傳統微機電系統(MEMS,microelectromechanical system)感測器具有較大的封裝形狀因數(尺寸和高度)。因此，強烈需要克服上述問題之解決方案。本發明解決了這種需要。
揭露了一用於提供集成有至少一個倒裝晶片的MEMS感測器之方法及系統。在第一方面，該系統包括MEMS感測器、耦接至該MEMS感測器的至少一個倒裝晶片、以及被配置為用於允許該至少一個倒裝晶片與該MEMS感測器之間的電連接的至少一個矽通孔(TSV,through-silicon via)。
在第二方面，該系統包括MEMS感測器，該感測器包括耦接至MEMS結構之CMOS結構，其中，該CMOS結構包括耦接至與該MEMS結構相接 觸的互連之基底。該系統進一步包括耦接至該基底的多個倒裝晶片、電連接該多個倒裝晶片與該互連的多個TSV、以及該基底上的多個層以提供該多個倒裝晶片之間以及從該多個倒裝晶片到至少一個外部部件的多個電連接。
100‧‧‧裝置
102‧‧‧MEMS感測器
104‧‧‧倒裝晶片部件
106‧‧‧CMOS
108‧‧‧矽通孔(TSV)
110‧‧‧再分佈層(RDL)
112‧‧‧引線鍵合IO焊盤
200‧‧‧裝置
202‧‧‧MEMS感測器
204‧‧‧封裝基底
206‧‧‧引線鍵合
300‧‧‧裝置
302‧‧‧MEMS感測器
304-308‧‧‧倒裝晶片部件
310‧‧‧再分佈層(RDL)金屬互連
312‧‧‧引線鍵合IO焊盤
該等附圖說明了本發明若干個實施方式，並且與本說明一起用來解釋本發明之原理。熟習該項技術者容易地認識到圖中所示之實施方式僅是示例性的，而並不旨在限制本發明之範圍。
〔圖1〕展示了根據一實施方式的裝置之側視圖，該裝置包括集成有倒裝晶片部件之MEMS感測器。
〔圖2〕圖2展示了根據一實施方式的裝置之側視圖，該裝置包括耦接至封裝基底之MEMS感測器。
〔圖3〕圖3展示了根據一實施方式的裝置之俯視圖，該裝置包括集成有多個倒裝晶片部件之MEMS感測器。
本發明關於微機電系統(MEMS)感測器，並且更具體地關於集成MEMS感測器和倒裝晶片部件。呈現以下說明以使得熟習該項技術者能夠製作和使用本發明，並且以下說明係在專利申請案及其要求的背景下提供的。對較佳實施方式以及在此所描述的通用原理和特徵之不同修改對熟習該項技術者而言將是顯而易見的。因此，本發明並非旨在限定於所示實施方式，而是要符合與在此描述的原理和特徵相一致的最廣泛範圍。
微機電系統(MEMS)係指使用類半導體過程製造的並且展現出機械特性(如移動或變形的能力)的一類裝置。MEMS經常但不總是與電信號交 互。MEMS裝置(或者MEMS感測器)可以指被實現為微機電系統之半導體裝置。MEMS裝置包括多個機械元件並且可選地包括用於感測的電子裝置。MEMS裝置包括但不限於陀螺儀、加速度計、磁強計和壓力感測器。
根據本發明之系統及方法提供了一能夠與更先進技術(包括但不限於倒裝晶片部件)集成之MEMS感測器。在一個實施方式中，該等倒裝晶片部件集成在該MEMS感測器的頂側，從而減小了封裝之形狀因數(尺寸和高度)、除去了標籤切割工序、並且提供了系統單晶片(SOC,system on a chip)晶粒(倒裝晶片部件)與該MEMS感測器之間的高性能互連。倒裝晶片部件使得半導體裝置(如MEMS感測器)之間能夠藉由沈積在該半導體裝置的焊盤上之焊料凸塊/焊球互連到外部電路。
為了更詳細地說明本發明該等特徵，現在結合附圖參考以下討論。
圖1展示了根據一實施方式的裝置100之側視圖，該裝置包括集成有至少一個倒裝晶片部件(“倒裝晶片”)104之MEMS感測器102。在一個實施方式中，MEMS感測器102包括CMOS 106，該CMOS包括基底(例如矽(Si)基底)和互連。在一個實施方式中，CMOS 106的高度為0.18微米(um)。在一個實施方式中，該至少一個倒裝晶片部件104係集成在MEMS感測器102的頂側上之CMOS系統單晶片(SOC)。在另一個實施方式中，該至少一個倒裝晶片部件104係具有不同尺寸特性的另一個感測器。熟習該項技術者輕易地認識到該至少一個倒裝晶片部件104可以是多種其他類型的具有不同尺寸和規格之裝置和感測器，並且這將在本發明的精神和範圍內。
在一個實施方式中，該至少一個倒裝晶片部件104利用多個矽通孔(TSV)108集成在MEMS感測器102的頂側上，該倒裝晶片部件將該多個TSV 108中的每一個連接至感測器電路(包括但不限於MEMS感測器的CMOS)的金屬層一(M1)上之感測器。在圖1中，三個單獨的TSV被展示為該多個TSV 108，但是裝置100可以包括更少或更大數量的TSV。
在一個實施方式中，每一個TSV 108可由各種材料(包括但不限於銅和鋁)製成，並且每一個TSV 108藉由CMOS 106的CMOS基底連接並連接至CMOS 106的CMOS互連的M1。在圖1中，至少一個再分佈層(RDL)110位於MEMS感測器102的頂側的該Si基底上。該至少一個RDL層110用於該至少一個倒裝晶片部件104至同樣位於MEMS感測器102的頂側的Si基底上的多個引線鍵合IO焊盤112的迂回佈線。因此，在該多個TSV 108中的每一個TSV將該至少一個倒裝晶片部件104連接至MEMS感測器102上的同時，該至少一個RDL層110將該至少一個倒裝晶片部件104連接至另一個部件(例如連接至另一個倒裝晶片或者連接至外部部件/裝置/感測器)上。該至少一個倒裝晶片部件104包括連接至該多個TSV 108中的至少一部分上的多個焊料凸塊或焊球，用於集成到MEMS感測器102的CMOS 106中。
藉由提供一用基於TSV的連接來代替基於引線鍵合/基底佈線的連接之系統，裝置100提供了該至少一個倒裝晶片部件104(例如，SOC晶粒)與MEMS感測器102之間的具有縮小的形狀因數和封裝尺寸之高性能互連。出於通信目的，多個再分佈層(RDL)不僅用於將該至少一個倒裝晶片部件104連接至該多個引線鍵合IO焊盤112，而且還用於將該至少一個倒裝晶片部件104連接至CMOS 106自身和/或將多個倒裝晶片部件相互連接。
圖2展示了根據一實施方式的裝置200之側視圖，該裝置包括耦接至封裝基底204之MEMS感測器202。MEMS感測器202包括與MEMS感測器102相同的部件，並且已經集成有倒裝晶片部件(例如，CMOS SOC)。MEMS感測器202藉由引線鍵合206耦接至封裝基底204。
圖3展示了根據一實施方式的裝置300之俯視圖，該裝置包括集成有多個倒裝晶片部件304-308之MEMS感測器302。該多個倒裝晶片部件304-308使用將該多個倒裝晶片部件304-308連接至多個引線鍵合IO焊盤312的多個再分佈層(RDL)金屬互連310與MEMS感測器302集成在一起。在一個實施方式中，該多個RDL金屬互連310由各種材料(包括但不限於鋁)製成。基於該MEMS感測器之尺寸和該多個倒裝晶片部件之尺寸和規格，該多個倒裝晶片部件可以以各種配置與該MEMS感測器集成在一起。
在圖3中，MEMS感測器302藉由該多個RDL金屬互連310中的四個單獨的RDL金屬互連與第一倒裝晶片部件304集成在一起，該四個單獨的RDL金屬互連各自將第一倒裝晶片部件304連接至該多個引線鍵合IO焊盤312的四個單獨的引線鍵合IO焊盤。MEMS感測器302也藉由該多個RDL金屬互連310中的三個單獨的RDL金屬互連(該三個單獨的RDL金屬互連還與將第一倒裝晶片部件304集成到MEMS感測器302上的該四個RDL金屬互連相分離)與第三倒裝晶片部件308集成在一起。MEMS感測器302還藉由第三倒裝晶片部件308和該多個RDL金屬互連310中的一個單獨的RDL金屬互連與第二倒裝晶片部件306集成在一起，以使得第二倒裝晶片部件306與第三倒裝晶片部件308之間能夠進行通信。
因此，該多個RDL金屬互連310中的每一個都或者將多個倒裝晶片部件連接至該多個引線鍵合IO焊盤312中的任何一個、將CMOS感測器連接至該多個引線鍵合IO焊盤312中的任何一個或者將該等倒裝晶片部件互相連接。如上所述，MEMS感測器302可以藉由對RDL金屬互連和引線鍵合IO焊盤的許多種配置與該多個倒裝晶片部件304-308集成在一起。
根據本發明之方法和系統提供了第一裝置，該第一裝置包括微機電系統(MEMS)感測器、耦接至該MEMS感測器的至少一個倒裝晶片、以及被配置為用於允許該至少一個倒裝晶片與該MEMS感測器之間的電連接的至少一個矽通孔(TSV)。在一個實施方式中，該至少一個倒裝晶片係耦接至或集成MEMS感測器的頂側之CMOS系統單晶片(SOC)。該MEMS感測器包括互補金屬氧化物半導體(CMOS)，該互補金屬氧化物半導體包括矽(Si)基底和CMOS互連。該至少一個TSV將該至少一個倒裝晶片連接至該CMOS互連的金屬層一(M1)。
在一個實施方式中，該第一裝置進一步包括在該MEMS感測器的基底(例如，該CMOS的Si基底)上的至少一個層(包括但不限於至少一個再分佈層(RDL)金屬互連)。該至少一個層提供了從該至少一個倒裝晶片到多個封裝插腳中的任何一個封裝插腳、多個引線鍵合IO焊盤、其他倒裝晶片、以及外部部件的多個電連接，而該TSV提供如前所述的該倒裝晶片與該MEMS感測器之間的電連接。
在一個實施方式中，有超過一個(或多個)倒裝晶片與該MEMS感測器集成在一起。在本實施方式中，該至少一個層提供了該多個倒裝晶片中的至少兩個倒裝晶片中的任何一個倒裝晶片與該多個倒裝晶片中的單個倒裝晶 片上的多個焊球/焊料凸塊之間的多個電連接(由此為該倒裝晶片自身提供了電連接)並且還提供了從該多個倒裝晶片中的至少一個倒裝晶片到該MEMS感測器的至少一個或多個引線鍵合IO焊盤和另一個外部部件中的任何一者的多個電連接。
在另一實施方式中，根據本發明之方法及系統提供了包括MEMS感測器的第二裝置，其中，該MEMS感測器包括耦接至MEMS結構之CMOS結構，其中，該CMOS結構包括耦接至互連之基底，該互連與該MEMS結構相接觸。該裝置進一步包括耦接至該基底的多個倒裝晶片、被配置為用於允許該多個倒裝晶片與該互連之間的多個電連接的多個矽通孔(TSV)(例如，由銅和鋁中的任何一種製成的TSV)、以及該基底上的多個層(例如，由鋁製成的多個再分佈層(RDL)金屬互連)，以提供該多個倒裝晶片之間以及從該多個倒裝晶片到至少一個外部部件的多個電連接。
在本實施方式中，該多個TSV中的每一個TSV將該多個倒裝晶片中的一個倒裝晶片連接至該互連的一個金屬層一(M1)部分。該多個層提供該多個倒裝晶片中的至少兩個倒裝晶片之間以及該多個倒裝晶片中的單個倒裝晶片上的多個焊球之間的多個電連接，並且還提供從該多個倒裝晶片中的至少一個倒裝晶片到該MEMS感測器的至少一個引線鍵合IO焊盤和外部部件中的任何一者的多個電連接。
如上所述，根據本發明之系統(MEMS感測器)及方法提供了一MEMS感測器，該MEMS感測器利用矽通孔(TSV)和再分佈層(RDL)與倒裝晶片部件集成在一起。藉由提供一用基於TSV的連接來代替基於引線鍵合/基底佈線的連接的裝置，根據本發明之方法及系統提供了該至少一個倒裝晶片部件(例 如，SOC晶粒)與該MEMS感測器之間的高效互連。另外，根據本發明之方法及系統除去了標籤切割的工序，並且提供了與包括封裝基底上的僅引線鍵合的連接或者部件的並排集成的裝置相比封裝之形狀因數(尺寸和高度)減小。
雖然已經根據所示的實施方式中描述了本發明，在熟習該項技術者將容易地認識到該等實施方式可存在變化並且該等變化將在本發明之精神和範圍之內。因此，熟習該項技術者可以做出許多修改而不脫離所附申請專利範圍之精神和範圍。
100‧‧‧裝置
102‧‧‧MEMS感測器
104‧‧‧倒裝晶片部件
106‧‧‧CMOS
108‧‧‧矽通孔(TSV)
110‧‧‧再分佈層(RDL)
112‧‧‧引線鍵合IO焊盤

Claims (20)

  1. 一種微機電裝置，包括：一微機電系統(MEMS)感測器；耦接至該MEMS感測器的至少一個倒裝晶片；及至少一個矽通孔(TSV)，該至少一個矽通孔直接連接到該至少一個倒裝晶片且被配置為用於允許該至少一個倒裝晶片與該MEMS感測器之間的一電連接。
  2. 如請求項1所述之微機電裝置，其中，該至少一個倒裝晶片耦接至該MEMS感測器的一頂側。
  3. 如請求項1所述之微機電裝置，其中，該MEMS感測器包括一互補金屬氧化物半導體(CMOS)，該互補金屬氧化物半導體包括一矽(Si)基底和一互連。
  4. 如請求項1所述之微機電裝置，其中，該至少一個TSV將該至少一個倒裝晶片連接至該互連的金屬層一(M1)。
  5. 如請求項1所述之微機電裝置，進一步包括：該MEMS感測器的一個基底上的至少一個層，其中，該至少一個層提供從該至少一個倒裝晶片到多個封裝插腳中的任何一個封裝插腳、另一個倒裝晶片以及一外部部件的多個電連接。
  6. 如請求項1所述之微機電裝置，其中，該至少一個層係至少一個再分佈層(RDL)金屬互連。
  7. 如請求項5所述之微機電裝置，其中，該至少一個倒裝晶片包括多個倒裝晶片，並且該至少一個層提供該多個倒裝晶片中的至少兩個倒裝晶片之間的多個電連接。
  8. 如請求項5所述之微機電裝置，其中，該至少一個倒裝晶片包括多個倒裝晶片，並且該至少一個層提供在該多個倒裝晶片中的單個倒裝晶片上的多個焊球之間的多個電連接。
  9. 如請求項5所述之微機電裝置，其中，該至少一個倒裝晶片包括多個倒裝晶片，並且該至少一個層提供從該多個倒裝晶片中的至少一個倒裝晶片到該MEMS感測器的至少一個焊盤的多個電連接。
  10. 如請求項9所述之微機電裝置，其中，該至少一個焊盤係至少一個引線鍵合IO焊盤。
  11. 如請求項1所述之微機電裝置，其中，該至少一個倒裝晶片係一CMOS系統單晶片(SOC)。
  12. 一種微機電裝置，包括：一微機電系統(MEMS)感測器，其中，該MEMS感測器包括耦接至一MEMS結構的CMOS結構，其中，該CMOS結構包括耦接至一互連的基底，該互連與該MEMS結構相接觸；多個倒裝晶片，該多個倒裝晶片耦接至該基底；多個矽通孔(TSV)，該多個矽通孔直接連接到該多個倒裝晶片且被配置為用於允許該多個倒裝晶片與該互連之間的多個電連接；以及 在該基底上的多個層，以提供該多個倒裝晶片之間以及從該多個倒裝晶片到至少一個外部部件的多個電連接。
  13. 如請求項12所述之微機電裝置，其中，該多個倒裝晶片耦接至該基底的一頂側。
  14. 如請求項12所述之微機電裝置，其中，該多個TSV中的每一個TSV將該多個倒裝晶片中的一個倒裝晶片連接至該互連的金屬層一(M1)部分。
  15. 如請求項12所述之微機電裝置，其中，該多個層係多個再分佈層(RDL)金屬互連。
  16. 如請求項15所述之微機電裝置，其中，該多個TSV由銅和鋁中的任何一種製成，並且該多個RDL金屬互連由鋁製成。
  17. 如請求項12所述之微機電裝置，其中，該多個層中的至少一個層提供該多個倒裝晶片中的至少兩個倒裝晶片之間的多個電連接。
  18. 如請求項12所述之微機電裝置，其中，該多個層中的至少一個層提供該多個倒裝晶片中的單個倒裝晶片上的多個焊球之間的多個電連接。
  19. 如請求項12所述之微機電裝置，其中，該多個層中的至少一個層提供從該多個倒裝晶片中的至少一個倒裝晶片到該MEMS感測器的至少一個引線鍵合IO焊盤間的多個電連接。
  20. 如請求項12所述之微機電裝置，其中，該多個倒裝晶片中的該至少一個倒裝晶片係一CMOS系統單晶片(SOC)。
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