TWM644027U

TWM644027U - 壓電微機械超聲波換能器的封裝結構

Info

Publication number: TWM644027U
Application number: TW112200360U
Authority: TW
Inventors: 邱奕翔; 荊溪瑞
Original assignee: 大陸商茂丞(鄭州)超聲科技有限公司
Priority date: 2023-01-11
Filing date: 2023-01-11
Publication date: 2023-07-21
Also published as: US20240237539A1

Abstract

一種壓電微機械超聲波換能器的封裝結構，包含矽基板、第一保護層、壓電複合膜、第一金屬層、第二金屬層、第一銲墊、第二銲墊及第二保護層。矽基板開設有第一貫穿孔及第二貫穿孔。第一保護層開設有凹槽、第一連通孔及第二連通孔，壓電複合膜包含第一電極層及第二電極層。第一金屬層及第二金屬層分別填入第一連通孔及第一貫穿孔中、及第二連通孔及第二貫穿孔中以連接第一金屬層及第二金屬層。第一銲墊及第二銲墊分別連接第一金屬層及第二金屬層。第二保護層遠離壓電複合膜的表面為平坦表面，且與壓電複合膜共同封閉凹槽，而形成密閉空腔。

Description

壓電微機械超聲波換能器的封裝結構

本創作涉及感測領域，尤其是一種壓電微機械超聲波換能器的封裝結構。

壓電微機械超聲波換能器在各種電子裝置的感測應用上越來越廣。同時，電子裝置輕薄化，整體內部空間的厚度都受到限制。壓電微機械超聲波換能器的厚度也限制了電子裝置的設計裕度。

目前壓電微機械超聲波換能器較大的瓶頸在於焊接部分的厚度，傳統上通常是以其頂端開設銲墊開口，整體厚度難以下降，同時，整體缺乏與電子裝置可以膠黏的平面，造成設計上的限制。

為了解決先前技術所面臨的問題，在此提供一種壓電微機械超聲波換能器的封裝結構，其包含矽基板、第一保護層、壓電複合膜、第一金屬層、第二金屬層、第一銲墊、第二銲墊、以及第二保護層。

矽基板開設有第一貫穿孔及第二貫穿孔。第一保護層設置於矽基板上，且開設有凹槽、第一連通孔及第二連通孔，第一連通孔與第一貫穿孔連通，第二連通孔與第二貫穿孔連通，且第一連通孔及第二連通孔與凹槽不連通。壓電複合膜設置於第一保護層上，壓電複合膜的垂直投影與凹槽至少部分重疊，壓電複合膜包含第一電極層及第二電極層，第一電極層的第一連接部暴露於第一連通孔及第一貫穿孔，第二電極層的第二連接部暴露於第二連通孔及第二貫穿孔。第一金屬層及第二金屬層分別填入第一連通孔及第一貫穿孔中與第一電極層連接，以及填入第二連通孔及第二貫穿孔中與第二電極層連接。第一銲墊及第二銲墊位於矽基板上相反於該第一保護層的一側，分別連接第一金屬及第二金屬層。第二保護層位於壓電複合膜上，且第二保護層遠離壓電複合膜的表面為平坦表面，且第二保護層與壓電複合膜共同封閉凹槽，而形成密閉空腔。

在一些實施例中，在第一連通孔、第一貫穿孔與第一金屬層之間，以及第二連通孔、第二貫穿孔與第二金屬層之間更包含金屬底層。

在一些實施例中，壓電複合膜至少開設二連通通道，二連通通道貫穿壓電複合膜且與凹槽連通，第二保護層填入二連通通道，而封閉凹槽形成密閉空腔。

更詳細地，在一些實施例中，壓電微機械超聲波換能器的封裝結構更包含支撐柱。支撐柱位於密閉空腔中，抵接壓電複合膜與第一保護層。密閉空腔的側壁面與支撐柱之間的最短距離為第一距離，二連通通道之間的第二距離大於兩倍第一距離，且支撐柱的高度與第一距離比為1/70至1/200，支撐柱的寬度為3至10um，其中在密閉空腔中非支撐柱的區域彼此連通。

更詳細地，在一些實施例中，壓電微機械超聲波換能器的封裝結構更包含第二支撐柱，第二支撐柱位於密閉空腔中，其中第二支撐柱位抵接壓電複合膜與第一保護層，在密閉空腔中非支撐柱及第二支撐柱的區域彼此連通。

在一些實施例中，第一距離小於等於150um。更具體地，在一些實施例中，第一距離為10至40um。

在一些實施例中，壓電複合膜包含依序堆疊於第一保護層的第一壓電層、第一電極層、第二壓電層及第二電極層，第一壓電層開設有第一開口以曝露出第一連接部，而第一壓電層及第二壓電層開設有第二開口以曝露出第二連接部。

更詳細地，在一些實施例中，壓電複合膜還包含第三壓電層，第三壓電層覆蓋第二電極層，且與第二保護層接觸。

更詳細地，在一些實施例中，第一壓電層的厚度為10至40nm、第一電極層及第二電極層的厚度為150至300nm、第二壓電層的厚度為800nm至1200nm、第三壓電層的厚度為150至250nm、第二保護層的厚度為1.6至2.4um、以及第一保護層至第一壓電層之間的距離為800至1200nm。

由前述實施例可以理解的是，透過矽穿孔技術，能將整體的銲墊移至壓電微機械超聲波換能器的背面，可以提供完整的平面以利於平貼於電子裝置的表面，也能使得整體封裝結構的厚度將低，而更利於各種電子裝置的組裝設計。

1:壓電微機械超聲波換能器的封裝結構

10:矽基板

11:第一貫穿孔

13:第二貫穿孔

20:第一保護層

21:第一連通孔

23:第二連通孔

25:凹槽

27:密閉空腔

271:壁面

29:支撐柱

30:壓電複合膜

30A,30B:連通通道

31:第一壓電層

311:第一開口

33:第一電極層

331:第一連接部

35:第二壓電層

351:第二開口

37:第二電極層

371:第二連接部

39:第三壓電層

41:第一金屬層

43:第二金屬層

45:金屬底層

51:第一銲墊

53:第二銲墊

60:第二保護層

61:表面

D1:第一距離

D2:第二距離

H:支撐柱的高度

圖1為壓電微機械超聲波換能器的封裝結構第一實施例的剖面示意圖。

圖2為壓電微機械超聲波換能器的封裝結構第二實施例的剖面示意圖。

圖3為壓電微機械超聲波換能器的封裝結構第三實施例的剖面示意圖。

在以下說明中，術語「第一」、「第二」、「第三」這些術語僅用於將一個元件、部件、區域、或部分與另一個元件、部件、區域、層或部分區分開，而非表示其必然的先後順序。此外，諸如「下」和「上」、「內」和「外」的相對術語可在本文中用於描述一個元件與另一元件的關係，應當理解，相對術語旨在包括除了圖中所示的方位之外的裝置的不同方位。例如，如果一個附圖中的裝置翻轉，則被描述為在其他元件的「下」側的元件將被定向在其他元件的「上」側。此僅表示相對的方位關係，而非絕對的方位關係。

附圖中，為了清楚起見，放大了部分元件、區域等的寬度。在整個說明書中，相同的附圖標記表示相同的元件。應當理解，當諸如元件被稱為在另一元件「上」或「連接到」另一元件時，其可以直接在另一元件上或與另一元件連接，或者中間元件可以也存在。相反，當元件被稱為「直接在另一元件上」或「直接連接到」另一元件時，不存在中間元件。

圖1為壓電微機械超聲波換能器的封裝結構第一實施例的剖面示意圖。如圖1所示，壓電微機械超聲波換能器的封裝結構1，其包含矽基板10、第一保護層20、壓電複合膜30、第一金屬層41、第二金屬層43、第一銲墊51、第二銲墊53、以及第二保護層60。

矽基板10開設有第一貫穿孔11及第二貫穿孔13。第一保護層20設置於矽基板10上，且開設有凹槽25、第一連通孔21及第二連通孔 23，第一連通孔21與第一貫穿孔11連通，第二連通孔23與第二貫穿孔13連通，且第一連通孔21及第二連通孔23與凹槽25不連通。在此，第一保護層20可以為二氧化矽或四乙氧基矽烷(TEOS)。

壓電複合膜30設置於第一保護層20上，壓電複合膜30的垂直投影與凹槽25至少部分重疊，壓電複合膜30包含第一電極層33及第二電極層37，第一電極層33的第一連接部331暴露於第一連通孔21及第一貫穿孔11，第二電極層37的第二連接部371暴露於第二連通孔23及第二貫穿孔13。第一金屬層41填入第一連通孔21及第一貫穿孔11中與第一連接部331連接。第二金屬層43填入第二連通孔23及第二貫穿孔13中與第二連接部371連接。第一銲墊51及第二銲墊53位於矽基板10相反於第一保護層20的一側，分別連接第一金屬層41及第二金屬層43。第二保護層60位於壓電複合膜30上，且第二保護層60遠離壓電複合膜30的表面61為平坦表面，且第二保護層60與壓電複合膜30共同封閉凹槽25，而形成密閉空腔27。在此，密閉空腔27可以是凹槽25的空間，即壓電複合膜30及第二保護層60的底部可以是共平面，也可以是凹槽25的空間加上壓電複合膜30及第二保護層60底部產生的空間。

更具體地，在一些實施例中，壓電複合膜30至少開設二連通通道30A,30B，二連通通道30A,30B貫穿壓電複合膜30且與凹槽25連通，第二保護層60填入二連通通道30A,30B，而封閉凹槽25形成密閉空腔27。在此，連通通道30A,30B實際上可以做為蝕刻第一保護層20內原先預留於凹槽25中之非晶矽的蝕刻通道，藉此通入蝕刻氣體來形成凹槽25。第二保護層60可以完全填滿連通通道30A,30B，也可以僅封閉連通通道30A,30B 的上端，而留下部分的空間，做為密閉空腔27的一部分。在此，第二保護層60可以為二氧化矽或四乙氧基矽烷(TEOS)。然而，以上僅為示例，而非限於此，例如，可以透過真空接合的方式，來維持凹槽25而不需要連通通道30A,30B。

在一些實施例中，壓電複合膜30包含依序堆疊於第一保護層20的第一壓電層31、第一電極層33、第二壓電層35及第二電極層37，第一壓電層31開設有第一開口311以曝露出第一連接部331，而第一壓電層31及第二壓電層35開設有第二開口351以曝露出第二連接部371。在此，第二開口351貫通第一壓電層31及第二壓電層35。

進一步地，在一些實施例中，壓電複合膜30還包含第三壓電層39，第三壓電層39覆蓋該第二電極層37，且與第二保護層60接觸。在前述實施例中，第一壓電層31、第二壓電層35、第三壓電層39的材料為氮化鋁(AlN)，而第一電極層33及第二電極層37的材料為鉬(Mo)。

更詳細地，第一壓電層31的厚度為10至40nm、第一電極層33及第二電極層37的厚度為150至300nm、第二壓電層35的厚度為0.8至1.2um、第三壓電層39的厚度為150至250nm、第二保護層60的厚度為1.6至2.4um、以及第一保護層20至該第一壓電層31之間的距離為800至1200nm。

另外，第一金屬層41、第二金屬層43、第一銲墊51、第二銲墊53可以為鋁、銅，或其合金，進一步地，第一連通孔21、第一貫穿孔11與第一金屬層41之間，以及第二連通孔23、第二貫穿孔13與第二金屬層43之間更包含金屬底層45。金屬底層45可以做為長晶層，可以為銅鋁合金。

圖2為壓電微機械超聲波換能器的封裝結構第二實施例的剖面示意圖。如圖2所示，同時參見圖1，第二實施例進一步地在密閉空腔27中更包含支撐柱29。支撐柱29抵接壓電複合膜30與第一保護層20，可以避免在對密閉空腔27進行抽真空時，防止壓電複合膜30與第一保護層20吸引或接觸。通常是透過第一保護層20以圖案化設計，或是控制蝕刻條件，來製作支撐柱29，支撐柱29可以是非晶矽、二氧化矽或四乙氧基矽烷(TEOS)。密閉空腔27的一側壁面271與支撐柱29之間的最短距離為第一距離D1，二連通通道30A,30B之間的第二距離D2大於兩倍第一距離D1。支撐柱的高度H與第一距離D1比為1/70至1/200，支撐柱29的寬度為3至10um，其中在密閉空腔27中非支撐柱29的區域彼此連通，也就是密閉空腔27呈現以支撐柱29為中心的環狀空間。在一些實施例中，第一距離D1小於等於150um。較佳地，第一距離D1為10至40um。

圖3為壓電微機械超聲波換能器的封裝結構第三實施例的剖面示意圖。如圖3所示，同時參照圖2，在第三實施例中，在密閉空腔27中更包含二個支撐柱29，然而這僅為示例，而非用以限制，實際上也可以具有多個支撐柱29。透過支撐柱29，可以進一步降低密閉空腔27的高度，而防止壓電複合膜30與第一保護層20吸引或接觸。

綜上所述，透過矽穿孔技術，能將整體的銲墊51,53移至壓電微機械超聲波換能器的背面，可以提供完整的平面以利於平貼於電子裝置的表面，也能使得整體封裝結構的厚度將低，而更利於各種電子裝置的組裝設計。

透過上述之詳細說明，即可充分顯示本創作之目的及功效上均具有實施之進步性，極具產業之利用性價值，完全符合專利要件，爰依法提出申請。唯以上所述僅為本創作之較佳實施例而已，當不能用以限定本創作所實施之範圍。即凡依本創作專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應屬於本創作專利涵蓋之範圍內，謹請貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。