本發(fā)明涉及一種有減少的應(yīng)力靈敏度的MEMS(微電機(jī)系統(tǒng))傳感器器件和對應(yīng)制造工藝。

背景技術(shù)：

在集成半導(dǎo)體器件中并且具體地在MEMS器件中，感覺到機(jī)械應(yīng)力和應(yīng)變的問題，這可能導(dǎo)致電參數(shù)(例如檢測靈敏度)的不希望的修改和漂移。

MEMS器件通常地包括一個(gè)或者多個(gè)半導(dǎo)體材料管芯，其中提供對應(yīng)微機(jī)械檢測結(jié)構(gòu)和可能對應(yīng)ASIC(專用集成電路)，后者例如包括用于采集和預(yù)處理檢測到的電學(xué)量(例如指示檢測的壓力的電容變化)的對應(yīng)接口用于生成(在來自MEMS器件的輸出供應(yīng)的用于后續(xù)處理操作的)電輸出信號(hào)。

MEMS器件還包括封裝，該封裝包圍和保護(hù)檢測結(jié)構(gòu)的和可能ASIC的管芯，從而提供用于與外界電連接的接口。在所謂“襯底級(jí)封裝”技術(shù)方案中，封裝由一個(gè)或者多個(gè)基層和蓋層制成，這些層直接地耦合到MEMS器件的管芯，從而構(gòu)成其與外界的接口。

已知在MEMS器件的封裝內(nèi)容納的管芯中通常地由于相同封裝的變形(例如卷曲或者其它類型的應(yīng)力)引起機(jī)械應(yīng)力，這些變形例如歸因于焊接到外部印刷電路板(PCB)的工藝和對應(yīng)熱應(yīng)力。

假定檢測結(jié)構(gòu)的機(jī)械性質(zhì)直接地影響MEMS器件的性能，顯然需要盡可能減少前述應(yīng)力的影響。

例如參照實(shí)施壓力傳感器的MEMS器件1在圖1a和圖1b中圖示已經(jīng)提出的一種用于減少應(yīng)力和所得變形的影響的技術(shù)方案。

MEMS 1器件包括例如硅的支撐基部2，該支撐基部具有與外界接觸的底表面。

MEMS器件1還包括傳感器管芯4，其中制成(示意地表示的)機(jī)械檢測結(jié)構(gòu)5例如用于檢測壓力。傳感器管芯4經(jīng)由折疊彈簧(例如在平面圖中為S形)這一形式的彈性耦合元件8機(jī)械地耦合到如圖1b的示意俯視平面圖中所示外部包圍它的傳感器框6。

彈性耦合元件8以未示出的方式也承載用于在機(jī)械檢測結(jié)構(gòu)5與傳感器框6之間的電連接的電連接路徑，該傳感器框可以集成適當(dāng)電元件和部件、可能是耦合到機(jī)械檢測結(jié)構(gòu)的ASIC(未圖示)。傳感器框6還承載用于例如通過電接線與外界電連接的接觸焊盤7。

經(jīng)由這一機(jī)械耦合，傳感器管芯4被布置為懸置在支撐基部2之上。停止件9耦合到傳感器管芯4的底部部分，被布置在相同傳感器管芯4與支撐基部2之間以便限制傳感器管芯4由于彈性耦合元件8的彈性變形而在豎直方向上經(jīng)歷的移位。

MEMS器件1還包括布置于傳感器管芯4上方耦合到傳感器框6的頂表面的帽10。氣隙存在于傳感器管芯4與帽10之間，從而微機(jī)械檢測結(jié)構(gòu)5在檢測相關(guān)數(shù)量(例如壓力)方面不受約束。

在這一技術(shù)方案中，彈性耦合元件8的存在有利地實(shí)現(xiàn)在傳感器管芯4(和對應(yīng)微機(jī)械檢測結(jié)構(gòu)5)與傳感器框6之間的電耦合以便減少作用于傳感器管芯4的(例如熱力類型的)應(yīng)力。事實(shí)上，傳感器框6例如由于將支撐基部2焊接到外部PCB而經(jīng)歷的可能變形至少被彈性耦合元件8部分“吸收”，從而減少向傳感器管芯4傳輸?shù)膽?yīng)力。

然而本申請人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到即使這一技術(shù)方案仍有問題。

具體而言，如圖2(該圖參考MEMS器件1的模態(tài)分析)中所示，本申請人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到由于外部變形，傳感器管芯4經(jīng)歷貫穿它的延伸而不均勻、例如在與彈性耦合元件8的(在這一情況下布置在平面圖中具有基本上矩形形狀的傳感器管芯4的四個(gè)拐角的)連接部分更大的應(yīng)力。

因此產(chǎn)生傳感器管芯的不可忽略的變形和隨之發(fā)生的對應(yīng)微機(jī)械結(jié)構(gòu)5對將要檢測的數(shù)量的響應(yīng)的不可預(yù)先確定的亂真變化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是至少部分克服先前突出的問題以便進(jìn)一步減少應(yīng)力和變形對傳感器管芯和對對應(yīng)的微機(jī)械檢測結(jié)構(gòu)的影響。

根據(jù)本發(fā)明，因此提供如在所附權(quán)利要求中限定的一種MEMS器件和對應(yīng)制造工藝。

附圖說明

為了更好理解本發(fā)明，現(xiàn)在參照附圖僅通過非限制例子描述其有線實(shí)施例，其中：

–圖1a是已知類型的MEMS器件的橫截面圖；

–圖1b是圖1a的MEMS器件的示意俯視平面圖；

–圖2是圖1a的MEMS器件在存在應(yīng)力時(shí)的簡化透視圖；

–圖3a是根據(jù)本技術(shù)方案的一個(gè)實(shí)施例的MEMS器件的橫截面圖；

–圖3b是圖3a的MEMS器件的示意俯視平面圖；

-圖4a-圖4f是圖3a的MEMS器件在對應(yīng)制造工藝的相繼步驟中的橫截面圖；以及

–圖5和圖6是圖3a的MEMS器件的變化實(shí)施例的橫截面圖。

具體實(shí)施方式

如圖3a和圖3b中所示，整體由20表示的根據(jù)本技術(shù)方案的一個(gè)實(shí)施例的一種MEMS器件包括具有(在水平面中具有基本上平面延伸而在正交方向z上彼此相對的)頂表面22a和底表面22b的例如為半導(dǎo)體材料(具體為硅)的支撐基部22。支撐基部22的底表面22b構(gòu)成MEMS器件20的被設(shè)計(jì)為與外部環(huán)境接觸的底部外表面。

MEMS器件20還包括傳感器管芯24，其中制成機(jī)械檢測結(jié)構(gòu)25(例如用于檢測壓力)，在該例中，該機(jī)械檢測結(jié)構(gòu)包括在傳感器管芯24內(nèi)掩埋的腔26、在腔26上方布置的隔膜27和在隔膜27中提供 的壓電元件28。

MEMS器件20還包括傳感器框30，該傳感器框如圖3b的示意俯視平面圖中突出的那樣沿著傳感器管芯24的周界包圍它。在該例中，傳感器管芯24在平面圖中在水平面xy中具有基本上矩形形狀，并且傳感器框30具有繞著相同傳感器管芯24的矩形環(huán)的形狀。

在所示實(shí)施例中，傳感器管芯24和傳感器框30在正交方向z上具有相同厚度(假定如下文具體地描述的那樣，它們是從相同半導(dǎo)體材料(諸如硅)的晶片獲得的)。

另外，傳感器管芯24被在水平平面xy的x和y方向上具有例如少于10μm、具體為2-3μm的延伸的分離溝槽32與傳感器框30橫向地分離。

傳感器框30經(jīng)由例如諸如玻璃粉或者其它結(jié)合材料之類的粘合材料形成的耦合區(qū)域33耦合到支撐基部22。在一個(gè)可能實(shí)施例中，耦合區(qū)域33例如用矩形環(huán)保形外部延伸到分離溝槽32。

MEMS器件20還包括借助例如諸如玻璃粉或者其它結(jié)合材料之類的粘合材料形成的又一耦合區(qū)域37耦合到傳感器框30的頂表面30a的帽36，帽36被布置在傳感器管芯24上方。

又一耦合區(qū)域37如圖3b中示意地所示也例如具有繞著分離溝槽32的矩形環(huán)的形狀。

帽36的頂表面36a構(gòu)成MEMS器件20的被設(shè)計(jì)為與外部環(huán)境接觸的頂部外表面。

可能地經(jīng)過帽36制成接入管道38以實(shí)現(xiàn)從外界朝著傳感器管芯24中的檢測結(jié)構(gòu)25的流體連通并且例如實(shí)現(xiàn)檢測外部環(huán)境壓力。

另外，傳感器框30的頂表面30a在未由帽36覆蓋的外橫向部分承載用于例如經(jīng)由電接線(這里未圖示)電連接到外部器件的電連接元件39(例如接觸焊盤)。

MEMS器件20還可以包括例如環(huán)氧樹脂的保護(hù)區(qū)域(這里未圖示)，該保護(hù)區(qū)域橫向地包圍和保護(hù)帽36并且可能地包圍和保護(hù)傳感器框30和支撐基部22。取而代之，這一保護(hù)區(qū)域未覆蓋傳感器框 30的頂表面30a(以便讓接入管道38自由)。

支撐基部22和帽36在描述的實(shí)施例中形成MEMS器件20的封裝(在晶片或者襯底級(jí))。

根據(jù)本技術(shù)方案的一個(gè)具體方面，傳感器管芯24從傳感器框30被機(jī)械地去耦合并且：由分離溝槽32與傳感器框30分離；由底部空的空間42與支撐基部22分離；以及由頂部空的空間43與帽36分離(這也使檢測結(jié)構(gòu)25的隔膜27能夠經(jīng)受響應(yīng)于檢測到相關(guān)數(shù)量的變形)。

換而言之，傳感器管芯24在MEMS器件20中被布置在腔內(nèi)，該腔作為整體由分離溝槽32、底部空的空間42和頂部空的空間43形成。

具體而言，在所示實(shí)施例中，傳感器管芯24可以與支撐基部22的頂表面22a接觸地駐留在其底表面24b和由24’表示的其底部橫向邊緣部分，而對于其余部分，它被懸置在相同支撐基部22之上。

在操作期間，有利地，因此物理地局限并且在(在水平面xy中具有數(shù)微米的延伸的)分離溝槽32中以及在(也沿著豎直方向具有數(shù)微米的延伸的)頂部和頂部空的空間42和43中的底部和底部橫向地限制傳感器管芯24的移動(dòng)。

使用引線鍵合技術(shù)經(jīng)由一個(gè)或者多個(gè)電連接接線44經(jīng)由實(shí)施在傳感器管芯24中的微機(jī)械檢測結(jié)構(gòu)25與傳感器框30(和在相同傳感器框30中集成的可能電部件，這些電部件可能地形成操作地耦合到微機(jī)械檢測結(jié)構(gòu)25的ASIC)之間的電對接。

具體而言，電連接接線44將由傳感器管芯24的(面向帽36的)頂表面24a承載的至少一個(gè)第一接觸焊盤46連接到相對于耦合區(qū)域37在內(nèi)部和在帽36下面布置的由傳感器框30的頂表面30a承載的至少一個(gè)第二接觸焊盤46。

帽36因而在其面向傳感器管芯24的底表面36b具有被設(shè)計(jì)為容納電連接接線44的容納腔48。

另外，在傳感器框30的表面部分中制成的電連接路徑49將第二 接觸焊盤46連接到電連接元件39以實(shí)現(xiàn)朝著MEMS器件20以外(或者可能地與在傳感器框30中集成的前述電部件)的電連接。

如圖3b中所示，在一個(gè)可能實(shí)施例中，第一接觸焊盤45在水平面xy中沿著傳感器管芯24的一側(cè)例如在y方向上對準(zhǔn)。第二接觸焊盤46在相同y方向上與第一接觸焊盤45平行沿著傳感器框30的面向傳感器管芯的一側(cè)對準(zhǔn)。電連接接線44將與分離溝槽32交叉的第一和第二接觸焊盤45、46連接在一起。

有利地，在所示實(shí)施例中，從傳感器框30機(jī)械地去耦合的傳感器管芯24不受(例如由于熱力變形而)可能地從相同傳感器框30上以外作用的應(yīng)力影響。因而，在這一情況下，微機(jī)械檢測結(jié)構(gòu)25在檢測到相關(guān)數(shù)量(在該例中為壓力)時(shí)的響應(yīng)未產(chǎn)生不希望的變化。

首先參照圖4a，現(xiàn)在描述MEMS傳感器器件20的制造工藝的一個(gè)實(shí)施例。

以本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚的方式，從正在處理的相同晶片開始制成多個(gè)MEMS器件20。在圖4a中和在后續(xù)圖中，為了圖示清楚的原因而表示這些MEMS器件20中的僅一個(gè)MEMS器件的形成。

具體而言，前述圖4a涉及制造工藝的中間步驟，其中利用已知技術(shù)，已經(jīng)在半導(dǎo)體材料(例如硅)的傳感器晶片50內(nèi)獲得微機(jī)械檢測結(jié)構(gòu)25(如下文描述的那樣，從相同傳感器晶片50開始將獲得傳感器管芯24和傳感器框30)。具體而言，因此已經(jīng)獲得腔26、在腔26之上布置的隔膜27和在隔膜27內(nèi)的壓電元件28。

在相同傳感器晶片50(同樣利用已知技術(shù))中，先前已經(jīng)進(jìn)一步獲得電連接元件39、第一和第二接觸焊盤45、46以及電連接路徑49。

在制造工藝的這一步驟中，在傳感器晶片50的其中將獲得傳感器管芯24的部分下面進(jìn)一步形成例如由可以通過化學(xué)蝕刻而去除的聚合材料膜(通常稱為“光致抗蝕劑”)構(gòu)成的犧牲區(qū)域51。

例如這一犧牲區(qū)域51可以在水平面xy中具有完全矩形保形而其延伸小于傳感器管芯24的延伸。如下文將突出的那樣，這一犧牲區(qū)域51的作用是在制造工藝的一個(gè)或者多個(gè)步驟期間物理地支撐(一 旦形成的)傳感器管芯24。

接著(如圖4b中所示)，傳感器晶片50經(jīng)由例如粘合材料(比如玻璃粉或者其它結(jié)合材料)的耦合區(qū)域33耦合到支撐晶片52(如下文描述的那樣，從支撐晶片52開始將獲得支撐基部22)。在一個(gè)可能實(shí)施例中，耦合區(qū)域33例如用矩形環(huán)保形向外延伸至傳感器晶片50的其中將獲得傳感器管芯24的部分。

在這一步驟中，犧牲區(qū)域51在其中將獲得傳感器管芯24的區(qū)域中被布置在傳感器晶片50與支撐晶片52之間。

在制造工藝的后續(xù)步驟(圖4c)中，例如經(jīng)由化學(xué)蝕刻獲得分離溝槽32；同時(shí)相對于傳感器晶片50限定傳感器管芯24。傳感器管芯24在這一步驟中保持固定到它被其進(jìn)一步支撐的下層犧牲區(qū)域51而對應(yīng)頂表面24a和底表面24b基本上水平(平行于水平面xy)。

接著(圖4d)，使用引線鍵合技術(shù)經(jīng)由電連接接線44在第一接觸焊盤45與第二接觸焊盤46之間制成電連接。

具體而言，以(這里未具體地描述的)已知方式，在傳感器管芯24上應(yīng)用焊接機(jī)的焊接頭以通過施加局部化的接觸力、熱和/或超聲能量提供在電連接接線44與第一接觸焊盤45之間的耦合。在這一步驟中，犧牲區(qū)域51的存在實(shí)現(xiàn)恰當(dāng)執(zhí)行這一耦合從而在穩(wěn)定和基本上水平定位中保持傳感器管芯24。

接著(圖4e)，在傳感器管芯50(和關(guān)聯(lián)支撐晶片52)與帽晶片56之間獲得耦合(如下文描述的那樣，從這一帽晶片56開始將獲得帽36)。

具體而言，帽晶片56在傳感器晶片50上方由又一耦合區(qū)域37耦合。在帽晶片56中，已經(jīng)形成接入管道38和容納腔48(用已知技術(shù))。

接著(圖4f)，例如通過濕化學(xué)蝕刻去除犧牲區(qū)域51，從而傳感器管芯24保持懸置于腔內(nèi)，該腔作為整體由分離溝槽32、(在去除相同犧牲區(qū)域51之后創(chuàng)建的)底部空的空間42和頂部空的空間43形成。傳感器管芯24可能地在下層支撐晶片52上駐留在其底部橫向 邊緣部分24’。

同樣如圖4f中所示，在可能形成(這里未圖示的)保護(hù)區(qū)域之后，然后執(zhí)行鋸切傳感器晶片50、支撐晶片52和帽晶片56的操作以用于限定支撐基部22、傳感器框30和MEMS器件20的帽36。

在此完全地形成的相同MEMS器件20可以經(jīng)由電連接元件39和對應(yīng)電接線后續(xù)地電耦合到外部器件。

本技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)從前文描述中是清楚的。

在任何情況下，同樣強(qiáng)調(diào)這一技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)其中提供機(jī)械檢測結(jié)構(gòu)25的傳感器管芯24的機(jī)械去耦合，該傳感器管芯事實(shí)上布置在腔內(nèi)，該傳感器管芯與傳感器框30和帽36分離，因此基本上未受任何外部機(jī)械應(yīng)力。

傳感器管芯24僅經(jīng)過電連接接線44耦合到傳感器框30(用于電連接)，這些電連接接線顯然地具有完全可忽略不計(jì)(具有小寬度和低硬度)的機(jī)械耦合效果。具體而言，可以通過增加對應(yīng)回路的長度來減少電連接接線44的硬度，該回路在這些條件下充當(dāng)具有可忽略不計(jì)的硬度的彈簧。

相同電連接接線44因此“吸收”由傳感器框30的可能變形所引起的任何應(yīng)力而相同變形未影響傳感器管芯24。

最終清楚的是可以對這里已經(jīng)描述和圖示的內(nèi)容做出修改和變化而未由此脫離如在所附權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的范圍。

具體而言，強(qiáng)調(diào)的是描述的技術(shù)方案也可以有利地應(yīng)用于其它類型的MEMS器件，其中微機(jī)械檢測結(jié)構(gòu)被配置為檢測不同數(shù)量、例如力、聲波、環(huán)境數(shù)量等。

此外，作為對先前已經(jīng)圖示的內(nèi)容的備選并且如圖中所示，犧牲區(qū)域51可以包括多個(gè)不同部分51’、例如兩個(gè)或者四個(gè)(在這一情況下布置在傳感器管芯24的拐角)，在任何情況下布置為在引線鍵合步驟期間支持相同傳感器管芯24。

另外，如圖6中所示，可以提供橫向地和/或在頂部耦合到傳感器管芯24的停止件55(用任何已知技術(shù))以便進(jìn)一步減少在橫向方向 (平行于水平面xy)和/或豎直方向(在正交方向z上)的移動(dòng)可能性。

應(yīng)當(dāng)注意在圖6中虛線表示犧牲區(qū)域51的已經(jīng)在制造工藝的這一步驟期間去除的前述不同部分51’。

以未圖示的方式，還可以例如以電連接焊盤或者傳導(dǎo)凸塊的形式提供由支撐基部22的底表面22b承載的用于與外界電連接的適當(dāng)電連接元件。在這一情況下，可以提供在正交方向上穿越傳感器框30和支撐基部22的厚度的傳導(dǎo)通孔以便提供與電連接元件39或者電連接路徑48的電連接以用于與MEMS器件20以外的電連接。