本實(shí)用新型涉及對(duì)熱機(jī)械應(yīng)力敏感度降低的半導(dǎo)體材料的密封器件。具體地，以下描述關(guān)于慣性類(lèi)型的MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))器件諸如電容型的加速計(jì)或陀螺儀，但本實(shí)用新型不限于此。

背景技術(shù)：

如已知的，諸如MEMS器件的半導(dǎo)體器件通常被密封在封裝件中以能夠?qū)ζ溥M(jìn)行保護(hù)和操控。下文中，參照支持表面安裝的封裝件，但本實(shí)用新型不限于此。

目前，最廣泛用于MEMS傳感器的表面安裝封裝件的類(lèi)型是所謂的LGA(柵格陣列)封裝件，其在封裝件的底側(cè)上具有正方形柵格的接觸件。圖1和圖2分別以截面和后視圖示出了LGA類(lèi)型的封裝件的實(shí)例。

具體地，圖1示出了密封MEMS器件1的實(shí)例，其包括基部2、蓋3、接合至基部2的第一芯片4以及接合至第一芯片的第二芯片5。基部2可以通過(guò)不同材料(例如，玻璃纖維或陶瓷)的支撐件形成，并且蓋可以是金屬、聚合材料或陶瓷材料。第一芯片4可以是MEMS部件(例如電容型)并且包括慣性類(lèi)型的感應(yīng)結(jié)構(gòu)諸如加速計(jì)或陀螺儀，并且第二芯片5可以是包括信號(hào)處理電路的集成電路諸如ASIC(專(zhuān)用集成電路)。

通常，第二芯片5電耦合至第一芯片4以接收由第一芯片提供的測(cè)量信號(hào)并且向外部提供測(cè)量量的值和/或與其相關(guān)的量。

作為上述的備選，可以利用全鑄造技術(shù)來(lái)得到封裝件，并且兩個(gè)芯片4、5可以被密封物所包圍，密封物完全包圍它們并且填充封裝件的體積。

圖2示出了由10表示并且相對(duì)于基部2在外圍布置的后接觸件的布置。接觸件10由金屬材料諸如銅制成，并且經(jīng)由接合導(dǎo)線7和通孔8(圖1)連接至第二芯片5。導(dǎo)線9將芯片4、5連接到一起。

圖3示出了形成加速計(jì)或慣性陀螺儀的MEMS部件5的結(jié)構(gòu)實(shí)例的示意性頂部平面圖。MEMS部件5包括布置在襯底(圖3中未示出)上方并且經(jīng)由彈簧17由固定區(qū)域16支撐的懸浮物15。固定區(qū)域16在懸浮物15的整個(gè)周?chē)由?，并且相?duì)于襯底固定。固定電極18從固定區(qū)域16延伸到懸浮物15，并且與移動(dòng)電極19(其從懸浮物15延伸到固定區(qū)域16)組成梳狀。

固定區(qū)域16上的接觸焊盤(pán)22將接合導(dǎo)線7耦合至圖1和圖2的端子10。

所示封裝件結(jié)構(gòu)對(duì)熱機(jī)械應(yīng)力敏感，該熱機(jī)械應(yīng)力例如通過(guò)溫度跳變、濕度、老化、環(huán)境條件以及引起基部2的彎曲或其他變形的其他機(jī)械應(yīng)力所引起。例如，由于第一芯片4和基部2的材料不同，并因此具有不同的熱膨脹系數(shù)，所以暴露于溫度梯度會(huì)引起封裝件的變形或翹曲。這些變形會(huì)引起固定電極18和移動(dòng)電極19之間的距離的變化，從而影響由第一芯片4生成的信號(hào)的輸出參數(shù)，危害測(cè)量的精度，并且確定操作不確定性。

關(guān)于這點(diǎn)，現(xiàn)在參照?qǐng)D4A、圖4B以及圖5A、圖5B，它們分別示出了由于溫度變化ΔT>0所導(dǎo)致的對(duì)MEMS器件的應(yīng)力影響以及由于溫度變化ΔT<0所導(dǎo)致的應(yīng)力影響。

從圖4A、圖4B可以看出，溫度的增加會(huì)引起襯底(這里由25表示)向上的彎曲(面向電極18、19凸起)，這又會(huì)引起靜止距離g₀的增加。相反，溫度的降低(圖5A、圖5B)會(huì)引起襯底25向下的彎曲(面向電極18、19凹進(jìn))，這又會(huì)引起靜止距離g₀的減小。

例如，當(dāng)芯片4是加速計(jì)時(shí)，差別距離的修改會(huì)修改直流(d.c.)信號(hào)(所謂的“0-g電平漂移”)的值和期望的敏感度漂移。當(dāng)芯片4是陀螺儀時(shí)，電極之間的距離的修改會(huì)影響品質(zhì)因子、諧振頻率和正交，引起零電平漂移，并且在這種情況下影響期望的敏感度漂移。

為了消除或至少減小機(jī)械應(yīng)力對(duì)MEMS器件的輸出參數(shù)的影響，提出了架構(gòu)型和結(jié)構(gòu)型的各種解決方案。

例如，美國(guó)專(zhuān)利8,434,364提出了優(yōu)化拋錨(anchoring)位置，用于在存在芯片的襯底彎曲的情況下減小輸出信號(hào)的參數(shù)值的偏離。

其他解決方案設(shè)想使用采用低應(yīng)力材料和/或具有類(lèi)似應(yīng)力特性的材料的封裝件。例如，圖6示出了密封器件30，其中通過(guò)陶瓷本體31和頂蓋32形成封裝件，該頂蓋32通常也由陶瓷材料制成。陶瓷本體31具有容納兩個(gè)芯片34、35的腔體33。例如，第一芯片34是MEMS傳感器，并且在腔體33內(nèi)經(jīng)由第一粘合層371(例如，用于半導(dǎo)體工業(yè)中的連續(xù)DAF(裸片附接膜)層)接合在陶瓷本體31的底部上。例如，第一粘合層371可以是層壓環(huán)氧樹(shù)脂1。例如，第二芯片35通過(guò)ASIC形成并且經(jīng)由第二粘合層372(例如，DAF層)接合在第一芯片34的頂部上。電連接(未示出)將芯片34和35耦合至形成在陶瓷本體31中的端子36。

圖6還示意性地示出了利用第一芯片34的襯底39提供剛性的固定電極38以及面對(duì)固定電極38的移動(dòng)電極40。

所使用的陶瓷材料具有以下優(yōu)勢(shì)：具有與形成芯片34、35的硅類(lèi)似的熱膨脹系數(shù)，因此減小了由于熱效應(yīng)而引起的變形，并且減弱了來(lái)自外部的機(jī)械應(yīng)力，但是不足以在所有其他情況下降低參數(shù)變化的可靠性。

因此，當(dāng)前的解決方案不能總是足以消除不期望的效應(yīng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷的密封器件。

根據(jù)本實(shí)用新型，提供一種半導(dǎo)體材料的密封器件，其特征在于，包括：封裝本體(51)，具有基礎(chǔ)元件(52)；半導(dǎo)體材料的第一芯片(56)；以及至少一個(gè)柱元件(60；60A)，布置在所述第一芯片(56)和所述基礎(chǔ)元件(52)之間并且將所述第一芯片(56)和所述基礎(chǔ)元件(52)固定到一起，所述柱元件(60；60A)的楊氏模量低于所述第一芯片的楊氏模量。

在一個(gè)實(shí)施例中，該器件包括位于所述第一芯片(56)和所述封裝本體(51)之間的空置空間。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一芯片(56)是MEMS。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述第二芯片(57)接合至所述第一芯片(56)。

在一個(gè)實(shí)施例中，該器件包括多個(gè)柱元件(60)，其中所述第一芯片(56)具有包括角部的矩形形狀的固定表面(56A)，并且所述柱元件(60)被固定為與所述芯片(56)的所述固定表面(56A)的所述角部鄰近。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一芯片(56)具有面對(duì)所述基礎(chǔ)元件(58)的固定表面(56A)，其中所述柱元件被布置在中心(60A)處并且固定至所述第一芯片(56)的所述固定表面(56A)的中心部分。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述至少一個(gè)柱元件(60；60A)是有機(jī)材料、抗蝕劑或軟膠的；例如DAF層。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述封裝本體(51)是陶瓷材料的。

在一個(gè)實(shí)施例中，該器件還包括支撐芯片(59)，所述支撐芯片(59)被布置在所述基礎(chǔ)元件(52)與所述至少一個(gè)柱元件(60；60A)之間。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述柱元件(60；60A)的楊氏模量低于500MPa，通常低于300MPa。

根據(jù)本申請(qǐng)的技術(shù)方案，可以提供對(duì)熱機(jī)械應(yīng)力敏感度降低的半導(dǎo)體材料的密封器件。

附圖說(shuō)明

為了更好地理解本實(shí)用新型，現(xiàn)在僅通過(guò)非限制實(shí)例參照附圖描述其優(yōu)選實(shí)施例，其中：

圖1是已知密封器件的截面圖；

圖2是圖1的密封器件的底視圖；

圖3是已知MEMS器件的架構(gòu)的示意性頂部平面圖；

圖4A和圖4B是在存在由正溫度梯度引起的襯底變形的情況下的移動(dòng)電極和固定電極的相對(duì)位置的示意圖示；

圖5A和圖5B是在存在由負(fù)溫度梯度引起的襯底變形的情況下的移動(dòng)電極和固定電極的相對(duì)位置的示意圖示；

圖6是已知密封器件的截面圖；

圖7是本實(shí)用新型的密封器件的實(shí)施例的截面圖；

圖8示出了沿著圖7的截面VIII-VIII的平面截取的截面圖；

圖9示出了在存在由外部力引起的應(yīng)力的情況下圖7的器件的行為；

圖10是用于本實(shí)用新型的密封器件的制造步驟的截面圖；

圖11是本實(shí)用新型的密封器件的不同實(shí)施例的截面圖；以及

圖12示出了沿著圖11的截面XII-XII的平面截取的截面圖。

具體實(shí)施方式

圖7示出了密封器件50，其包括通過(guò)基礎(chǔ)元件52和蓋53形成的封裝本體51，其中蓋53經(jīng)由固定區(qū)域54(例如，樹(shù)脂膜)接合至基礎(chǔ)元件52?；A(chǔ)元件52和蓋53例如是陶瓷材料的并且在內(nèi)部限定容納兩個(gè)芯片56、57的腔體55。

例如，第一芯片56可以是包括敏感結(jié)構(gòu)68的MEMS傳感器，該敏感結(jié)構(gòu)68例如為慣性類(lèi)型的感應(yīng)結(jié)構(gòu)，諸如電容型的加速計(jì)或陀螺儀。以與已知密封器件類(lèi)似的方式，第二芯片57可以是諸如ASIC(包括信號(hào)處理電路)的集成電路。

在腔體55內(nèi)，第一芯片56具有固定至基礎(chǔ)元件52的固定表面(這里為底表面56A)。具體地，第一芯片的底表面56A經(jīng)由支撐件59和柱60固定至基礎(chǔ)元件52的底側(cè)58，如以下更詳細(xì)解釋的那樣。第二芯片57經(jīng)由粘合層61(例如，DAF)接合至第一芯片56的頂部(因而接合至其頂側(cè))。

基礎(chǔ)元件52結(jié)合有接觸端子65，接觸端子65在外圍布置成面對(duì)基礎(chǔ)元件52的底表面并且與基礎(chǔ)元件52的底表面齊平。接觸端子65通常為金屬材料例如銅的，并且經(jīng)由通孔連接66(在圖7中僅示出一個(gè))、接合導(dǎo)線67(在圖7中僅示出一個(gè))和接觸焊盤(pán)(未示出，類(lèi)似于圖3的焊盤(pán)22)而連接至第二芯片57。接合導(dǎo)線66(僅示出一個(gè))將芯片56、57連接到一起。

以已知方式制造第一芯片56；例如，敏感結(jié)構(gòu)68包括懸浮物(未示出)、移動(dòng)電極70(僅示出一個(gè))以及與移動(dòng)電極構(gòu)成梳狀并且利用第一芯片56的襯底72具有剛性的固定電極71。

支撐件59例如通過(guò)半導(dǎo)體材料(諸如硅)的裸片來(lái)形成，以任何已知方式接合至基礎(chǔ)元件52的底側(cè)58，例如經(jīng)由又一粘合層(未示出，例如DAF)。

柱60是具有低楊氏模量的材料的，其低于第一芯片56的楊氏模量，例如低于500MPa，通常低于300MPa，例如楊氏模量為近似180MPa的干性抗蝕劑。例如，柱60具有包括在50μm和100μm之間的厚度。

如圖8所示，在第一芯片56的底表面56A的四個(gè)角上，在外圍位置中布置柱60，用于為第一芯片56提供良好的支撐并且防止其在組裝期間翻轉(zhuǎn)。

作為備選，代替外圍柱60，可以如圖11和圖12所示設(shè)置單個(gè)中心柱60A。

以這種方式，第一芯片56以可選擇的方式，僅在一些點(diǎn)(在柱60；60A處)中而不是貫穿其整個(gè)底表面56A，固定至封裝本體51(通過(guò)支撐件58)。實(shí)際上，在第一芯片56和支撐件58之間存在空間(即，物理不連續(xù))，使得封裝本體51(和支撐件58)的任何可能變形不會(huì)傳遞至第一芯片56上，至少是由于不存在鄰接。例如，柱60、60A的總面積在第一芯片56的固定表面56A的面積的0.5％和20％之間變化。在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于3mmx2mm的第一芯片56來(lái)說(shuō)，柱60可以具有200μm²的總面積。

由于柱60、60A具有遠(yuǎn)大于硅的彈性(幾百GPa的量級(jí))，并且進(jìn)一步由于不存在第一芯片56的整個(gè)底表面56A和支撐件59之間的物理鄰接，所以柱60、60A吸收了引起基礎(chǔ)元件52(尤其是底側(cè)58)的變形的可能力(如圖9所示)。這里，等效于從外側(cè)作用于底側(cè)58的力的應(yīng)力引起底側(cè)58和支撐件59朝向密封器件50的內(nèi)側(cè)的變形。

從而，在存在封裝本體的底側(cè)上的應(yīng)力和變形的情況下，柱60、60A的擇優(yōu)變形以及第一芯片56的襯底72保持剛性且不變形，抑制變形。

以這種方式，在第一芯片56和封裝本體51之間創(chuàng)建了非耦合。

芯片56的底表面56A的角部上的柱60的布置保證了封裝本體51的變形抑制行為與組裝操作之間非常良好的折衷。在任何情況下，中心柱60A的布置保證了非常良好的抑制性能。

例如，在圖10中，如圖所示，可以使用三晶圓接合工藝在前端制程中制造密封器件50。圖10關(guān)于外圍柱60的形成。以下針對(duì)外圍柱60的描述在任何情況下也都適用于單個(gè)中心柱60A，或者適用于以任何數(shù)量無(wú)論如何布置的柱。

圖10示出了包括三個(gè)晶圓80、81和83的復(fù)合晶圓85。第一晶圓80經(jīng)由玻璃熔塊層82接合至第二晶圓81。第一晶圓80容納多個(gè)第一芯片56的敏感結(jié)構(gòu)68(包括固定電極71和移動(dòng)電極70)，并且第二晶圓81操作為包圍敏感部分68并將敏感部分與外部絕緣的蓋。

柱60形成在第一晶圓80的外(底)表面上，并且第三晶圓83通過(guò)柱60接合至第一晶圓80。

圖10的復(fù)合晶圓85如下所述進(jìn)行制造。初始地，使用已知的光刻技術(shù)在第一晶圓80中形成敏感結(jié)構(gòu)68；第一和第二晶圓80經(jīng)由玻璃熔塊層82接合到一起；經(jīng)由干性抗蝕劑材料的旋涂或者經(jīng)由已知光刻技術(shù)的限定，將柱60形成在第一晶圓80的外表面上，然后將第三晶圓83接合至第一晶圓80。

接下來(lái)，對(duì)圖10的復(fù)合晶圓85進(jìn)行切割以形成包括第一芯片56和支撐件59的復(fù)合芯片，該支撐件59操作為操控支撐件。將第二芯片57經(jīng)由粘合層61接合至第一芯片56，并且將集合56+57+59固定至基礎(chǔ)元件52的底側(cè)58。最后，將頂蓋53粘在頂部上。

作為備選，將包括多個(gè)ASIC的第四晶圓在切割之前接合至圖10的復(fù)合晶圓85。

根據(jù)不同實(shí)施例，通過(guò)沉積高彈性材料(例如，干性抗蝕劑)的層(其隨后被限定以形成柱)，可以使用光刻技術(shù)形成柱60。

在晶圓級(jí)形成非耦合結(jié)構(gòu)(柱60、60A)的可能性能夠以與已知密封器件的制造成本相當(dāng)?shù)闹圃斐杀緦?shí)現(xiàn)高制造精度并且使得可以大規(guī)模地制造在生產(chǎn)線上穩(wěn)定的MEMS部件。

最后，應(yīng)清楚的是，在不背離由所附權(quán)利要求限定的本實(shí)用新型的范圍的情況下，可以對(duì)所描述和所圖示的器件和工藝進(jìn)行修改和變化。

例如，密封器件的類(lèi)型不受限制：具體地，可以設(shè)置單個(gè)芯片，直接或通過(guò)支撐件固定至基礎(chǔ)元件52的底側(cè)58。芯片(單個(gè)或復(fù)合)可以通過(guò)任何類(lèi)型的MEMS或者通過(guò)任何其他半導(dǎo)體芯片(與封裝件機(jī)械分離)來(lái)形成。

柱60可以是有機(jī)材料、抗蝕劑或者軟膠，只要它們與硅相比具有高彈性即可。

此外，柱60的位置和數(shù)量可以變化。例如，柱60可以以與固定表面56A的邊緣相距一定距離來(lái)布置，或者可以以不同的數(shù)量(例如，三個(gè)或五個(gè))來(lái)布置，優(yōu)選地以相對(duì)于芯片56、57的中心的對(duì)稱(chēng)位置來(lái)布置。