[发明专利]用于微机电系统设备的具有声学气道的基于引脚框的预塑模封装

说明书

技术领域

本发明一般涉及半导体设备和半导体设备制造；尤其涉及封装的微机电系统（MEMS）设备及其制造。

背景技术

微机电系统（MEMS）设备是可具有包括转换器和致动器的机械活动件的微米尺度小型、轻量设备，并可具有对热、声或光能敏感的零件。因为活动和敏感零件，MEMS设备需要物理和大气保护。因此，MEMS设备通常放置在基片上，并由屏蔽MEMS设备不受环境和电气干扰并且不受应力的外壳或封装围绕。

MEMS设备在共用基片上集成机械元件、传感器、致动器和电子器件。MEMS设备制造针对使用批量制造技术，该技术相似于为其它微型电子设备使用的批量制造技术。MEMS设备可因此从大量生产和最小化的材料消耗获益，从而降低制造成本，同时尝试开发良好控制的集成电路技术。

MEMS设备可采取机械传感器的形式，如压力传感器例如话筒膜、惯性传感器例如加速计，其任意一个都可与芯片的集成电路耦合。机械传感器阵对压力、力、扭矩、流量、速度、加速度、水准、位置、倾斜、以及声波波长和振幅进行反应并测量。压力传感器的一般需要包括长期稳定性、小的温度灵敏度、低压和温度滞后、对腐蚀环境的抵抗力，并经常需要密封性。在MEMS传感器生产中用来在体半导体晶体中制造活动元件及用于其移动的空腔的两种特定体微机械加工工艺是各向异性湿蚀刻和深反应离子蚀刻（DRIE）。

半导体MEMS压力传感器和话筒在绝缘基片上装配，该绝缘基片包括为水平和垂直连接图案化的多级金属化。例如，基片可具有四个金属化级。装配通常包括粘合芯片附加与接合到端子的金属线。在许多产品中，由于紧凑小型轮廓无引脚（SON）或方形扁平无引脚（QFN）型半导体设备示出芯片尺寸封装的紧凑轮廓，因此端子相似于这些半导体设备安置。基片也包括使隔膜暴露于由MEMS设备监控的环境压力和声信号的气道。为保护和鲁棒性，芯片、导线和基片的部分在金属罐中封装或在塑料封装中模塑。例如，移动电话的具有四个端子的MEMS长方体模拟输出话筒的大小可以是大约4.8mm×3.8mm×1.25mm，甚至小到2mm×2mm×1.25mm（导致4mm2占位面积）。

发明内容

本发明认识到具有内腔的MEMS设备快速成长的普及及其广泛的多样化强烈取决于比今日降低制造成本。例如，针对在汽车、医药和航空工业中使传感器、话筒、加速计和其中需要活动构件使外部模拟输入转为电输出的其它应用集成到便携和消费者电子设备的应用，低制造成本和小尺寸是主要需要。

本发明了解在具有图案化多级金属化的基片上制造MEMS设备不仅是高成本途径，而且同样限制材料的挑选和可用于MEMS组件的配置。此外，多金属级基片制造的复杂性使这些MEMS设备对迅速改变的消费者需要或市场机会不灵活。

量产具有适合压力和声音感测的隔膜、话筒和扬声器的低成本MEMS设备的问题，通过在包括预塑模引脚框（pre-molded leadframe）的载体上装配具有隔膜的芯片来解决。使引脚框的引脚插入的模塑工艺也形成二层阶梯凹部。放置在第一层上的插入物（由塑料、铜、硅或其它合适材料制作）附加到层之间的阶梯，并使第二层限于内部气道的功能。为装配具有隔膜的芯片提供区域的嵌入物具有穿孔以便连接气道到外部环境，并具有另一穿孔以便连接气道到隔膜。由于嵌入物的尺寸和轮廓与穿孔的数量和位置可定制，因此插入物向MEMS设备制造添加低成本设计可变性。另外，插入物可由便宜的非晶硅制作，其具有与芯片的单晶硅相同的热膨胀（CTE）系数，并因此支持在封装材料之间减小CTE失配的努力。装配工艺不采用激光并因此支持成本降低。

本发明进一步了解QFN/SON型的引脚框允许与其它组件例如堆叠封装MEMS设备的更大系统级集成，因此提高电气产品效率。

本发明的实施例包括气压、静电力、重力、气体成分等的应用，从而使隔膜或柱梁偏斜以便形成压力传感器、话筒、加速计、继电器、热电堆，并用于其中需要活动构件使外部输入转为电输出的其它应用。

在具有遮盖的预塑模引脚框上装配具有隔膜的芯片，代替以具有多级基片的常规方式制造时，由活动隔膜导致的电容改变的压力传感器族的MEMS设备实施例可使制造成本降低20到30%。