[发明专利]用于在集成板中嵌入受控腔MEMS封装的方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及半导体装置和工艺的领域，且更具体地，涉及具有用于暴露于外界环境的传感器芯片的角落的嵌入式微机电装置(MEMS)封装的结构和制造方法。

背景技术

统称为微机电系统(MEMS)装置的广泛的产品是微米到毫米级上的小型、轻重量的装置，其可具有机械移动的零件以及经常可移动的电源和控制装置，或者其可具有对热、声或光能敏感的零件。MEMS装置已经被开发来感测机械、热、化学、辐射、磁性和生物的量和输入，且产生信号作为输出。由于移动和敏感的零件，MEMS装置需要物理和大气保护。因此，MEMS装置被放置于衬底上且必须由外壳或封装包围，该外壳或封装必须保护MEMS组件不受外界环境和电干扰以及应力影响。

微机电系统(MEMS)装置在共同衬底上集成了机械元件、传感器、致动器和电子器件。MEMS装置的制造方法旨在使用类似于用于微电子装置的批量制造技术。MEMS装置因此可得益于大量生产和最小化的材料消耗以降低制造成本，同时尝试开发良好受控的集成电路技术。

MEMS装置的示例包含机械传感器，既有包含麦克风薄膜的压力传感器，也有诸如与芯片的集成电子电路耦合的加速度计等惯性传感器。在半导体芯片上的电子集成电路(IC)的工艺流程中，该装置的机械移动零件与传感器和致动器制造在一起。机械移动零件可通过在IC制造期间在某个步骤的底切蚀刻来生产；在MEMS传感器生产中被采用来产生可移动元件和用于其移动的腔的具体成批微加工工艺的示例是各向异性湿式蚀刻和深反应性离子蚀刻。

另一示例是在边长大约为2mm乘2mm的硅芯片中制作的8引脚数字红外(IR)温度传感器，其包含悬置于腔中的传感器薄膜上的铋/锑或康铜/铜对的热电堆(多个热元件)，该腔通过穿过薄膜中的孔栅格(孔直径约18μm，中心到中心的孔间距约36μm)的各向异性硅湿式蚀刻而产生。该腔由覆盖薄膜以保护传感器的层压盖板(约14μm厚)封闭，且IR辐射通过腔的后部硅块到达热电偶尖端。热电偶尖端上的所得热点在尖端与处于外界环境温度下相对的热电偶末端之间产生温度差，该温度差进而产生电压差以作为无接触温度测量值而被监视。对于8引脚，芯片可具有包围盖板保护的腔的8个焊料凸块或8个压力接触，且因此通常称为晶片-芯片级封装(WCSP)；在具有压力(或可焊接)接触的修改方案中，该封装属于四方扁平无引线(QFN)系列。

在微型化、集成化和成本降低的技术趋势之后，近来已开发可嵌入并互连芯片和封装以便减少板空间、厚度和占据面积同时增加功率管理、电性能和应用领域的衬底和板。示例包含集成板向汽车市场、无线产品和工业应用中的渗透。

作为示例，集成板已成功应用于嵌入晶片级封装、无源器件、功率芯片、堆叠和接合芯片、无线模块、功率模块、一般有源和无源装置，以用于需要微型化的x/y区域和z维度上的缩减厚度的应用。

发明内容

如果诸如传感器的MEMS装置可安全地且具成本效益地被嵌入到作为可包含额外的一个或多个单个或堆叠芯片的较大的集成系统的一部分的微型化板中，那么工业、汽车和消费者应用的宽阔领域将敞开。为了MEMS装置在集成板的浸没位置中操作，集成将需要允许待监视物理实体到MEMS装置的无阻碍通道；集成板必须留有用于光、声音、气体、湿气等等穿过的窗。在温度传感器的示例中，IR辐射将需要到位于腔中的IR传感器的无障碍的通道；这意味着腔必须具有对外界环境的受控开口。在生产工艺流程中存在大量晶片制造和芯片组装步骤以生产嵌入式MEMS装置，且因此可能存在通过步骤序列保护传感器的问题。

本发明提供一种用于通过制造流程保护MEMS元件且仅在多步骤流程结束时打开腔以获得到外界环境的通道的方法。在所揭示方法中，跨MEMS腔盖板放置的两层的堆叠、板上的图案化的金属膜上的粘合剂层用来保护腔中的MEMS元件通过工艺流程的所有后期的激光和蚀刻步骤。在硅晶片前端工艺流程中，跨腔盖板来放置保护性金属膜，而芯片尚未从晶片分割，且在将芯片浸没到集成板中的初始步骤中，粘合剂层被附接到金属膜。

一个示例实施例提供一种用于通过跨远离芯片中的腔的板表面放置图案化的金属膜来制造MEMS装置的方法，其中腔包含辐射传感器MEMS元件且腔在芯片表面处的开口由板覆盖，该板对由MEMS元件感测的辐射是透射性的。另一实施例提供一种用于通过如下方式来制造嵌入式MEMS元件的方法：将远离腔的板表面上的金属膜和芯片表面附接到由粘合剂层覆盖的图案化的导电箔上；随后将未附接的芯片体嵌入绝缘板中；以及循序地从盖板移除导电箔、接着是粘合剂层且随后金属膜的部分，由此将板暴露于由腔中的MEMS元件感测的辐射。