[发明专利]传感器MEMS器件悬臂封装

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件以及半导体器件的制造，具体涉及处于适于传感器及其他工业应用的弹簧状封装的鸥翼(gull-wing)封装中的微机电系统(MEMS)器件。

背景技术

统称为微机电系统(MEMS)器件的各种各样的产品是微米至毫米级的小型、较低重量的器件，其可以具有机械移动部件以及通常可移动的电力电源及电力控制，或者微机电系统器件可以具有对热量、声音或光能敏感的部件。MEMS器件已经发展为能够感测机械量、热量、化学量、辐射量、磁量和生物量以及输入，并且能够产生信号作为输出。因为这些移动和敏感的部件，MEMS器件需要物理及大气保护。因此，将MEMS器件放置于衬底上或衬底中并应该由外壳或封装来围绕，所述外壳或封装使MEMS免受环境及电气干扰且免受应力。

微机电系统(MEMS)器件将机械元件、传感器、致动器以及电子器件集成在共同的衬底上。这种器件的装配方法目的在于使用类似于用于微机电器件上的技术的批量生产技术。这样，MEMS器件可以受益于大批量生产及最小化材料消耗从而降低装配成本，同时设法利用良好控制的集成电路技术。

MEMS的示例包括机械传感器，包括麦克风薄膜的两个压力传感器，以及惯性传感器(例如与芯片的集成电路耦合的加速计)。在半导体芯片上的电子集成电路(IC)的工艺流程中，MEMS的机械移动部件与传感器和致动器一同被制造。机械移动部件可以由IC制造期间某些步骤处的底部蚀刻(undercutting etch)来产生；MEMS传感器生产中采用特定体微机械加工工艺以产生可移动元件和用于其移动的空腔的示例是各向异性湿法蚀刻以及深反应离子刻蚀。

另外一个示例是在大约2x2mm边长的硅芯片中制成8引脚的数字红外(IR)温度传感器，其包括悬挂于空腔中的传感器薄膜上的铋/锑对或康铜/铜对的热电堆(多个热电元件)，该空腔通过各向异性湿法蚀刻通过薄膜中的网格上的孔制造(孔的直径大约为18μm，孔间距大约为36μm轴间距)。所述空腔由重叠薄膜的层压盖板(厚度大约为14μm)封闭以便保护传感器，并且IR辐射通过空腔的后硅体到达热电偶的尖端。所得的热电偶的尖端上的热点产生尖端与处于环境温度的相对的热电偶末端之间的温差，进而产生将被监测为非接触式温度测量值的压差。对于8引脚，芯片可以具有围绕保护盖板空腔(cover plate-protected cavity)的8个焊料凸块或8个压力触点，并且因此其通常被称为晶圆级芯片尺寸封装(WCSP)；在压力接触点(或可软焊)的改变情况下，封装属于方形扁平无引脚(QFN)族。

发明内容

本发明描述MEMS器件的实施例，例如，通过待监测的物理参数(光、声音、气体、湿度)以及吸收的热机械应力和环境变量能够可靠地且具有成本效益地封装在提供无障碍接入的外壳中的传感器。

在示例的传感器MEMS器件中，半导体芯片具有带有包括传感器的防护空腔的表面以及围绕空腔的芯片端子的多个焊料凸块。当装配在板上的MEMS器件的工业应用器件涉及宽泛的且突然的温度波动时，由于基于硅的传感器和板的材料之间的热膨胀系数的大量地差异可能导致显著的热机械应力。这些应力足以引起附接的焊料凸块内的微小裂纹，进而导致了断裂故障。

为了保护MEMS器件免于应力引起的故障，具有弹性悬臂引线的MEMS封装用作基于硅的MEMS和外部环境之间的应力吸收顺应式屏障。

适当的封装具有从封装突出的悬臂引线，在力作用到扩张和收缩衬底的平面上时，悬臂引线适应超出基于固有材料特性的简单伸长极限的弹性弯曲和拉伸。可以通过悬臂的几何形状来实现这种弹性悬臂特性，所述几何形状可以选自直线几何形状、弯曲几何形状、环形几何形状以及多弯曲几何形状中。

当引线框的中央引线部分匹配芯片的焊料凸块时，无障碍地访问所述传感器MEMS以及封装的弹性悬臂引线是同时完成，从而将凸块附连到中央引线末端，然后进行封装，而传感器中空腔对面的芯片表面保持未被封装，当绝缘材料封装MEMS芯片以及中央引线端时，外围引线部分还保持未被封装；由于这些引线部分从封装突出作为悬臂，因此它们可被成形成以使得悬臂用作弹簧以便吸收吸收热机械应力。