CN106517079B - 有减少的应力灵敏度的微电机传感器器件和对应制造工艺 - Google Patents

Abstract

一种MEMS器件具有：支撑基部，具有与外部环境接触的底表面；传感器管芯，为半导体材料并且集成微机械检测结构；传感器框，布置在传感器管芯周围并且机械地耦合到支撑基部的顶表面；以及帽，布置在传感器管芯上方并且机械地耦合到传感器框的顶表面，帽的顶表面与外部环境接触。传感器管芯从传感器框被机械地去耦合。

Description

有减少的应力灵敏度的微电机传感器器件和对应制造工艺

技术领域

本发明涉及一种有减少的应力灵敏度的MEMS(微电机***)传感器器件和对应制造工艺。

背景技术

在集成半导体器件中并且具体地在MEMS器件中，感觉到机械应力和应变的问题，这可能导致电参数(例如检测灵敏度)的不希望的修改和漂移。

MEMS器件通常地包括一个或者多个半导体材料管芯，其中提供对应微机械检测结构和可能对应ASIC(专用集成电路)，后者例如包括用于采集和预处理检测到的电学量(例如指示检测的压力的电容变化)的对应接口用于生成(在来自MEMS器件的输出供应的用于后续处理操作的)电输出信号。

MEMS器件还包括封装，该封装包围和保护检测结构的和可能ASIC的管芯，从而提供用于与外界电连接的接口。在所谓“衬底级封装”技术方案中，封装由一个或者多个基层和盖层制成，这些层直接地耦合到MEMS器件的管芯，从而构成其与外界的接口。

已知在MEMS器件的封装内容纳的管芯中通常地由于相同封装的变形(例如卷曲或者其它类型的应力)引起机械应力，这些变形例如归因于焊接到外部印刷电路板(PCB)的工艺和对应热应力。

假定检测结构的机械性质直接地影响MEMS器件的性能，显然需要尽可能减少前述应力的影响。

例如参照实施压力传感器的MEMS器件1在图1A和图1B中图示已经提出的一种用于减少应力和所得变形的影响的技术方案。

MEMS 1器件包括例如硅的支撑基部2，该支撑基部具有与外界接触的底表面。

MEMS器件1还包括传感器管芯4，其中制成(示意地表示的)机械检测结构5例如用于检测压力。传感器管芯4经由折叠弹簧(例如在平面图中为S形)这一形式的弹性耦合元件8机械地耦合到如图1B的示意俯视平面图中所示外部包围它的传感器框6。

弹性耦合元件8以未示出的方式也承载用于在机械检测结构5与传感器框6之间的电连接的电连接路径，该传感器框可以集成适当电元件和部件、可能是耦合到机械检测结构的ASIC(未图示)。传感器框6还承载用于例如通过电接线与外界电连接的接触焊盘7。

经由这一机械耦合，传感器管芯4被布置为悬置在支撑基部2之上。停止件9耦合到传感器管芯4的底部部分，被布置在相同传感器管芯4与支撑基部2之间以便限制传感器管芯4由于弹性耦合元件8的弹性变形而在竖直方向上经历的移位。

MEMS器件1还包括布置于传感器管芯4上方耦合到传感器框6的顶表面的帽10。气隙存在于传感器管芯4与帽10之间，从而微机械检测结构5在检测相关数量(例如压力)方面不受约束。

在这一技术方案中，弹性耦合元件8的存在有利地实现在传感器管芯4(和对应微机械检测结构5)与传感器框6之间的电耦合以便减少作用于传感器管芯4的(例如热力类型的)应力。事实上，传感器框6例如由于将支撑基部2焊接到外部PCB而经历的可能变形至少被弹性耦合元件8部分“吸收”，从而减少向传感器管芯4传输的应力。

然而本申请人已经认识到即使这一技术方案仍有问题。

具体而言，如图2(该图参考MEMS器件1的模态分析)中所示，本申请人已经认识到由于外部变形，传感器管芯4经历贯穿它的延伸而不均匀、例如在与弹性耦合元件8的(在这一情况下布置在平面图中具有基本上矩形形状的传感器管芯4的四个拐角的)连接部分更大的应力。

因此产生传感器管芯的不可忽略的变形和随之发生的对应微机械结构5对将要检测的数量的响应的不可预先确定的乱真变化。

发明内容

本发明的目的是至少部分克服先前突出的问题以便进一步减少应力和变形对传感器管芯和对对应的微机械检测结构的影响。

根据本发明，因此提供如在所附权利要求中限定的一种MEMS器件和对应制造工艺。

附图说明

为了更好理解本发明，现在参照附图仅通过非限制例子描述其有线实施例，其中：

–图1A是已知类型的MEMS器件的横截面图；

–图1B是图1A的MEMS器件的示意俯视平面图；

–图2是图1A的MEMS器件在存在应力时的简化透视图；

–图3A是根据本技术方案的一个实施例的MEMS器件的横截面图；

–图3B是图3A的MEMS器件的示意俯视平面图；

-图4A-图4F是图3A的MEMS器件在对应制造工艺的相继步骤中的横截面图；以及

–图5和图6是图3A的MEMS器件的变化实施例的横截面图。

具体实施方式

如图3A和图3B中所示，整体由20表示的根据本技术方案的一个实施例的一种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上彼此相对的)顶表面22a和底表面22b的例如为半导体材料(具体为硅)的支撑基部22。支撑基部22的底表面22b构成MEMS器件20的被设计为与外部环境接触的底部外表面。

MEMS器件20还包括传感器管芯24，其中制成机械检测结构25(例如用于检测压力)，在该例中，该机械检测结构包括在传感器管芯24内掩埋的腔26、在腔26上方布置的隔膜27和在隔膜27中提供的压电元件28。

MEMS器件20还包括传感器框30，该传感器框如图3B的示意俯视平面图中突出的那样沿着传感器管芯24的周界包围它。在该例中，传感器管芯24在平面图中在水平面xy中具有基本上矩形形状，并且传感器框30具有绕着相同传感器管芯24的矩形环的形状。

在所示实施例中，传感器管芯24和传感器框30在正交方向z上具有相同厚度(假定如下文具体地描述的那样，它们是从相同半导体材料(诸如硅)的晶片获得的)。

另外，传感器管芯24被在水平平面xy的x和y方向上具有例如少于10μm、具体为2-3μm的延伸的分离沟槽32与传感器框30横向地分离。

传感器框30经由例如诸如玻璃粉或者其它结合材料之类的粘合材料形成的耦合区域33耦合到支撑基部22。在一个可能实施例中，耦合区域33例如用矩形环保形外部延伸到分离沟槽32。

MEMS器件20还包括借助例如诸如玻璃粉或者其它结合材料之类的粘合材料形成的又一耦合区域37耦合到传感器框30的顶表面30a的帽36，帽36被布置在传感器管芯24上方。

又一耦合区域37如图3B中示意地所示也例如具有绕着分离沟槽32的矩形环的形状。

帽36的顶表面36a构成MEMS器件20的被设计为与外部环境接触的顶部外表面。

可能地经过帽36制成接入管道38以实现从外界朝着传感器管芯24中的检测结构25的流体连通并且例如实现检测外部环境压力。

另外，传感器框30的顶表面30a在未由帽36覆盖的外横向部分承载用于例如经由电接线(这里未图示)电连接到外部器件的电连接元件39(例如接触焊盘)。

MEMS器件20还可以包括例如环氧树脂的保护区域(这里未图示)，该保护区域横向地包围和保护帽36并且可能地包围和保护传感器框30和支撑基部22。取而代之，这一保护区域未覆盖传感器框30的顶表面30a(以便让接入管道38自由)。

支撑基部22和帽36在描述的实施例中形成MEMS器件20的封装(在晶片或者衬底级)。

根据本技术方案的一个具体方面，传感器管芯24从传感器框30被机械地去耦合并且：由分离沟槽32与传感器框30分离；由底部空的空间42与支撑基部22分离；以及由顶部空的空间43与帽36分离(这也使检测结构25的隔膜27能够经受响应于检测到相关数量的变形)。

换而言之，传感器管芯24在MEMS器件20中被布置在腔内，该腔作为整体由分离沟槽32、底部空的空间42和顶部空的空间43形成。

具体而言，在所示实施例中，传感器管芯24可以与支撑基部22的顶表面22a接触地驻留在其底表面24b和由24’表示的其底部横向边缘部分，而对于其余部分，它被悬置在相同支撑基部22之上。

在操作期间，有利地，因此物理地局限并且在(在水平面xy中具有数微米的延伸的)分离沟槽32中以及在(也沿着竖直方向具有数微米的延伸的)顶部和顶部空的空间42和43中的底部和底部横向地限制传感器管芯24的移动。

使用引线键合技术经由一个或者多个电连接接线44经由实施在传感器管芯24中的微机械检测结构25与传感器框30(和在相同传感器框30中集成的可能电部件，这些电部件可能地形成操作地耦合到微机械检测结构25的ASIC)之间的电对接。

具体而言，电连接接线44将由传感器管芯24的(面向帽36的)顶表面24a承载的至少一个第一接触焊盘46连接到相对于耦合区域37在内部和在帽36下面布置的由传感器框30的顶表面30a承载的至少一个第二接触焊盘46。

帽36因而在其面向传感器管芯24的底表面36b具有被设计为容纳电连接接线44的容纳腔48。

另外，在传感器框30的表面部分中制成的电连接路径49将第二接触焊盘46连接到电连接元件39以实现朝着MEMS器件20以外(或者可能地与在传感器框30中集成的前述电部件)的电连接。

如图3B中所示，在一个可能实施例中，第一接触焊盘45在水平面xy中沿着传感器管芯24的一侧例如在y方向上对准。第二接触焊盘46在相同y方向上与第一接触焊盘45平行沿着传感器框30的面向传感器管芯的一侧对准。电连接接线44将与分离沟槽32交叉的第一和第二接触焊盘45、46连接在一起。

有利地，在所示实施例中，从传感器框30机械地去耦合的传感器管芯24不受(例如由于热力变形而)可能地从相同传感器框30上以外作用的应力影响。因而，在这一情况下，微机械检测结构25在检测到相关数量(在该例中为压力)时的响应未产生不希望的变化。

首先参照图4A，现在描述MEMS传感器器件20的制造工艺的一个实施例。

以本领域技术人员将清楚的方式，从正在处理的相同晶片开始制成多个MEMS器件20。在图4A中和在后续图中，为了图示清楚的原因而表示这些MEMS器件20中的仅一个MEMS器件的形成。

具体而言，前述图4A涉及制造工艺的中间步骤，其中利用已知技术，已经在半导体材料(例如硅)的传感器晶片50内获得微机械检测结构25(如下文描述的那样，从相同传感器晶片50开始将获得传感器管芯24和传感器框30)。具体而言，因此已经获得腔26、在腔26之上布置的隔膜27和在隔膜27内的压电元件28。

在相同传感器晶片50(同样利用已知技术)中，先前已经进一步获得电连接元件39、第一和第二接触焊盘45、46以及电连接路径49。

在制造工艺的这一步骤中，在传感器晶片50的其中将获得传感器管芯24的部分下面进一步形成例如由可以通过化学蚀刻而去除的聚合材料膜(通常称为“光致抗蚀剂”)构成的牺牲区域51。

例如这一牺牲区域51可以在水平面xy中具有完全矩形保形而其延伸小于传感器管芯24的延伸。如下文将突出的那样，这一牺牲区域51的作用是在制造工艺的一个或者多个步骤期间物理地支撑(一旦形成的)传感器管芯24。

接着(如图4B中所示)，传感器晶片50经由例如粘合材料(比如玻璃粉或者其它结合材料)的耦合区域33耦合到支撑晶片52(如下文描述的那样，从支撑晶片52开始将获得支撑基部22)。在一个可能实施例中，耦合区域33例如用矩形环保形向外延伸至传感器晶片50的其中将获得传感器管芯24的部分。

在这一步骤中，牺牲区域51在其中将获得传感器管芯24的区域中被布置在传感器晶片50与支撑晶片52之间。

在制造工艺的后续步骤(图4C)中，例如经由化学蚀刻获得分离沟槽32；同时相对于传感器晶片50限定传感器管芯24。传感器管芯24在这一步骤中保持固定到它被其进一步支撑的下层牺牲区域51而对应顶表面24a和底表面24b基本上水平(平行于水平面xy)。

接着(图4D)，使用引线键合技术经由电连接接线44在第一接触焊盘45与第二接触焊盘46之间制成电连接。

具体而言，以(这里未具体地描述的)已知方式，在传感器管芯24上应用焊接机的焊接头以通过施加局部化的接触力、热和/或超声能量提供在电连接接线44与第一接触焊盘45之间的耦合。在这一步骤中，牺牲区域51的存在实现恰当执行这一耦合从而在稳定和基本上水平定位中保持传感器管芯24。

接着(图4E)，在传感器管芯50(和关联支撑晶片52)与帽晶片56之间获得耦合(如下文描述的那样，从这一帽晶片56开始将获得帽36)。

具体而言，帽晶片56在传感器晶片50上方由又一耦合区域37耦合。在帽晶片56中，已经形成接入管道38和容纳腔48(用已知技术)。

接着(图4F)，例如通过湿化学蚀刻去除牺牲区域51，从而传感器管芯24保持悬置于腔内，该腔作为整体由分离沟槽32、(在去除相同牺牲区域51之后创建的)底部空的空间42和顶部空的空间43形成。传感器管芯24可能地在下层支撑晶片52上驻留在其底部横向边缘部分24’。

同样如图4F中所示，在可能形成(这里未图示的)保护区域之后，然后执行锯切传感器晶片50、支撑晶片52和帽晶片56的操作以用于限定支撑基部22、传感器框30和MEMS器件20的帽36。

在此完全地形成的相同MEMS器件20可以经由电连接元件39和对应电接线后续地电耦合到外部器件。

本技术方案的优点从前文描述中是清楚的。

在任何情况下，同样强调这一技术方案实现其中提供机械检测结构25的传感器管芯24的机械去耦合，该传感器管芯事实上布置在腔内，该传感器管芯与传感器框30和帽36分离，因此基本上未受任何外部机械应力。

传感器管芯24仅经过电连接接线44耦合到传感器框30(用于电连接)，这些电连接接线显然地具有完全可忽略不计(具有小宽度和低硬度)的机械耦合效果。具体而言，可以通过增加对应回路的长度来减少电连接接线44的硬度，该回路在这些条件下充当具有可忽略不计的硬度的弹簧。

相同电连接接线44因此“吸收”由传感器框30的可能变形所引起的任何应力而相同变形未影响传感器管芯24。

最终清楚的是可以对这里已经描述和图示的内容做出修改和变化而未由此脱离如在所附权利要求中限定的本发明的范围。

具体而言，强调的是描述的技术方案也可以有利地应用于其它类型的MEMS器件，其中微机械检测结构被配置为检测不同数量、例如力、声波、环境数量等。

此外，作为对先前已经图示的内容的备选并且如图中所示，牺牲区域51可以包括多个不同部分51’、例如两个或者四个(在这一情况下布置在传感器管芯24的拐角)，在任何情况下布置为在引线键合步骤期间支持相同传感器管芯24。

另外，如图6中所示，可以提供横向地和/或在顶部耦合到传感器管芯24的停止件55(用任何已知技术)以便进一步减少在横向方向(平行于水平面xy)和/或竖直方向(在正交方向z上)的移动可能性。

应当注意在图6中虚线表示牺牲区域51的已经在制造工艺的这一步骤期间去除的前述不同部分51’。

以未图示的方式，还可以例如以电连接焊盘或者传导凸块的形式提供由支撑基部22的底表面22b承载的用于与外界电连接的适当电连接元件。在这一情况下，可以提供在正交方向上穿越传感器框30和支撑基部22的厚度的传导通孔以便提供与电连接元件39或者电连接路径48的电连接以用于与MEMS器件20以外的电连接。

Claims (14)

1.一种MEMS器件(20)，包括：

支撑基部(22)，具有被设计为与外部环境接触的底表面(22b)；

传感器管芯(24)，包括半导体材料并且集成微机械检测结构(25)；

传感器框(30)，布置在所述传感器管芯(24)周围并且机械地耦合到所述支撑基部(22)的顶表面(22a)；以及

帽(36)，布置在所述传感器管芯(24)上方并且机械地耦合到所述传感器框(30)的顶表面(30a)，所述帽(36)的相应顶表面(36a)被设计为与所述外部环境接触；

其特征在于所述传感器管芯(24)与传感器框(30)机械地去耦合并且仅通过至少一个连接接线(44)电耦合至所述传感器框(30)，由此所述传感器管芯(24)在所述支撑基部(22)的横向底部边缘部分(24’)处部分地驻留在所述支撑基部(22)上。

2.根据权利要求1所述的器件，其中所述传感器管芯(24)在其顶表面(24a)上承载至少一个第一电接触焊盘(45)，并且所述传感器框(30)在相应所述顶表面(30a)上承载至少一个第二电接触焊盘(46)；其中所述至少一个连接接线(44)电连接所述第一电接触焊盘(45)和第二电接触焊盘(46)。

3.根据权利要求1或者2所述的器件，其中所述至少一个连接接线(44)具有可忽略不计的硬度并且因而具有可忽略不计的机械耦合效果。

4.根据权利要求1或者2所述的器件，其中所述传感器管芯(24)贯穿它的厚度经由分离沟槽(32)与所述传感器框(30)被横向地分离，并且还由第一空的空间(42)与所述支撑基部分离并且由第二空的空间与所述帽(36)分离；所述传感器管芯(24)被布置在由所述分离沟槽(32)以及由所述第一空的空间(42)和第二空的空间(43)联合地形成的腔内。

5.根据权利要求4所述的器件，其中所述传感器管芯(24)在相应的所述顶表面(24a)和/或在面向所述传感器框(30)的相应的横向表面承载停止件(55)；所述停止件(55)被配置为限制所述传感器管芯(24)在竖直方向上朝着所述帽(36)或者在横向方向上朝着所述传感器框(30)的移动。

6.根据权利要求2所述的器件，其中所述帽(36)具有在其底部表面(36b)处的容纳腔(48)，所述容纳腔(48)容纳所述至少一个连接接线(44)。

7.根据权利要求1或者2所述的器件，其中所述微机械检测结构(25)被配置为检测压力；以及所述帽(36)具有被设计为将所述外部环境置成与所述微机械检测结构(25)流体连通的接入管道(38)。

8.一种用于制造MEMS器件(20)的方法，包括以下步骤：

提供传感器晶片(50)，所述传感器晶片包括半导体材料并且具有集成微机械检测结构(25)的区域；

借助耦合区域(33)将所述传感器晶片(50)耦合到支撑晶片(52)；

从所述传感器晶片(50)开始限定集成所述微机械检测结构(25)的传感器管芯(24)、导电元件和传感器框(30)，所述传感器框(30)被布置在所述传感器管芯(24)周围并且由所述耦合区域(33)机械地耦合到所述支撑晶片(52)，所述传感器框包括接触焊盘，所述导电元件耦合至所述传感器框的所述接触焊盘并且耦合至所述传感器管芯；以及

在所述传感器管芯(24)上方耦合帽晶片(56)，所述帽晶片被机械地耦合到所述传感器框(30)的顶表面(30a)，所述帽晶片的一部分与所述传感器框和所述传感器管芯间隔开以形成空腔，所述传感器框的接触焊盘和所述导电元件位于所述空腔内；

其特征在于包括将所述传感器管芯(24)与所述传感器框(30)机械地去耦合并且仅通过至少一个连接接线(44)将所述传感器管芯(24)电耦合至所述传感器框(30)的步骤，由此所述传感器管芯(24)在支撑基部(22)的横向底部边缘部分(24’)处部分地驻留在支撑基部(22)上。

9.根据权利要求8所述的方法，其中将所述传感器晶片(50)耦合到支撑晶片(52)包括在集成所述微机械检测结构(25)的所述区域下面、在所述传感器晶片(50)与所述支撑晶片(52)之间布置牺牲区域(51)；所述方法进一步包括去除所述牺牲区域(51)。

10.根据权利要求9所述的方法，其中提供所述传感器晶片(50)包括在所述传感器晶片(50)的顶表面上形成至少一个第一电接触焊盘(45)和至少一个第二电接触焊盘(46)；在所述限定所述传感器管芯(24)的步骤之后，所述第一电接触焊盘(45)由所述传感器管芯(24)的顶表面(24a)承载而所述第二电接触焊盘(46)由所述传感器框(30)的相应顶表面(30a)承载；还包括通过具有可忽略不计的硬度并且因而具有可忽略不计的机械耦合效果的所述至少一个连接接线(44)将所述第一电接触焊盘(45)和所述第二电接触焊盘(46)电连接。

11.根据权利要求10所述的方法，其中在去除所述牺牲区域(51)的步骤之前执行所述电耦合的步骤。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述在所述传感器晶片(50)与所述支撑晶片(52)之间布置牺牲区域(51)的步骤包括形成所述牺牲区域(51)以便在所述电耦合的步骤期间支撑所述传感器管芯(24)。

13.根据权利要求9-12中的任一权利要求所述的方法，其中所述限定所述传感器管芯(24)的步骤包括贯穿所述传感器晶片(50)的厚度形成分离沟槽(32)；以及其中在所述去除所述牺牲区域(51)的步骤之后，所述传感器管芯(24)贯穿它的厚度经由所述分离沟槽(32)与所述传感器框(30)横向地分离并且还由第一空的空间(42)与所述支撑晶片(52)分离并且由第二空的空间(43)与所述帽晶片(56)分离；所述传感器管芯(24)被布置在由所述分离沟槽(32)以及由所述第一空的空间(42)和所述第二空的空间(43)联合地形成的腔内。

14.根据权利要求13所述的方法，其中在所述去除所述牺牲区域(51)的步骤之后，所述传感器管芯(24)被布置为在所述支撑晶片(52)的所述底部边缘部分(24')处部分地驻留在所述支撑晶片(52)上。

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