TWI422523B - 微機電系統及其封裝方法 - Google Patents

Description

微機電系統及其封裝方法

本發明涉及微機電技術領域，尤其涉及一種微機電系統及其封裝方法。

微機電系統(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)係指藉由微電子技術與精密機械加工技術相結合製造而成，集微型感測器、執行器以及訊號處理與控制電路、介面電路、通訊與電源於一體之微型機械電子系統。微機電系統可將資訊之獲取、處理以及執行一併集成，具有微型化、智慧化、多功能、高集成度以及適於大批量生產等特點。

微機電系統之典型器件包括微型感測器與微型制動器，請參閱Hidenori Ishihara,et al.等人於1996年3月發表於IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS之文獻“Micor Mechatronics and Micro Actuators”。微機電系統可製成微型光機電器件、微型生物化學晶片、微型機器人、微型飛行器、微型動力系統等，於航空、汽車、生物醫學、軍事、消費性電子產品等領域中具有十分廣闊之應用前景。

製造微機電系統之重要工藝之一為微機電系統封裝製程。微機電 系統封裝係指製作保護層以保護微機電晶片上易損壞之元器件與電路，並製作與電路板或者其它元件之連接通路，從而實現微機電晶片與電路板或者其它元件之電氣連接之過程。一般之微機電系統中，微機電晶片與電路板平行地彼此連接，從而構成一近似於長方體形之結構。惟，隨著微機電系統往更多樣化、更小型化方向之發展，對封裝技術亦提出封裝系統結構多樣化之相應要求。即，有些器件或者系統中，可能要求微機電晶片與電路板以一定角度、間隔一定距離地進行封裝連接，從而實現該些器件之特定結構。

有鑑於此，有必要提供一種微機電系統及其封裝方法，其可使得微機電晶片與電路板以一定角度以及一定距離進行封裝連接。

以下將以實施例說明一種微機電系統及其封裝方法。

一種微機電系統，包括微機電晶片、電路板以及金屬導線，該微機電晶片與電路板相對應，該金屬導線電氣連接該微機電晶片與電路板，該微機電晶片與電路板之間具有連接距離以及連接角度。

優選地，該微機電晶片具有焊盤，該焊盤表面依次設置有金屬過渡層以及焊球，該金屬過渡層用於連接焊盤與焊球，該焊球用於連接焊盤與金屬導線。

優選地，該微機電系統還包括一承載元件，該承載元件具有第一表面以及第二表面，該第一表面與第二表面相鄰或與第二表面相 對，該微機電晶片設置於承載元件之第一表面，該電路板設置於承載元件之第二表面。

一種微機電系統之封裝方法，包括步驟：提供待封裝之微機電晶片以及電路板，該微機電晶片與電路板之間具有預定距離以及預定角度；用金屬導線電氣連接微機電晶片與電路板，以使微機電晶片與電路板之間具有連接距離以及連接角度。

進一步地，該微機電晶片具有焊盤，用金屬導線電氣連接微機電晶片與電路板之前，於焊盤上形成金屬過渡層。於焊盤上形成金屬過渡層後，於焊盤之金屬過渡層上放置金屬導線，並於焊盤之金屬過渡層上形成焊球，以使焊球將金屬導線連接於焊盤。

進一步地，用金屬導線電氣連接微機電晶片與電路板後，還包括將微機電晶片與電路板連接於一承載元件之步驟。

本技術方案中之微機電系統及其封裝方法具有如下優點：第一，由於連接微機電晶片與電路板之金屬導線可任意彎折，因此微機電晶片與電路板之連接位置關係不限，即，微機電晶片與電路板可垂直、平行或任意角度地連接，從而便於微機電晶片與電路板於空間受限之情況下進行封裝連接，形成結構更多樣化、小型化之微機電封裝系統；第二，金屬過渡層使得焊球與焊盤具有良好接觸潤濕性，且其具有良好導電性，並不影響微機電晶片與電路板間之電氣連接；第三，焊球使得金屬導線穩固連接於焊盤，從而使得微機電晶片與電路板間之連接較為穩固。

10、20、30、40‧‧‧微機電系統

11、21、31、41‧‧‧微機電晶片

12、22、32、42‧‧‧電路板

13、23、33‧‧‧金屬導線

1101‧‧‧覆蓋區

1102‧‧‧封裝區

111‧‧‧第一塑膠件

112‧‧‧第二塑膠件

113‧‧‧焊盤

121‧‧‧連接端點

14‧‧‧金屬過渡層

15‧‧‧焊球

141‧‧‧黏附層

142‧‧‧擴散阻擋層

143‧‧‧潤濕層

16‧‧‧遮罩

160‧‧‧開口

37、47‧‧‧承載元件

371、471‧‧‧第一表面

372、472‧‧‧第二表面

圖1係本技術方案第一實施例提供之微機電系統之示意圖。

圖2係本技術方案第一實施例提供之微機電系統之連接結構示意圖。

圖3係本技術方案提供之第一實施例中待封裝之微機電晶片以及電路板之示意圖。

圖4係本技術方案提供之於第一實施例之微機電晶片之焊盤上形成金屬過渡層之示意圖。

圖5係本技術方案提供之於第一實施例之焊盤之金屬過渡層上設置金屬導線之示意圖。

圖6係本技術方案提供之於第一實施例之焊盤之金屬過渡層上形成焊球之示意圖。

圖7係本技術方案第二實施例提供之微機電系統之示意圖。

圖8係本技術方案第三實施例提供之微機電系統之示意圖。

圖9係本技術方案第四實施例提供之微機電系統之示意圖。

下面將結合附圖及複數實施例，對本技術方案提供之微機電系統及其封裝方法作進一步之詳細說明。

請參閱圖1，本技術方案第一實施例提供之微機電系統10包括微機電晶片11、電路板12以及金屬導線13。該金屬導線13之一端與微機電晶片11連接，另一端與電路板12連接，從而起到封裝連接微機電晶片11與電路板12之作用，並使微機電晶片11與電路板12 之間具有連接距離以及連接角度。該連接距離係指電路板12與微機電晶片11之間之最短距離，其與金屬導線13之長度以及微機電系統10之封裝設計相關。一般地，連接距離可為3-25毫米。該連接角度係指電路板12與微機電晶片11構成之夾角，其與金屬導線13之柔韌性以及微機電系統10之具體封裝設計相關。一般地，連接角度可於0-90度之間。本實施例中，微機電晶片11與電路板12之連接距離L1大致為7-10毫米，連接角度大致為90度，即微機電晶片11與電路板12大致垂直連接。

微機電晶片11係指以單晶矽(Si)、二氧化矽(SiO2)、氮化矽(SiN)、絕緣層上覆矽(Si On Insulator,SOI)等為襯底材料，由微電子技術與微加工技術相結合製造形成，具有微機械部件以及微電子電路之晶片。微機電晶片11具有覆蓋區1101以及封裝區1102。該覆蓋區1101係指微機電晶片11上具有微機械部件以及微電子電路，已由相對之第一塑膠件111與第二塑膠件112覆蓋、保護之區域。該第一塑膠件111、第二塑膠件112可支撐微機電晶片11並可避免於後續之封裝或其它工藝中對微機械部件以及微電子電路造成碰觸損壞。該封裝區1102係指具有自微電子電路引出之輸入輸出接口之區域，即，微機電晶片11上具有焊盤113之區域。該封裝區1102之形狀以及焊盤113之數量均可依實際生產中之具體設計而定。本實施例中，封裝區1102為位於微機電晶片11一角之近似於三角形之區域，未被111覆蓋，且其上設置有兩個焊盤113。

該電路板12係指與微機電晶片11對應，並具有訊號處理電路、驅 動晶片以及其它元件之電路板，以與微機電晶片11配合封裝形成微機電系統10。電路板12可與微機電晶片11間隔一定距離、成一定夾角地設置。本實施例中，電路板12與微機電晶片11大致垂直設置。該電路板12具有連接端點121，該連接端點121用於與微機電晶片11進行電氣連接從而實現訊號之輸入以及輸出。該連接端點121之開設位置依電路板12之結構設計而定，其數量與焊盤113之數量相對應。本實施例中，電路板12具有兩個大致位於電路板12之中央部位之連接端點121。

該金屬導線13之一端連接於電路板12之連接端點121，另一端連接於微機電晶片11之焊盤113，從而起到電性連接電路板12與微機電晶片11之作用，使電路板12與微機電晶片11具有一定連接距離，從而使電路板12與微機電晶片11之間可構成一空間，以容置其它電子元件；並使電路板12與微機電晶片11具有一定連接角度，以使電路板12與微機電晶片11間構成之空間形狀複雜多樣；從而，微機電晶片11、電路板12以及金屬導線13可連接構成結構多樣化、小型化之微機電系統10。

金屬導線13之數量與焊盤113、連接端點121之數量相對應，本實施例中，微機電系統10具有兩根金屬導線13，以分別連接兩個焊盤13以及兩個連接端點121。金屬導線13由具有較好柔韌性以及較好導電性之材料製成，以使得金屬導線13可被任意彎折。例如，金屬導線13可為銅線或鋁線。金屬導線13之直徑可為0.05-0.1毫米，金屬導線13之長度應大於或等於電路板12與微機電晶片11間之連接距離。

金屬導線13與連接端點121之連接方式不限，可為焊接或其它方式。而金屬導線13與焊盤113之連接則藉由金屬過渡層(Under Bump Metallization，UBM)14以及焊球15實現。具體地，請參閱圖2，該金屬過渡層14形成於焊盤113上，並與焊盤113緊密接觸。金屬過渡層14一般可由黏附層141、擴散阻擋層142與潤濕層143等多層金屬膜組成。該黏附層141係指與微機電晶片11之襯底材料具有較好附著性之金屬膜層，其材料可為鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎳(Ni)或氮化鈦(TiN)等。該擴散阻擋層142為可阻擋構成焊球15之焊料擴散至襯底材料之金屬膜層，其可為選自鎢(W)層、鉬(Mo)層以及鎳(Ni)層中之一種金屬膜層。該潤濕層143為與構成焊球15之焊料具有良好潤濕性之金屬膜層，即，其為由與焊料之接觸角較小之材料例如金(Au)、銅(Cu)或鉛(Pb)/錫(Sn)構成之金屬膜層。從而，金屬過渡層14可起到穩定附著於微機電晶片11、與焊料具有良好潤濕性且可阻擋焊料擴散之作用，從而可將焊球15安全、穩定地連接於焊盤13。該金屬過渡層14之總厚度一般可為3-20微米，黏附層141、擴散阻擋層142以及潤濕層143之厚度可為1-10微米。

當然，實際應用中，金屬過渡層14之膜層數不限於三層，其可為一層、兩層、四層或更多層，僅需其符合具體封裝要求即可。

該焊球15係由焊料液滴凝固形成之球體，其形成於焊盤113之金屬過渡層14上，用於連接焊盤113與金屬導線13。焊球15之尺寸與焊盤113之尺寸相對應。具體地，焊球15之尺寸可小於或等於焊盤113之尺寸。例如，當焊盤113之橫截面大致為0.44毫米 *0.54毫米之長方體形之時候，焊球15之直徑可為0.2-0.3毫米。

如上所述，由於微機電晶片11與電路板12由金屬導線13連接，微機電晶片11與電路板12之間具有一定之連接距離以及連接角度，從而，電路板12與微機電晶片11之間可構成一形狀複雜多樣之空間，可容納各種結構之電子元件，從而，微機電晶片11、電路板12以及金屬導線13可連接構成結構多樣化、小型化之微機電系統10。

本技術方案還提供一種如上該微機電系統10之封裝方法，其包括以下步驟：

第一步，請參閱圖3，提供待封裝之微機電晶片11以及電路板12。該微機電晶片11具有焊盤113，該電路板12具有連接端點121。微機電晶片11以及電路板12之間具有預定距離以及預定角度。本實施例中，預定距離為7-10毫米，預定角度為90度。即，微機電晶片11與電路板12間隔7-10毫米地垂直設置。

第二步，用金屬導線13電氣連接微機電晶片11之焊盤113與電路板12之連接端點121，以使微機電晶片11與電路板12之間具有連接距離L1以及連接角度，形成如圖1所示之微機電系統10。該連接距離L1與預定距離相對應，亦為7-10毫米。該連接角度與預定角度相對應，為90度。

優選地，用金屬導線13電氣連接微機電晶片11之焊盤113之步驟包括於焊盤113上形成金屬過渡層14、於焊盤113之金屬過渡層14上放置金屬導線13以及於焊盤113之金屬過渡層14上形成焊球15 之步驟，詳述如下：

首先，請參閱圖4，於微機電晶片11上方設置一遮罩16，該遮罩16具有與兩個焊盤113相對應之兩個開口160，以濺射、蒸發、化學鍍、電鍍或其它方式於微機電晶片11上形成金屬過渡層14，從而僅於焊盤113上形成金屬過渡層14而不於其它區域形成金屬過渡層14。

其次，請參閱圖5，藉由機械手臂或人工作業於焊盤113之金屬過渡層14上設置金屬導線13，以使金屬導線13之一端與焊盤113對應。

再次，請參閱圖6，於焊盤113之金屬過渡層14上形成焊球15，並使得焊球15將金屬導線13穩固連接於焊盤113。

優選地，可藉由具有監視系統之植球機對焊盤113進行植球，以準確地將焊料液滴滴落於焊盤113之金屬過渡層14上，並包覆設置於焊盤113上之金屬導線13，從而焊料液滴冷卻凝固形成焊球15後，可穩固連接焊盤113以及金屬導線13。

將金屬導線13之一端穩固連接於微機電晶片11之焊盤113上後，將金屬導線13之另一端以焊接或其它方法連接至電路板12之連接端點121，從而使得微機電晶片11與電路板12之間實現電氣連接，以形成如圖1所示之微機電系統10。

由於金屬導線13具有一定長度以及柔韌性，工作人員還可將本實施例中大致垂直連接之微機電晶片11與電路板12設置成其它連接距離、其它連接角度之連接位置關係。

請參閱圖7，本技術方案第二實施例所示之微機電系統20與第一實施例所示之微機電系統10大致相同，其不同之處在於：微機電晶片21與電路板22間之連接距離L2大致為15-20毫米，連接角度大致為0度。即，微機電晶片21與電路板22藉由金屬導線23間隔15-20毫米地、大致平行地連接。

請參閱圖8，本技術方案第三實施例提供之微機電系統30與第一實施例所示之微機電系統10大致相同，其不同之處在於：微機電系統30還包括一設置於微機電晶片31與電路板32間之承載元件37。該承載元件37大致為長方體形，具有相鄰之第一表面371與第二表面372。該第一表面371用於設置微機電晶片31，該第二表面372用於設置電路板32。

該承載元件37可為鏡頭模組、馬達或其它元件，依微機電系統30之具體用途、結構而定。當然，承載元件37之結構不限於長方體，其還可為斜柱、圓柱或其它棱柱體。

本實施例中之微機電系統30結構緊湊，可於較小空間內設置較多之電子元件。

另，於封裝本實施例所示之微機電系統30時，用金屬導線33連接微機電晶片31與電路板32之後，還包括一將微機電晶片31以及電路板32設置於承載元件37之步驟。即，可先將微機電晶片31設置於第一表面371，再將電路板32設置於第二表面372，從而完成微機電系統30之封裝。

請參閱圖9，本技術方案第四實施例提供之微機電系統40與第二 實施例所示之微機電系統20大致相同，其不同之處在於：微機電系統40還包括一設置於微機電晶片41與電路板42間之承載元件47。該承載元件47大致為長方體形，具有相對之第一表面471與第二表面472。微機電晶片41設置於第一表面471，電路板42設置於第二表面472。

本技術方案中之微機電系統之封裝方法具有如下優點：第一，由於連接微機電晶片與電路板之金屬導線可任意彎折，因此微機電晶片與電路板之連接位置關係不限，即，微機電晶片與電路板可垂直、平行或任意角度地連接，從而便於微機電晶片與電路板於空間受限之情況下進行封裝連接，形成結構更多樣化、更小型化之微機電封裝系統；第二，金屬過渡層使得焊球與焊盤具有良好接觸潤濕性，且其具有良好導電性，並不影響微機電晶片與電路板之間之電氣連接；第三，焊球使得金屬導線穩固連接於焊盤，從而使得微機電晶片與電路板間之連接較為穩固。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

10‧‧‧微機電系統

11‧‧‧微機電晶片

12‧‧‧電路板

13‧‧‧金屬導線

1101‧‧‧覆蓋區

1102‧‧‧封裝區

111‧‧‧第一塑膠件

112‧‧‧第二塑膠件

113‧‧‧焊盤

121‧‧‧連接端點

14‧‧‧金屬過渡層

15‧‧‧焊球

Claims (12)

1. 一種微機電系統，包括微機電晶片與電路板，該微機電晶片與電路板相對應，其改進在於，該微機電系統還包括金屬導線，該金屬導線電氣連接該微機電晶片與電路板，該微機電晶片與電路板之間具有連接距離以及連接角度，該連接角度為微機電晶片與電路板所成夾角，該連接角度為90度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統，其中，該微機電系統還包括一承載元件，該承載元件具有第一表面與第二表面，該第一表面與第二表面相鄰，該微機電晶片設置於承載元件之第一表面，該電路板設置於承載元件之第二表面。
3. 如申請專利範圍第2項所述之微機電系統，其中，承載元件為鏡頭模組或馬達。
4. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統，其中，該微機電晶片具有焊盤，該焊盤表面依次設置有金屬過渡層以及焊球，該金屬過渡層用於連接焊盤與焊球，該焊球用於連接焊盤與金屬導線。
5. 如申請專利範圍第4項所述之微機電系統，其中，該金屬過渡層包括黏附層、擴散阻擋層以及潤濕層，該黏附層之材料為鉻、鈦、鎳或氮化鈦，該擴散阻擋層之材料為鎢、鉬或鎳，該潤濕層為金層、銅層或鉛/錫疊層。
6. 如申請專利範圍第4項所述之微機電系統，其中，該金屬過渡層之厚度為3至20微米。
7. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統，其中，該連接距離係 指微機電晶片與電路板之間之最短距離，為3至25毫米。
8. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統，其中，該金屬導線之直徑為0.05至0.1毫米。
9. 一種微機電系統之封裝方法，包括步驟：提供待封裝之微機電晶片以及與其相對應之電路板，所述微機電晶片與電路板之間具有預定距離以及預定角度；用金屬導線電氣連接微機電晶片與電路板，以使微機電晶片與電路板之間具有連接距離以及連接角度，且該連接角度為90度。
10. 如申請專利範圍第9項所述之微機電系統之封裝方法，其中，該微機電晶片具有焊盤，用金屬導線電氣連接微機電晶片與電路板之前，還包括於焊盤上形成金屬過渡層之步驟。
11. 如申請專利範圍第10項所述之微機電系統之封裝方法，其中，於焊盤上形成金屬過渡層後，於焊盤之金屬過渡層上放置金屬導線，並於焊盤之金屬過渡層上形成焊球，以使焊球將金屬導線連接於焊盤。
12. 如申請專利範圍第9項所述之微機電系統之封裝方法，其中，用金屬導線電氣連接微機電晶片與電路板後，提供一承載元件，該承載元件具有第一表面與第二表面，該第一表面與第二表面相鄰，將該微機電晶片設置於承載元件之第一表面，將該電路板設置於承載元件之第二表面。