專利名稱：微機電系統(tǒng)及其封裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種微機電系統(tǒng)及其封裝方法。
背景技術(shù)：
微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)是指通過相結(jié)合的微電子技 術(shù)與精密機械加工技術(shù)制造而成的，集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口 電路、通信和電源于一體的微型機械電子系統(tǒng)。微機電系統(tǒng)可以把信息的獲取、處理和執(zhí)行 集成在一起，具有微型化、智能化、多功能、高集成度和適于大批量生產(chǎn)等特點。
微機電系統(tǒng)的典型器件包括微型傳感器和微型制動器，請參閱Hidenori Ishihara， et al.等人于1996年3月發(fā)表于IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS的文獻"Micor Mechatronics and Micro Actuators"。微機電系統(tǒng)可制成微型光機電器件、微型生物化學 芯片、微型機器人、微型飛行器、微型動力系統(tǒng)等，在航空、汽車、生物醫(yī)學、軍事、消費 性電子產(chǎn)品等領(lǐng)域中具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
制造微機電系統(tǒng)中的重要工藝之一是微機電系統(tǒng)的封裝。微機電系統(tǒng)的封裝是指制作保 護層以保護微機電芯片上易損壞的元器件和電路，并制作與電路板或者其它元件的連接通路 ，從而實現(xiàn)微機電芯片與電路板或者其它元件的電氣連接的過程。 一般在微機電系統(tǒng)中，微 機電芯片和電路板平行地彼此連接，從而構(gòu)成一個近似于長方體形的結(jié)構(gòu)。然而，隨著現(xiàn)在 對微機電系統(tǒng)往更多樣化、更小型化方向的發(fā)展，對封裝技術(shù)也提出了更高的要求。在有些 器件或者系統(tǒng)中，可能要求微機電芯片和電路板以一定角度、間隔一定距離地進行封裝連接 ，從而實現(xiàn)該些器件的特定的結(jié)構(gòu)。
因此，有必要提供一種微機電系統(tǒng)及其封裝方法，其可使得微機電芯片和電路板以一定 角度以及一定距離進行封裝連接。

發(fā)明內(nèi)容
以下將以實施例說明 一種微機電系統(tǒng)及其封裝方法。
一種微機電系統(tǒng)，包括微機電芯片、電路板以及金屬導線，包括微機電芯片和電路板， 所述微機電芯片和電路板相對應(yīng)，所述金屬導線電氣連接所述微機電芯片和電路板，所述微 機電芯片和電路板之間具有連接距離以及連接角度。
優(yōu)選地，所述微機電芯片具有焊盤，所述焊盤表面依次設(shè)置有金屬過渡層以及焊球，所述金屬過渡層用于連接焊盤與焊球，所述焊球用于連接焊盤與金屬導線。
優(yōu)選地，所述微機電系統(tǒng)還包括一個承載元件，所述承載元件具有第一表面和第二表面 ，所述第一表面與第二表面相鄰或與第二表面相對，所述微機電芯片設(shè)置于承載元件的第一 表面，所述電路板設(shè)置于承載元件的第二表面。
一種微機電系統(tǒng)的封裝方法，包括步驟提供待封裝的微機電芯片以及電路板，所述微 機電芯片和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芯片與電路 板，以使微機電芯片和電路板之間具有連接距離以及連接角度。
進一步地，所述微機電芯片具有焊盤，用金屬導線電氣連接微機電芯片與電路板之前， 在焊盤上形成金屬過渡層。在焊盤上形成金屬過渡層后，在焊盤的金屬過渡層上放置金屬導 線，并在焊盤的金屬過渡層上形成焊球，以使焊球?qū)⒔饘賹Ь€連接于焊盤。
進一步地，用金屬導線電氣連接微機電芯片和電路板后，還包括將微機電芯片和電路板 連接于一個承載元件的步驟。
本技術(shù)方案中的微機電系統(tǒng)及其封裝方法具有如下優(yōu)點第一，由于連接微機電芯片和 電路板的金屬導線可以任意彎折，因此微機電芯片和電路板的連接位置關(guān)系不限，S卩，微機 電芯片和電路板可以垂直、平行或任意角度地連接，從而便于微機電芯片和電路板在空間受 限的情況下進行封裝連接，形成結(jié)構(gòu)更多樣化、小型化的微機電封裝系統(tǒng)；第二，金屬過渡 層使得焊球與焊盤具有良好的接觸潤濕性，且其具有良好的導電性，并不影響微機電芯片與 電路板之間的電氣連接；第三，焊球使得金屬導線穩(wěn)固連接于焊盤，從而使得微機電芯片和 電路板之間的連接較為穩(wěn)固。


圖l是本技術(shù)方案第一實施例提供的微機電系統(tǒng)的示意圖。 圖2是本技術(shù)方案第一實施例提供的微機電系統(tǒng)的連接結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是本技術(shù)方案提供的第一實施例中待封裝的微機電芯片以及電路板的示意圖。 圖4是本技術(shù)方案提供的在第一實施例的微機電芯片的焊盤上形成金屬過渡層的示意圖
圖5是本技術(shù)方案提供的在第一實施例的焊盤的金屬過渡層上設(shè)置金屬導線的示意圖。
圖6是本技術(shù)方案提供的在第一實施例的焊盤的金屬過渡層上形成焊球的示意圖。
圖7是本技術(shù)方案第二實施例提供的微機電系統(tǒng)的示意圖。
圖8是本技術(shù)方案第三實施例提供的微機電系統(tǒng)的示意圖。
圖9是本技術(shù)方案第四實施例提供的微機電系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖及實施例，對本技術(shù)方案提供的微機電系統(tǒng)及其封裝方法作進一步的詳 細說明。
請參閱圖l，本技術(shù)方案第一實施例提供的微機電系統(tǒng)10包括微機電芯片11、電路板12 以及金屬導線13。所述金屬導線13的一端與微機電芯片11連接，另一端與電路板12連接，從 而起到封裝連接微機電芯片11和電路板12的作用，并使微機電芯片11和電路板12之間具有連 接距離以及連接角度。所述連接距離是指電路板12與微機電芯片11之間的最短距離，其與金 屬導線13的長度以及微機電系統(tǒng)10的封裝設(shè)計相關(guān)。 一般來說，連接距離可在3-25毫米之間 。所述連接角度是指電路板12與微機電芯片11構(gòu)成的夾角，其與金屬導線13的柔韌性以及微 機電系統(tǒng)10的具體封裝設(shè)計相關(guān)。 一般地，連接角度可在0-90度之間。本實施例中，微機電 芯片11和電路板12的連接距離L1大致在7-10毫米之間，連接角度大致為90度，即微機電芯片 11和電路板12大致垂直連接。
微機電芯片ll是指以單晶硅(Si) 、 二氧化硅(Si02)、氮化硅(SiN)、絕緣層上覆 硅(Si On Insulator, SOI)等為襯底材料，由微電子技術(shù)和微加工技術(shù)相結(jié)合制造形成的 、具有微機械部件以及微電子電路的芯片。微機電芯片11具有覆蓋區(qū)1101以及封裝區(qū)1102。 所述覆蓋區(qū)1101是指微機電芯片11上具有微機械部件以及微電子電路的，已由相對的第一塑 膠件111和第二塑膠件112覆蓋、保護的區(qū)域，所述第一塑膠件lll、第二塑膠件112可支撐微 機電芯片ll并可避免在后續(xù)的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 。所述封裝區(qū)1102是指具有自微電子電路引出的輸入輸出接口的區(qū)域，g口，微機電芯片ll上 具有焊盤113的區(qū)域。所述封裝區(qū)1102的形狀以及焊盤113的數(shù)量均可依實際生產(chǎn)中的具體設(shè) 計而定。本實施例中，封裝區(qū)1102為位于微機電芯片11一角的近似于三角形的區(qū)域，未被 lll覆蓋，且其上設(shè)置有兩個焊盤113。
所述電路板12是指與微機電芯片11對應(yīng)的，具有信號處理電路、驅(qū)動芯片以及其它元件 的電路板，以與微機電芯片11配合封裝形成微機電系統(tǒng)10。電路板12可以與微機電芯片11間 隔一定距離、成一定夾角地設(shè)置。本實施例中，電路板12與微機電芯片11大致垂直設(shè)置。所 述電路板12具有連接端點121，所述連接端點121用于與微機電芯片11進行電氣連接從而實現(xiàn) 信號的輸入和輸出。所述連接端點121的開設(shè)位置依電路板12的結(jié)構(gòu)設(shè)計而定，其數(shù)量與焊 盤113的數(shù)量相對應(yīng)。本實施例中，電路板12具有兩個大致位于電路板12的中央部位的連接 端點121。
所述金屬導線13的一端連接于電路板12的連接端點121 ，另一端連接于微機電芯片11的焊盤l 13，從而起到電性連接電路板12與微機電芯片11的作用，使電路板12與微機電芯片11 具有一定的連接距離，從而使電路板12與微機電芯片11之間可構(gòu)成一個空間，可以容置其它 的電子元件；并使電路板12與微機電芯片11具有一定的連接角度，以使電路板12與微機電芯 片ll之間構(gòu)成的空間形狀復雜多樣；從而，微機電芯片ll、電路板12以及金屬導線13可連接
構(gòu)成結(jié)構(gòu)多樣化、小型化的微機電系統(tǒng)io。
金屬導線13的數(shù)量與焊盤113、連接端點121的數(shù)量相對應(yīng)，本實施例中，微機電系統(tǒng) 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的材料制成，以使得金屬導線13可被任意彎折。例如，金屬導線 13可以為銅線或鋁線。金屬導線13的直徑可在0.05-0. l毫米之間，金屬導線13的長度應(yīng)大于 電路板12與微機電芯片11之間的連接距離。
金屬導線13與電路板12的連接端點121的連接方式不限，可以為焊接或其它方式。而金 屬導線13與焊盤113的連接則通過金屬過渡層(Under Bump Metallization, UBM)14以及焊球 15實現(xiàn)。具體地，請參閱圖2，所述金屬過渡層14形成于焊盤113上，并與焊盤113緊密接觸 。金屬過渡層14一般可由粘附層141、擴散阻擋層142和潤濕層143等多層金屬膜組成。所述 粘附層141是指與微機電芯片11的襯底材料具有較好附著性的金屬膜層，其材料可以為鉻( Cr)、鈦(Ti)、鎳(Ni)或氮化鈦(TiN)等。所述擴散阻擋層142是可阻擋構(gòu)成焊球15的 焊料擴散至襯底材料的金屬膜層，其可以為選自鎢(W)層、鉬(Mo)層以及鎳(Ni)層中 的一種金屬膜層。所述潤濕層143為與構(gòu)成焊球15的焊料具有良好潤濕性的金屬膜層，艮卩， 其為由與焊料的接觸角較小的材料例如金(Au)、銅(Cu)或鉛(Pb)/錫(Sn)構(gòu)成的金屬 膜層。從而，金屬過渡層14可以起到穩(wěn)定附著于微機電芯片11、與焊料具有良好潤濕性且可 阻擋焊料擴散的作用，從而可以將焊球15安全、穩(wěn)定地連接于焊盤13。所述金屬過渡層14的 總厚度一般可以為3-20微米之間，粘附層141、擴散阻擋層142以及潤濕層143的厚度可在 l-10微米之間。
當然，在實際應(yīng)用中，金屬過渡層14的膜層數(shù)不限于三層，其可以為一層、兩層、四層 或更多層，僅需其符合具體封裝要求即可。
所述焊球15是由焊料液滴凝固形成的球體，其形成于焊盤113的金屬過渡層14上，用于 連接焊盤113與金屬導線13。焊球15的尺寸與焊盤113的尺寸相對應(yīng)。具體地，焊球15的尺寸 可以小于或等于焊盤113的尺寸。例如，當焊盤113的橫截面大致為0.44毫米*0.54毫米的長 方體形的時候，焊球15的直徑可以為0. 2-0. 3毫米。
如上所述，由于微機電芯片11和電路板12由金屬導線13連接，微機電芯片ll和電路板
712之間具有一定的連接距離以及連接角度，從而，電路板12與微機電芯片11之間可構(gòu)成一個 形狀復雜多樣的空間，可容納各種結(jié)構(gòu)的電子元件，從而，微機電芯片ll、電路板12以及金 屬導線13可連接構(gòu)成結(jié)構(gòu)多樣化、小型化的微機電系統(tǒng)IO。
本技術(shù)方案還提供一種如上所述的微機電系統(tǒng)10的封裝方法，其包括以下步驟 第一步，請參閱圖3，提供待封裝的微機電芯片11以及電路板12。所述微機電芯片ll具 有焊盤113，所述電路板12具有連接端點121。微機電芯片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。g卩，微機電芯片ll與 電路板12間隔7-10毫米地垂直設(shè)置。
第二步，用金屬導線13電氣連接微機電芯片11的焊盤113與電路板12的連接端點121，以 使微機電芯片11和電路板12之間具有連接距離L 1以及連接角度，形成如圖1所示的微機電系 統(tǒng)10。所述連接距離L1與預定距離相對應(yīng)，也在7-10毫米之間。所述連接角度與預定角度相 對應(yīng)，為90度。
優(yōu)選地，用金屬導線13電氣連接微機電芯片11的焊盤113的步驟包括在焊盤113上形成金 屬過渡層14、在焊盤113的金屬過渡層14上放置金屬導線13以及在焊盤113的金屬過渡層14上 形成焊球15的步驟，詳述如下
首先，請參閱圖4，在微機電芯片11上方設(shè)置一個遮罩16，所述遮罩16具有與兩個焊盤 113相對應(yīng)的兩個開口160，再以濺射、蒸發(fā)、化學鍍、電鍍或其它方式形成金屬過渡層14時 ，可僅在焊盤113上形成金屬過渡層14而不在其它區(qū)域形成金屬過渡層14。
其次，請參閱圖5，通過機械手臂或人工操作進行在焊盤113的金屬過渡層14上設(shè)置金屬 導線13，以使金屬導線13的一端與焊盤113對應(yīng)。
再次，請參閱圖6，在焊盤113的金屬過渡層14上形成焊球15，并使得焊球15將金屬導線 13穩(wěn)固連接于焊盤113。
優(yōu)選的，可通過具有監(jiān)視系統(tǒng)的植球機對焊盤113進行植球，以準確地將焊料液滴滴落 于焊盤113的金屬過渡層14上，并包覆設(shè)置于焊盤113上的金屬導線13，從而焊料液滴冷卻凝 固形成焊球15后，可穩(wěn)固連接焊盤113以及金屬導線13。
將金屬導線13的一端穩(wěn)固連接在微機電芯片11的焊盤l 13上后，將金屬導線13的另一端 以焊接或其它方法連接至電路板12的連接端點121，從而使得微機電芯片11和電路板12之間 實現(xiàn)電氣連接，以形成如圖1所示的微機電系統(tǒng)10 。
由于金屬導線13具有一定的長度以及柔韌性，工作人員還可以將本實施例中大致垂直連 接的微機電芯片11和電路板12設(shè)置成其它連接距離、其它連接角度的連接位置關(guān)系。請參閱圖7，本技術(shù)方案第二實施例所示的微機電系統(tǒng)20與第一實施例所示的微機電系 統(tǒng)10大致相同，其不同之處在于微機電芯片21和電路板22之間的連接距離L2大致為15-20 毫米，連接角度大致為O度。g卩，微機電芯片21和電路板22通過金屬導線23間隔15-20毫米地 、大致平行地連接。
請參閱圖8，本技術(shù)方案第三實施例提供的微機電系統(tǒng)30與第一實施例所示的微機電系 統(tǒng)10大致相同，其不同之處在于微機電系統(tǒng)30還包括一個設(shè)置于微機電芯片31與電路板 32之間的承載元件37。所述承載元件37大致為長方體形，具有相鄰的第一表面371和第二表 面372。所述第一表面371用于設(shè)置微機電芯片31，所述第二表面372用于設(shè)置電路板32。
所述承載元件37可以為鏡頭模組、馬達或其它元件，依微機電系統(tǒng)30的具體用途、結(jié)構(gòu) 而定。當然，承載元件37的結(jié)構(gòu)不限于長方體，其還可以為斜柱、圓柱或其它棱柱體。
本實施例中的微機電系統(tǒng)30結(jié)構(gòu)緊湊，可在較小空間內(nèi)設(shè)置較多的電子元件。
另外，在封裝本實施例所示的微機電系統(tǒng)30時，用金屬導線33連接微機電芯片31與電路 板32之后，還包括一個將微機電芯片31以及電路板32設(shè)置于承載元件37的步驟。g卩，可先將 微機電芯片31設(shè)置于第一表面371，再將電路板32設(shè)置于第二表面372，從而完成微機電系統(tǒng) 30的封裝。
請參閱圖9，本技術(shù)方案第四實施例提供的微機電系統(tǒng)40與第二實施例所示的微機電系 統(tǒng)20大致相同，其不同之處在于微機電系統(tǒng)40還包括一個設(shè)置于微機電芯片41與電路板 42之間的承載元件47。所述承載元件47大致為長方體形，具有相對的第一表面471和第二表 面472。微機電芯片41設(shè)置于第一表面471，電路板42設(shè)置于第二表面472。
本技術(shù)方案中的微機電系統(tǒng)的封裝方法具有如下優(yōu)點第一，由于連接微機電芯片和電 路板的金屬導線可以任意彎折，因此微機電芯片和電路板的連接位置關(guān)系不限，S卩，微機電 芯片和電路板可以垂直、平行或任意角度地連接，從而便于微機電芯片和電路板在空間受限 的情況下進行封裝連接，形成結(jié)構(gòu)更多樣化、更小型化的微機電封裝系統(tǒng)；第二，金屬過渡 層使得焊球與焊盤具有良好的接觸潤濕性，且其具有良好的導電性，并不影響微機電芯片與 電路板之間的電氣連接；第三，焊球使得金屬導線穩(wěn)固連接于焊盤，從而使得微機電芯片和 電路板之間的連接較為穩(wěn)固。
可以理解的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思做出其它 各種相應(yīng)的改變與變形，而所有這些改變與變形都應(yīng)屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種微機電系統(tǒng)，包括微機電芯片和電路板，所述微機電芯片和電路板相對應(yīng)，其特征在于，所述微機電系統(tǒng)還包括金屬導線，所述金屬導線電氣連接所述微機電芯片和電路板，所述微機電芯片和電路板之間具有連接距離以及連接角度。
2.如權(quán)利要求l所述的微機電系統(tǒng)，其特征在于，所述微機電系統(tǒng) 還包括一個承載元件，所述承載元件具有第一表面和第二表面，所述第一表面與第二表面相 鄰或與第二表面相對，所述微機電芯片設(shè)置于承載元件的第一表面，所述電路板設(shè)置于承載 元件的第二表面。
3.如權(quán)利要求l所述的微機電系統(tǒng)，其特征在于，所述微機電芯片 具有焊盤，所述焊盤表面依次設(shè)置有金屬過渡層以及焊球，所述金屬過渡層用于連接焊盤與 焊球，所述焊球用于連接焊盤與金屬導線。
4.如權(quán)利要求3所述的微機電系統(tǒng)，其特征在于，所述金屬過渡層 包括粘附層、擴散阻擋層以及潤濕層，所述粘附層的材料為鉻、鈦、鎳或氮化鈦，所述擴散 阻擋層的材料為鎢、鉬或鎳，所述潤濕層為金層、銅層或鉛/錫疊層。
5.如權(quán)利要求3所述的微機電系統(tǒng)，其特征在于，所述金屬過渡層 的厚度為3至20微米。
6.如權(quán)利要求l所述的微機電系統(tǒng)，其特征在于，所述連接距離是 指微機電芯片和電路板之間的最短距離，為3至25毫米。
7.如權(quán)利要求l所述的微機電系統(tǒng)，其特征在于，所述連接角度是 指微機電芯片和電路板所成夾角，為0至90度。
8.如權(quán)利要求l所述的微機電系統(tǒng)，其特征在于，所述金屬導線的 直徑為O. 05至0. l毫米。
9. 一種微機電系統(tǒng)的封裝方法，包括步驟 提供待封裝的微機電芯片以及與其相對應(yīng)的電路板，所述微機電芯片和電路板之間具 有預定距離以及預定角度；用金屬導線電氣連接微機電芯片與電路板，以使微機電芯片和電路板之間具有連接距 離以及連接角度。
10.如權(quán)利要求9所述的微機電系統(tǒng)的封裝方法，其特征在于，所述 微機電芯片具有焊盤，用金屬導線電氣連接微機電芯片與電路板之前，還包括在焊盤上形成 金屬過渡層的步驟。
11.如權(quán)利要求10所述的微機電系統(tǒng)的封裝方法，其特征在于，在 焊盤上形成金屬過渡層后，在焊盤的金屬過渡層上放置金屬導線，并在焊盤的金屬過渡層上 形成焊球，以使焊球?qū)⒔饘賹Ь€連接于焊盤。
12.如權(quán)利要求9所述的微機電系統(tǒng)的封裝方法，其特征在于，用金 屬導線電氣連接微機電芯片和電路板后，提供一個承載元件，所述承載元件具有第一表面和 第二表面，所述第一表面與第二表面相鄰或與第二表面相對，將所述微機電芯片設(shè)置于承載 元件的第一表面，將所述電路板設(shè)置于承載元件的第二表面。
全文摘要
本發(fā)明提供一種微機電系統(tǒng)，包括微機電芯片、電路板以及金屬導線，所述金屬導線電氣連接所述微機電芯片和電路板，所述微機電芯片和電路板之間具有連接距離以及連接角度。本技術(shù)方案還提供一種微機電系統(tǒng)的封裝方法。本發(fā)明的微機電系統(tǒng)及其封裝方法可使得微機電芯片和電路板以一定角度、間隔一定距離地進行封裝連接。
文檔編號B81C3/00GK101565160SQ20081030122
公開日2009年10月28日 申請日期2008年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月21日
發(fā)明者黃議模 申請人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司;鴻海精密工業(yè)股份有限公司