專利名稱：具有集成電路管芯的微機(jī)電系統(tǒng)封裝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，尤其涉及一種具有封裝上系 統(tǒng)(SOP )或者板上系統(tǒng)(SOB )構(gòu)造的多個集成電路管芯(dies )的集成MEMS 器件，
背景技術(shù)：
MEMS器件是通過微制造技術(shù)，將縮微機(jī)械元件、傳感器、執(zhí)行器以及 電子元件在共用硅基底上的集成。MEMS器件上的傳感器通常包括縮微的可 移動結(jié)構(gòu)，例如橋、懸臂梁、懸掛塊、隔膜或者電容元件裝置。傳感器可以通 過測量機(jī)械、熱量、生物、化學(xué)、光學(xué)以及/或者^f茲現(xiàn)象，從環(huán)境中采集信息。 然后，電子元件對來自傳感器的信息進(jìn)行處理，并通過一些決策制定機(jī)構(gòu)指示 執(zhí)行器進(jìn)行響應(yīng)以移動、定位、調(diào)節(jié)、抽取以及/或者過濾，從而為了某些期 望的結(jié)果或目的對環(huán)境進(jìn)行控制。在各種商業(yè)產(chǎn)品中已發(fā)現(xiàn)MEMS器件的應(yīng) 用。
通過將MEMS器件的檢測和響應(yīng)能力與高級集成電路的強(qiáng)大信號處理能 力集合到一起，MEMS器件的功能性、完善性及應(yīng)用范圍能夠到達(dá)空前水平， 并且引起了幾乎每個產(chǎn)品類別的變革，使得真正系統(tǒng)級封裝(SIP)可能成為 現(xiàn)實。集成電路可以認(rèn)為是系統(tǒng)的"大腦"，而MEMS器件可以作為系統(tǒng)的 "目艮睛"和"手臂"，來允許微系統(tǒng)檢測和控制環(huán)境。
作為一個例子，可以開發(fā)一種SIP，將信號處理集成電^^與三軸MEMS 加速傳感器整合到一起，從而形成視頻游戲的基于運(yùn)動的控制器。通過放棄傳 統(tǒng)的用雙手拿著的控制器，上述控制器可使得各種年齡的玩游戲者感受到一種 真正交互的、逼真的游戲體驗。游戲控制器可以允許玩游戲者在以往的玩游戲 歷史中從未經(jīng)歷的方式，去跑、跳、旋轉(zhuǎn)、滑行、駕駛、加速、阻擋(bank)、 俯沖、踢、扔擲和記分。在另一個例子中，MEMS射頻轉(zhuǎn)換模塊可以與信號處理集成電路結(jié)合一 起以形成無線設(shè)備，例如蜂窩電話、無線電腦網(wǎng)絡(luò)、通訊系統(tǒng)或者雷達(dá)系統(tǒng)中 的SIP。由于具有低功耗特性以及在射頻范圍內(nèi)運(yùn)行的能力，MEMS射頻轉(zhuǎn)換 模塊可以用作無線設(shè)備的天線轉(zhuǎn)換、模式轉(zhuǎn)換或者發(fā)送/接收轉(zhuǎn)換，并提供顯 著的技術(shù)利益。
在現(xiàn)有的將MEMS器件和其他信號處理集成電路集成在電子系統(tǒng)中的封 裝方法中，與MEMS器件的電連接通常利用水平出現(xiàn)在MEMS器件邊緣的電 引線實現(xiàn)。這些水平的電引線增加了 SIP的跡線尺寸。除了在現(xiàn)有封裝方式存 在的其他缺陷以外，水平引線導(dǎo)致產(chǎn)生可能影響電路特性的交叉信號線、可能 增加信號潛伏的過長水平信號線以及可能導(dǎo)致出現(xiàn)不希望的感應(yīng)的長金屬跡 線。
發(fā)明內(nèi)容
通過本發(fā)明的實施例，通常能夠解決或者規(guī)避上述及其他問題，本發(fā)明的 實施例提供了一種微機(jī)電系統(tǒng)封裝方案，該方案提供封裝上系統(tǒng)(SOP)結(jié)構(gòu) 和板上系統(tǒng)(SOB)結(jié)構(gòu)。該微機(jī)電系統(tǒng)封裝包括以堆疊方式設(shè)置的一個或多 個MEMS管芯、具有一個或多個集成電路管芯的封蓋部、以及封裝基底或印 刷電路板(PCB)。例如穿透硅通孔(TSV)的垂直連接器形成用于在各種部 件之間提供較短的電連接。本發(fā)明的微機(jī)電系統(tǒng)封裝方案具有較高的集成密 度、減少的MEMS封裝跡線、減少的射頻延遲和功率消耗。
在一個優(yōu)選實施例中，微機(jī)電系統(tǒng)包括具有多個第一端子的微機(jī)電系統(tǒng) 器件；包括至少一個穿透通孔和至少一個微電子器件以及多個第二端子的封蓋 部；其中所述微機(jī)電系統(tǒng)和所述封蓋部通過所述多個第一端子和所述多個第二
端子電連接。
在另一個優(yōu)選實施例中， 一種設(shè)備包括微機(jī)電系統(tǒng)器件，所述微機(jī)電系 統(tǒng)器件包括至少一個電子電路，所述至少一個電子電路電連接到所述微機(jī)電系 統(tǒng)器件的第一表面上的至少一個端子。所述設(shè)備還包括封蓋部，所述封蓋部位 于所述微機(jī)電系統(tǒng)器件的下方，并包括至少一個半導(dǎo)體器件，其中所述至少一 個半導(dǎo)體器件通過所述微機(jī)電系統(tǒng)器件的所述至少一個端子，電連接到所述微機(jī)電系統(tǒng)器件的所述至少一個電子電路上，并且其中所述至少一個半導(dǎo)體器件 還通過所述封蓋部中的內(nèi)部金屬互連線和至少一個穿透通孔，電連接到所述封 蓋部的第 一連接面上的至少 一個接觸部上。所述設(shè)備還包括位于所述封蓋部下 方的基底，所述基底包括位于支撐面上的至少 一個接觸部。
為了更完全地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例作出描
述，其中
圖1為本發(fā)明實施例的微機(jī)電系統(tǒng)封裝中包括的電子元件的展開圖2A為本發(fā)明實施例的微機(jī)電系統(tǒng)封裝的剖視圖2B為圖2A所示的微機(jī)電系統(tǒng)封裝的俯視圖3為本發(fā)明實施例的微機(jī)電系統(tǒng)封裝的俯視圖；和
圖4-9為本發(fā)明實施例的微機(jī)電系統(tǒng)封裝的剖視圖。
具體實施例方式
下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，但是應(yīng)當(dāng)了解，本發(fā)明提供有許多可適用 的發(fā)明概念，這些概念能夠體現(xiàn)在各種特定環(huán)境下。這里描述的特定實施例僅 僅為實現(xiàn)和使用本發(fā)明的特定方式的示例，而不能限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
下面，將結(jié)合優(yōu)選實施例描述本發(fā)明，即利用多個集成電路管芯(dies) 和/或其他電子部件以封裝上系統(tǒng)(SOP )或者板上系統(tǒng)(SOB )構(gòu)造集成微機(jī) 電系統(tǒng)(MEMS)器件的裝置和方法。但是，本發(fā)明實施例描述的特征、結(jié)構(gòu) 或者特性也可以適當(dāng)?shù)姆绞浇Y(jié)合，從而形成一個或多個其他實施例。并且，為 了闡明的目的，繪制的附圖僅用于闡述發(fā)明特征或特性的有關(guān)形態(tài)，并非按比 例繪制。
圖1顯示了本發(fā)明實施例各個MEMS封裝結(jié)構(gòu)中涉及的一些主要部件的 展開圖。這些部件包括MEMS器件120、封蓋部140、嵌入部140以及封裝基 底或者印刷電路板(PCB) 180。 MEMS器件120包括傳感器結(jié)構(gòu)部122和電 子電路124;封蓋部140包括一個或多個半導(dǎo)體集成電路、微波傳輸帶電路， 或者其他類似縮微電子電路；嵌入部160包括穿透結(jié)構(gòu)162，從而在位于封蓋部140上具有小間距的接觸部與在封裝基底或PCB 180的連接表面上具有大 間距的接觸部之間提供電適配。嵌入部160可以由各種合適的材料制成，并且 根據(jù)應(yīng)用具有不同的結(jié)構(gòu)。雖然PCB 180最好為印刷電路板，但是它可以包 括一個或多個形成在其上的電路元件182。電路元件182可以包括有源元件、 無源元件或者有源元件和無源元件的組合，例如晶體管、二極管、電阻器、電 容器以及電感器。圖1中各種部件的布置用于舉例說明一個發(fā)明特征，即一個 或多個MEMS管芯可以與其他電子元件集成一起形成本發(fā)明優(yōu)選實施例的 MEMS封裝。正如下文稍后將給出的詳細(xì)描述，這些部件可以通過各種技術(shù) 被結(jié)合、重新布置以及電連接，從而形成本發(fā)明不同實施例的各種MEMS封 裝構(gòu)造。
現(xiàn)在參考圖2A，該圖顯示了本發(fā)明優(yōu)選實施例的MEMS封裝100的剖 視圖。MEMS封裝100包括MEMS器件120、封蓋部140和封裝基底180, 它們以一個堆疊在另一個上面的方式設(shè)置。在本優(yōu)選實施例中，MEMS器件 120的傳感器部分包括射頻轉(zhuǎn)換模塊122,其中射頻轉(zhuǎn)換模塊122具有從連接 表面上方突出的縮微可移動部件。射頻轉(zhuǎn)換模塊122可以用作無線通訊端口 ， 并能夠從一個射頻帶轉(zhuǎn)換到另一個射頻帶，以傳輸射頻信號。雖然為了清楚起 見圖中僅顯示了一個射頻轉(zhuǎn)換器，但是轉(zhuǎn)換模塊122中可以形成有多個射頻轉(zhuǎn) 換器。MEMS器件120通常還包括電子電路，例如MEMS控制電路，用來處 理來自射頻轉(zhuǎn)換模塊122的信號，并指引處理的信號通過導(dǎo)電端子124到達(dá) MEMS封裝100的其他部件。在另一個優(yōu)選實施例中，MEMS器件120包括 麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、慣性傳感器、壓力傳感器、射頻可調(diào)裝置、繼電器或其他類 似物中的一個或多個。
封蓋部140包括半導(dǎo)體器件或者集成電路142，例如數(shù)字集成電路、模擬 集成電路、MEMS控制集成電路、復(fù)合信號集成電路、微處理器、存儲器集 成電路或者芯片上系統(tǒng)(SOC)構(gòu)造的集成電路，以及/或者微波傳輸帶電路 或其它類似裝置中的一個或多個，微波傳輸帶電路例如是微波傳輸帶過濾器、 微波傳輸帶諧振器或類似裝置，以及包括上述裝置的組合。利用微電子處理技 術(shù)，例如薄膜沉積、光刻、干蝕刻和濕蝕刻以及電鍍，這些電路通常形成在例 如半導(dǎo)體材料、陶瓷、玻璃及塑料的材料上。為了清楚，封蓋部140中的這些微電子電路以圖2A中標(biāo)號142表示。此外，多個導(dǎo)電端子144設(shè)置在封蓋部 140的上表面上，并且導(dǎo)電接觸148安裝在封蓋部140的底部。導(dǎo)電端子144 與MEMS器件120上的導(dǎo)電端子124連接，從而實現(xiàn)MEMS器件120的電子 電路與封蓋部140的微電子電路142之間的電連接。雖然圖2A中顯示，導(dǎo)電 端子124和144通常為直導(dǎo)線，但是它們不局限于該構(gòu)造。其他合適的低電阻 連接器，例如接觸器、焊球和襯墊也可以用于實現(xiàn)MEMS器件120的電子電 路與封蓋部140的微電子電路142之間的電連接。
在一個優(yōu)選實施例中，MEMS封裝100包括與MEMS器件120表面結(jié)合 的密封環(huán)126,以及與封蓋部140表面結(jié)合的密封環(huán)146。當(dāng)MEMS器件120 與封蓋部140連接一起時，密封環(huán)126與密封環(huán)146被擠壓在一起，從而形成 一個密封套。因此，形成的密封套更好地用于收容傳感器部分，例如MEMS 器件120的轉(zhuǎn)換模塊122，并且保護(hù)轉(zhuǎn)換模塊122的可移動部件避免受到損害， 例如機(jī)械接觸、電干擾以及化學(xué)污染。密封套或者部分的密封套可以預(yù)先形成 與MEMS器件120結(jié)合，或者與封蓋部140結(jié)合，或者與MEMS器件120、 封蓋部140均結(jié)合。在本實施例中，密封環(huán)126、 146為金屬的。密封環(huán)126 和146可以利用焊料、金熱壓(TCB)、金熱超聲結(jié)合(TSB)或類似方式被 密封。或者，密封環(huán)126和密封環(huán)146兩者或者其中一個可以由包括例如塑料、 聚合物、環(huán)氧化物等柔性材料的其他合適材料形成。
MEMS封裝IOO還包括穿過封蓋部140的通孔145，以通過導(dǎo)電接觸148 電連接封蓋部140和底部的封裝基底或印刷電路板180。在一個優(yōu)選實施例中， 封蓋部140包括硅基的半導(dǎo)體集成電路，并且通孔145被電鍍或者填充有金屬 導(dǎo)體，例如鋁、銅、鴒等、在另一個優(yōu)選實施例中，封蓋部140為形成在陶瓷 基底上的微波處理帶電路。通過按照預(yù)定圖案在陶瓷中打孔，并且在孔中填充 金屬材料從而形成通孔145。為了便于說明，在下面的描述中，通孔145通常 指穿透硅通孔(TSV)，但是本發(fā)明的封蓋部140不局限于硅。穿透硅通孔 145通過金屬互連線147電連接到微電子電路142上，其中金屬互連線147形 成在封蓋部140的各種互連金屬層中。封蓋部140的導(dǎo)電接觸148和封裝基底 180上的接觸部178通過焊球175電性和物理連接，但是其他合適的低電阻連 接器也可以使用。當(dāng)結(jié)構(gòu)180為封裝基底時，接觸部178可以依次電連接到封裝導(dǎo)線上。當(dāng)結(jié)構(gòu)180為印刷電路板時，接觸部178可以依次電連接到印刷電 路板上的一個或多個電路元件(圖中未顯示)上。但是，引線焊墊150和170 也可以分別形成在封蓋部140和封裝基底180的頂面上。引線焊墊150和170 可以依次分別連接到封蓋部140的微電子電路142和結(jié)構(gòu)180上的封裝導(dǎo)線或 電路元件上。封蓋部140和封裝基底或印刷電路板180之間的其他電連接可以 通過接合引線155實現(xiàn)，其中接合引線155—端焊接到引線焊墊150上，以及 另一端焊接到引線焊墊170上。
在一個優(yōu)選實施例中，MEMS器件120中的電子電路通過導(dǎo)電端子124 和144首先連接到封蓋部140的微電子電路142上。然后，由微電子電路142 處理的信號通過穿透硅通孔145及/或接合引線155,引導(dǎo)至基底180上的電路 元件。在MEMS器件120中的電子線路和基底180上的封裝導(dǎo)線或電路元件 之間最好不存在直接電連接。 一個優(yōu)點(diǎn)是，可以隔離基底180上的電涌，并且 將不會影響MEMS器件120的性能。并且，在本優(yōu)選實施例中，MEMS器件 120較小，并占據(jù)封蓋部140上很少部分的表面積，并且MEMS器件120上 的端子124的間距顯著小于封蓋部140中穿透硅通孔145的間距。當(dāng)前的 MEMS封裝構(gòu)造可以有利于將具有較小端子間距的小型MEMS管芯集成到具 有較大焊球接觸或者引線焊墊間距的基底上，其中封蓋部140還具有在MEMS
在其他和/或替換優(yōu)選實施例中，MEMS器件120夾在封蓋部140和基底 180之間。MEMS射頻模塊122被密封在位于封蓋部140底面和基底180的頂 面之間的密封套中。其他實施例中使用的MEMS端子和密封環(huán)與圖2A描述 的端子124、 144以及密封環(huán)126、 146類似。其他選4奪實施例中優(yōu)選使用較大 尺寸的MEMS器件120，并且如果設(shè)置在封蓋部140的頂面，MEMS器件120 可能占據(jù)封蓋部140相當(dāng)大部分的表面積，這通常是不希望的。
上面描述的MEMS封裝構(gòu)造具有很多優(yōu)點(diǎn)。 一方面，將MEMS器件連接 到具有強(qiáng)大信號處理能力的一個或多個集成電路上可以顯著增加MEMS器件 的功能性、完善性和應(yīng)用范圍。另一方面，將MEMS器件集成到具有一個或 多個集成電路的電子系統(tǒng)中，可使得電子系統(tǒng)能聽、看并感覺它的環(huán)境，并且 通過一些復(fù)雜的決策制定能力，可使得電子系統(tǒng)指示MEMS器件上的執(zhí)行器
10通過移動、定位、調(diào)節(jié)、抽取以及/或者過濾來響應(yīng)，從而為了某些期望的結(jié) 果或目的對環(huán)境進(jìn)行控制。并且，這可以顯著擴(kuò)大集成電子系統(tǒng)的功能性、完
善性和應(yīng)用范圍。其他優(yōu)點(diǎn)包括當(dāng)與傳統(tǒng)具有水平引線的封裝方案相比，堆 疊的MEMS封裝構(gòu)造將提供更高的電路密度。此外，端子124和144、穿透 硅通孔145以及焊球175在MEMS器件120、封蓋部140以及印刷電路板180 的電子電路之間提供最短路徑的垂直連接，從而通過使得微電子電路模塊更加 電性靠近，減少射頻延遲和功率消耗。圖2A所示當(dāng)前實施例的MEMS封裝 構(gòu)造的俯浮見圖如圖2B所示。
關(guān)于將一個或多個MEMS器件和其他電子部件封裝，存在有大量的或不 同的替換實施例。為了清楚地說明且避免重復(fù)，上面用于描述MEMS封裝100 的相同數(shù)字和字母將用于各種替換實施例和對應(yīng)圖示中的類似元件。并且，上 述參考數(shù)字這里可以不再詳細(xì)描述。
需要注意的是，為了清楚描述和避免重復(fù)的目的，替換實施例中的基底 180可以參考為封裝基底或者印刷電路板。當(dāng)基底180參考為封裝基底時，通 常包括電連接到封裝導(dǎo)線上的焊球接觸及/或引線焊墊，其中封裝導(dǎo)線可以依 次連接到外部。然而當(dāng)基底180參考為印刷電路板時，通常包括電連接到同一 印刷電路板上電路元件的焊球接觸及/或引線焊墊。并且，某些優(yōu)選實施例中 描述的基底180應(yīng)當(dāng)不局限于該特定結(jié)構(gòu)。例如，當(dāng)基底180為封裝基底時， 其也可以表示為印刷電路板，并且反之亦然。當(dāng)基底180為封裝基底時，體現(xiàn) 的MEMS封裝通常可知具有SOP結(jié)構(gòu)；當(dāng)基底180為具有一個或多個電路元 件的印刷電路板時，體現(xiàn)的MEMS封裝通?？芍哂蠸OB結(jié)構(gòu)。
圖3為本發(fā)明另一優(yōu)選實施例的俯視圖，其中MEMS(微機(jī)電)管芯120A、 120B和120C形成在封蓋部140的頂部，其中封蓋部140優(yōu)選包括片上系統(tǒng) (SOC)結(jié)構(gòu)的集成電路。封蓋部140依次堆疊在基底180的上部。MEMS 管芯120A、 120B和120C可以圖2A所述類似方式，電性及物理連接到封蓋 部140和基底180中的微電路和電路元件上。接合引線155也分別可以通過封 蓋部140和基底180頂面上的焊墊150及170，用于連接封蓋部140的微電路 和基底180的電路元件。
圖4顯示了本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的MEMS封裝101的剖^L圖，其中封蓋部140具有多層結(jié)構(gòu)，包括上封蓋層140,和下封蓋層1402。上封蓋層140, 和下封蓋層1402可以通過絕緣層152互相電隔離。每個封蓋層140,和1402可 以包括半導(dǎo)體材料、陶瓷材料、玻璃、塑料等。并且，微電子電路及/或有源 或無源半導(dǎo)體器件可以形成在每個封蓋層140,和1402中。在一個優(yōu)選實施例 中，至少一個的封蓋層140,和1402包括具有SOC結(jié)構(gòu)的集成電路。形成在不 同封蓋層中的微電子電路142可以通過穿透硅通孔145電連接一起，其中穿透 硅通孔145穿過封蓋層140,和1402以及絕緣層152形成。在一個優(yōu)選實施例 中，如圖4所示，位于不同封蓋層140,和1402中的穿透硅通孔145被對準(zhǔn)， 并具有顯著大于MEMS管芯端子124之間間隔的穿透硅通孔間距。在另一個 優(yōu)選實施例中，位于不同封蓋層的穿透硅通孔145間距，從上封蓋層140,向 底部的封蓋層例如下封蓋層1402增加，因此封蓋部能夠匹配具有較小端子間 距的MEMS管芯和具有較大焊球接觸間距的基底。同樣地，可以類似上述圖 2A描述的方式，通過焊球175或者/以及接合引線155實現(xiàn)封蓋部的微電子電 路142與基底180的電路元件之間的電連接。
圖5顯示了本發(fā)明另一優(yōu)選實施例的MEMS封裝102的剖視圖，其中具 有多個堆疊在MEMS封裝中的封蓋部，例如封蓋部140A和140B。每個封蓋 部140A和140B可以包括硅、陶乾材料、玻璃、塑料等。并且，微電子電路 及/或有源或無源半導(dǎo)體器件可以形成在每個封蓋部中。與圖4所示的封蓋部 不同，每個封蓋部140A和140B可以預(yù)先構(gòu)造有鈍化連接表面，其中在鈍化 連接表面上預(yù)先形成有引線焊墊150a、 150b以及/或者焊球接觸148。穿透硅 通孔145形成在每個封蓋部140A和140B中，以連接微電子電路142和焊球 接觸148。焊球175依次用于電連接封蓋部140A到140B上，以及電連接封 蓋部140B到印刷電路板180上。此外，通過接合引線155a，可以實現(xiàn)封蓋部 140A和140B中樣i電子電路142之間的電連接，其中接合引線155a連接封蓋 部140A后側(cè)的引線焊墊150a和封蓋部140B后側(cè)的引線焊墊150b。并且，如 圖5所示，通過接合引線155b,封蓋部140B后側(cè)的引線焊墊150b可以連接 到印刷電路板180頂面的焊墊170上，以電連接封蓋部140A和140B中的微 電子電路142到印刷電路板180的電路元件上。此外，接合引線155c可以形 成從封蓋部140A后側(cè)的引線焊墊150a到印刷電路板180頂面的焊墊170，實現(xiàn)封蓋部140A中的微電子電路142與印刷電路板180的電路元件之間的直接 連接。因此，可以看出，本實施例在實現(xiàn)MEMS封裝各個部件的電子電路之 間的電連接中，提供了很大的靈活性。由于堆疊的封蓋部，本實施例也可以方 便地參考為具有封裝上封裝(package-on-package )結(jié)構(gòu)。
圖6顯示了本發(fā)明又一個優(yōu)選實施例的MEMS封裝103的剖視圖。MEMS 封裝103可以具有封裝上系統(tǒng)(SOP)結(jié)構(gòu)，其中基底180為封裝基底。MEMS 封裝103也可以具有板上系統(tǒng)(SOB)，其中基底180為印刷電路板，并包括
墊130形成在MEMS器件120的后側(cè)上，以電連接到MEMS器件120的傳感 器及/或電子電路上。接合引線125形成在MEMS器件120后側(cè)上的引線焊墊 130與封蓋部140后側(cè)上的引線焊墊150之間。通過封蓋部140中的金屬跡線 137和穿透硅通孔145以及焊球175，焊墊150可以依次連接到封裝基底180 上的焊球接觸部178。與上述實施例類似，來自MEMS器件120的電信號也 可以通過端子124和144連"t妄到封蓋部140的孩i電子電^各142，通過金屬互連 線147、穿透硅通孔145以及焊球175被處理并引導(dǎo)至封裝基底180上。該實 施例在MEMS器件120和基底180之間提供直接電連接路徑，繞開封蓋部140 的《敬電子電路142。在一個優(yōu)選實施例中，MEMS器件120的尺寸顯著小于封 蓋部140中穿透硅通孔145間距。例如，MEMS諧振器形成在本實施例的 MEMS封裝結(jié)構(gòu)中。
圖7為本發(fā)明另一優(yōu)選實施例的MEMS封裝104的剖視圖。與上述優(yōu)選 實施例不同，其中來自MEMS器件120的信號在封蓋部140的樣i電子電路142 中被連接和處理，來自MEMS器件120的信號通過金屬互連線157、穿透硅 通孔145以及焊球175被引導(dǎo)至封裝基底180上，沒有在封蓋部140中處理。 也就是說，來自MEMS器件120的電信號通過穿透硅通孔145直接到達(dá)封裝 引線或者印刷電路板。同時，封蓋部140中的微電子電路142可以通過接合引 線155及/或穿透硅通孔145連接至基底180。在一個優(yōu)選實施例中，封蓋部 140包括間距大于MEMS器件120上端子124間距的穿透硅通孔。在另一優(yōu) 選實施例中，如圖所示，多層金屬互連線157形成在封蓋部140中，以匹配具 有較小端子間距的MEMS管芯端子124和具有較大間距的封蓋部140的穿透硅通孔145及基底180的焊球接觸部178。并且，封蓋部140可以具有多層結(jié) 構(gòu)，并且封蓋層堆疊中的穿透硅通孔間距可以從上封蓋層向底部的封蓋層增 加，因此封蓋部可以電匹配具有較小端子間距的MEMS管芯和具有較大焊球 間距的大基底。在一個優(yōu)選實施例中，MEMS管芯104包括射頻轉(zhuǎn)換模塊， 其中射頻轉(zhuǎn)換模塊能夠用作天線轉(zhuǎn)換、模式轉(zhuǎn)換和發(fā)送/接收轉(zhuǎn)換。
下面參考圖8，該圖為本發(fā)明另一優(yōu)選實施例的MEMS封裝105的剖視 圖。與上述MEMS封裝相同，MEMS封裝105包括一個或多個MEMS器件 120、 一個或多個封蓋部140以及封裝基底或印刷電路板180。但是，MEMS 封裝105還包括形成在封蓋部140和封裝基底180之間的硅嵌入部160。硅嵌 入部160包括位于上連接面的導(dǎo)電墊158,其中上連接面具有的導(dǎo)電墊間隔與 封蓋部140中的穿透硅通孔145的間距匹配。硅嵌入部160還包括位于下連接 面的導(dǎo)電墊168,其中下連接面具有的導(dǎo)電墊間隔與封裝基底108中焊球墊178 的間距匹配。硅嵌入部160更包括穿透硅通孔165,以在導(dǎo)電墊158和168之 間提供直接導(dǎo)電路徑。焊球175形成在導(dǎo)電墊148和158之間，以提供封蓋部 140與嵌入部160之間的電連接。焊球175也形成在導(dǎo)電墊168與178之間， 以提供嵌入部160與基底180之間的電連接。因此，在封蓋部140與基底180 的集成電路之間可以實現(xiàn)電匹配。在其他優(yōu)選實施例中，嵌入部160也可以由 其他合適材料制造，并具有不同的構(gòu)造。
圖9顯示了本發(fā)明另外優(yōu)選實施例的MEMS封裝106。與上述實施例的 MEMS封裝相比，本實施例的的傳感器部分122沒有形成在MEMS器件120 和封蓋部140之間密封的密封套中。相反，MEMS管芯120被翻轉(zhuǎn)，從而在 MEMS管芯120與封蓋部140的連接面上實現(xiàn)電連接，而不是在設(shè)置傳感器 部分122的表面上。MEMS器件120的電子電路與封蓋部140的微電子電路 142之間的電連接可以通過端子124和144或者其他合適的低電阻連接器，例 如接觸器、焊球和焊墊等實現(xiàn)。并且，上面提到的電連接可以在MEMS器件 120和封蓋部140被分別單獨(dú)處理和鈍化后實現(xiàn)。類似地，穿透硅通孔145形
本實施例最好在MEMS器件120尺寸較大且占據(jù)封蓋部140相當(dāng)大部分表面 積的情況下使用。在替換的優(yōu)選實施例中，利用上述方法可以將多個MEMS管芯焊接在封蓋部140上。
盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例及其優(yōu)點(diǎn)，但是應(yīng)當(dāng)理解在不脫離 由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對這些實施例進(jìn)行 多種變化、修改、替換和變型。例如，在落在本發(fā)明保護(hù)范圍的同時，本領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員將容易理解上述優(yōu)選實施例的部件、材料和構(gòu)造可以被改變、
替換以及結(jié)合來形成甚至更多的MEMS封裝方案。
但是，本發(fā)明的應(yīng)用范圍不局限于說明書中描述的特定實施例的工藝、機(jī) 構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法及步驟。從本發(fā)明的公開內(nèi)容，作為本領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員將容易地理解，對于目前已存在或者以后即將開發(fā)出的工藝、 機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟，其中它們執(zhí)行與本發(fā)明描述的對 應(yīng)實施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結(jié)果，依照本發(fā)明可以對它們進(jìn) 行應(yīng)用。因此。本發(fā)明所附權(quán)利要求旨在將這些工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、 手段、方法或步驟包含在其保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種微機(jī)電系統(tǒng)，包括具有多個第一端子的微機(jī)電系統(tǒng)器件；和包括至少一個穿透通孔和至少一個微電子器件以及多個第二端子的封蓋部；其中所述微機(jī)電系統(tǒng)器件和所述封蓋部通過所述多個第一端子和所述多個第二端子電連接。
2、 如權(quán)利要求l所述的微機(jī)電系統(tǒng)，還包括形成在所述微機(jī)電系統(tǒng)器件 和所述封蓋部之間的密封環(huán)，所述密封環(huán)圍住所述微機(jī)電系統(tǒng)的突出傳感器部 分。
3、 如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電系統(tǒng)，它是從包括射頻轉(zhuǎn)換器、擴(kuò)音器、 揚(yáng)聲器、慣性傳感器、壓力傳感器、射頻可調(diào)裝置、繼電器及其任意組合的組 中選擇的，其中所述封蓋部包括數(shù)字集成電路、模擬集成電路、微機(jī)電系統(tǒng)控 制集成電路、復(fù)合信號集成電路、微處理器、存儲器集成電路、具有片上系統(tǒng) 構(gòu)造的集成電路、微波傳輸帶濾波器、微波傳輸帶諧振器中的至少一個及其任 意組合，其中所述封蓋部包括從半導(dǎo)體材料、陶瓷、玻璃、塑料及其任意組合 的組中選擇的材料。
4、 如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其中所述至少一個穿透通孔的間距 顯著大于所述多個第一端子的間距。
5、 如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電系統(tǒng)，還包括封裝基底，其中所述微機(jī)電 系統(tǒng)器件、所述封蓋部和所述封裝基底以堆疊方式設(shè)置，以形成封裝上系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)。
6、 如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電系統(tǒng)，還包括印刷電路板，其中所述微機(jī) 電系統(tǒng)器件、所述封蓋部和所述印刷電路板以堆疊方式設(shè)置，以形成板上系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)。
7、 一種設(shè)備，包括微機(jī)電系統(tǒng)器件，所述微機(jī)電.系統(tǒng)器件包括至少一個電子電路，所述至少 一個電子電路電連接到所述微機(jī)電系統(tǒng)器件的第一表面上的至少一個端子上；封蓋部，所述封蓋部位于所述微機(jī)電系統(tǒng)器件的下方，并包括至少一個半 導(dǎo)體器件，其中所述至少一個半導(dǎo)體器件通過所述微機(jī)電系統(tǒng)器件上的所述至少 一個端子電連接到所述微機(jī)電系統(tǒng)器件中的所述至少 一個電子電路上，并且 其中所述至少一個半導(dǎo)體器件還通過所述封蓋部中的內(nèi)部金屬互連線和至少一個通孔電連接到所述封蓋部的第一連接面上的至少一個接觸部上；以及 位于所述封蓋部下方的基底，所述基底包括位于支撐面上的至少 一個接觸部。
8、 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，還包括形成在所述微機(jī)電器件和所述封蓋 部之間的空間中的封套，所述封套由密封環(huán)密封并收容所述微機(jī)電器件的突出 傳感器部分。
9、 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述微機(jī)電系統(tǒng)中的所述至少一個電 子電路通過所述封蓋部中的內(nèi)部金屬互連線和所述至少一個穿透通孔連接到 所述支撐面上的所述至少 一個接觸部。
10、 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述至少一個穿透通孔的間距顯著大 于所述微機(jī)電系統(tǒng)器件的所述第 一表面上所述至少 一個端子的間距。
11、 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，還包括從所述微機(jī)電系統(tǒng)器件的一部分第 二表面上方突出的傳感器部分。
12、 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，還包括位于所述封蓋部和所述支撐面之間 的嵌入部，所述嵌入部將所述封蓋部的第 一連接面上的所述至少 一個接觸部與 所述基底支持面上的所述至少一個接觸部匹配。
13、 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述基底為封裝基底，所述封裝基底 包括與所述封裝基底上所述至少一個接觸部連接的多個封裝引線；或者所述基 底為包括至少一個電路元件的印刷電路板，所述印刷電路板中的至少一個電路 元件通過所述印刷電路板中的金屬跡線電連接到所述封蓋部的所述至少一個 半導(dǎo)體器件。
14、 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，還包括位于所述微機(jī)電系統(tǒng)器件的第二表 面上的至少一個焊墊，位于所述封蓋部第二連接面上的至少一個焊墊以及位于 所述支撐面上的至少一個焊墊；其中所述焊墊通過接合引線電連接。
15、 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述封蓋部具有多封蓋層結(jié)構(gòu)，并且每個所述封蓋層包括至少一個穿透通孔、數(shù)字集成電路、模擬集成電路、微機(jī) 電系統(tǒng)控制集成電路、復(fù)合信號集成電路、微處理器、存儲器集成電路、具有 片上系統(tǒng)構(gòu)造的集成電路、微波傳輸帶過濾器、微波傳輸帶諧振器中的至少一 個及其任意組合，其中所述多封蓋層中的所述至少一個穿透通孔的間距可以不 同。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有封裝上系統(tǒng)(SOP)結(jié)構(gòu)和板上系統(tǒng)(SOB)結(jié)構(gòu)的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)封裝。該微機(jī)電系統(tǒng)封裝包括以堆疊方式設(shè)置的一個或多個MEMS管芯、具有一或多個集成電路管芯的封蓋部、以及封裝基底或印刷電路板(PCB)。垂直連接器，例如穿透硅通孔(TSV)形成用于在各種部件之間提供較短的電連接。本發(fā)明的微機(jī)電系統(tǒng)封裝方案具有較高的集成密度、減少的MEMS封裝跡線、減少的射頻延遲和功率消耗。
文檔編號B81B7/02GK101519183SQ20091000196
公開日2009年9月2日 申請日期2009年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月31日
發(fā)明者莊建祥, 薛福隆 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司