專利名稱：帶有熱應(yīng)力釋放裝置的微型芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及微型芯片，特別是，本發(fā)明涉及微型芯片的封裝技術(shù)。
背景技術(shù)：
微機(jī)電系統(tǒng)(“MEMS”)廣泛應(yīng)用于不斷增長的用途。例如目前，MEMS作為陀螺儀實(shí)施，以便探測飛機(jī)的傾角，并且作為加速度計(jì)有選擇的在汽車內(nèi)與氣囊配置使用。簡言之，這種MEMS裝置典型的具有懸置在基片上的結(jié)構(gòu)，和相關(guān)電子器件，該電子器件既可感知懸置結(jié)構(gòu)的運(yùn)動，并向一個(gè)或更多外部裝置(例如外部電腦)傳輸感知的運(yùn)動數(shù)據(jù)。外部裝置處理感知的數(shù)據(jù)，以便計(jì)算正在測量的性能(例如傾角或加速度)。
相關(guān)電子器件，基片，和可移動的結(jié)構(gòu)通常在一個(gè)或多個(gè)固定在封裝件內(nèi)的電路小片(die)(這里簡稱為“電路小片”)上形成，該電路小片。例如，密封著電路小片的該封裝件可以由陶瓷或塑料制造。該封裝件包括允許電子器件將運(yùn)動數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠垦b置的互連件。為了將電路小片緊固在封裝件內(nèi)，電路小片的底表面通常粘合(例如用粘合劑或焊料)在封裝件的內(nèi)表面(例如模附著墊)。因此，電路小片底表面的基本上全部區(qū)域與封裝件的內(nèi)表面結(jié)合。
然而，當(dāng)兩個(gè)表面的溫度改變時(shí)，可能帶來問題。特別是，由于兩表面通常具有不同的熱膨脹系數(shù)，封裝件能夠向電路小片的基片施加機(jī)械應(yīng)力。該應(yīng)力(本領(lǐng)域稱之為“線性應(yīng)力”，這種情況是由于熱引起的)不期望地使基片彎曲或撓曲到未知的曲率。結(jié)果，基片彎曲或撓曲會影響電路小片結(jié)構(gòu)的運(yùn)動和電子器件的功能，從而導(dǎo)致表示所測性能(例如加速度)的輸出數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。相似的方式，施加到封裝件上的機(jī)械產(chǎn)生的線性或扭曲應(yīng)力也能夠轉(zhuǎn)移到電路小片上，從而導(dǎo)致相同的不期望的效果。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，封裝的微型芯片具有一種應(yīng)力敏感微型芯片，一種封裝件，和一種絕緣體，該應(yīng)力敏感微型芯片具有微型芯片熱膨脹系數(shù)，該封裝件具有封裝件熱膨脹系數(shù)，該絕緣體具有絕緣體熱膨脹系數(shù)。該絕緣體連接在應(yīng)力敏感微型芯片和封裝件之間。依照說明性的實(shí)施例，與封裝件熱膨脹系數(shù)相比，微型芯片熱膨脹系數(shù)更接近絕緣體熱膨脹系數(shù)。
在一些實(shí)施例中，微型芯片熱膨脹系數(shù)和絕緣體膨脹系數(shù)之間的差別小于微型芯片熱膨脹系數(shù)和封裝件熱膨脹系數(shù)之間的差別。而且，應(yīng)力敏感微型芯片可以是MEMS裝置，其中應(yīng)力敏感微型芯片包括懸置在具有基片熱膨脹系數(shù)的基片上的可移動結(jié)構(gòu)。這種情況下，微型芯片熱膨脹系數(shù)可以是基片熱膨脹系數(shù)的函數(shù)。
作為例證，應(yīng)力敏感微型芯片具有微型芯片表面，同時(shí)絕緣體也具有絕緣體表面。絕緣體表面可以面向并連接微型芯片的表面。作為例證，絕緣體表面可以僅與微型芯片表面的一部分連接。在其它實(shí)施例中，封裝件具有封裝件表面，并且封裝件表面的一部分連接到絕緣體。封裝件的表面積大于絕緣體的表面積。其它材料中，封裝件包括陶瓷材料。封裝微型芯片還包括應(yīng)力吸收材料，該應(yīng)力吸收材料將絕緣體固定到封裝件。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，傳感器具有電路小片，該電路小片包括從具有基片熱膨脹系數(shù)的基片懸置的可移動結(jié)構(gòu)，具有絕緣體熱膨脹系數(shù)的絕緣體，和形成包含電路小片的內(nèi)腔的封裝件。封裝件也具有封裝件熱膨脹系數(shù)。絕緣體連接在基片和封裝件之間。作為例證，與封裝件熱膨脹系數(shù)相比，基片熱膨脹系數(shù)更接近絕緣體熱膨脹系數(shù)。
在一些實(shí)施例中，傳感器還具有固定在封裝件上的蓋。該蓋密封內(nèi)腔。該傳感器還可以包括將絕緣體固定到封裝件上的應(yīng)力吸收材料。而且，封裝件的內(nèi)腔可具有腔表面，同時(shí)基片可具有基片表面。這樣，絕緣體在基片表面的一部分和腔表面的一部分之間形成一個(gè)空間，其中，電路小片可以是陀螺儀，加速計(jì)或其它類型MEMS裝置中的其中之一。
附圖的簡要描述參考附圖，通過下面的進(jìn)一步描述，本發(fā)明的前述優(yōu)點(diǎn)將得到更全面的認(rèn)識，其中

圖1示意性地顯示可以根據(jù)本發(fā)明的用作說明的實(shí)施例制造的封裝微型芯片的局部剖開視圖。
圖2示意性地顯示圖1中示出的封裝微型芯片沿線2-2截取的的剖面圖。
圖3顯示圖1和2中所示的封裝微型芯片的制造方法。
說明性實(shí)施例的描述本發(fā)明的說明性實(shí)施例中，封裝微型芯片(例如微型電子機(jī)械系統(tǒng)，也被稱為“MEMS”)包括將微型芯片固定在封裝件內(nèi)部的絕緣體。選擇絕緣體的材料和尺寸，以使由封裝件產(chǎn)生的微型芯片應(yīng)力(例如線性應(yīng)力和扭曲應(yīng)力)最小。下面詳細(xì)描述這個(gè)和其它實(shí)施例的細(xì)節(jié)。
圖1示意性地顯示用于本發(fā)明的不同實(shí)施例的封裝微型芯片10的部分剖開等距視圖。在說明性實(shí)施例中，封裝微型芯片10是作為陀螺儀的MEMS裝置。而且，為了說明的目的，這里公開了作為MEMS陀螺儀的不同的實(shí)施例。圖1和2表示的MEMS裝置確定為陀螺儀10。然而，應(yīng)該注意到，作為MEMS陀螺儀的不同實(shí)施例僅是作為典型例，而不希望限制本發(fā)明的所有實(shí)施例。因此，一些實(shí)施例可以應(yīng)用到其它類型微型芯片裝置，例如集成電路中。另外，本發(fā)明的實(shí)施例可以應(yīng)用到其它類型的MEMS裝置，例如基于MEMS的光開關(guān)裝置和基于MEMS的加速計(jì)。另外，本發(fā)明的實(shí)施例可以應(yīng)用在微型芯片裝置中，該微型芯片裝置安裝在未密封著的封裝件內(nèi)，例如空腔塑料封裝件等。
圖1所示陀螺儀10包括常規(guī)封裝件12，氣密性地密封封裝件12的蓋14，和固定在密封著的內(nèi)部32的常規(guī)的陀螺儀電路小片16。陀螺儀電路小片16包括公知的機(jī)械結(jié)構(gòu)和測量相對于特定軸的角位置的電子器件(以下相對圖2討論)。從封裝件12延伸的若干引腳22與陀螺儀電路小片16電連接，以允許在陀螺儀電子器件和外部裝置(例如電腦)之間進(jìn)行電通信。
陀螺儀模16不直接連接封裝件12的內(nèi)表面，而是連接絕緣體24，絕緣體自身連接封裝件12的內(nèi)部32。更特別的是，圖2示意性地顯示圖1的封裝微型芯片10沿線2-2的剖面圖。該圖清晰的顯示封裝件12和它的相應(yīng)的蓋14，電路小片16和絕緣體24。
以上提到，電路小片16包括常規(guī)的硅MEMS結(jié)構(gòu)18，以機(jī)械地感知角旋轉(zhuǎn)，還包括附屬電子器件20。該結(jié)構(gòu)18和電子器件20(兩者在圖2中示意地顯示)用作說明地在絕緣硅晶片(silicon-on-insulator)上形成，絕緣硅晶片在一對硅層之間有氧化層。作為一實(shí)例，尤其是，MEMS結(jié)構(gòu)18可包括一個(gè)或多個(gè)通過若干撓曲部分懸置在硅基片26上的振動體(vibrating mass)。該結(jié)構(gòu)18也可以包括梳輪驅(qū)動和感知設(shè)備，以驅(qū)動振動體，并且感知其運(yùn)動。因此，尤其是，電子器件20可以包括驅(qū)動和感知電子器件，它們與梳輪驅(qū)動和感知設(shè)備結(jié)合，和信號傳輸電路。導(dǎo)線23使附屬電子器件20與引腳22電連接。典型的MEMS陀螺儀在待審美國臨時(shí)專利申請60/364,322和60/354,610中詳細(xì)描述，兩者轉(zhuǎn)讓給Analog Devices，Norwood公司，馬薩諸塞州。公開的兩個(gè)提到的臨時(shí)專利公開內(nèi)容整體在這里提出作為參考。
在可選實(shí)施例中，MEMS結(jié)構(gòu)18和附屬電子器件20在不同的電路小片上。例如，具有MEMS結(jié)構(gòu)的電路小片16可以通過第一絕緣體24安裝在封裝件12上，同時(shí)具有附屬電子器件20的電路小片16可以通過第二絕緣體24安裝在封裝件12上?？蛇x擇的，兩個(gè)電路小片可以安裝到相同的絕緣體24上。在某些情況下，其中的一個(gè)電路小片(例如應(yīng)力敏感電路小片16)可以安裝在絕緣體24上，同時(shí)，另一個(gè)電路小片16(例如非應(yīng)力敏感電路小片16)可以直接安裝在封裝件12上。然而，應(yīng)該注意到用作說明的實(shí)施例的原理可應(yīng)用到這樣的實(shí)施例。
作為微型芯片和/或集成電路的電路小片16對線性應(yīng)力和扭曲應(yīng)力敏感。在上下文中，術(shù)語“敏感的”通常意指當(dāng)承受應(yīng)力時(shí)，在電路小片16上結(jié)構(gòu)18和/或電子器件20的操作能被妥協(xié)。例如以上提出的，施加到電路小片16上的應(yīng)力可以導(dǎo)致懸置振動體的撓曲部分彎曲或壓縮。結(jié)果，該振動體可能不按指定的比率和角度振動，這樣帶來轉(zhuǎn)象差問題。作為進(jìn)一步的實(shí)例，梳輪驅(qū)動可能不重合，或電子器件20可以受損，任何這些典型的問題不期望地能破壞通過MEMS電路小片16生成的作為結(jié)果的數(shù)據(jù)。而且，因?yàn)檫@些原因，電路小片16或其它微型芯片可以被稱為“應(yīng)力敏感的”。
為解決與應(yīng)力有關(guān)的問題，絕緣體24由具有一定熱膨脹系數(shù)的材料形成，該熱膨脹系數(shù)與封裝件12的熱膨脹系數(shù)相比更接近匹配電路小片16的熱膨脹系數(shù)。換句話說，絕緣體24的熱膨脹系數(shù)與封裝件12的熱膨脹系數(shù)相比應(yīng)該更接近電路小片基片26的熱膨脹系數(shù)。在用作說明的實(shí)施例中，封裝件12由陶瓷材料形成，例如氧化鋁(AL2O3)，其通常具有每攝氏度約7ppm的熱膨脹系數(shù)。而且，在作為說明的實(shí)施例中，基片26是硅，其通常具有每攝氏度約4ppm的熱膨脹系數(shù)。而且，在作為說明的實(shí)施例中，絕緣體24的熱膨脹系數(shù)接近4而不是7。為此，絕緣體24說明性的由硅形成，它精確的與基片26的材料匹配。這樣，絕緣體24具有約4的熱膨脹系數(shù)。而且，絕緣體24和基片26應(yīng)該基本上以相同的速率響應(yīng)溫度的變化而膨脹和收縮。在可選擇的實(shí)施例中，絕緣體24由不同于硅的材料形成。然而，說明性的，該材料具有的熱膨脹系數(shù)相比封裝件12的熱膨脹系數(shù)更接近基片26的熱膨脹系數(shù)。
盡管這帶來有利的結(jié)果，然而，絕緣體24仍接觸氧化鋁封裝件12，這樣，遭受以上提到的線性應(yīng)力。然而，絕緣體24減弱了這種應(yīng)力，減弱程度應(yīng)該對電路小片性能的影響最小。
在用做說明的實(shí)施例中，除了匹配模16和絕緣體的24的材料，還要確定絕緣體的尺寸，以便將扭曲應(yīng)力的影響減到最小。為此，使絕緣體24和電路小片16的結(jié)合表面的尺寸具有接觸最小。更特別的是，絕緣體24具有頂面28，該頂面28與電路小片16的底面30結(jié)合。絕緣體的頂面28具有的表面積小于電路小片16的底面30的表面積，這樣，在電路小片底面30和封裝件12之間形成空間。因此，電路小片底面30的較大部分不承受由封裝件12產(chǎn)生的正扭曲應(yīng)力。以基于其熱膨脹系數(shù)匹配材料的方法類似的方式，選擇絕緣體24和電路小片16的相對尺寸的該方法在這里稱為“匹配”。
封裝模16的不同零部件的典型的尺寸例如下。注意圖2，X方向表示長，Y方向表示高(厚度)，Z方向(例如，沒有顯示但垂直于X和Y方向)表示寬。
封裝件12高0.12英寸電路小片16長0.170英寸；寬0.140英寸；高0.027英寸；絕緣體24長0.084英寸；寬0.084英寸；高0.026英寸具有這些相對尺寸的封裝微型芯片應(yīng)該滿意地實(shí)現(xiàn)這里描述的目的。當(dāng)然，這些尺寸只是示例。因此，其它實(shí)施例不限于這些特定尺寸。因此，在以上提到的限制內(nèi)，封裝微型芯片10具有不同尺寸的絕緣體24，封裝件12和電路小片16，該封裝微型芯片10應(yīng)該提供對應(yīng)的應(yīng)力減弱。在一些實(shí)施例中，材料是不匹配的，然而相關(guān)的絕緣體24/模16的尺寸如上所述匹配。在其它實(shí)施例中，材料是匹配的，然而相關(guān)的絕緣體24/模16的尺寸如上所述不匹配。
在作為說明的實(shí)施例中，絕緣體24是硅晶片，該硅晶片借助粘合劑34與電路小片底面30和封裝件內(nèi)表面結(jié)合。該粘合劑34優(yōu)選的具有吸收應(yīng)力性能，這進(jìn)一步減弱提到的應(yīng)力。在典型的實(shí)施例中，粘合劑34是鍍銀玻璃粘附材料，例如編號為QMI3555，由加利福尼亞，圣地亞哥的Dexter Electronic Materials分配的Dexter產(chǎn)品，DexterElectronic Materials是德國的Loctite公司的分公司。
其它類型的材料可以用來使絕緣體24與Dexter產(chǎn)品16以及封裝件12結(jié)合。這樣的材料包括其它鍍銀玻璃材料，環(huán)氧樹脂類，氰酸鹽酯，和硅樹脂。在不同的實(shí)施例中，盡管希望，但沒有必要這些粘接劑具有應(yīng)力吸收性能。另外，其它常規(guī)的裝置可以用于使絕緣體24與電路小片16和封裝件12連接。因此，粘附劑34的討論是典型的，并且不希望限制本發(fā)明的不同實(shí)施例的范圍。
在可選實(shí)施例中，絕緣體24與電路小片16成整體，因而相同的材料。在其它實(shí)施例中，絕緣體24與封裝件12成整體(即絕緣體24結(jié)合在封裝件內(nèi))。在這樣的實(shí)施例中，絕緣體24和封裝件12可由具有更接近模16的熱膨脹系數(shù)的材料制造。例如，封裝件12可以由氮化鋁(AlN)制造。
圖3顯示如圖1和2所示的封裝微型芯片10的典型封裝方法。該方法從步驟300開始，其中粘附劑34使絕緣體24與封裝件12的內(nèi)表面結(jié)合。如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所知，內(nèi)表面通常被稱為“電路小片附著墊”。該方法繼續(xù)到步驟302，其中基片26的底面30與絕緣體24的頂面28結(jié)合。接著，電路小片16與封裝件12電互連(步驟304)。接著，在步驟306，蓋14固定到封裝件12的頂部，從而來密封內(nèi)部32。如果需要，在蓋14緊固在封裝件12上之前，可以將氣體注入封裝件內(nèi)部32內(nèi)。
在可選擇的實(shí)施例中，步驟300和302以相反順序?qū)嵤?。換句話說，在這樣的實(shí)施例中，絕緣體24首先與基片26結(jié)合，接著絕緣體24(具有連接的基片26)與封裝件12的內(nèi)部32結(jié)合。
盡管這里公開了本發(fā)明的不同的典型實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員顯然可知，在不超出本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍的前提下，不同的改變和修改同樣可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一些優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種封裝微型芯片，它包括具有微型芯片熱膨脹系數(shù)的應(yīng)力敏感微型芯片；具有封裝件熱膨脹系數(shù)的封裝件；以及具有絕緣體熱膨脹系數(shù)的絕緣體，絕緣體連接在應(yīng)力敏感微型芯片和封裝件之間，與封裝件熱膨脹系數(shù)相比，微型芯片熱膨脹系數(shù)更接近絕緣體熱膨脹系數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的封裝微型芯片，其中，微型芯片熱膨脹系數(shù)和絕緣體膨脹系數(shù)之間的差別小于微型芯片熱膨脹系數(shù)和封裝件熱膨脹系數(shù)之間的差別。
3.如權(quán)利要求1所述的封裝微型芯片，其中，所述應(yīng)力敏感微型芯片是MEMS裝置。
4.如權(quán)利要求3所述的封裝微型芯片，其中，所述應(yīng)力敏感微型芯片包括懸置在基片上的可移動結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求4所述的封裝微型芯片，其中，所述基片具有基片熱膨脹系數(shù)，所述微型芯片熱膨脹系數(shù)是基片熱膨脹系數(shù)的函數(shù)。
6.如權(quán)利要求1所述的封裝微型芯片，其中，所述應(yīng)力敏感微型芯片具有微型芯片表面，所述絕緣體也具有絕緣體表面，并且所述絕緣體表面面向微型芯片表面且與微型芯片表面連接，所述絕緣體表面僅與微型芯片的表面的一部分連接。
7.如權(quán)利要求6所述的封裝微型芯片，其中，所述封裝件具有封裝件表面，封裝件表面的一部分連接到絕緣體，封裝件表面積大于絕緣體表面積。
8.如權(quán)利要求1所述的封裝微型芯片，其中，所述封裝件包括陶瓷材料。
9.如權(quán)利要求1所述的封裝微型芯片還包括將所述絕緣體固定到所述封裝件的應(yīng)力吸收材料。
10.一種傳感器，它包括包括從基片懸置的可移動結(jié)構(gòu)的電路小片，該基片具有基片熱膨脹系數(shù)；具有絕緣體熱膨脹系數(shù)的絕緣體；以及形成包含所述電路小片的內(nèi)腔的封裝件，該封裝件具有封裝件熱膨脹系數(shù)，在基片和封裝件之間連接的絕緣體，相比封裝件熱膨脹系數(shù)，基片熱膨脹系數(shù)更接近絕緣體熱膨脹系數(shù)。
11.如權(quán)利要求10所述的傳感器，其進(jìn)一步包括固定到封裝件的蓋，該蓋密封內(nèi)腔。
12.如權(quán)利要求10所述的傳感器，其中，所述電路小片是陀螺儀和加速計(jì)中的一個(gè)。
13.如權(quán)利要求10所述的傳感器還包括將絕緣體固定到封裝件的應(yīng)力吸收材料。
14.如權(quán)利要求10所述的傳感器，其中，所述封裝件的內(nèi)腔具有腔表面，所述基片具有基片表面，所述絕緣體在基片表面的一部分和腔表面的一部分之間形成一個(gè)空間。
15.如權(quán)利要求10所述的傳感器，其中，所述封裝件包括陶瓷材料。
16.一種封裝微型芯片，它包括具有微型芯片熱膨脹系數(shù)的應(yīng)力敏感微型芯片；用于封裝應(yīng)力敏感微型芯片的裝置，該封裝裝置具有封裝件熱膨脹系數(shù)；以及用于將所述應(yīng)力敏感微型芯片固定到封裝裝置的裝置，該固定裝置具有固定裝置熱膨脹系數(shù)，相比封裝件熱膨脹系數(shù)，微型芯片熱膨脹系數(shù)更接近固定裝置熱膨脹系數(shù)。
17.如權(quán)利要求16所述的封裝微型芯片，其中，所述封裝裝置包括陶瓷封裝件。
18.如權(quán)利要求16所述的封裝微型芯片還包括將固定裝置固定到封裝裝置的應(yīng)力吸收材料。
19.如權(quán)利要求16所述的封裝微型芯片，其中，所述固定裝置在應(yīng)力敏感微型芯片的一部分和封裝裝置的一部分之間形成一個(gè)空間。
20.如權(quán)利要求16所述的封裝微型芯片，其中，所述應(yīng)力敏感微型芯片包括懸置在基片上的可移動結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種封裝的微型芯片(10)具有應(yīng)力敏感微型芯片(16)，封裝件(12)，和絕緣體(24)，該應(yīng)力敏感微型芯片具有微型芯片熱膨脹系數(shù)，該封裝件具有封裝件熱膨脹系數(shù)，該絕緣體具有絕緣體熱膨脹系數(shù)。該絕緣體(24)連接在應(yīng)力敏感微型芯片(16)和封裝件(12)之間。與封裝件熱膨脹系數(shù)相比，微型芯片熱膨脹系數(shù)更接近絕緣體熱膨脹系數(shù)。
文檔編號H01L23/08GK1678513SQ03821075
公開日2005年10月5日 申請日期2003年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月4日
發(fā)明者基蘭·P·哈尼, 劉易斯·隆 申請人:模擬設(shè)備公司