暴露于環境空氣和液體的封裝器件及其制造方法
【專利摘要】本發明提供一種封裝器件，其中芯片(6)的至少一個敏感部分(7)被包圍在由封裝(3、2；33；62、63、70、73)形成的室(4；64；74)中。該封裝具有可滲透空氣區域(17)和排液結構(16；30；56)以便實現在外部環境和室之間的空氣通道并且阻擋液體通道，該可滲透空氣區域(17)具有多個孔(15)。
【專利說明】暴露于環境空氣和液體的封裝器件及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及暴露于環境空氣和液體的封裝器件及其制造方法。具體而言，本發明在微機電器件(MEMS)中得到有利的應用，諸如在由具有敏感區域的半導體材料芯片中制造的傳感器。例如，本發明可以用于壓力傳感器、氣體傳感器、麥克風等中，它們被設計為暴露于環境空氣以用于操作，但是需要對于水和其它液體(例如在環境空氣中的液滴中包含的水以及可能錯誤地將器件浸入其中的大量液體)的屏障。
【背景技術】
[0002]眾所周知，在特定應用中，在存在水分時，可能損壞或者在任何情況下可能限制MEMS器件的功能性。事實上，水的液滴可以被器件的材料吸收，器件因而可能膨脹從而生成機械和/或電應力，可能修改它們的電特性(例如靈敏度)而隨之錯誤的讀取，可能經受阻止它們的操作的短路，或者甚至可能例如由于零件的腐蝕而經歷損害。在所有這些情況下，器件變得不可靠或者甚至不可使用。
[0003]出于這一目的，也出于機械保護的原因，在特定應用中MEMS器件具有保護帽，保護帽包圍固定至共同基座的每個器件和/或器件組并且保護它們免于外部環境。
[0004]在一些已知的解決方案中，保護帽由完全不可滲透材料制成并且被結合或者焊接至基座，MEMS被固定至基座或者其被印刷在基座上。事實上，在特定應用中，傳感器(例如大氣壓力傳感器)必須被暴露于外部環境，使得它不可能使用對于空氣不可滲透的帽。
[0005]當MEMS器件已經與外部環境直接接觸時，可能在帽中提供孔；然而，這形成了用于擴散液體(諸如水、冷凝蒸汽、油、在電子卡上焊接MEMS期間使用的熔劑或者隨后可能與MEMS發生接觸的其它液體)的過孔。
[0006]另一方面，MEMS器件必須滿足關于對水和其它液體的抗性的日益迫切的要求。例如，在具有氣壓表功能的先進類型的手機中，即使在手機落入水中兩米深度達半個小時、在下雨的情況下或者在有波浪引起的濺濕的情況下需要確保功能性。對于具有利用Z軸的測量的GSM的設備而言也需要滿足類似要求。在清洗機中，已經提出使用水位傳感器，水位傳感器因此應當能夠承受熱蒸汽。具有深度測量功能并且因此在水下操作的時鐘應當能夠正確操作。

【發明內容】

[0007]本發明的目的是提供一種封裝系統，從而克服現有技術的問題，并且具體而言，確保對于液體的不可滲透性但是對于空氣的可滲透性，從而保持封裝器件的功能性不被變更。
[0008]根據本發明提供分別如權利要求1和11中所限定的封裝器件及其制造方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]為了更好地理解本發明，現在參考附圖僅借由非限制性示例描述其優選實施例，其中:
[0010]圖1是本封裝器件的實施例的截面；
[0011]圖2a示出圖1的放大細節；
[0012]圖2b示出圖2a的放大細節的變體；
[0013]圖3是本封裝器件的另一實施例的截面；
[0014]圖4示出本封裝的不同實施例的細節的透視圖和放大圖；
[0015]圖5是圖4的細節的俯視平面圖；
[0016]圖6示出圖4的封裝的防水特性；
[0017]圖7是本封裝器件的不同實施例的截面；以及
[0018]圖8至圖10示出本器件的其它實施例。
【具體實施方式】
[0019]在圖1中，封裝器件I包括基座2和帽3。帽3在此為半殼形，通常為平行六面體，包括頂壁3a和側壁3b，并且固定(典型地膠合)至基座2，以便形成封裝。保護帽3和基座2形成包圍室4的封裝。在圖1的實施例中，集成電路5在室4內固定在基座2上，例如膠合。備選地，集成電路5和芯片6可以相互鄰近地固定至基座2。頂壁3a具有外表面9。
[0020]例如，基座2可以由單層或者多層環氧樹脂的有機襯底(諸如BT(雙馬來酰亞胺三嗪樹脂)或者FR-4或者用于印刷電路板的任何其它類似材料的層疊)或者由陶瓷襯底形成，并且具有平行六面體板形。
[0021]帽3例如可以是硅、金屬、陶瓷、聚四氟乙烯或者其它塑料材料(尤其是聚合物)，該塑料材料例如類似于用于制造FR-4或者BT襯底的核心所使用的材料。
[0022]芯片6形成MEMS (微機電系統)，例如壓力傳感器。在這一情況下，芯片6可以具有由掩埋腔8界定的隔膜7。集成電路5可以形成芯片4的信號處理電路，例如形成為用于放大和處理由芯片6供應的信號的ASIC(專用集成電路)的讀取電路。傳導接線10將芯片6連接至集成電路5并且傳導接線11將集成電路5連接至傳導區域(典型地為在表面上和/或在襯底2中集成的未示出的接觸焊盤和連接線)，該傳導接線用于以已知的方式交換電信號和功率供應。
[0023]帽3包括優選地布置在芯片6之上并且承載防液的、疏水的、疏油的或者疏脂的結構的可滲透區域17。多個孔15形成于可滲透區域17中。
[0024]在圖1的實施例中，防液結構由粗糙納米結構16形成，該納米結構16由帽3的頂壁3a的外表面9限定，如在圖2a和圖2b的放大細節中所示的那樣。
[0025]在圖2a中，外表面9具有微起伏20，微起伏20具有幾何特征以便在外表面9上給予所需的粗糙度。在此，微起伏20由具有圓形、方形或者多面體的基座的柱體形成，該柱體為截頭圓錐形(frustoconical)、平行六面體形、截頭角錐形(frustopyramidal)等等。例如，微起伏或者柱體20可以具有基部側或者包括在0.5 μ m和20 μ m之間的直徑、包括在Ιμπι和50 μ m之間的高度并且被布置為相互間隔包括在2μηι和150 μ m之間的距離(節距)。微起伏20可以不同分布，例如具有更大的寬度，使得單個微起伏20被布置在成對的鄰近的孔15之間(類似于圖4和圖9中所示，如下文更詳細描述的那樣)。孔15可以具有任何形狀，例如圓形、四邊形、多邊形，無論規則或者不規則，并且在形成粗糙納米結構之前或者之后以已知方式通過掩膜化學蝕刻來制作。備選地，孔15可以通過激光鉆孔來形成。
[0026]例如，在孔15的區域中帽3的頂表面3a具有包括在20 μ m和100 μ m之間的厚度，這些孔可以具有包括在0.1 μ m和100 μ m之間的寬度并且被布置為相互間隔包括在0.3 μ m和300μπι之間的距離，而寬度與節距的比率例如至少為1: 3。然而，在單個微起伏20在兩個鄰近的孔15之間的情況下(圖4和圖9)，寬度與距離比也可以等于或者大于I。
[0027]在圖2b中，粗糙納米結構16是不規則的并且微起伏20’在形狀、布置、基部區域、高度和其它幾何特征方面典型地不同。孔15可以具有上面指出的尺寸。
[0028]例如，在任一情況下，粗糙納米結構16可以具有包括在0.5 μ m和3 μ m之間的值Ra(被定義為表面相對于平均線(mean line)的實際斷面的絕對值中的偏差的算術平均值)、包括在2 μ m和20 μ m之間的Rmax (被限定為最大偏差，即表面9的最高峰和最低點之間的距離)。
[0029]圖2a的粗糙納米結構16可以經由納米級光刻形成于硅上。
[0030]相反，圖2b的不規則的粗糙納米結構16可以由化學蝕刻形成。如果帽3是金屬的，那么可以利用氫氟酸執行化學蝕刻。
[0031]備選地，如果帽3由硅制成，則圖2b的粗糙納米結構16也可以通過對帽3的激光照射來形成，或者如果帽3由塑料材料制成則可以通過對帽3的熱模壓或者激光照射來形成。
[0032]通過改變激光照射的等級，可能修改粗糙度并且因而修改硅帽3的頂表面3a的可濕性；以便增加接觸角的值超過90°。
[0033]在形成粗糙納米結構16之后，保護帽3被固定至基座2，其中集成電路5和芯片6已經被固定，使得室4包圍它們。
[0034]已經在許多研究中報道了粗糙硅表面的疏水性；例如參見"Making siliconhydrophobic:wettability control by two-length scale simultaneous patterningwith femtosecond laser irradiation" , V.Zorba et al.,2Nanotechnologyl7(2006) 3234-3238，用于下載的 IP 地址為:77.242.201.53。
[0035]以此方式，孔15實現環境空氣進入室4，但是粗糙納米結構16阻止水或者其它液體的小滴經過孔15滲透到室4中，如圖2a和圖2b的細節中所示出的那樣。因此，芯片6能夠正常工作，例如測量大氣壓力，而不被外部濕氣、水或者封裝器件I將落入其中的其它液體損壞。
[0036]在圖3中，排液結構由疏水/疏脂的排液層30形成，排液層30在帽33之上延伸，至少在孔15的區域上面。在所示出的示例中，排液層30涂覆整個帽33的外表面。
[0037]排液層30可以是從以下材料之中選擇的材料的層:聚四氟乙烯、碳化硅、諸如 SU-8 (例如參見:"The use of high aspect ratio photoresist (SU-8) forsuper-hydrophobic pattern prototyping" , Neil J.Shirtcliffe et al., JOURNAL OFMICROMECHANICS AND MICROENGINEERING, J.Micromech.Microeng.14(2004) 1384-1389，用于下載的IP地址為:77.242.201.53)的抗蝕劑、聚合物(例如參見:"UltrahydrophobicPolymer Surfaces Prepared by Simultaneous Ablation of Polypropylene andSputtering of Poly(tetrafluoroethylene)Using Radio Frequency Plasma" ， JeffreyP.Youngblood et al.， Macromoleculesl999，32，6800-6806，1999American ChemicalSociety)、有機金屬、或者過渡金屬復合物(諸如由Aculon生產的材料)。
[0038]排液層30可以通過將保護帽33浸潰在適當的溶液中或者通過經由旋涂進行機械沉積或者通過熱化學沉積來形成。
[0039]備選地，排液層30的材料可以是由本 申請人:在相同日期提交的專利申請"Process for manufacturing a microdevice having regions with differentwettability and corresponding microdevice"中所描述的材料，該材料通過將帽3布置在用于反應離子蝕刻工藝的裝置中的C4F8前驅氣體的等離子體中來獲得，以便獲得具有大于100°的靜態接觸角的C4F8聚合物，而光譜吸收峰值在包括在1200CHT1和1300CHT1之間的波數(尤其是1250CHT1)處。
[0040]在用排液層30涂覆帽33之后，使用上述技術(化學蝕刻和/或激光鉆孔)來形成孔15。
[0041]圖4和圖5示出一個實施例的細節，其中粗糙納米結構16由形成在外表面9上、從頂壁3a伸出并且與帽3整體的硅的多個柱體50形成。與兩個鄰近的孔15之間的距離相比，柱體50在此具有減少的寬度并且或多或少具有方形。
[0042]此外，在所示的示例中，柱體50由屬于疏水/疏脂層54的帽53覆蓋，該疏水/疏脂層例如金屬或者非金屬層，諸如聚四氟乙烯。疏水/疏脂層54具有在孔15上方的開口55 (具體參見圖5)，以便實現經過開口 55和孔15的氣體通道，直至下面的室4 (在圖4和圖5中不可見)。
[0043]在此，孔15可以被布置為相互間隔300nm和20 μ m之間的距離(例如400nm)、具有包括在50nm和10 μ m之間的最大寬度(例如60nm)，并且柱體50可以具有包括在150nm和15 μ m之間的寬度(例如200nm)。疏水/疏脂層54可以具有包括在IOOnm和I μ m之間的寬度(例如300nm)。
[0044]在圖6中，帽3的外表面9上的粗糙納米結構16由球狀結構形成，該球狀結構類似柱體50。可以注意到，粗糙納米結構16(柱體50)和疏水/疏脂層54在此也形成防止液體進入到孔15中的排液結構56。在實踐中，由于液體的表面張力，排液結構56不允許液滴57弄濕其整個表面，但是在液滴下面形成了氣穴并且防止液滴進入孔15。
[0045]圖7示出一個實施例，其中帽63由平面壁形成并且經由粘合部分60結合到半殼形的通常為平行六面體的基座62，基座62與保護帽63 —起限定室4。在此，芯片6直接結合到基座62。如在圖1中那樣，帽63具有孔15和粗糙納米結構16，以便由于其疏水或者疏脂結構而使得空氣進入但是使得液體不能進入。
[0046]圖8示出一個實施例，其中帽73被固定至芯片6的頂部并且因此室74并不包圍芯片6而是僅包圍隔膜7 (芯片6的敏感區域；以芯片級水平制造的帽73)。在此，模制區域70側向地包圍帽73、芯片6和集成電路5，側向地與基座2對準并且在頂部處與帽73對準。模制區域70例如是塑料材料的并且可以包括樹脂。
[0047]帽73在此可以具有根據圖1至圖6中所示的那樣進行制造的排液結構。
[0048]在圖9中，帽73直接固定到芯片6，與圖8相似，但是芯片6直接固定到基座2并且具有合適的直通連接80。在此缺少模制區域70并且排液結構56由未被涂覆的柱體50形成，如在放大的細節中所著重強調的。備選地，同樣在這一情況下，柱體50可以利用疏水/疏脂層涂覆，該疏水/疏脂層諸如圖4至圖5的層54或者可以由圖6的具有球狀結構的粗糙納米結構16取代。
[0049]在圖10中，帽73再次直接固定到芯片6，但是芯片6和基座2之間的電連接以已知方式經由接觸焊盤81和接線82發生。在此存在模制區域70。
[0050]明顯地，其它中間組合是可能的并且排液結構56可以參照圖1至圖9以任何上述方式制造。
[0051]最后，清楚的是可以對本文所描述和圖示的封裝器件進行修改和變化，由此并不背離如所附權利要求中限定的本發明的范圍。
[0052]例如，在圖4至圖6的實施例中，柱體可以具有不同形狀的頭部部分，例如半球狀或者不規則狀，以便形成非平面的頂部表面。
【權利要求】
1.一種封裝器件，包括芯片(6)和封裝(3、2 ；33 ;62、63、70、73)，所述封裝界定室(4 ；64 ；74)并且設置有具有多個孔(15)的可滲透空氣區域(17)和排液結構(16 ；30 ；56)以便實現在外部環境和所述室之間的空氣通道并且阻擋液體通道，所述室包圍所述芯片的至少一個敏感部分(7)。
2.根據權利要求1所述的封裝器件，其中所述孔(15)具有包括在0.1ym和100 μ m之間的最大寬度并以包括在0.3μπι和300μπι之間的相互之間的距離(孔距)被布置，寬度與孔距比為至少1: 3。
3.根據權利要求1或2所述的封裝器件，其中所述封裝包括界定所述室(4；64 ；74)并且限定外表面(9)的保護帽(7 ；33 ；63 ；73)。
4.根據權利要求3所述的封裝器件，其中所述排液結構包括至少在所述可滲透空氣區域(17)處由所述保護帽(7 ；63 ；73)的所述外表面(9)形成的粗糙納米結構(16)并且具有多個微起伏(20 ;20，)。
5.根據權利要求4所述的封裝器件，其中在所述可滲透空氣區域(17)處的所述粗糙納米結構具有包括在I μ m和3 μ m之間的粗糙度值以及包括在2 μ m和20 μ m之間的最大偏差。
6.根據權利要求4或5所述的封裝器件，其中所述微起伏(20;50)具有規則結構并且均勻地被布置在所述外表面(9)上，或者具有不規則構造和布置(20’)。
7.根據權利要求3至6中任一項所述的封裝器件，其中所述排液結構包括至少在所述可滲透空氣區域(17)中覆蓋所述保護帽(3 ；33 ；73)的疏水/疏脂層(30 ;53)，并且所述疏水/疏脂層(30 ；53)設置有在所述孔(15)上面的開口(55)。
8.根據權利要求7所述的封裝器件，其中所述疏水/疏脂層(30;53)由從以下材料之中選擇的材料制成:聚四氟乙烯、碳化硅、諸如SU-8之類的抗蝕劑、金屬、聚合物、有機金屬、過渡金屬復合物，所述聚合物諸如具有大于100°的靜態接觸角、光譜吸收峰值在包括在1200CHT1和1300CHT1之間的波數處的C4F8聚合物。
9.根據權利要求3至8中任一項所述的封裝器件，其中所述保護帽(7；63 ；73)由從硅、金屬、諸如聚合物和聚四氟乙烯之類的塑料材料、陶瓷之中選擇的材料制成。
10.根據任一前述權利要求所述的封裝器件，其中所述芯片(6)集成MEMS，尤其是壓力傳感器。
11.一種用于制造封裝器件的方法，包括步驟: 形成界定室(4 ；64 ；74)的封裝(3、2 ；33 ;62、63、70、73)； 以所述室將包圍所述芯片的至少一個敏感部分(7)的方式在所述封裝中重封裝芯片(6)； 在所述封裝中形成可滲透空氣區域(17)，包括形成多個孔(15);并且 在所述可滲透空氣區域上形成排液結構(16 ；30 ；56)。
12.根據權利要求11所述的方法，其中所述形成排液結構的步驟包括例如通過化學蝕刻或者納米級光刻在所述可滲透空氣區域(17)的外表面(9)上提供具有微起伏(20 ;20’ ；50)的粗糙結構(16)。
13.根據權利要求11或12所述的方法，其中所述形成排液結構的步驟包括在所述可滲透空氣區域(17)的所述外表面(9)上面形成疏水/疏脂層(30 ;53)。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述形成封裝的步驟包括提供保護帽(7；33 ；63 ；73)。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述形成疏水/疏脂層(30;53)的步驟包括將保護帽(33)浸潰在溶液中或經由具有疏水/疏脂特性的旋涂材料沉積。
16.根據權利要求11至15中任一項所述的方法， 其中在形成排液結構之前或者之后執行形成多個孔(15)的步驟。
【文檔編號】B81B7/00GK103663346SQ201310361495
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年8月16日 優先權日:2012年8月30日
【發明者】F·G·齊廖利, F·V·豐塔納, L·馬吉 申請人:意法半導體股份有限公司