包含MEMS管芯的半导体设备的制作方法

背景技术：

包含微机电系统(mems)的半导体设备可以包括空腔，其用于保护mems的振动表面或膜(membrane)。对于移动设备和其它设备，期望包含mems的用于半导体设备的更小封装。

由于这些和其它原因，需要本发明。

技术实现要素：

一个半导体设备的示例包含微机电系统(mems)管芯，盖和集成电路管芯。盖位于mems管芯上方并且限定了盖和mems管芯之间的空腔。集成电路管芯附接到盖的内侧。集成电路管芯电耦合到mems管芯。

附图说明

图1a示出了包含微机电系统(mems)管芯的半导体设备的一个示例的横截面图。

图1b示出了包含mems管芯的半导体设备的另一示例的横截面图。

图2a-2g示出了用于制造图1a和1b的半导体设备的方法的一个示例。

图3示出了包含mems管芯的半导体设备的另一示例的横截面图。

图4示出了包含mems管芯的半导体设备的另一示例的横截面图。

图5示出了包含mems管芯的半导体设备的另一示例的横截面图。

图6示出了包含mems管芯的半导体设备的另一示例的横截面图。

具体实施方式

在下面的具体实施方式中，参考了形成其一部分的附图，并且其中通过说明的方式示出了可以实施本公开的具体示例。在这方面，参考所描述的(多个)图的取向使用诸如“顶”，“底”，“前”，“后”，“在前”，“在后”等的方向术语。因为示例的组件可以定位在多个不同的取向中，所以方向术语用于说明的目的，并且决不是限制性的。应当理解，在不脱离本公开范围的情况下，可以利用其它示例并且可以进行结构或逻辑的改变。因此，下面的具体实施方式不按照限制性意义来理解，并且本公开的范围由所附权利要求限定。

应当理解，除非另有特别说明，本文所述的各种示例的特征可以彼此组合。

如本文所使用的，术语“电耦合”并不打算意味着元件必须直接耦合在一起，而是可以在“电耦合”元件之间提供介于中间的元件。

包含微机电系统(mems)管芯的半导体设备可以包含专用集成电路(asic)管芯，其中mems管芯和asic管芯并排附接到印刷电路板(pcb)。mems管芯可以经由引线键合(wirebond)电耦合到asic管芯。金属盖可以附接在mems管芯和asic管芯上方。当mems管芯包括麦克风时，金属盖可以包括用于接收声音的开口。为了在封装中实现更高的集成，并且因此实现更紧凑的封装，本文所述的半导体设备的示例包括将集成电路管芯(例如，asic管芯)布置在覆盖mems管芯的盖中或其上。以这种方式，封装的横向尺寸大大降低。

图1a示出了半导体设备100a的一个示例的横截面图。半导体设备100a包含mems管芯102、通孔元件104、再分配层106、封装材料110、金属化层112、盖114、集成电路管芯116、接触元件118和无源部件120。mems管芯102包括背离盖114的膜103。在一个示例中，mems管芯102包括麦克风，并且膜103用于感测声音信号。集成电路管芯116可以是用于处理由mems管芯102感测的信号的asic管芯。

封装材料110横向地围绕mems管芯102和通孔元件104。封装材料110可以包括模制化合物、聚合物或另一合适的介电材料。再分配层106形成在封装材料110、mems管芯102和通孔元件104的底表面上。再分配层106将mems管芯102电耦合到通孔元件104。再分配层106包括介电材料108和导电材料109，以便提供信号迹线和接触元件以用于将半导体设备100a电耦合到诸如pcb的电路板。

通孔元件104延伸穿过封装材料110以将再分配层106电耦合到金属化层112。在一个示例中，通孔元件104可以是(例如，经由条杆(bar)或嵌入的z线(ezl))预制的，并且与mems管芯102一起封装在封装材料110中。在另一个示例中，可以在封装mems管芯102之后形成通孔元件104(诸如通过穿过密封材料110钻通孔并用导电材料填充通孔)。在又一示例中，通孔元件104可以包括用于将再分配层106电耦合到金属化层112的另一合适的导电元件。

盖114在mems管芯102和封装材料110上方限定空腔115。空腔115可以为mems管芯102提供后部体积。盖114可以包括非导电材料，诸如模制化合物、聚合物或另一合适的介电材料。在一个示例中，盖114包括与封装材料110相同的材料。在其它示例中，盖114包括与封装材料110不同的材料。盖114可以在mems管芯102上方附着之后通过研磨或另一合适工艺减薄，以减少半导体设备100a的垂直尺寸。

金属化层112附接到盖114的内表面和底表面。附接到盖114的底表面的金属化层112的部分使用焊料或另一合适的导电材料电耦合到通孔元件104。金属化层112可以使用沉积工艺(例如，物理气相沉积)、镀敷工艺(例如，无电镀敷)、印刷工艺或另一合适工艺施加到盖114的内表面和底表面上。金属化层112可以在施加到盖114的内表面和底表面之后使用光刻和蚀刻工艺或另一合适工艺被构造。

集成电路管芯116(例如，asic管芯)附接到盖114的内侧。集成电路管芯116可以包括倒装芯片封装、嵌入晶片级球栅阵列(ewlb)封装或另一适合的封装。集成电路管芯116经由接触元件118(例如，焊球)电耦合到金属化层112。诸如表面安装设备(smd)部件、陆测(landside)电容器(lsc)和/或集成无源设备(ipd)的无源部件120经由焊料或另一合适的导电材料电耦合到金属化层112。金属化层112将集成电路管芯116和无源部件120彼此电耦合，并且电耦合到通孔元件104，使得集成电路管芯116电耦合到mems管芯102。金属化层112还可以为mems管芯102和/或集成电路管芯116提供电磁屏蔽。

半导体设备100a提供了优于先前设备的许多优点。由于集成电路管芯116和无源部件120在盖114上的集成，半导体设备100a包括减小的横向尺寸。半导体设备100a还包括减小的垂直尺寸，因为盖114在附接在mems管芯102上方之后可以减薄。

图1b示出了半导体设备100b的另一示例的横截面图。半导体设备100b类似于先前参考图1a描述和示出的半导体设备100a，不同之处在于：半导体设备100b包括面向盖114的再分配层106。在该示例中，金属化层112通过再分配层106电耦合到通孔元件104。通孔元件104可以将半导体设备100b电耦合到诸如pcb的电路板。在该示例中，mem管芯102的膜103面向盖114，这与其中膜103背离盖114的半导体设备100a相比，可以为膜103提供更好的机械保护。

图2a-2g分别示出了用于制造图1a和1b的半导体设备100a和100b的方法的一个示例。图2a示出了在制造工艺的第一阶段之后的半导体设备的一个示例的横截面图。提供具有载体带134的载体132，所述载体带134被施加到载体的上表面。具有帽130的mems管芯102被放置在载体带134上。mems管芯102包括过量半导体材料101，以在制造工艺的开始阶段保护膜103。帽130在制造工艺的开始阶段期间保护mems管芯102以及帽130与过量半导体材料101之间的空腔131。通孔元件104放置在与mems管芯102相邻的载体带134上。

图2b示出了在制造工艺的第二阶段之后半导体设备的一个示例的横截面图。mems管芯102、帽130和通孔元件104用封装材料110(例如，模制材料、聚合物)封装。可以使用注塑成型工艺、分配工艺、印刷工艺或另一合适工艺来封装mems管芯102、帽130和通孔元件104。在封装之后，载体132和载体带134从mems管芯102、通孔元件104和封装材料110的底表面移除。

图2c示出了在制造工艺的第三阶段之后半导体设备的一个示例的横截面图。使用研磨工艺或另一合适工艺来移除封装材料110的顶侧的一部分和帽130的顶侧的一部分，以暴露通孔元件104的顶表面。

图2d示出了在制造工艺的第四阶段之后半导体设备的一个示例的横截面图。再分配层106形成在mems管芯102、通孔元件104和封装材料110的底表面上。可以使用沉积、光刻和蚀刻工艺来制造再分配层106。再分配层106包括介电材料108和导电材料109，以便提供信号迹线和接触，以将mems管芯102电耦合到通孔元件104，并用于将半导体设备电耦合到电路板。导电材料109的暴露部分可镀敷有惰性金属(例如，金)。

图2e示出了在制造工艺的第五阶段之后半导体设备的一个示例的横截面图。使用研磨工艺或另一合适工艺移除封装材料110的顶侧的一部分、每个通孔元件104的顶侧的一部分和帽130的剩余部分，以暴露在膜103上方包括过量半导体材料101的mems管芯102。

图2f示出了在制造工艺的第六阶段之后半导体设备的一个示例的横截面图。使用蚀刻工艺移除过量半导体材料101以暴露膜103的上表面。

图2g示出了用于半导体设备的盖组件的一个示例的横截面图。盖组件包括金属化层112、盖114、集成电路管芯116、接触元件118和无源部件120。盖114可以包括非导电材料(例如，模制材料、聚合物)并且限定了空腔115。盖114可以使用注塑成型工艺、铣削工艺、3d印刷工艺或另一合适工艺来制造。金属化层112包括用于将集成电路管芯116、无源部件120和mems管芯102(图2f)电互连的信号迹线。使用沉积、光刻和蚀刻工艺、印刷工艺、镀敷工艺(例如，化学镀敷)或其它合适工艺在盖114的内表面和底表面上形成金属化层112。

集成电路管芯116然后经由接触元件118电耦合到金属化层112。集成电路管芯116包括倒装芯片封装、ewlb封装或另一合适的封装。无源部件120可以经由焊料或另一合适的导电材料电耦合到金属化层112。无源组件120可以包括smd组件、lsc和/或ips。在该示例中，无源部件120电耦合到金属化层112的背离盖114的表面。然而，在其它示例中，无源部件120可以嵌入盖114内并且电耦合到面向盖114的金属化层112的表面。

在一个示例中，然后将盖组件附接在图2f的mems管芯102上方，其中再分配层106背离盖组件。金属化层112经由焊料或另一合适的导电材料电耦合到通孔元件104，以提供先前参考图1a所述和示出的半导体设备100a。在另一示例中，盖组件附接在图2f的mems管芯102上方，其中再分配层106面向盖组件。金属化层112经由焊料或另一合适的导电材料电耦合到再分配层106，以提供先前参考图1b描述和示出的半导体设备100b。在任一示例中，在将盖组件附接在mems管芯102上方之后，通过研磨或另一合适工艺可以减薄盖114以减小半导体设备的垂直尺寸。

图3示出了半导体设备140的另一示例的横截面图。半导体设备140类似于先前参考图1b描述和示出的半导体设备100b，不同之处在于：半导体设备140包括导电层142。导电层142电耦合到通孔元件104，并且可以包括将半导体设备140电耦合到电路板的信号迹线和/或接触。导电层142可以包括惰性金属或另一合适的导电材料。导电层142可以使用沉积工艺(例如，物理气相沉积)、镀敷工艺(例如，无电镀敷)、印刷工艺或另一合适工艺来形成。

图4示出了半导体设备150的另一示例的横截面图。半导体设备150包含mems管芯102、通孔元件104、再分配层106、封装材料110、金属化层152、盖154、接触元件156和集成电路管芯158。在该示例中，盖154是平面的，并且集成电路管芯158嵌入在盖154的下侧之内。金属化层152附接到盖154和集成电路管芯158的下侧，并将集成电路管芯158电耦合到接触元件156。接触元件156经由焊料或另一合适的导电材料电耦合到金属化层152。在一个示例中，金属化层152、盖154和集成电路管芯158是为半导体设备150提供盖组件的ewlb封装的一部分。

接触元件156将金属化层152电耦合到通孔元件104，并且限定mems管芯102上方的空腔155的高度。接触元件156可以类似于通孔元件104，或不同于通孔元件104。接触元件156可以是(例如，经由条杆或ezl)预制的或其它合适的接触元件。每个接触元件156堆叠在通孔元件104上，并且使用焊料或另一合适的导电材料电耦合到通孔元件104。在其它示例中，多于一个的接触元件156可以堆叠在每个通孔元件104上，以限定mems管芯102上方的空腔155的高度和/或半导体设备150的高度。

图5示出了半导体设备160的另一示例的横截面图。半导体设备160包含mems管芯102、通孔元件104、再分配层106、封装材料110、金属化层152、盖154、集成电路管芯158、接触元件161和通孔元件168。接触元件161可以是环形的，并且包括第一金属化层162、第二金属化层164和间隔物(spacer)166。

通孔元件168延伸穿过通孔元件104与半导体设备160的侧壁之间的封装材料110。在一个示例中，通孔元件168可以是(例如，经由条杆或ezl)预制的，并且与mems管芯102和通孔元件104一起封装在封装材料110中。在另一个示例中，可以在封装mems管芯102之后形成通孔元件168(诸如通过穿过封装材料110钻通孔并用导电材料填充通孔)。在又一示例中，通孔元件168可以包括其它合适的导电元件。

间隔物166可包括在其上形成金属化层162和164的封装材料(例如，模制材料、聚合物)或另一合适的介电材料。间隔物166限定mems管芯102上方的空腔155的高度和/或半导体设备160的高度。间隔物166可以使用注塑成型工艺、铣削工艺、3d印刷工艺或另一合适工艺来制造。在图5所示的示例中，间隔物166具有梯形形状的横截面。然而，在其它示例中，间隔物166可以具有另一合适的横截面形状，例如矩形形状。

接触元件161的第一金属化层162延伸跨越间隔物166的上表面的一部分、间隔物166的内侧表面和间隔物166的下表面的一部分。接触元件161的第二金属化层164延伸跨越隔离物166的上表面的一部分、间隔物166的外侧表面和间隔物166的下表面的一部分。第一金属化层162经由焊料或另一合适的导电材料电耦合到金属化层152和通孔元件104。第二金属化层164经由焊料或另一合适的导电材料电耦合到通孔元件168。第二金属化层164和通孔元件168密闭地密封半导体设备160。在一个示例中，金属化层162和164具有相同的厚度。在其它示例中，金属化层162和164具有不同的厚度。金属化层162和164可以使用沉积工艺(例如，物理气相沉积)、镀敷工艺(例如，无电镀敷)、印刷工艺或另一合适工艺形成。

图6示出了半导体设备170的另一示例的横截面图。半导体设备170包含mems管芯102、通孔元件104、再分配层106、封装材料110、金属化层172、盖174、集成电路管芯178和/或集成电路管芯180。在该示例中，盖174限定盖174和mems管芯102之间的空腔175。在一个示例中，集成电路管芯178嵌入盖174的内侧之内。在另一示例中，代替集成电路管芯178或者除了集成电路管芯178之外，集成电路管芯180经由接触元件182附接到盖174的内侧。

金属化层172附接到盖174的内表面和底表面，并将集成电路管芯178和/或集成电路管芯180电耦合到通孔元件104。如图6所示，半导体设备170可以在mems管芯102的至少一个侧上包括两行通孔元件104。在其它示例中，两行以上的通孔元件104可以在mems管芯102的至少一侧上。通过在mems管芯102的至少一侧上具有两行通孔元件104，可以对半导体设备170进行更大数目的连接，或者可以在通孔元件104之间提供更大的间距。

先前分别参考图1a、1b和3-6描述和示出的每个半导体设备100a、100b、140、150、160和170还可以包括在外顶表面和外侧表面上的涂层，以密闭地密封半导体设备。在一个示例中，涂层可以包括在低温(例如150℃)下从气相施加到适当厚度(例如，1微米或更大)的聚对二甲苯涂层。

虽然本文已经示出和描述了具体示例，但是在不脱离本公开范围的情况下，可以用各种替代的和/或等同的实施方式代替所示和所描述的具体示例。本申请旨在涵盖本文讨论的具体示例的任何修改或变化。因此，本公开旨在仅由权利要求及其等同物来限定。