一种MEMS麦克风封装结构及制造方法与流程

一种mems麦克风封装结构及制造方法
技术领域
1.本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种mems麦克风封装结构及制造方法。


背景技术：

2.近年来，在智能手机、穿戴式产品等设备中，mems麦克风得到了越来越广泛的使用。通过声音识别周围情况或录音功能的电子设备对于mems麦克风的进一步小型化或音响特性的提高提出了更高的要求。
3.现有的mems麦克风结构通常是单硅麦产品，模组尺寸较大，集成度较低，利用一个线路板和一个外壳构成一个腔体而成为mems麦克风的封装，在腔体的内部安装有mems声学芯片和asic芯片，mems声学芯片连接asic芯片，在mems麦克风的封装上设置有贯穿腔体内外且用于接收外界声音信号的声孔，mems芯片的硅振膜因承受声压而产生形变，改变硅振膜和硅背极板之间的电容值，从而将声压信号转化为电压信号。而现有的mems封装结构，通常采用单音腔结构，使得灵敏度和信噪比较低，影响收音效果。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种mems麦克风封装结构及制造方法，以解决现有技术中的问题：为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种mems麦克风封装结构，包括：晶圆基底、支撑层、盖子、线路连接层和多个麦克风单元，其中：所述晶圆基底包括对称设置的第一晶圆基底和第二晶圆基底，所述第一晶圆基底和所述第二晶圆基底设置于所述mems麦克风封装结构的底部；所述支撑层为连续矩阵波结构，包括两个水平段波和一个一端开口的矩形段波，其中：所述一端开口的矩形段波位于两个水平段波的中间，与所述两个水平段波固定连接；所述两个水平段波分别设置于所述第一晶圆基底和所述第二晶圆基底上，所述矩形段波设置于第一晶圆基底和第二晶圆基底间隙的正上方，将第一晶圆基底和第二晶圆基底连接起来；所述线路连接层包括水平线路连接层和竖直线路连接层，其中水平线路连接层设置于所述两个水平段波上，与所述支撑层固定连接；所述竖直线路连接层固定于所述支撑层内，一端连接于所述水平线路连接层的底部；所述多个麦克风单元包括第一麦克风单元、第二麦克风单元和第三麦克风单元，所述第一麦克风单元设置于所述第一晶圆基底的水平线路连接层上，所述第二麦克风单元设置于所述第二晶圆基底的水平线路连接层上，所述第三麦克风单元设置于所述支撑层的矩形段波内，所述第一麦克风单元和第二麦克风单元均包括有相同结构的芯片和电极，所
述电极包括阴极板和阳极板，其中：第一麦克风单元和第二麦克风单元的阴极板和阳极板分别位于所述第一晶圆基底和第二晶圆基底的两个水平线路连接层上；所述第三麦克风单元的阴极板位于所述第一晶圆基底上；所述第三麦克风单元的阳极板位于所述第二晶圆基底上；所述第三麦克风单元的阴极板和阳极板分别与所述第一晶圆基底和所述第二晶圆基底上的竖直线路连接层相连接；所述第一麦克风单元和第二麦克风单元的芯片包括asic芯片、mems芯片，所述第三麦克风单元的芯片只包括asic芯片，其中：所述第一麦克风单元和所述第二麦克风单元的所述asic芯片固定连接于对应水平线路连接层上；所述第一麦克风单元和所述第二麦克风单元的所述mems芯片固定连接于对应阳极板上；所述第一麦克风单元和第二麦克风单元的所述asic芯片的表面积大于所述mems芯片的映射面积；所述第三麦克风单元的asic芯片设置于所述第三麦克风单元的阴极板和阳极板的上方；所述盖子设置于所述晶圆基底上部，所述盖子的边沿与所述晶圆基底顶部可拆卸连接。
5.进一步地，所述第一麦克风单元和所述第二麦克风单元的所述mems芯片和对应asic芯片通过焊线相连接。
6.进一步地，所述第一晶圆基底和第二晶圆基底之间的间隙形成后进音孔，所述间隙两侧的第一晶圆基底和第二晶圆基底的端面呈台阶状分布。
7.进一步地，所述晶圆基底内部设置有若干贯穿晶圆基底上下表面的重分布层线路，所述重分布层线路的一端与所述支撑层中的竖直线路连接层相连接。
8.进一步地，所述电极的阴极板和阳极板之间设置有硅背极板和硅振膜，其中：所述第一麦克风单元和所述第二麦克风单元中硅背极板设置于所述硅振膜的上方；所述第三麦克风单元中的硅背极板设置于所述硅振膜的下方。
9.进一步地，所述第三麦克风单元的阳极板、阴极板、硅振膜和asic芯片围绕形成空腔。
10.进一步地，所述盖子上设置有若干前进音孔。
11.进一步地，所述支撑层由光敏感材料制作而成。
12.进一步地，所述晶圆基底底部设置有若干凸块，所述若干凸块分别对应连接于所述晶圆基底的若干重分布层线路的另一端。
13.一种mems麦克风封装结构的制造方法，包括：s1：在晶圆基底上设置第三麦克风单元；s2：在所述晶圆基底上设置支撑层，并在设置的支撑层上设置水平线路连接层和竖直线路连接层；s3：在水平线路连接层和竖直线路连接层上设置第一麦克风单元和第二麦克风单元；
s4：在所述晶圆基底上设置带有前进音孔的盖子，将所述第一麦克风单元、所述第二麦克风单元和内部结构包裹；s5：在所述晶圆基底内部设置重分布层线路，并在重分布层线路与晶圆基底底部相交的部位设置锡球；并在所述晶圆基底中间设置后进音孔的间隙，完成mems麦克风封装结构的制造。
14.相较于现有技术，本发明的优点在于：1、通过在晶圆基底上设置多个麦克风单元的mems麦克风封装结构，使得部分或全部麦克风单元中的asic芯片与mems芯片进行相互配合，并通过线路连接层将各个麦克风单元相互连接，将麦克风单元的盖子设置于晶圆基底的上部，能够使麦克风的灵敏度提高、同时提高信噪比和集成度；2、通过水平线路连接层和竖直线路连接层的结构，使得位于支撑层上部的芯片与支撑层下部的结构形成互联；3、通过在晶圆基底内部设置若干重分布层线路的结构，使得位于晶圆基底上部的线路通过重分布层线路连接于晶圆基底下部的凸块，能够将芯片的信号传输至麦克风的其他单元，实现电信号连接；4、通过将后进音孔设置为阶梯状结构，增加了麦克风声音传输的效果，同时减少了灰尘对麦克风内部结构的破坏和污染；5、通过直接在重构晶圆上进行键合独立mems芯片，而不需要基板，使得封装成本大幅降低，同时不会有材料间的热膨胀系数不匹配的问题，封装尺寸可以变得更小，同时满足产品的特性，更好的提高信噪比和集成度。
附图说明
15.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明一种mems麦克风封装结构的整体结构示意图；图2为本发明一种mems麦克风封装结构设置第三麦克风上设置支撑层和线路连接层的结构示意图；图3为本发明一种mems麦克风封装结构再线路连接层上设置电极和芯片的结构示意图；图4为本发明一种mems麦克风封装结构设置第三麦克风的结构示意图；图5为本发明一种mems麦克风封装结构设置盖子的结构示意图；图6为本发明一种mems麦克风封装结构在晶圆基底内设置重分布层线路和锡球的结构示意图;图7为本发明一种mems麦克风封装方法的流程图。
16.其中：1-晶圆基底、2-支撑层、3-水平线路连接层、4-竖直线路连接层、5-asic芯片、6-mems芯片、7-阳极板、8-阴极板、9-焊线、10-硅振膜、11-硅背极板、12-焊点、13-盖子、14-前进音孔、15-后进音孔、16-重分布层线路、17-凸块、18-空腔、101-第一晶圆基底、102-第二晶圆基底。
具体实施方式
17.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
18.以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
19.实施例1：本发明的一种mems麦克风的封装结构，如图1所示，包括盖子13、晶圆基底1和三个麦克风单元，其中：进一步地，晶圆基底1是由一个整体的板状结构通过蚀刻的方式得到两个对称的结构；两个对称的结构分别为第一晶圆基底101和第二晶圆基底102；第一晶圆基底101和第二晶圆基底102水平对称分布。具体地，晶圆基底1的第一晶圆基底101和第二晶圆基底102设置于mems麦克风封装结构的底部。其中晶圆基底1的上表面上设置有支撑层2，支撑层2为连续矩阵波结构，包括一个一端开口的矩形段波和连接于矩形段波两边的两个水平段波；其中，两个水平段波分别固定设置于第一晶圆基底101和第二晶圆基底102的上表面上，与第一晶圆基底101和第二晶圆基底102固定连接，矩形段波位于晶圆基底1的中间位置，同时位于两个水平段波的中间，矩形段波的两个开口通过两个水平段波将两个晶圆基底1连接起来。
20.进一步地，支撑层2为矩形波状结构，包括两段水平波段的支撑层2和一段一端有缺口的矩形波段的支撑层2，其中一端有缺口的矩形波的支撑层2位于两段水平段波之间，两段水平波段的支撑层2分别连接于矩形波段的支撑层2缺口上，呈直角分布。
21.进一步地，支撑层2的两个水平段波上分别设置有线路连接层。其中，线路连接层包括水平线路连接层3和竖直线路连接层4，水平线路连接层3固定设置于支撑层2矩形波的两个水平段上，竖直线路连接层4固定设置于支撑层2矩形波的两个水平段内，竖直线路连接层4的一端连接于水平线路连接层3的底部，与水平线路连接层3的底部相固定连接。
22.进一步地，线路连接层通过光刻加蚀刻工艺制作而成，形成内外电路连接区域，继而利用金属溅镀（sputter）、金属填充等工艺在蚀刻出的电路区域中形成金属线路连接层。
23.进一步具体地，晶圆基底1内部还设有若干贯穿第一晶圆基底101和第二晶圆基底102上下表面的重分布层线路16，重分布层线路16的一端与支撑层2中的竖直线路连接层4相连接；第一晶圆基底101和第二晶圆基底102的底部设置有若干凸块17，若干凸块17分别对应连接于晶圆基底1的若干重分布层线路16的另一端。
24.更为具体地，两个晶圆基底1包括第一晶圆基底101和第二晶圆基底102，三个麦克风单元包括第一麦克风单元、第二麦克风单元和第三麦克风单元，其中：第一麦克风单元设置于第一晶圆基底101的上表面，第二麦克风单元设置于第二晶圆基底102的上表面，第一晶圆基底101和第二晶圆基底102通过第三麦克风单元的两个电极和支撑层2连接起来。具体地，第三麦克风单元的一个电极设置于第一晶圆基底101的右侧，第三麦克风单元的另一个电极设置于第二晶圆基底102的左侧，也即第三麦克风单元的两个电极分别设置于第一晶圆基底101和第二晶圆基底102水平对称的中间位置处，位于第一晶圆基底101的右边端
部和第二晶圆基底102的左边端部。
25.进一步具体地，支撑层2由光敏感材料制作而成。光敏感材料通过真空覆膜工艺形成阶梯形状。
26.优选地，光敏感材料为：聚酰亚胺（polyimide,pi）或苯并环丁烯（benzocyclobutene, bcb）。
27.进一步具体地，每个麦克风单元均包括mems芯片6和asic芯片5，晶圆基底1位于麦克风封装结构的底部，包括两部分相同的结构，每部分结构上均设置有一个mems芯片6和一个asic芯片5，asic芯片5通过金属线路层中的水平线路层固定连接于晶圆基底1的两部分结构的上表面。
28.进一步具体地，如图1所示，第一晶圆基底101和第二晶圆基底102之间的后进音孔15呈v字形结构，v字形结构以阶梯状分布，也即第一晶圆基底101的右侧和第二晶圆基底102的左侧之间的蚀刻区域呈v字形结构，阶梯状分布。具体地，第一晶圆基底101的右侧以阶梯状的结构自上而下分布，第二晶圆基底101的左侧对称第一晶圆基底101的阶梯型结构对称分布。进一步具体地，阶梯形结构的台阶数量包括但不限于三个，且第一晶圆基底101的左侧端面和第二晶圆基底102的右侧端面为平面形结构。
29.进一步具体地，每个麦克风单元包括芯片和电极，其中电极包括阴极板8和阳极板7，电极设置于水平线路层上表面和矩形波的矩形空腔18内；芯片包括asic芯片5和mems芯片6，其中：asic芯片5设置于水平线路连接层3上，与水平线路连接层3固定连接；mems芯片6设置于电极的阳极板7上，与阳极板7固定连接。其中：第一麦克风单元和第二麦克风单元的阴极板8和阳极板7分别位于第一晶圆基底101和第二晶圆基底102的两个水平线路连接层3上；第三麦克风单元的阴极板8位于第一晶圆基底101上；第三麦克风单元的阳极板7位于第二晶圆基底102上；第三麦克风单元的阴极板8和阳极板7分别与第一晶圆基底101和第二晶圆基底102上的竖直线路连接层4相连接。
30.具体地，第一麦克风单元和第二麦克风单元的芯片均包括asic芯片5和mems芯片6，第三麦克风单元的芯片只包括asic芯片5，其中：第一麦克风单元和第二麦克风单元的asic芯片5固定连接于对应水平线路连接层3上；第一麦克风单元和第二麦克风单元的所述mems芯片6固定连接于对应阳极板7；第三麦克风单元的asic芯片5设置于第三麦克风单元的阴极板8和阳极板7的上方。
31.进一步具体地，第三麦克风单元的asic芯片5与阴极板8和阳极板7通过焊点12相连接，也即通过焊点12将第三麦克风单元的阴极板8和阳极板7焊接于asic芯片5上。
32.进一步具体地，第一麦克风单元和第二麦克风单元的asic芯片5和mems芯片6焊线9相连接。
33.进一步具体地，第一麦克风单元和第二麦克风单元的asic芯片5的表面积大于mems芯片6的映射面积。
34.进一步具体地，电极包括阳极板7和阴极板8，阳极板7和阴极板8之间分别设置有硅背极板11和硅振膜10，其中：第一麦克风单元和第二麦克风单元中的硅背极板11设置于所述硅振膜10的上方；第三麦克风单元中的硅背极板11设置于硅振膜10的下方；硅背极板11与硅振膜10固定连接于电极板之间。
35.进一步具体地，第三麦克风单元的阳极板7、阴极板8、硅振膜10和asic芯片5围绕
形成空腔18。
36.进一步地，本发明的一种mems麦克风封装结构还包括有盖子13，盖子13设置于晶圆基底1上部水平线路连接层3的上部，盖子13的底部端面分别与支撑层2的两个水平段波可拆卸连接；进一步地，盖子13的上部设置有若干前进音孔14，使得麦克风的收音效果更好，同时避免了灰尘的落入污染和破坏麦克风内部结构。
37.实施例2：如图7所示，一种mems麦克风封装结构的制造方法，包括：s1：在晶圆基底上设置第三麦克风单元；s2：在晶圆基底上设置支撑层2，并在设置的支撑层2上设置水平线路连接层3和竖直线路连接层；s3：在水平线路连接层3和竖直线路连接层上设置第一麦克风单元和第二麦克风单元；s4：在晶圆基底上设置带有前进音孔14的盖子13，将第一麦克风单元、第二麦克风单元和内部结构包裹；s5：在晶圆基底内部设置重分布层线路16，并在重分布层线路16与晶圆基底底部相交的部位设置锡球；并在晶圆基底中间设置后进音孔15的间隙，完成mems麦克风封装结构的制造。
38.具体地，如图2所示，准备一片适合尺寸的金属载板，将经过切割成单颗mem芯片6，具体地，此时晶圆基地上的芯片为后进音芯片，放置在金属载板上；在mems芯片6的电极位置焊锡球（solder）、铜柱（cupillar）或植金球（goldstudbond），用于焊接放置asic芯片5，形成第一麦克风单元。此时asic芯片5与mems芯片6与金属载板之间形成空腔，保证了本发明mems麦克风的性能。为了避免后续覆膜制程中塑封料对mems芯片6的沾污而导致芯片失效，此处asic芯片5的表面积应大于mems芯片6的映射面积，且完全覆盖mems芯片6。
39.进一步地，如图3所示，使用真空覆膜工艺将光敏感材料，如聚酰亚胺（polyimide,pi）或苯并环丁烯（benzocyclobutene, bcb），包覆在第一组mems麦克风单元表面，并形成阶梯形状。通过光刻加蚀刻工艺，形成内外电路连接区域，继而利用金属溅镀（sputter）、金属填充等工艺在蚀刻出的电路区域中形成金属线路连接层。
40.进一步地，如图4所示，将经过切割成单颗芯片的mems芯片6分别焊接在梯度的线路连接层上，使用焊线9工艺，将金丝或其他金属丝分别将mems芯片6与asic芯片5互联，形成第二、三mems麦克风单元。具体地，mems芯片6上均是前进音芯片。另外，第二、第三mems麦克风单元垂直方向上还可分布第四、第五mems麦克风单元，工艺制程与第二、第三mems麦克风单元相同。
41.进一步地，如图5所示，使用开设有进音孔的金属盖或树脂盖罩在包含全部mems麦克风单元上，形成麦克风封装的外部结构，也即，形成重构“晶圆”（reconstitutedwafer）。
42.进一步地，如图6所示，从载板上移走已成型的重构晶圆，进行重分布层线路16再布线，再焊接凸块17，如锡球、铜柱或金球，将来用于连接外电路。具体地，此处重分布层线路16布线时，将进音孔蚀刻成梯度形状，有利于增强声音传输效果，同时还能减少灰尘的沾污。将经过重分布层线路16的重构晶圆切割成单颗产品，也即形成单个的麦克风单元，并将单个的麦克风单元互联，完成本发明的一种mems麦克风的制造。
43.由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
44.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。