Tsv-mems組合的製作方法
2023-05-30 12:57:16 3
Tsv-mems組合的製作方法
【專利摘要】一種穿襯底通孔TSV-MEMS組合包含TSV裸片，所述TSV裸片包含一個襯底和多個TSV，所述TSV延伸所述襯底的完整厚度。所述TSV裸片包含：頂面表面，其上包含電路和頂面結合襯墊；底面表面，其上包含底面結合特徵；以及通孔，其穿過所述襯底的完整厚度。一種具有上面包含焊料球的浮動感測結構的微機電系統MEMS裸片結合到所述TSV裸片的頂面結合襯墊或底面結合特徵。粘合劑材料層圍繞所述焊料球，這可以為所述TSV-MEMS結合提供密封劑環圈。
【專利說明】TSV-MEMS 組合
【技術領域】
[0001]所揭示的實施例涉及穿娃通孔(TSV)-微機電系統(MEMS)組合。
【背景技術】
[0002]CMOS微機電系統(MEMS)裝置是機電系統(MEMS)裸片和CMOS集成電路(IC)裸片的結合組合。CMOS IC裸片總體上是穿矽通孔(TSV)裸片。MEMS裸片具有至少一個MEMS裝置，所述MEMS裝置包含用於感測的振動捕獲埠(例如，浮動結構，例如薄膜)，並且所產生的感測信號被TSV裸片上的電路放大，並且總體上被濾波。
[0003]MEMS裝置的一個實例是微慣性傳感器。MEMS裝置的傳統封裝使用引線結合和注射模製來保護裝置的結合區域。這種類型的封裝產生相對大的總大小。
【發明內容】
[0004]所揭示的實施例包含穿襯底通孔(TSV) -MEMS組合和組裝TSV-MEMS組合的方法。一個方法實施例包括提供TSV襯底(例如，TSV矽晶片)，其包含多個TSV裸片。所述TSV裸片各自包含多個TSV，所述TSV延伸TSV襯底的完整厚度。所述TSV裸片的頂面表面(通常是半導體表面)上包含電路和頂面結合襯墊，底面表面上包含底面結合特徵，例如重定向層(RDL)，包含焊盤網格陣列(LGA)襯墊或突出TSV尖端。所述TSV襯底的底面或頂面表面在支撐物上，所述支撐物附接到耐熱膠帶或支撐板。對所述TSV襯底進行乾式蝕刻以穿過其完整厚度形成至少一個通孔(聲學孔)。在所述TSV裸片的暴露頂面表面或底面表面(暴露表面)上形成粘合劑材料的圖案化層。
[0005]一種具有多個MEMS裸片的MEMS晶片結合到所述多個TSV裸片的暴露表面，所述多個MEMS裸片各自具有其上包含焊料球的浮動感測結構，其中所述焊料球被對準到所述TSV裸片的暴露的頂面結合襯墊或底面結合特徵。接著移除支撐物，並且至少MEMS晶片的單體化將MEMS晶片分成所述多個MEMS裸片以形成多個所揭示的TSV-MEMS組合。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006]現在將參考附圖，附圖未必是按比例繪製，其中:
[0007]圖1是展示了根據一實例實施例的用於形成其中TSV裸片具有通孔的TSV-MEMS組合的實例方法中的步驟的流程圖。
[0008]圖2A-2E是展示用於實例組裝過程的組裝過程進程的一系列簡化截面描繪，其中包含:圖2A展示附接到膠帶的TSV襯底(例如，晶片)的TSV裸片；圖2B是展示單體化的TSV裸片的簡化截面描繪，所述TSV裸片在乾式蝕刻了 TSV襯底之後具有使TSV裸片單體化的通孔和開口劃線；圖2(:是展示在形成粘合劑材料的圖案化層之後的TSV裸片的頂面表面上的圖案化粘合劑材料的簡化截面描繪；圖2D是展示在形成粘合劑材料的圖案化層之後的MEMS裸片的焊料球上的圖案化粘合劑材料的簡化截面描繪，其是圖2C中展示的實施例的替代方案；並且圖2E是展示頂部夾頭的簡化截面描繪，所述頂部夾頭將一個具有多個MEMS裸片的MEMS晶片結合到TSV裸片的頂面表面上，所述MEMS裸片各自具有一個上面有若干焊料球的浮動感測結構。
[0009]圖3A是根據一實例實施例在其頂表面上具有凹槽的TSV裸片的俯視圖描繪，所述凹槽在粘合劑材料(未圖示)被分配以在回焊之後為TSV-MEMS組合提供氣密環圈時有助於使粘合劑材料成形。
[0010]圖3B是根據一實例實施例在其頂表面上具有凹槽的MEMS裸片的俯視圖描繪，所述凹槽有助於使密封成形。MEMS裸片被展示為包含任選的通孔。
[0011]圖3C是根據一實例實施例的實例TSV-MEMS組合的截面描繪，所述TSV-MEMS組合包括一個結合到MEMS裸片的TSV裸片，其展示了焊料球周圍的粘合劑材料在接合過程期間和/或固化之後提供密封環圈。
[0012]圖3D是根據一實例實施例的實例TSV-MEMS組合的截面描繪，所述TSV-MEMS組合包括一個在其底面上具有突出TSV尖端的TSV裸片，其頂面結合襯墊結合到MEMS裸片上的焊料球，其展示了焊料球周圍的粘合劑材料在接合過程期間和/或固化之後提供密封環圈。
[0013]圖3E是根據一實例實施例的實例TSV-MEMS組合的截面描繪，所述TSV-MEMS組合包括一個在其底面上具有突出TSV尖端的TSV裸片，其中所述TSV尖端結合到MEMS裸片上的焊料球，其展示了焊料球周圍的粘合劑材料在接合過程期間和/或固化之後提供密封環圈。
[0014]圖4A是根據一實例實施例的TSV-MEMS組合/封裝的截面描繪，所述TSV-MEMS組合/封裝包含圖3C中展示的結合到封裝襯底的TSV-MEMS組合。
[0015]圖4B是根據一實例實施例的TSV-MEMS組合/封裝的截面描繪，所述TSV-MEMS組合/封裝包含TSV-MEMS組合，其通過使MEMS裸片包含任選的通孔而修改了圖3C中展示的TSV-MEMS組合，所述通孔結合到自身具有通孔的封裝襯底。
【具體實施方式】
[0016]參看圖式描述實例實施例，其中相同的參考標號用於標明類似或等效的元件。圖解說明的動作或事件的排序不應被視為限制性的，因為一些動作或事件可能用不同的次序發生和/或與其它動作或事件並行地發生。此外，實施根據本發明的方法可能不需要一些圖解說明的動作或事件。
[0017]所揭示的實施例包含TSV-MEMS組合和用於形成TSV裸片到MEMS裸片的互連的組裝方法。TSV-MEMS組合可通過裸片到晶片方法形成，其中TSV襯底(例如，晶片)在結合之前被單體化，或通過晶片到晶片方法形成。在沒有任選的封裝襯底的情況下，所揭示的TSV-MEMS組合可被視為晶片晶片級封裝(WCSP)。TSV裸片包含在本文中稱為通孔的聲學通孔，並且MEMS裸片具有用於感測的浮動結構，所述浮動結構可任選地包含通孔。所揭示的TSV-MEMS組合可任選地安裝到封裝襯底(例如，印刷電路板(PCB)或母板)上。
[0018]圖1是展示了根據一實例實施例的用於形成TSV-MEMS組合的實例組裝方法100中的步驟的流程圖。步驟101包括提供TSV襯底(例如，晶片，例如矽晶片)，其包含多個TSV裸片。TSV裸片包含多個TSV，所述TSV延伸TSV襯底的完整厚度。TSV裸片具有頂面表面(例如，矽表面)和底面表面，所述頂面表面上包含電路(例如，PMOS和NMOS電晶體)和頂面結合襯墊，所述底面表面上包含底面結合特徵。
[0019]底面結合特徵可包括焊盤網格陣列(LGA)襯墊，作為重定向層(RDL)的一部分，其中一些LGA襯墊連接到TSV，或者其中TSV包含突出TSV尖端。TSV裸片的底面表面或頂面表面在支撐物上。所述支撐物可包括膠帶(例如，耐熱劃線膠帶)或支撐板。
[0020]TSV襯底(例如，TSV晶片)可以通過以下方式製備:提供具有嵌入金屬填充通孔且上面有頂面結合襯墊的晶片，將TSV晶片附接到載體晶片，以及將晶片薄化(總體上包含背磨)以便能暴露先前嵌入的金屬填充通孔以形成TSV。
[0021]步驟102包括對TSV襯底進行乾式蝕刻以穿過TSV襯底的完整厚度形成通孔。乾式蝕刻包含等離子蝕刻和反應性離子蝕刻(RIE)。對於裸片到晶片(D2W)實施例來說，步驟102還將所述多個TSV裸片單體化。步驟103包括在TSV裸片上與支撐物相反地形成粘合劑材料的圖案化層，或在具有多個MEMS裸片的MEMS晶片上形成粘合劑材料的圖案化層，所述MEMS裸片各自具有上面包含焊料球的浮動感測結構。步驟104包括將MEMS晶片結合到所述多個TSV裸片。使所述焊料球對準以便向用於頂面結合到TSV裸片的頂面結合襯墊提供互連，或向用於底面結合到TSV裸片的底面結合特徵提供互連。
[0022]MEMS裸片可包含使用常規CMOS製造處理形成的結構，並且可包含形成於金屬、多晶矽、電介質和/或其它材料上的多個元件。MEMS裸片可以使用CMOS製造中使用的典型工藝形成，所述典型工藝例如是光刻、離子植入、蝕刻工藝(例如，溼式蝕刻、乾式蝕刻)、沉積工藝、鍍敷工藝等。浮動感測結構可以提供多種傳感器，例如運動傳感器(例如，陀螺儀、力口速計等)。
[0023]步驟105包括從TSV裸片移除支撐物。方法100可以進一步包括在結合(步驟104)之後回焊粘合劑材料，其中回焊之後的粘合劑材料為所述TSV-MEMS組合中的所述多個組合提供密封劑環圈。步驟106包括至少使MEMS晶片單體化以使所述多個MEMS裸片彼此分開，以形成多個所揭示的TSV-MEMS組合。
[0024]本文所述的組裝方法100有三個實例實施例，被稱作組裝「過程1」、「過程2」和「過程3」。組裝過程I在以下步驟之後形成TSV裸片的通孔:將薄化的TSV襯底(例如，TSV晶片)從用於薄化TSV襯底和暴露嵌入金屬填充通孔以形成TSV的載體晶片松解，以及將薄化的TSV襯底層壓到膠帶上。組裝過程2在以下步驟之後形成TSV裸片的通孔:將薄化的TSV襯底從用於薄化TSV襯底和形成TSV的載體晶片松解，以及將薄化的TSV襯底安裝在支撐板上，所述支撐板可使用真空來固持薄化的TSV襯底。組裝過程3在襯底薄化以形成TSV步驟之後形成TSV裸片的通孔，但在載體晶片松解之前，其中在將MEMS晶片結合到TSV裸片之前在載體晶片下添加支撐板，並且在將MEMS晶片結合到TSV裸片之後移除支撐板和載體晶片。
[0025]參看圖2A-E描述組裝過程I。圖2A是展示TSV晶片210的TSV裸片211的簡化截面描繪200，所述TSV裸片211包含附接到膠帶230的襯底205。膠帶230可以包括熱耐膠帶。TSV裸片211包含多個TSV217，其延伸襯底205/TSV晶片210的完整厚度，襯底205/TSV晶片210可以是大約75μπι到125 μ m(例如，100 μ m)厚。
[0026]TSV217可包括例如銅的金屬芯，並且總體上包含外部電介質襯套和勢壘層(未圖示)。TSV裸片211包含頂面表面212，其總體上是包含電路223和頂面結合特徵的半導體表面，所述頂面結合特徵被展示為頂面結合襯墊218，頂面結合襯墊218耦合到TSV裸片211上的節點，包含耦合到某些TSV217。電路223包含電晶體(例如，NMOS和/或PMOS電晶體)和與電晶體相關聯的電路，例如電阻器和電容器。為簡單起見未圖示互連件。
[0027]TSV裸片211包含底面表面213，其被展示為包含具有展示的RDL的焊盤網格陣列(LGA)襯墊219的重定向層(RDL)。雖然未圖示，但TSV217可包含突出尖端(例如，5到15 μ m長)，而非RDL (參見如下所述的圖3D)。TSV裸片211的底面表面213上的LGA襯墊219被展示為附接到膠帶230。
[0028]圖2B是在乾式蝕刻之後用於單體化成TSV裸片211 (通過形成開放的劃線233和形成通孔241)的TSV晶片210的簡化截面描繪220。在典型實施例中，例如聚醯亞胺、阻焊劑或其它有機層的掩蔽層243如圖所示經圖案化，以便允許選擇性乾式蝕刻(例如，等離子蝕刻或反應性離子蝕刻(RIE))以形成開放劃線233和通孔241，同時使得TSV裸片211上的其它區域不受影響(不被蝕刻)。阻焊劑和光致抗蝕劑是容易通過灰化移除的材料。通孔241如圖所示總體上位於TSV裸片211上的中央，但是通孔241並不是必須在中央。
[0029]將因乾式蝕刻形成的用於TSV裸片211的通孔241和用於MEMs裸片的任選的通孔(如下所述)具有以下中的至少一者:(i)基本上垂直的側壁，其可以在具有彎曲壁的溼式蝕刻形成的通孔上方突出，因為垂直溼式蝕刻速率大致等於水平溼式蝕刻速率；和(ii)< 3nm均方根(RMS)的側壁粗糙度。如本文所使用，「基本上垂直的側壁」是指90° ±5的側壁曲線。
[0030]圖2C是展示在於TSV裸片211的頂面表面212上形成粘合劑材料的圖案化層之後TSV裸片211上的圖案化的粘合劑材料229的簡化截面描繪240。粘合劑材料229可以是絲網印刷的，並且在一個實施例中可以是包含印刷的溶劑的B級粘合劑。圖2D是展示在形成粘合劑材料的圖案化層之後的MEMS裸片266的焊料球271上的圖案化的粘合劑材料229的簡化截面描繪250，其是圖2C中展示的實施例的替代方案。
[0031]B級粘合劑被定義為某些熱固樹脂的反應的中間級，其中材料在被加熱時軟化並且在與某些液體接觸時膨脹，但可能不會完全熔化或溶解。未固化熱固粘合劑中的樹脂通常處在這個級。這些粘合劑被以類似於傳統的環氧樹脂膏的方式分配或施加到一個襯底。在分配之後，粘合劑暴露於指定的熱狀態，所述熱狀態被設計成使大部分溶劑從材料中離析，但是不會明顯地推進樹脂的交聯。使粘合劑變成B級準許粘合劑和襯底構造在結合過程之前被「級化」，這可以減少與傳統的熱固膏相關聯的工藝瓶頸。
[0032]圖2E是展示頂部夾頭255在將具有多個MEMS裸片266的MEMS晶片262結合到TSV裸片211的頂面表面212上的頂面結合襯墊218時的簡化截面描繪260，所述多個MEMS裸片266各自具有一個耦合到焊料球271的浮動感測結構261。頂部夾頭255可以用於壓縮結合。在所述過程中的這個點，在焊料球271與頂面結合襯墊218之間形成暫時(初始)粘合/結合。如上文所描述，接著可以移除膠帶230，接著使MEMS晶片單體化以形成多個所揭示的TSV-MEMS組合。最終粘合劑材料229的形狀可以被設計成圍繞焊料球271並且在接合過程期間和/或在固化之後提供氣密密封。
[0033]圖3A是在其頂面表面212上具有凹槽315的實例TSV裸片300的俯視圖描繪，所述凹槽在粘合劑材料229 (未圖示)被分配以在回焊之後為TSV-MEMS組合提供密封環圈時有助於使粘合劑材料229成形。凹槽315形成於沒有掩蔽層243 (例如聚醯亞胺)的區域中，使得掩蔽層243下方的鈍化層暴露在凹槽315中。[0034]圖3B是在其頂表面上具有凹槽365以有助於使密封材料成形的MEMS裸片340的俯視圖描繪。凹槽365可類似於圖3A中關於TSV裸片300描述的凹槽315而形成。MEMS裸片340被展示為包含任選的通孔372。
[0035]圖3C是實例TSV-MEMS組合370的截面描繪，所述TSV-MEMS組合370包括一個結合到MEMS裸片266的TSV裸片211'，其展示了圍繞焊料球271的粘合劑材料229，其在接合過程期間和/或固化之後可以變為密封環圈。圖3D是根據一實例實施例的實例TSV-MEMS組合390的截面描繪，所述TSV-MEMS組合390包括一個在其底面上具有突出TSV尖端217a的TSV裸片21，其頂面結合襯墊218結合到MEMS裸片266上的焊料球271，其展示了焊料球271周圍的粘合劑材料229在接合過程期間和/或固化之後提供密封環圈。TSV尖端217a從TSV裸片21的底面表面213突出大概5到15 μ m，並且被展示為包含金屬尖端217b，金屬尖端217b可包括例如鎳的金屬。
[0036]圖3E是根據一實例實施例的實例TSV-MEMS組合395的截面描繪，所述TSV-MEMS組合395包括一個在其底面213上具有帶有金屬尖端217b的突出TSV尖端217a的TSV裸片21，其中TSV尖端217a的金屬尖端217b結合到MEMS裸片266上的焊料球271，其展示了焊料球271周圍的粘合劑材料229在接合過程期間和/或固化之後提供密封環圈。在另一個實施例(未示出)中，TSV裸片211'具有一個底面RDL層，其包含結合到MEMS裸片266上的焊料球271的LGA襯墊。
[0037]圖4A是TSV-MEMS組合/封裝430的截面描繪，所述TSV-MEMS組合/封裝430包含圖3C中展示的結合到封裝襯底415 (例如聚合物或陶瓷襯底，舉例來說印刷電路板(PCB))的TSV-MEMS組合370。TSV裸片211'具有底面RDL層，其包含通過焊料437結合到封裝襯底415上的襯墊416的LGA襯墊219。在一個實施例中，封裝襯底是客戶的母板(例如，比如FR4 (環氧樹脂玻璃纖維層合物)母板)。
[0038]圖4B是TSV-MEMS組合/封裝460的截面描繪，所述TSV-MEMS組合/封裝460包含TSV-MEMS組合370 ,，其修改了圖3C中展示的TSV-MEMS組合370，方式是通過使展示為266'的MEMS裸片包含任選的通孔372，所述通孔結合到自身具有通孔463的封裝襯底415/。
[0039]所揭示的實施例可以集成到多種組裝流中以形成多種不同的半導體集成電路(IC)裝置和相關產品。所述組合件可包括單一半導體裸片或多個半導體裸片，例如包括多個堆疊半導體裸片的PoP配置。可使用多種封裝襯底。半導體裸片中可包含各種元件和/或其上可包含各種層，包含勢壘層、電介質層、裝置結構、有源元件和無源元件，包含源極區域、漏極區域、位線、基極、發射級、集極、導電線路、導電通孔等。此外，半導體裸片可以由多種工藝形成，所述工藝包含雙極工藝、CMOS、BiCMOS和MEMS。
[0040]本發明涉及的領域的技術人員將明白，本發明的範圍內可以有許多其它實施例和實施例的變化，並且在不脫離本發明的範圍的情況下可以對所描述的實施例進行進一步的添加、刪除、替代和修改。
【權利要求】
1.一種穿襯底通孔TSV-MEMS組合，其包括: TSV裸片，其包含:一個襯底和多個TSV，所述TSV延伸所述襯底的完整厚度；頂面表面，其上包含電路和頂面結合襯墊；和底面表面，其上包含底面結合特徵；和穿過所述襯底的所述完整厚度的通孔； 微機電系統MEMS裸片，其具有浮動感測結構，所述浮動感測結構上包含結合到所述TSV裸片的焊料球，其中所述焊料球結合到所述頂面結合襯墊或所述底面結合特徵；以及 粘合劑材料層，其圍繞所述焊料球。
2.根據權利要求1所述的TSV-MEMS組合，其中所述頂面表面上的所述頂面結合襯墊結合到所述MEMS裸片的所述焊料球。
3.根據權利要求1所述的TSV-MEMS組合，其中所述底面表面上的所述底面結合特徵結合到所述MEMS裸片的所述焊料球。
4.根據權利要求1所述的TSV-MEMS組合，其中所述底面結合特徵包括具有焊盤網格陣列LGA襯墊的重定向層RDL。
5.根據權利要求1所述的TSV-MEMS組合，其中所述多個TSV包含突出TSV尖端，並且其中所述底面結合特徵包括所述突出TSV尖端。
6.根據權利要求1所述的TSV-MEMS組合，其中所述粘合劑材料包括環氧樹脂。
7.根據權利要求1所述的TSV-MEMS組合，其中所述粘合劑材料為所述TSV-MEMS組合提供底層填料和密封劑環圈。
8.根據權利要求1所述的TSV-MEMS組合，其中所述MEMS裸片包含通孔。
9.根據權利要求1所述的TSV-MEMS組合，其進一步包括封裝襯底，其中所述TSV-MEMS組合結合到所述封裝襯底。
10.根據權利要求1所述的TSV-MEMS組合，其中所述頂面表面包含多個凹槽，並且其中所述粘合劑材料層在所述多個凹槽上方延伸。
11.根據權利要求1所述的TSV-MEMS組合，其中所述襯底包括矽並且所述多個TSV包括銅。
12.—種組裝穿襯底通孔TSV-MEMS組合的方法，其包括: 提供TSV襯底，所述TSV襯底包含多個TSV裸片，所述TSV裸片包含:多個TSV，所述多個TSV延伸所述TSV襯底的完整厚度；頂面表面，其上包含電路和頂面結合襯墊；和底面表面，其上包含底面結合特徵，其中所述底面表面或所述頂面表面在支撐物上； 對所述TSV襯底進行乾式蝕刻以形成穿過所述TSV襯底的所述完整厚度的通孔； 在所述TSV裸片上與所述支撐物相反地形成粘合劑材料的圖案化層； 將具有多個MEMS裸片的MEMS晶片結合到所述多個TSV裸片，所述多個MEMS裸片各自具有浮動感測結構，所述浮動感測結構上包含焊料球； 移除所述支撐物；以及 至少使所述MEMS晶片單體化以分開所述多個MEMS裸片並且形成多個所述TSV-MEMS組合。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述乾式蝕刻包括等離子蝕刻。
14.根據權利要求12所述的方法，其中所述粘合劑材料包括B級粘合劑。
15.根據權利要求12所述的方法，其中所述乾式蝕刻進一步提供所述TSV襯底的單體化以分開所述多個TSV裸片。
16.根據權利要求12所述的方法，其進一步包括在所述結合之後回焊所述粘合劑材料，其中在所述回焊之後，所述粘合劑材料為所述多個所述TSV-MEMS組合提供密封劑環圈。
17.根據權利要求12所述的方法，其中所述多個MEMS裸片包含通孔。
18.根據權利要求12所述的方法，其中在所述單體化之後，所述方法進一步包括將所述TSV-MEMS組合結合到封裝襯底。
19.根據權利要求12所述的方法，其中所述頂面表面包含多個凹槽。
20.根據權利要求12所述的方`法，其中所述TSV襯底包括矽並且所述多個TSV包括銅。
【文檔編號】B81C1/00GK103787262SQ201310511778
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年10月25日 優先權日:2012年10月26日
【發明者】高橋吉見, 久保田宏一 申請人:德州儀器公司