專利名稱：管芯載體的制作方法
背景技術：
微機電系統(MEMS)器件的設計、制造、裝配與封裝提出了種種問題。在襯底(例如硅管芯)上制造的某些MEMS器件在應用中，例如，會受到溫升的影響。流體型MEMS器件還可能要經受因流體的熱膨脹而引起的附加應力。在光學反射鏡陣列MEMS器件中，例如，光強可能使得除非進行除熱，不然，顯著的溫升將影響到反射鏡的性能。MEMS器件中還可存在其它熱源。在MEMS器件封裝中能耐受的溫升程度可能要取決于流體、封裝材料、所用流體的體積或其他因素。
硅片上的MEMS器件可包括在裝配中受到損傷的部件，例如，懸掛式反射鏡或懸臂式結構等器件會是脆性的而易在裝配中受損。
圖1示明了具有安裝于管芯載體之上的MEMS子組件且與印刷電路板電連接的MEMS組件的典型實施例。
圖2示明單件化的MEMS子組件的典型實施例。
圖3A與3B示明在其表面上設置許多MEMS的晶片的典型實施例。
圖4示明具有管芯載體、管芯與蓋板的MEMS組件的典型實施例。
圖5是具有表面部分和填充板的管芯載體的典型實施例的分解橫剖面圖。
圖6是具有提供流體流動的泵的MEMS組件一典型實施例。
圖7示明具有大表面面積本體的管芯載體的典型實施例。
圖8示明具有帶參考基準點的管芯載體的MEMS器件的典型實施例。
圖9示明設在填充口或泵出口的隔板的典型實施例。
具體實施例方式
在以下的詳細說明和幾個附圖中，相同的元件標以相同的標號。
圖1示明MEMS組件1的典型實施例。該組件1包括可用來接收襯底管芯31并與之結合的管芯載體2。在此典型的實施例中，襯底管芯31可由硅、砷化鎵、藍寶石、玻璃、陶瓷、金屬或其他合適的材料制成。襯底管芯31可以包括在MEMS子組件3中。此MEMS子組件可以包括襯底31以及通過連接件33與襯底管芯31連接的蓋板。此連接件33可以取連接環的形式。
MEMS子組件3可以在晶片級組裝并在結合到管芯載體2上之前單件化。圖2示明包括襯底管芯31和通過連接件33與襯底管芯31結合的蓋板32的MEMS子組件的典型實例。連接件33可以包括粘合劑、玻璃料、低熔點焊料、焊錫掩膜材料、陽極結合和/或其他適用于將合適的蓋板結合到基片上的材料。連接件材料33可以用光刻法、鍍覆、絲網印刷、淀積與蝕刻或其他適當方法置于襯底管芯31之上。該蓋板可以在晶片級結合到此襯底管芯上，而多個MEMS子組件則可在結合到晶片載體上之前可由單一晶片分成單個。該晶片，例如，可以是硅晶片或其他合適的晶片。
MEMS子組件可以包括內腔。在圖1與2所示這一典型實施例中，此內腔34是由蓋板32、襯底管芯31與連接件33界定。連接件33可用作墊片，使襯底管芯31的上表面與蓋板32的下側面分開一定距離。連接件33可以圍繞由蓋板32、襯底管芯31與連接件33所界定的內腔。
在典型的實施例中，MEMS結構是制成于襯底管芯31的表面39上(圖2)。此MEMS器件可以由，例如，淀積、光刻與蝕刻之類方法與除去犧牲支承結構而制成于上述表面上。在此襯底、管芯或晶片表面上可能生產出可動的部件。在圖1與2所示的典型實施例中，MEMS結構35是在襯底管芯31的上表面39上。此MEMS結構可以是流體型MEMS結構，例如，反射鏡陣列、芯片上試驗室、光開關或其他流體型MEMS應用。管芯上試驗室可以集成流體處理、化學傳感器和/或電子器件以進行分析處理。或者，MEMS結構可以是非流體型MEMS結構。在一典型實施例中，例如，在反射鏡陣列情形，蓋板32可以是光學窗或孔。蓋板所用材料可以包括塑料、金屬或金屬合金如科伐鎳基合金(Kovar)、陶瓷或玻璃。
在某些典型實施例中可能希望以流體充填MEMS子組件的內腔。流體可以通過襯底管芯或環繞襯底管芯引到內腔中。在圖2所示的典型實施例中，設有兩個通過襯底管芯31的通孔36，36’。此通孔36、36’，例如，可以通過鉆孔、激光鉆孔、化學腐蝕、各向異性蝕刻、反應離子蝕刻或其它適當方法形成。這些孔提供了從內腔34到襯底管芯下側37的流體連接或路徑。此內腔與襯底管芯下側不論是否存在流體都可以說是處于流體連接、流體連通或流動連接中，而當存在流體時，此流體則可直接地或通過一中間的流體通道從一邊流向另一邊。
圖1的典型MEMS組件1包括的MEMS子組件3具有的內腔34通過多個孔36、36’，與填充口21和泵出口22連通。此內腔34、填充口21與泵出口22則都與一流體室23流體連通，此流體室由襯底管芯的下側37、管芯載體2以及設置成可適應此流體室中流體膨脹的柔順隔膜24界定。在某些應用中，用來充填流體型MEMS器件的流體所具有的熱膨脹系數可以足夠高，使流體膨脹到否則就不能被MEMS的封裝結構容納。上述隔膜24的表面244可以與流體室23流體連通。此隔膜可以包括彈性材料、薄金屬片、打褶的金屬片或柔性塑料。薄的金屬片可以提供氣密封性而打褶的金屬片則可以提供具有大容量的氣密封性并可設計成提供膨脹。應該認識到，盡管在上面將一個口作為填充口而另一個作為泵出口，但在某些實施例中這兩個口可以互換，即取決于充填流體時的布置，可以將一個口用作填充口或泵出口。
適用于MEMS器件的流體可以包括芳香族溶劑、水、水與水溶有機物的混合物，溶于水中的離子材料、加有顏料的流體、膠懸浮體和/或它們的組合物。特殊的例子可以包括如1，1-二苯基乙烯、有機硅烷如3-氯丙基三乙氧基硅烷、全氟乙醚如Galden HT-100(商標)、硅酮或硅烷如聚甲基苯基硅醚和聚二甲基硅氧烷。
流體室23(圖1)與填充口21和泵出口22流體連接或流體連通。在另一備選實施例(未圖示)中，流體室可能不與其中襯底管芯未設置通過或環繞該襯底管芯的MEMS子組件的內腔流體連通。
該MEMS子組件可以由置放于管芯載體中的凹座26內的粘合劑25結合到此管芯載體的基面295上。
圖1的典型實施例包括設在填充口21中的第一止回閥27和設在泵出口22中的第二止回閥28。止回閥27和28設置成防止流體經過填充口和泵出口流出流體室。止回閥271與281分別包括可以是彈性體的閥座27與28以及可以是剛性的且可以由陶瓷、玻璃或不銹鋼制成的閥球272、282，和/或彈簧273、283。止回閥27、28可以貫穿整個填充口與泵出口安裝并由例如夾緊環243保持在適當位置。夾緊環可以由任何合適的材料構成例如可以包括塑料或金屬。這兩個夾緊環可以由壓配合、螺紋配合、粘合劑或其他合適的方法固定。在另一些典型實施例中，適用的止回閥可以包括柔性翼片或任何其他適當的止回閥裝置。
在某些應用中，當在MEMS組件、流體室和/或MEMS子組件的內腔中提供流體時，最好使氣泡的存在減至最少限度。在圖1的典型實施例中，例如，填充口21、泵出口22與止回閥27、28可以以種種方法用于在填充過程中處理空氣和/或減少形成空氣和/或氣體泡的風險。可以將流體源接附到填充口21的入口而將流體引入室內。止回閥可以由流體源以足夠大的正壓打開或可以用探頭操作止回閥使閥球偏離閥座打開。止回閥可用來使流體通過填充口進入室內。此加壓的流體可使室內所含的任何空氣或氣體通過泵出口與止回閥泵出。在填充過程，此抽空止回閥是由探頭保持打開狀態。
在另一些實施例中，可將泵出口與低壓或真空源連接，以在充填過程中從室和內腔中抽出任何空氣、氣體和流體。泵出口處的真空有助于確保從室中抽空氣體與空氣。通過在泵出口處應用真空源，室中的負壓能將流體抽入室內。或者，可將泵出口處的真空源與填充口處的加壓流體源結合使用。
可將MEMS組件或具有MEMS器件的封裝件接附到印刷電路板(PCB)上，在圖1中，例如，MEMS組件1的典型實施例中，MEMS子組件3結合到管芯載體2上并與PCB5電連接。此PCB可以是剛性或柔性的印刷電路。此PCB與MEMS的結合片38之間的電連接51可以用任何適當的技術來實現，包括物理接觸、焊接或其它技術，該技術可以包括金絲接合、鋁絲接合、TAB(帶自動結合)或倒裝片接合。
圖3A與3B示明用于生產MEMS子組件的晶片4的典型實施例，晶片4中包括許多管芯部分31，分立的MEMS器件35設置在各管芯部分31上。在圖3A與3B的典型實施例中，MEMS器件35是反射鏡陣列35。在一典型實施例中，所述晶片可以是硅片。蓋板32可以在晶片級被接附。MEMS子組件3，例如可用鋸切法，從硅片切分出。將子組件3與在晶片級粘合到襯底管芯31上的蓋板30相結合，就可在隨后的任何組合步驟中保護襯底管芯31上的MEMS器件35，同時可以改進將粘結材料置放到襯底管芯上的精度。在反射鏡陣列情形，在此組合過程的早期將光學窗或孔接合到襯底管芯上可以保護這種脆性的反射鏡陣列。可以將完整的和封閉的反射鏡陣列單件化以接附到管芯載體上。在組裝中，上述蓋板可為襯底管芯提供某種保護。在另一情形中，此襯底管芯可以在將蓋板窗口或孔接合到襯底管芯之前結合到管芯載體之上。
圖4示明了具有由管芯載體2和柔順隔膜24界定的流體室的典型實施例。該流體室23通過襯底管芯31中的孔36，36’與MEMS子組件3的內腔34流體連通。此襯底管芯的下側面對管芯載體的基面且不與流體室23成流體連通。在又另一實施例(未圖示)中，流體室在襯底管芯中不存在孔時不與MEMS子組件的內腔成流體連通。
管芯載體2的主體29可以形成一單件(圖1)，或是由多件組合成此管芯載體，圖5示明了管芯載體2的典型實施例的分解橫剖面視圖，此載體具有一個兩件的主體29，而這一兩件的主體29則有一表面構件291，它適于接納和結合到MEMS子組件和設有充填口21和泵出口22的充填板292上。充填板292上可設置上述隔膜24。流體室23可由表面部分291、填充板292、隔膜24和/或與此表面件結合的MEMS子組件(未圖示)的下側所界定。
在一典型實施例中，此管芯載體可以包含模制的陶瓷、可機加工的金屬、鋁、無鍍鋁、銅、模制塑料或任何其他適合接納襯底管芯的材料。管芯載體可以具有與組成襯底管芯的材料類似的熱膨脹系數。管芯載體最好包括不透過流體和/或蒸汽的材料，提供氣密封性和/或提供良好的流體和/或蒸汽的隔離能力。在多件式管芯載體的情形，表面件291與填充板292(圖5)可以采用相同的材料。或者，表面件291所用材料具有的熱膨脹系數要比填充板292的熱膨脹系數更緊密地匹配襯底管芯的熱膨脹系數。當低熱導率的表面件要比較高熱膨脹系數的填充板較難形成管芯載體的復雜結構部件時，則可將管芯載體的復雜結構部件形成于填充板上以簡化管芯載體的制造。例如當表面件291由陶瓷材料構成時，填充板292可以由塑料或金屬構成。在此填充板上可以形成填充口21、泵出口20和任何表面區延伸件293、294(圖7)。
圖5的典型實施例中的止回閥27、28和/或隔膜24可以在填充板292接附到表面件291之前安裝到管芯載體2之上，并可以不借助夾緊環而在表面件291與填充板292之間保持在適當位置。在圖1的典型實施例中，具有單一式的主體29，而隔膜24可以通過一出入口241置于管芯載體2中并借助，例如，夾緊環242保持在適當位置。夾緊環242要以由任何適當的材料例如塑料或金屬構成。此種夾緊環可以通過壓配合、螺紋配合或是通過粘合劑或用其他合適的方法固定以固定與密封隔膜。
在此典型的實施例中，上述填充口與泵出口可以在以流體充填流體室和/或內腔之后密封，以使密封之后不會再有流體加入此系統也無流體從此系統取出。在另一些典型的實施例中，可以從系統外部提供流體流到該系統并通過流體室和/或內腔，然后從此系統回出。圖6所示的典型實施例設有流體泵5，用來給填充口21處的流體源提供加壓流體。此流體通過流體室和/或內腔然后從泵出口22排出。上述流體，例如，可以再循環或可以一次通過，其中管芯上試驗室連續地監控流體流，以進行例如過程控制或監控其污染。在有流體流過MEMS器件的實施例中，可設置止回閥以便讓流體通過填充口流入并通過泵出口排出。控制器55可控制流體泵以保持所需的壓力和流體流量。此流體泵可從流體容器561中抽出流體56，而通過泵出口22抽出的流體則可返回到容器561中。
上述管芯載體可用作散熱器以從襯底管芯散熱，為此可使管芯載體的熱導率大于襯底管芯的熱導率。管芯載體的室中的流體也可比襯底管芯具有更高的熱導率，流過MEMS的室和/或內腔中的流體也可以為MEMS散熱。管芯載體的形狀和/或管芯載體的主體可以構造成以改進熱傳導率。例如，管芯載體可以取這樣的形狀，使之具有相對于其本身尺寸而言很大的表面積。這樣的管芯載體可以包括表面區域延伸件，此種表面區域延伸件，例如，可以包括外部的葉片或通道、柱件、薄片，該薄片，例如，可以是金屬片、扇形的折疊件或是其它構形，該構形能增大表面積以改善從管芯載體的主體的傳熱。例如，圖7所示的典型實施例中，管芯載體2具有填充口21與泵出口22以及用來保持隔膜在適當位置的夾緊環242。管芯載體的主體29的下側確定出許多外部的葉片293與通道294。
MEMS器件可以用精密的準直方法結合到管芯載體上。這種精密準直至少部分利用參考基準點進行的。這些參考基準點可以設在管芯載體上。可以用光學準直技術進行這種精密準直。在一典型實施例中，管芯載體2具有X、Y與Z參考基準點結構51，52，53，分別如圖8所示。參考基準點可以是從主體延伸的表面如圖8所示。參考基準點可以以任何適當的方式提供，并且可以包括，例如，在此主體上的適當部件，該部件可由光學準直系統探測而據此可以測定正常的管芯位置。襯底管芯或MEMS子組件3可以參考精密參考基準點位置51～53光學準直且結合到管芯載體2上。此參考基準點也可用來將MEMS組件1準直和安裝到應用系統、電路系統或其他系統中。襯底管芯上的基準參考點也可幫助襯底管芯在管芯載體的表面上光學準直。這樣的基準參考點，例如，可以位于襯底管芯的對角線上相對的角落處。
在圖9所示的另一典型實施例中，將在填充口21或泵出口22二者的任一處或兩處的一隔板裝置274可用于取代一或兩個所述的止回閥。流體可以通過插通充填口21處的隔板274的針管將流體引入室中。空氣、氣體和/或液體則可通過在泵出口22處插過隔板274的針管抽出。隔板274在針管除去后可用來提供密封。防止流體通過填充口12或排出口22離開流體室。隔板274可由夾緊環243保持在適當位置。典型的隔板材料可以包括合成橡膠、橡膠、軟木、凝膠和/或軟塑料。
應知上述各實施例只是能表示本發明原理的可能的具體實施形式的闡釋。在此所述和要求專利權的原理能用于未在此直接公開的特殊實施形式中。本領域技術人員在不脫離本發明的范圍與精神的前提下，依據上述原理是可以快捷地設計出其它種種裝置的。
權利要求
1.管芯載體(2)，它包括主體(29)，具有適于接附于襯底管芯(31)上并至少部分限定流體室(23)的基面(295)；填充口(21)，它與上述流體室成流體連通；泵出口(22)，它與上述流體室成流體連通。
2.權利要求1所述的管芯載體(2)，其中還包括設于充填口(21)或泵出口(22)中之一的止回閥(27，28)。
3.權利要求1所述的管芯載體(2)，其中還包括設于主體(29)中且具有與流體室(23)流體連通的表面(244)的柔順膜片(24)。
4.權利要求1所述的管芯載體(2)，其中管芯載體(2)的熱導率大于襯底管芯(31)的熱導率。
5.權利要求1所述的管芯載體(2)，其中主體(29)包括表面區延伸元件(293，294)。
6.權利要求1所述的管芯載體(2)，其中還包括參考基準點(51～53)。
7.流體型微機電系統器件，它包括微機電系統子組件(3)，具有在襯底管芯(31)的上表面(39)上制造的微機電系統結構(35)與蓋板(32)；管芯載體(2)，包括具有基面(295)和至少部分限定流體室(23)的主體(29)、與流體室(23)流體連通的填充口(21)和與流體室(23)流體連通的泵出口(22)，其中微機電系統子組件(3)接附到管芯載體(2)的基面(295)上。
8.權利要求7所述的流體型微機電系統器件，其中在填充口(21)或出口(22)的至少一個中設有止回閥(27，28)。
9.權利要求8所述的流體型微機電系統器件，還包括設在主體(29)之中并具有與流體室(23)流體連通的表面(244)的柔順膜片(24) 。
10.以流體充填流體型微機電系統器件的方法，它包括在微機電系統器件(1)的填充口(21)處連接流體源(56)；在填充口(21)和泵出口(22)之間提供壓差，以使流體從流體源抽入微機電系統器件(1)和從微機電系統器件(1)將空氣與氣體通過泵出口(22)排出。
全文摘要
一管芯載體(2)，其具有一主體(29)，該主體具有一可用來結合到襯底管芯(31)上的基面(295)。此主體(29)至少部分地限定一流體室(23)。填充口(21)與泵出口則分別與流體室(23)流體連通。
文檔編號B81B7/02GK1590278SQ200410047659
公開日2005年3月9日 申請日期2004年5月27日 優先權日2003年8月27日
發明者R·A·赫勒克森, C·-H·陳, W·R·鮑徹, J·W·史密斯, D·M·克雷格, G·J·瓦茨 申請人:惠普開發有限公司