使用保形夹持孔的全对称多掷开关

背景技术

某些器件(诸如开关)在暴露于不受控制的运行环境条件下时，可能无法可靠且一致地运行。湿气和污染可能导致早期器件故障的增加。因此，通常的做法是将此类器件包含在保护性封装件内，该保护性封装件至少在某种程度上将内部器件环境与外部环境分开。然而，封装可能容易受到某些弱点的影响。例如，封装件接缝可能提供了在封装件内部与外部环境之间出现泄漏的机会。将器件电联接至外部环境中的部件的电气连接必须从外部环境穿过进入器件环境并到达器件。器件封装件可以使用一个“孔”或多个孔(这些孔是封装件壁中的成形孔洞)，以将导体传送通过封装件(从外部环境到器件环境)。这样的孔通常为外部环境提供了一个影响器件环境的机会。使用孔实现通过封装件壁的电气连接的一种技术被称为电镀孔。电镀孔通常是在封装件壁中形成的圆柱形孔洞(void)，金属沉积、生长或以其他方式部署在该孔洞的壁上。电镀孔提供了从封装件外部到封装件内部的导电路径，但会留下从封装件外部到内部的孔洞。即使已经努力地对孔进行了密封，但在极端运行与存储温度下，由于孔内的导体以及封装件的膨胀和收缩，很难保持密封。

发明内容

所述实施方式涉及将器件封闭在气密密封腔内的器件封装件。腔将器件包围在器件环境内，并将该器件与外部环境隔离。通过器件封装件中的通孔实现从器件到外部环境中的部件的电气连接。孔被构造成在器件与外部环境之间实现气密密封，并在器件的运行与存储温度范围内保持密封。

在实施方式中，可以利用保形夹持孔(CPV)完成气密密封，该CPV被构造成调节孔穿过的封装件材料与CPV材料的热膨胀系数(CTE)之间的差异。将CPV放置在器件上方的封装件壁中允许直接访问电气端口，而无需在到达器件端口之前横穿器件基底的信号路径。

在一个方面中，本发明可以是气密密封部件，该气密密封部件包括：玻璃基底；以及与玻璃基底相关联的器件。该器件具有至少一个电端口。该气密密封部件还包括玻璃帽；至少一个侧壁；从玻璃帽的顶面到玻璃柱的底面延伸通过玻璃帽和玻璃柱的孔洞；以及被设置在孔洞内的导电插塞。导电插塞被构造成电联接到至少一个电端口并气密地密封孔洞。玻璃帽和玻璃基底被布置成：在玻璃帽与玻璃基底之间设置有至少一个侧壁，以形成包围器件的腔。至少一个侧壁可以与玻璃基底和玻璃帽接触，以提供气密密封，使得腔内的第一环境与腔外的第二环境隔离，并且导电插塞与电端口接触。

所述器件是基于微电子机械系统(MEMS)的器件、纳米机电系统(NEMS)器件以及(iii)欧姆开关中的一者。气密密封可以被构造成使得测得的氦泄漏率小于1.0×10

导电插塞可以通过金属热压接合与至少一个电端口电联接。

侧壁与玻璃帽和玻璃基底中的一者或两者之间的接合可以通过以下项中的一项来实现：(i)金属压缩；(ii)共晶接合；(iii)激光接合；(iv)玻璃熔块；以及(v)阳极晶片接合。

孔洞可以是沙漏形的，并且导电插塞和孔洞形成保形夹持孔(CPV：conformalpinched via)。玻璃帽还可以包括设置在玻璃帽的顶面上并电联接到导电插塞的再分布层。再分布层包括金、铝和铜中的至少一者。在由玻璃帽的顶面限定的平面内，孔洞的直径小于500μm。腔中的由玻璃帽和至少一个侧壁限定的一部分可以按照使得玻璃帽和至少一个侧壁包括单个集成部件的方式来形成。腔中的由玻璃基底和至少一个侧壁限定的一部分可以按照使得玻璃基底和至少一个侧壁包括单个集成部件的方式来形成。

器件可以包括以下项中的一项：(i)单掷欧姆开关；以及(ii)多掷欧姆开关。器件可以由金属、多晶硅或两者组成。

CPV的导电插塞可以膨胀或收缩以减轻玻璃帽的热膨胀系数(CTE)与导电插塞的CTE之间的差异。器件包括两个或更多个可区分器件。

气密密封部件还可以包括从玻璃基底的底面到玻璃基底的顶面延伸通过玻璃基底的附加孔洞；以及被设置在孔洞内的附加导电插塞。附加导电插塞被构造成电联接到至少一个电端口中的另外一个并气密地密封孔洞。

在另一方面，本发明可以是一种与多个气密密封部件一起制造的气密密封部件，该气密密封部件包括：玻璃基底；以及与玻璃基底相关联的至少两个器件。至少两个器件中的每一者可以具有至少一个电端口。所述与多个气密密封部件一起制造的气密密封部件还可以包括玻璃盖，该玻璃盖包括用于至少两个器件中的每一者的玻璃帽。玻璃帽中的每一者具有：(i)至少一个侧壁；(ii)从玻璃帽的顶面到玻璃柱的底面延伸通过玻璃帽和玻璃柱的孔洞；以及(iii)被设置在孔洞内的导电插塞。导电插塞被构造成电联接到相应器件的至少一个电端口并气密地密封孔洞。玻璃盖被设置在玻璃基底上，使得至少两个玻璃帽中的每一者覆盖在玻璃基底上的对应器件，以形成包围器件的腔，至少一个侧壁可以附接到玻璃基底，以提供气密密封，使得腔内的第一环境与器件封装件外的第二环境隔离。

在另一方面，本发明可以是一种制造多个器件封装件的方法，该方法包括：直接在玻璃基底上制造至少两个器件，至少两个器件中的每一个具有至少一个电端口；并且制造包括至少两个玻璃帽的玻璃盖，两个器件中的每一者一个玻璃帽，至少两个玻璃帽中的每一者可以具有：(i)至少一个侧壁；(ii)从玻璃帽的顶面到玻璃柱的底面延伸通过玻璃帽和玻璃柱的孔洞；以及(iii)被设置在孔洞内的导电插塞。导电插塞可以被构造成电联接到相应器件的至少一个电端口并气密地密封孔洞。该方法还可以包括将玻璃盖设置在玻璃基底上，至少两个玻璃帽中的每一者覆盖玻璃基底上的对应器件，从而形成包围对应器件的腔。该方法还可以包括将至少一个侧壁附接到玻璃和玻璃基底，以提供气密密封，从而将腔内的第一环境与器件封装件外的第二环境隔离；并且将导电插塞中的每一者电联接到相应电端口。

在另一方面中，本发明可以是一种承载对称开关的封装件，该承载对称开关的封装件包括：开关，该开关具有与第一触点相对应的至少一个极以及至少与第二触点和第三触点相关联的至少两个掷。该开关可以被设置在玻璃基底的面上，第二触点和第三触点关于第一触点对称地分布。该承载对称开关的封装件可以还包括：玻璃帽，该玻璃帽具有至少一个侧壁。对于第一触点以及至少第二触点和第三触点中的每一者，该承载对称开关的封装件可以还包括：(i)从玻璃帽的顶面到玻璃柱的底面延伸通过玻璃帽和玻璃柱的孔洞；以及(ii)被设置在孔洞内的导电插塞，该导电插塞被构造成电联接到至少一个电端口并气密地密封孔洞。玻璃帽可以被设置在玻璃基底上，以形成包围器件的腔。至少一个侧壁可以与玻璃基底接触，以提供气密密封，使得腔内的第一环境与器件封装件外的第二环境隔离。该开关可以为多极多掷开关，该多极多掷开关包括两个或更多个极，每个极与相应的极触点相对应。

在另一方面，本发明可以是一种承载单极单掷开关的封装件，该承载单极单掷开关的封装件包括：开关，该开关具有与第一触点相对应的极以及至少与第二触点相关联的掷。开关被设置在玻璃基底的面上。该承载单极单掷开关的封装件还可以包括：玻璃帽，该玻璃帽具有至少一个侧壁。对于第一触点以及第二触点中的每一者，承载单极单掷开关的该封装件还包括：(i)从玻璃帽的顶面到玻璃柱的底面延伸通过玻璃帽和玻璃柱的孔洞；以及(ii)被设置在孔洞内的导电插塞。导电插塞可以被构造成电联接到至少一个电端口并气密地密封孔洞。玻璃帽可以被设置在玻璃基底上，以形成包围器件的腔。至少一个侧壁可以与玻璃基底接触，以提供气密密封，使得腔内的第一环境与器件封装件外的第二环境隔离。

在另一方面中，本发明可以是一种器件封装件，该器件封装件包括：对称构造的器件，该对称构造的器件至少具有第一触点、第二触点和第三触点。该对称构造的器件可以被设置在玻璃基底的面上。第二触点和第三触点可以相对于玻璃基底的面关于第一触点对称地分布。该器件封装件还可以包括：玻璃帽，该玻璃帽具有至少一个侧壁。对于至少第一触点、第二触点和第三触点中的每一者，该封装件还可以包括：(i)从玻璃帽的顶面到玻璃柱的底面延伸通过玻璃帽和玻璃柱的孔洞；以及(ii)被设置在孔洞内的导电插塞。导电插塞可以被构造成电联接到至少一个电端口并气密地密封孔洞。玻璃帽可以被设置在玻璃基底上，以形成包围对称构造的器件的腔。至少一个侧壁与玻璃基底接触，以提供气密密封，使得腔内的第一环境与器件封装件外的第二环境隔离。

附图说明

本专利或申请文件至少包含一幅彩色图。官方将应要求并在支付必要费用后提供本专利或专利申请出版物及彩色图的副本。

从以下示例实施方式的更具体描述中，前述内容将显而易见，如附图所示，其中类似的参考字符在不同视图中指代相同的部分。附图不必按比例绘制，而应将重点放在例示实施方式上。

图1A示出了根据本发明的气密密封部件的示例实施方式。

图1B示出了图1A所示部件的分解图。

图1C示出了根据本发明的气密密封部件的另一示例实施方式。

图1D示出了图1C所示示例实施方式的分解图。

图1E示出了根据本发明的气密密封部件的另一示例实施方式。

图1F示出了根据本发明的气密密封部件的又一示例实施方式。

图2A示出了根据本发明的沙漏形孔洞的横截面图。

图2B示出了根据本发明的保形夹持孔的金属插塞的实施方式的横截面图。

图2C例示了根据本发明的保形夹持孔的金属插塞的另一实施方式的横截面图。

图3A例示了根据本发明的晶圆级气密密封封装件组件的示例。

图3B示出了图3A的晶圆级气密密封封装件组件的分解图。

图3C示出了根据本发明在共用基底上以二维栅格阵列布置的多个器件。

图4A例示了根据本发明的示例单极四掷MEMS开关的俯视图。

图4B例示了图4A中所描绘的MEMS开关的等距视图。

图5例示了制造多个器件封装件的方法的示例实施方式。

具体实施方式

下面是对示例实施方式的描述。

本文引用的所有专利、已公开的申请和参考文献的教导的全部内容通过引用并入。

图1A例示了如本文所述的气密密封部件100的示例实施方式。图1B例示了图1A所示部件100的分解图。气密密封部件100可以包括玻璃基底102和玻璃帽104。玻璃帽104可以包括帽侧壁106和帽上壁108。玻璃帽104和玻璃基底102可以由各种玻璃材料中的任意材料制造，诸如二氧化硅(SiO

玻璃帽材料的热膨胀系数(CTE)应与玻璃基底材料的热膨胀系数(CTE)基本相同，以使玻璃帽104与玻璃基底102之间的任何接合接头处的应力最小化。

如图1A和图1B所示，可以在玻璃帽104中实现(例如，通过玻璃帽104帽的整个厚度的)孔洞110，从而创建通过玻璃帽104的通道。在图1A和图1B的示例实施方式中，孔洞110被示出为形成在从玻璃帽的顶面109到侧壁106的底面113的玻璃帽104和侧壁106中。在其他实施方式中，孔洞可以形成在其他位置，例如，横向通过侧壁106或向上通过玻璃基底102。孔洞可以被构造成具有圆形横截面的圆柱形，尽管在其他实施方式中，孔洞可以具有非圆柱形横截面，例如，椭圆形横截面或不规则横截面。另选地，孔洞可以具有从玻璃帽的顶面109到玻璃帽的底部的非恒定横截面直径的特征。孔洞可以具有在由上壁顶面限定的平面内直径小于或等于500μm的特征。

在一些实施方式中，孔洞110的横截面图可以呈现“沙漏”形，如图2A和图2B所示。成形的金属插塞122可以被设置在沙漏孔洞110a内，从而在玻璃帽或基底中实现保形夹持孔(CPV)124。金属插塞122可以通过以下方式形成在沙漏孔洞110a中：从沙漏孔洞110a的侧壁通过保形电镀来填充沙漏孔洞110a，直到电镀厚度使中心区域闭合。金属插塞122的最终形状使得沙漏孔洞110a在玻璃帽(或基底)的顶部至玻璃帽(或基底)的底部上不会被完全填充。玻璃可以从玻璃帽或玻璃基底延伸以形成玻璃柱，例如如图1C所示。在这种情况下，如图3B所示的示例实施方式所描绘的，孔洞延伸通过玻璃帽(或基底)的外(顶)面330和玻璃柱的底面332。CPV124及其周围的玻璃帽材料在本文中被称为CPV柱130。

金属插塞122的部分123可以沿玻璃帽104的顶面109和/或底面111延伸。部分123可以为再分布层(RDL)。再分布层可以从多种金属中选择，例如，金、铝和铜。金属插塞对孔洞的这种不完全填充可能有助于在气密密封部件100的运行与存储温度范围内调节玻璃帽104与金属插塞122的膨胀和收缩的相对差异，从而在CPV处保持气密密封。换言之，所描述的金属插塞构造可以减轻玻璃帽的热膨胀系数(CTE)与导电插塞的CTE之间的差异，从而在气密密封部件100的运行与存储温度范围内，在CPV处保持气密密封。图2C示出了沙漏形CPV124的另选实施方式。

可以直接在玻璃基底102上制造器件112。在实施方式中，使用串联沉积光刻图案蚀刻工艺在玻璃基底102上制造该器件。器件112可以包括至少一个电端口116，电信号可以通过电端口116进入和/或离开器件112。

尽管未示出，但玻璃基底102和玻璃帽104可以横向延伸至器件112之外。在器件112的横向外侧部分，玻璃帽侧壁可以向下延伸以接触玻璃基底102。在这些延伸区域中，玻璃帽104可以通过以下方式固定地附接至玻璃基底102：例如，金属热压接合(在此也称为金属接合)、共晶接合、激光接合、玻璃熔块接合和阳极晶片接合，但也可以使用本领域已知的其他接合技术。

如图1A所示，在玻璃帽104与玻璃基底102之间布置侧壁106会形成腔118，该腔118限定了与外部环境120隔离的器件环境。CPV 124可以通过例如金属热压接合来电联接至器件端口116。

在一些实施方式中，气密密封部件100可以被构造有作为玻璃基底102的一部分而非玻璃帽104的一部分的侧壁106，使得玻璃帽104仅包括帽上壁108。在这种构造中，腔118通过将玻璃帽104(仅包括帽上壁108)固定地附接至玻璃基底102的侧壁而形成。

虽然图1A和图1B描绘了在器件112的外围上具有CPV柱的气密密封部件100，但是代替或除了外围CPV柱之外，CPV柱可以在器件的中间部分与器件112接触。图1C示出了具有中间区域柱130a的示例实施方式，并且图1D示出了图1C的示例实施方式的分解图。图1E例示了具有中间区域柱130a和外围柱130b、130c的示例实施方式。

此外，如图1F所示，CPV 124可以通过玻璃基底102实现，例如针对玻璃帽所描述的。通过玻璃基底102的CPV柱可以有助于电信号联接至器件112下面上的器件端口116，以及通过气密密封部件100的玻璃基底侧的电气通信。可以使用玻璃帽和玻璃基底两者中均具有CPV柱的实施方式，例如，以连接到安装在玻璃帽上的部件(例如，控制器)，而其他外部部件可以通过玻璃基底连接到器件112。

在一些实施方式中，器件112可以是基于微机电系统(MEMS)的器件。在其他实施方式中，器件112可以是纳米机电系统(NEMS)器件。在其他实施方式中，器件112可以是欧姆开关。欧姆开关可以是单掷欧姆开关，也可以是多掷欧姆开关。该器件可以由金属、多晶硅或两者制造。

本文描述的实施方式可以被构造成在腔118内的器件环境与外部环境120之间提供气密密封，能够提供小于1.0×10

在一些实施方式中，器件112可以包括两个或更多个电端口116，对应的CPV 124被构造成在由腔118限定的器件环境之外传送去往和来自器件112的电信号。在其他实施方式中，器件112可以包括在玻璃基底102上制造的两个或更多个器件，每个器件都有器件端口和对应的CPV。

所描述的实施方式可以针对在所谓的晶圆级制造中一起制造的两个或更多个气密密封部件。参考图3A，可以在共用玻璃基底302上制造两个或更多个器件。图3B描绘了图3A所示组件的分解图。在图3A和图3B所示的示例实施方式中，三个器件(器件322a、322b、322c)被示出为制造在玻璃基底302上。尽管为了描述的简单性，在本示例实施方式中仅示出了三个器件，但在其他实施方式中可以实现更多的器件。例如，图3C示出了具有100个器件的另一示例实施方式，从器件D01到器件D100，各个器件被附接至10×10网格图案的共用玻璃基底302。图3C是共用玻璃基底302上的器件的自顶向下视图，与图1A、图1B、图1C、图2、图3A和图3B的截面侧视图形成对照。

在实施方式中，单个复合玻璃帽结构304可以包括针对附接至玻璃基底302的每个器件D01至D100的单独玻璃帽。每个单独玻璃帽可以包括用于向/从其相应器件传送电信号的至少一个CPV 324。如本文所述，CPV 324由设置在玻璃帽结构304中的沙漏形孔洞310内的金属插塞形成。尽管图3A和图3B中示出的CPV 324是布置在器件腔中心的CPV柱，但是代替或除了中心定位的CPV柱之外，CPV柱可以被设置在侧壁内。

如本文关于图1A、图1B、图1C、图2所描述的，复合帽结构304中的各个单独玻璃帽可以具有与上帽壁相关联的侧壁以实现器件腔，或者侧壁可以与共用玻璃基底302相关联以有助于器件腔。

如图3A所示，复合玻璃帽结构304可以被固定地附接至共用玻璃基底302，共用玻璃基底302承载(host)具有器件端口316a、316b、316c的器件322a、322b、322c，从而形成两个或更多个单独的器件封装件的组件。在图3A的示例中形成三个单独的器件封装件。各个单独的器件322n(其中“n”是从1到N的索引，其中N表示被封装的器件的总数)以及其相应的单独玻璃盖和单独玻璃基底，可以通过在图3A所示的轮廓330处进行切割而与组合组件(即，复合玻璃帽、玻璃基底和器件)中的相邻器件分开。这种切割可以通过完成本领域已知的集成电路晶圆模具的各种方法中的任意方法来执行。在封装件的网格阵列中，如图3C所示，在组件上进行正交切割(例如，在“x”方向和“y”方向上，其中x-y平面平行于共用玻璃基底302的面)，以使单独的Dn封装件元件分开。

尽管本文描述的示例实施方式描绘了在气密密封器件环境中封装的单个器件，但本文描述的技术可以另选地用于在共用器件环境中气密地密封两个或更多个器件。

如本文所描述的封装的器件可以包括基于MEMS或基于NEMS的器件，尽管根据所述实施方式也可以封装件其他类型的器件。基于MEMS或NEMS的器件的特定类型可以包括单极单掷开关、单极多掷开关、多极单掷开关或多极多极开关。所述实施方式的优点是，到开关极和开关掷端口的电信号路径不需要遵循纯粹的二维路径(例如，沿着玻璃基底的表面)。

图4A中的俯视图和图4B中的等距视图示出了示例对称单极四掷(SP4T)MEMS开关。开关的极位于中心，四个掷关于极对称地分布(到极顶部、极底部、极左侧和极右侧)。极CPV402位于SP4T开关的极端口正上方的封装件玻璃帽中。掷极404a、404b、404c、404d位于相应掷端口中的每一者处。与限于二维布线的信号分布架构相比，由于CPV 402处的中心信号连接用于单极端口，因此该示例实施方式所需的物理基底空间大大减少。因此，无需在MEMS晶片上为单极端口信号跟踪布线预留空间。由于极端口到掷端口的距离较短，因此这种对开关极端口的直接访问可以导致开关性能的提高。从极端口到每个掷端口的所有电气路径都是相同的，这有助于针对各个掷通道的相同行为。

本文描述的示例描绘了连接到位于封装件顶部帽中的CPV柱电端口的器件端口，这有助于直接“三维”访问器件端口。但是，应了解，CPV柱端口可以位于其他封装件位置，例如在侧壁上。此外，除了CPV柱端口之外，一个或更多个封装件电端口可以是非CPV端口，从而提供对器件外围处的器件端口的传统二维访问。

图5例示了制造多个器件封装件的方法500的示例实施方式，其可以包括：将至少两个器件附接502到玻璃基底。至少两个器件中的每一者可以包括至少一个电端口。方法500还可以包括：制造504玻璃盖，该玻璃盖包括至少两个玻璃帽，两个器件中的每一者一个玻璃帽。至少两个玻璃帽中的每一者可以具有上壁和至少一个侧壁。上壁可以具有从上壁顶面到上壁底面延伸通过上壁的孔洞。所述玻璃帽中的每一者还可以具有被设置在孔洞内的导电插塞，该导电插塞气密地密封该孔洞。所述玻璃帽中的每一者还可以具有被构造成将导电插塞电联接到电端口的导体。该方法还可以包括：将玻璃盖设置506在玻璃基底上。所述玻璃帽中的每一者可以覆盖玻璃基底上的对应器件，从而形成包围对应器件的腔。该方法还可以包括：将至少一个侧壁附接508到玻璃基底以提供气密密封，从而将腔内的第一环境与器件封装件外的第二环境隔离。

虽然已经具体地示出和描述了示例实施方式，但本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求所涵盖的实施方式的范围的情况下，可以在其中对形式和细节进行各种改变。