CN101417785A - 晶圆级感测元件的封装结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种晶圆级感测元件封装结构的制造方法，包括提供第一基材构件，至少包括具有上表面的第一基材和感测元件，感测元件悬浮地连接在上表面上；提供第二基材构件，至少包括第二基材和集成电路，集成电路形成在第二基材上；在第一基材构件和第二基材构件之间提供导电接合材料；和对位和组合第一基材构件和第二基材构件，以形成封闭腔体以保护感测元件，其中，对位和组合时第一基材构件的感测元件朝向第二基材构件的集成电路。
Description
技术领域
本发明涉及一种晶圆级感测元件的保护结构及其制造方法，且特别是涉及一种具有封闭腔体可保护感测元件的晶圆级保护结构及其制造方法。
背景技术
微机电系统(MEMS，MicroElectroMechnical System)乃是涵盖了机械、电机、化工、材料、医学、生物、光电、电子、通讯....等等领域的专业知识，以及建立在微传感器、微致动器、微电子机械系统、显微系统、微工具以及微加工等技术的整合技术。
微机电系统技术主要结合了微细加工技术(microfabricationtechnology)及整合系统功能(system approach)。基本上，微机电系统技术是由微传感器(microsensor)、微致动器(microactuator)、IC控制元件(IC controller)等各元件组成，再通过整合的技术使上述各元件结合成微型系统。由于微机电系统技术的应用领域非常广泛，包括通讯、制造、医疗、航天、汽车及生物科技等领域均有其重要应用，因此微机电系统科技已成为被视为下世纪主要的核心技术，而世界各国均已进入此新兴整合型技术领域并积极投入研发工作。
随着微机电系统制作技术的进步，微机电感测装置相继问世，而感测装置中的感测元件例如是压力计、加速度计或陀螺仪，感测的方式例如是电容式、压阻式或是热感应式等。其中，电容式加速度感测元件(例如用来测量汽车加速度的感测装置)的感测方式，乃是由于外界施加加速度于此感测元件上时，由于加速度的作用造成此感测元件悬浮的电极产生相对性的位移，而产生了电容值的变化，因此感测装置可通过此电容值的改变而获得加速度的相关信息。
在微机电制作过程中，如何以有效的封装方式，制作出一个相对于外界环境具有良好的保护效果且可灵敏地获得感测结果的微机电结构，是本领域技术人员努力的重要目标之一。
发明内容
本发明涉及一种晶圆级感测元件的封装结构及其制造方法，利用两晶圆基材构件对位和组合后形成的封闭腔体，来达到保护感测元件的目的。
根据本发明的第一方面，提出了一种晶圆级感测元件封装结构的制造方法，包括：
提供第一基材构件，至少包括具有上表面的第一基材和感测元件，感测元件悬浮地连接在上表面上；
提供第二基材构件，至少包括第二基材和集成电路，集成电路形成在第二基材上；
在第一基材构件和第二基材构件之间提供导电接合材料；和
对位和组合第一基材构件和第二基材构件，以形成封闭腔体以保护感测元件，
其中，对位和组合时第一基材构件的感测元件朝向第二基材构件的集成电路。
根据本发明的第一方面，还提出了另一种晶圆级感测元件封装结构的制造方法，包括：
提供第一基材构件，至少包括具有上表面的第一基材、多个感测元件和多个导电挡墙，这些感测元件分别悬浮地连接在上表面上，这些导电挡墙分别限定出多个容置空间，且每容置空间内具有对应的感测元件；
提供第二基材构件，至少包括第二基材和集成电路，集成电路形成在第二基材上；
在第一基材构件和第二基材构件之间提供导电接合材料；和
对位和组合第一基材构件和第二基材构件，以形成封装结构，该封装结构包括多个感测元件封装单元，且每感测元件封装单元具有封闭腔体以保护内部的感测元件，
其中，对位和组合时第一基材构件的感测元件朝向第二基材构件的集成电路，并通过导电接合材料粘合第一基材构件和第二基材构件。
根据本发明的第二方面，提出了种晶圆级感测元件封装结构，包括：
第一基材构件，至少包括具有上表面的第一基材和感测元件，感测元件悬浮地连接在上表面上；
第二基材构件，至少包括第二基材和集成电路，该集成电路形成在第二基材上，其中第一基材构件的感测元件与第二基材构件的集成电路相对设置；和
导电接合材料，位于第一基材构件和第二基材构件之间，以粘合第一基材构件和第二基材构件，
其中，第一基材构件和第二基材构件之间具有封闭腔体，以保护感测元件。
本发明提供了一种晶圆级感测元件封装结构的制造方法，包括：提供第一基材构件，至少包括具有上表面的第一基材和感测元件，所述感测元件悬浮地连接于所述上表面上；提供第二基材构件，至少包括第二基材和集成电路，所述集成电路形成在所述第二基材上；提供导电接合材料于所述第一基材构件和所述第二基材构件之间；和对位和组合所述第一基材构件和所述第二基材构件，以形成封闭腔体保护所述感测元件，其中，对位和组合时所述第一基材构件的所述感测元件朝向所述第二基材构件的所述集成电路。
其中在提供所述第一基材构件的步骤中，包括：形成电极层于所述第一基材的所述上表面；形成所述感测元件于所述电极层上方；和形成导电挡墙于所述第一基材的所述上表面，并位于所述感测元件的四周。
其中在形成所述电极层的步骤后，包括：形成牺牲材料层于所述电极层上；图案化所述牺牲材料层，以形成多个牺牲材料凸块和图案化牺牲材料层，且所述牺牲材料凸块在所述第一基材上定义出容置空间，所述图案化牺牲材料层位于所述容置空间内；形成感测元件材料层于所述电极层上方，并图案化所述感测元件材料层，以包覆所述牺牲材料凸块，并在所述容置空间内的所述图案化牺牲材料层上方形成所述感测元件；形成图案化金属层于所述第一基材上，且部分所述图案化金属层位于所述牺牲材料凸块和所述感测元件材料层上方，以形成所述导电挡墙，且所述图案化金属层与所述电极层电性连接；和移除所述图案化牺牲材料层，以形成所述感测元件悬浮地连接于所述电极层上方。
其中在对位和组合所述第一基材构件和所述第二基材构件的步骤中，令所述第二基材构件的所述集成电路的多个接垫与所述第一基材构件的所述导电挡墙对位，并通过所述导电接合材料粘合。
其中在提供所述第二基材构件的步骤中还包括：在所述第二基材形成多个贯穿孔，且所述贯穿孔分别暴露出所述集成电路的多个接垫；和在所述贯穿孔填入导电材料，以形成多个导电通孔；和在所述导电通孔处分别形成多个导电凸块。
其中在对位和组合所述第一基材构件和所述第二基材构件的步骤后，还包括：在所述第二基材形成多个贯穿孔，且所述贯穿孔分别暴露出所述集成电路的多个接垫；和在所述贯穿孔填入导电材料，以形成多个导电通孔；和在所述导电通孔处分别形成多个导电凸块。
本发明还提供了一种晶圆级感测元件封装结构，包括：第一基材构件，至少包括具有上表面的第一基材和感测元件，所述感测元件悬浮地连接于所述上表面上；第二基材构件，至少包括第二基材和集成电路，所述集成电路形成在所述第二基材上，其中所述第一基材构件的所述感测元件与所述第二基材构件的所述集成电路相对设置；和导电接合材料，位于所述第一基材构件和所述第二基材构件之间，以粘合所述第一基材构件和所述第二基材构件，其中，所述第一基材构件和所述第二基材构件之间具有封闭腔体，以保护所述感测元件。
其中所述第一基材构件包括：所述第一基材，具有所述上表面；电极层，形成于所述第一基材的所述上表面；所述感测元件，悬浮地形成于所述电极层上方；和导电挡墙，形成于所述第一基材的所述上表面，并位于所述感测元件的四周。
其中所述导电挡墙包括：牺牲材料凸块，形成于所述第一基材的所述上表面上；图案化感测元件材料层，包覆所述牺牲材料凸块；和图案化金属层，位于所述图案化感测元件材料层上，其中所述图案化金属层与所述电极层电性连接。
其中所述第二基材构件包括：所述第二基材，具有多个贯穿孔，所述贯穿孔内填有导电材料以形成多个导电通孔；所述集成电路，形成于所述第二基材上，且包括多个接垫，且所述导电通孔分别与所述接垫连接；和多个导电凸块，分别位于所述导电通孔处。
其中所述第二基材构件的所述导电通孔与所述第一基材构件的所述导电挡墙相对应。
其中所述导电接合材料为异方向性导电胶。
本发明还提供了一种晶圆级感测元件封装结构的制造方法，包括：提供第一基材构件，至少包括具有上表面的第一基材、多个感测元件和多个导电挡墙，所述感测元件分别悬浮地连接于所述上表面上，所述导电挡墙分别定义出多个容置空间，且每所述容置空间内具有对应的所述感测元件；提供第二基材构件，至少包括第二基材和集成电路，所述集成电路形成在所述第二基材上；提供导电接合材料于所述第一基材构件和所述第二基材构件之间；和对位和组合所述第一基材构件和所述第二基材构件，以形成封装结构，所述封装结构包括多个感测元件封装单元，且每所述感测元件封装单元具有封闭腔体以保护内部的所述感测元件，其中，对位和组合时所述第一基材构件的所述感测元件朝向所述第二基材构件的所述集成电路，并通过所述导电接合材料粘合所述第一基材构件和所述第二基材构件。
对位和组合步骤后还包括：切割所述封装结构，以形成独立的所述感测元件封装单元。
其中在提供所述第一基材构件的步骤中，还包括：形成电极层于所述第一基材的所述上表面，且所述感测元件形成在所述电极层上方；形成牺牲材料层于所述电极层上；图案化所述牺牲材料层，以形成多个牺牲材料凸块和多个图案化牺牲材料层，且所述牺牲材料凸块于所述第一基材上定义出所述容置空间，每个所述容置空间内具有对应的所述图案化牺牲材料层；形成感测元件材料层于所述电极层上方，并图案化所述感测元件材料层，以包覆所述牺牲材料凸块，并在每个所述容置空间内的所述图案化牺牲材料层上方形成所述感测元件；在每个所述容置空间内形成图案化金属层于所述第一基材上，且部分所述图案化金属层位于所述牺牲材料凸块和所述感测元件材料层上方，以形成所述导电挡墙，且所述图案化金属层与所述电极层电性连接；和在每个所述容置空间内移除所述图案化牺牲材料层，以在所述电极层上方形成所述感测元件。
其中在对位和组合所述第一基材构件和所述第二基材构件的步骤中，使所述第二基材构件中所述集成电路的多个接垫与所述第一基材构件的所述导电挡墙对位，并通过所述导电接合材料粘合，以形成所述感测元件封装单元。
其中在提供所述第二基材构件的步骤中还包括：在所述第二基材形成多个贯穿孔，且所述贯穿孔分别暴露出所述集成电路的多个接垫；和在所述贯穿孔填入导电材料，以形成多个导电通孔；和在所述导电通孔处分别形成多个导电凸块。
其中在对位和组合所述第一基材构件和所述第二基材构件的步骤后，还包括：在所述第二基材形成多个贯穿孔，且所述贯穿孔分别暴露出所述集成电路的多个接垫；和在所述贯穿孔填入导电材料，以形成多个导电通孔；和在所述导电通孔处分别形成多个导电凸块。
为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下：
附图说明
图1A～1J示出了依照本发明第一实施例的晶圆级感测元件封装结构的制造方法。
图2A～2C示出了依照本发明第二实施例的晶圆级感测元件封装结构的制造方法。
具体实施方式
本发明提出了一种晶圆级感测元件的封装结构及其制造方法。在制造方法上，主要是利用一个具有感测元件的晶圆基材和一个具有集成电路的晶圆基材对位接合，以形成封装结构，且封装结构包括多个感测元件封装单元，之后再对该封装结构进行切割，以形成独立的感测元件封装单元。其中，每一个封装单元均具有封闭腔体来保护内部的感测元件。本发明还提出新的金属布线和与之相配合的结构设计，例如使用导电接合材料和在基材上的适当位置处形成导电通孔，以使对位接合后的两晶圆基材可做有效的电性连接。
以下提出了第一、第二实施例作为本发明的说明。值得注意的是，实施例中所提出的细部结构和制作步骤仅为举例说明之用，并不是用来限制和缩小本发明想要保护的范围。另外，为清楚说明本发明，在两个实施例的图示中均仅示出了一个感测元件封装单元。再者，实施例中的图示也省略了不必要的组件，以利于清楚显示本发明的技术特点。
第一实施例
请参照图1A～1J，其示出了依照本发明第一实施例的晶圆级感测元件封装结构的制造方法。
<在晶圆上制作出第一基材构件>
第一基材构件例如是具有微机电感测元件的基材构件，制法请参考图1A～1E。
首先，如图1A所示，提供具有上表面101a的第一基材101，再通过图案化制程形成电极层102于第一基材101的上表面101a上方。其中，第一基材101为晶圆基材(wafer substrate)，而电极层102例如是金属层。
接着，形成牺牲材料层于电极层102上，并通过图案化以形成多个牺牲材料凸块(block)103a和图案化牺牲材料层103b，其中牺牲材料凸块103a在第一基材101上定义出容置空间S，且图案化牺牲材料层103b位于容置空间S内，如图1B所示。其中，牺牲材料层的材料例如是氧化硅、高分子聚合物(作为光阻层的材料)、或金属(例如铝、铜等)。
然后，形成感测元件材料层于电极层102上方，并通过图案化后，感测元件材料层104a包覆牺牲材料凸块103，并在容置空间S内的图案化牺牲材料层103b上方形成感测元件104b，如图1C所示。其中，感测元件材料层例如是多晶硅。
接着，如图1D所示，形成图案化金属层105于第一基材101上，且部分图案化金属层位于牺牲材料凸块103a和感测元件材料层104a的上方，且图案化金属层105与电极层102电性连接，其中，牺牲材料凸块103a、感测元件材料层104a和图案化金属层105构成导电挡墙106，且导电挡墙106位于感测元件104b的四周。
之后，如图1E所示，移除图案化牺牲材料层103b，以使感测元件104b悬浮地连接于电极层102上方，作为感测元件。
图1E即为本发明第一实施例的第一基材构件10的剖面示意图。
<在晶圆上制作出第二基材构件>
第二基材构件例如是具有集成电路的基材构件，制法请参考图1F～1H。
首先，如图1F所示，提供第二基材201，且第二基材201具有集成电路202。其中，第二基材201为晶圆基材；集成电路202例如是形成于第二基材201的正面201a处。而集成电路202的形成为本领域技术人员所熟知的，在此不多赘述。
之后，如图1G所示，从第二基材201的背面201b处，例如是以蚀刻方式，形成多个贯穿孔203，且贯穿孔203分别暴露出集成电路202的多个接垫202a。
接着，如图1H所示，填入导电材料于贯穿孔203中，以形成多个导电通孔203’，并于每一导电通孔203’处形成导电凸块204。其中，填入导电材料的步骤例如是使用金属沉积方式形成金属导电通孔。其中，导电凸块204的材料例如是金、铜、锡、银及其合金、或锡铅合金。
图1H即为本发明第一实施例的第二基材构件20的剖面示意图。
<对位和组合第一和第二基材构件>
在分别完成第一基材构件10(图1E)和第二基材构件20(图1H)的制作后，即进行两者的对位与组合。
如图1I所示，使第一基材构件10的感测元件104b朝向第二基材构件20的集成电路202，进行预先对位，并提供导电接合材料301于第一基材构件10和第二基材构件20之间。对位时，令第二基材构件20的集成电路202的多个接垫202a(或导电通孔203’)对准第一基材构件10的导电挡墙106。
接着，如图1J所示，对位和组合并通过导电接合材料301粘合第一基材构件10和第二基材构件20，以形成封闭腔体保护感测元件104b。
在此实施例中，导电接合材料301例如是异方向性导电胶(ACF)，并利用加热压合的方式对位和组合第一基材构件10和第二基材构件20。
<切割封装结构>
两晶圆的基材构件对位和组合完成后，其封装结构包括了多个如图1J所示的感测元件封装单元。之后可再通过切割步骤，形成独立的封装单元。
图1J即为依照本发明第一实施例的一个晶圆级感测元件封装单元的剖面示意图。其中，第二基材构件20的导电凸块204可用于与外部电路板(PCB)(未显示)电性连接，并通过导电通孔203’、导电接合材料301、导电挡墙106、电极层102的路径，以驱动感测元件104b。
第二实施例
图2A～2C，其示出了依照本发明第二实施例的晶圆级感测元件封装结构的制造方法。第二实施例的元件沿用第一实施例组件的标号。
如图2A所示，利用导电接合材料301，将第一基材构件10和具有集成电路202的第二基材201进行对位和组合。其中，第一基材构件10的制造方法请参照第一实施例的说明和图1A～1E。
对位和组合后，如图2B所示，从第二基材201的背面201b处，例如是以蚀刻方式，形成多个贯穿孔203，且贯穿孔203分别暴露出集成电路202的多个接垫202a。
接着，如图2C所示，填入导电材料于贯穿孔203中，以形成多个导电通孔203’，并在每一导电通孔203’处形成导电凸块204。其中，填入导电材料的步骤例如是使用金属沉积方式形成金属导电通孔。其中，导电凸块204的材料例如是金、铜、锡、银及其合金、或锡铅合金。此时完成与第一实施例相同的第二基材构件20。
与第一实施例不同的是，第二实施例是在第二基材201与第一基材构件10完成对位和组合后，才进行导电通孔203’与导电凸块204的制作。而两个实施例最后完成的封装结构(如图1J和图2C所示)是相同的。
本发明可应用在各种的领域，例如封装单元中的感测元件可以是压力计、加速度计、陀螺仪或其它组件，而感测的方式也没有特别限制。根据本发明所提出的方法，可制作出一个相对于外界环境具有良好的保护效果、且可灵敏地获得感测结果的微机电封装结构。
综上所述，虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用于限定本发明。本发明所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更改与润饰。因此，本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。
主要组件符号说明
10：第一基材构件 20：第二基材构件
101：第一基材101 101a：第一基材101的上表面
102：电极层 103a：牺牲材料凸块
103b：图案化牺牲材料层 104a：感测元件材料层
104b：感测元件 S：容置空间
105：图案化金属层 106：导电挡墙
201：第二基材 201a：第二基材201的正面
201b：第二基材201的背面 202：集成电路
202a：接垫 203：贯穿孔
203’：导电通孔 204：导电凸块
301：导电接合材料
Claims (10)
1.一种晶圆级感测元件封装结构的制造方法，包括：
提供第一基材构件，至少包括具有上表面的第一基材和感测元件，所述感测元件悬浮地连接于所述上表面上；
提供第二基材构件，至少包括第二基材和集成电路，所述集成电路形成在所述第二基材上；
在所述第一基材构件和所述第二基材构件之间提供导电接合材料；和
对位和组合所述第一基材构件和所述第二基材构件，以形成封闭腔体保护所述感测元件，
其中，对位和组合时所述第一基材构件的所述感测元件朝向所述第二基材构件的所述集成电路。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其中在提供所述第一基材构件的步骤中，包括：
在所述第一基材的所述上表面形成电极层；
在所述电极层上方形成所述感测元件；和
在所述第一基材的所述上表面形成导电挡墙，并位于所述感测元件的四周。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其中在形成所述电极层的步骤后，包括：
在所述电极层上形成牺牲材料层；
图案化所述牺牲材料层，以形成多个牺牲材料凸块和图案化牺牲材料层，且所述牺牲材料凸块在所述第一基材上限定出容置空间，所述图案化牺牲材料层位于所述容置空间内；
在所述电极层上方形成感测元件材料层，并图案化所述感测元件材料层，以包覆所述牺牲材料凸块，并在所述容置空间内的所述图案化牺牲材料层上方形成所述感测元件；
在所述第一基材上形成图案化金属层，且部分所述图案化金属层位于所述牺牲材料凸块和所述感测元件材料层上方，以形成所述导电挡墙，且所述图案化金属层与所述电极层电性连接；和
移除所述图案化牺牲材料层，以形成所述感测元件悬浮地连接于所述电极层上方。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其中在对位和组合所述第一基材构件和所述第二基材构件的步骤中，使所述第二基材构件的所述集成电路的多个接垫与所述第一基材构件的所述导电挡墙对位，并通过所述导电接合材料粘合。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其中在提供所述第二基材构件的步骤中还包括：
在所述第二基材形成多个贯穿孔，且所述贯穿孔分别暴露出所述集成电路的多个接垫；和
在所述贯穿孔填入导电材料，以形成多个导电通孔；和
在所述导电通孔处分别形成多个导电凸块。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其中在对位和组合所述第一基材构件和所述第二基材构件的步骤后，还包括：
在所述第二基材形成多个贯穿孔，且所述贯穿孔分别暴露出所述集成电路的多个接垫；和
在所述贯穿孔填入导电材料，以形成多个导电通孔；和
在所述导电通孔处分别形成多个导电凸块。
7.一种晶圆级感测元件封装结构，包括：
第一基材构件，至少包括具有上表面的第一基材和感测元件，所述感测元件悬浮地连接于所述上表面上；
第二基材构件，至少包括第二基材和集成电路，所述集成电路形成在所述第二基材上，其中所述第一基材构件的所述感测元件与所述第二基材构件的所述集成电路相对设置；和
导电接合材料，位于所述第一基材构件和所述第二基材构件之间，以粘合所述第一基材构件和所述第二基材构件，
其中，所述第一基材构件和所述第二基材构件之间具有封闭腔体，以保护所述感测元件。
8.根据权利要求7所述的封装结构，其中所述第一基材构件包括：
所述第一基材，具有所述上表面；
电极层，形成于所述第一基材的所述上表面；
所述感测元件，悬浮地形成于所述电极层上方；和
导电挡墙，形成于所述第一基材的所述上表面，并位于所述感测元件的四周。
9.根据权利要求8所述的封装结构，其中所述导电挡墙包括：
牺牲材料凸块，形成在所述第一基材的所述上表面上；
图案化感测元件材料层，包覆所述牺牲材料凸块；和
图案化金属层，位于所述图案化感测元件材料层上，其中所述图案化金属层与所述电极层电性连接。
10.一种晶圆级感测元件封装结构的制造方法，包括：
提供第一基材构件，至少包括具有上表面的第一基材、多个感测元件和多个导电挡墙，所述感测元件分别悬浮地连接于所述上表面上，所述导电挡墙分别定义出多个容置空间，且每所述容置空间内具有对应的所述感测元件；
提供第二基材构件，至少包括第二基材和集成电路，所述集成电路形成在所述第二基材上；
在所述第一基材构件和所述第二基材构件之间提供导电接合材料；和
对位和组合所述第一基材构件和所述第二基材构件，以形成封装结构，所述封装结构包括多个感测元件封装单元，且每所述感测元件封装单元具有封闭腔体以保护内部的所述感测元件，
其中，对位和组合时所述第一基材构件的所述感测元件朝向所述第二基材构件的所述集成电路，并通过所述导电接合材料粘合所述第一基材构件和所述第二基材构件。
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