CN101819214A - 基于陶瓷圆片级封装的集成风速风向传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于陶瓷圆片级封装的CMOS集成风速风向传感器的制作，包括以下步骤：第一步，陶瓷芯片的制备，利用溅射和刻蚀工艺在陶瓷芯片下表面制作加热元件和用于电连接、热连接以及电引出的焊盘。第二步，硅芯片的制备，利用标准CMOS工艺制作热传感测温元件，并利用MEMS各向异性湿法腐蚀工艺制备隔热空腔及硅芯片背面的裂片槽，然后在硅芯片上表面制备铜凸点和焊料。第三步，利用倒装焊封装技术实现硅芯片与陶瓷芯片之间的互连封装，实现两芯片间的电连接和热连接。第四步，划片。第五步，裂片，完成传感器的制备。整个传感器的制备过程，所使用的制备工艺与标准CMOS工艺兼容，后处理工艺简单，封装采用倒装焊封装技术实现传感器的圆片级封装，具有工艺一致性高，兼容性好，后续工艺简单，低成本的特点。

Description

基于陶瓷圆片级封装的集成风速风向传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种采用倒装焊封装(Flip-chip)技术实现的陶瓷圆片级封装，并与标准CMOS工艺兼容的风速风向传感器，尤其涉及一种低功耗的基于陶瓷圆片级封装的集成风速风向传感器及其制备方法。

技术背景

在CMOS集成风速风向传感器的设计中，封装一直以来是阻碍其发展的技术瓶颈。一方面其封装材料即要求具有良好的热传导性能，又要求对传感器具有保护作用，并且设计中还需要考虑到封装材料对传感器灵敏度、可靠性以及价格等方面的影响，这就限制了传感器自身封装设计的自由度。另一方面，热式流量传感器要求传感器的敏感部分暴露在测量环境中，同时又要求处理电路与环境隔离，以免影响处理电路的性能，两者对封装的要求产生了矛盾。

以往报道的硅风速风向传感器大都将硅片的敏感表面直接暴露在自然环境中，以便能够感知外界风速变化。这样一来，硅片很容易受到各种污染，导致其性能的不稳定，甚至损坏。如果采用热导率较高的陶瓷基片，利用倒装焊封装或者导热胶贴附的方式对传感器硅芯片进行封装，就能够较好的避免上述的矛盾，但是封装后传感器产生的热量绝大部分以热传导的方式从硅基衬底耗散掉，仅有很小的一部分通过陶瓷与外界空气进行了热交换，大大降低输出敏感信号的幅值，通过增大传感器的功耗能够提高敏感信号的幅值，但又造成整个传感器系统较大的功耗。

本发明根据以往硅风速风向传感器存在的问题，提出了一种利用倒装焊封装技术实现的基于陶瓷封装CMOS集成的风速风向传感器，设计结构在保证与标准CMOS工艺兼容以及实现圆片级封装的同时，能够大大降低加热元件在硅基衬底上的热传导，在较低功耗下可以获得较大的输出信号。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于陶瓷圆片级封装的集成风速风向传感器及其制备方法。设计的传感器结构以及封装形式有利于在保证较大敏感信号幅值的同时，传感器系统具有较低的功耗。

技术方案：

本发明将硅风速传感器结构中的加热元件从硅片中分离出来，制造于陶瓷基板下表面，并以倒装焊封装的形式将硅芯片和陶瓷芯片集成在一起。本发明通过制备于陶瓷芯片下表面的加热元件在芯片表面建立一个温度场，陶瓷芯片上表面暴露在外界环境中，由加热元件在陶瓷芯片上表面建立的温度场去感受风的变化，热传感测温元件通过用于热连接的铜凸点测出该温度场温度分布的变化情况。在外界无风的条件下，温度场的分布呈现完全对称的状态。当外界有风从陶瓷芯片上表面吹过时，风将以热对流的方式从陶瓷芯片上表面带走部分的热量，热传感测温元件通过铜凸点的热传导作用测出该温度场的变化，进而可反映风速的大小；对称分布的上游和下游热传感测温元件的差分输出反映陶瓷芯片上表面温度场温度梯度的变化，能够反映风向的变化信息。

传感器结构中用于倒装焊封装的薄层陶瓷片一方面作为用于保护下层硅芯片的封装基板，另一方面又作为感受外界风的变化的敏感元件。整个传感器只有陶瓷的上表面和风的环境接触，其他元件和电路均通过陶瓷芯片和外界环境隔绝，因此能够避免受到外界环境的污染。通过溅射和刻蚀工艺在陶瓷芯片背面制备金属层，用于形成加热元件、倒装焊焊盘和电引出焊盘，铜凸点用于实现陶瓷芯片与硅芯片间的电连接和热连接。加热元件制备在陶瓷上而不是在硅片上，并且硅片上表面与加热元件相对应的区域使用MEMS各向异性湿法腐蚀工艺制备了隔热空腔，有效减少了由于硅衬底的热传导造成的热损失，从而大大降低了无用功耗。本发明传感器的结构适用于制备二维的风速风向传感器。

本传感器设计方案中，第一步陶瓷芯片制备中，陶瓷芯片背面的加热元件和用于倒装焊封装的电连接、热连接焊盘和电引出焊盘的制备，采用了与CMOS工艺兼容的溅射和刻蚀工艺技术；第二步硅芯片上测热传感温元件的制备中，采用的是标准CMOS集成电路工艺；第三步正面隔热空腔和硅芯片背面裂片槽的制备中，利用了MEMS各向异性湿法腐蚀工艺，通过硅芯片表面热传感测温元件制备过程中的版图设计能够精确控制腐蚀腔的形状和深度。第四步凸点工艺中，利用厚胶工艺和电镀工艺实现；第五步圆片级封装中，陶瓷芯片与硅芯片之间的电连接和热连接使用倒装焊机实现，倒装过程环境温度为350℃，与CMOS工艺兼容。第五步制备硅芯片背面裂片槽中，使用MEMS各向异性湿法腐蚀工艺，能够通过版图设计精确控制裂片槽的位置和深度。

本发明获得如下效果：

1.本发明的封装工艺属于传感器圆片级封装。工艺引入具有一定热导率的薄层陶瓷圆片作为传感器的封装材料，陶瓷片的大小与硅芯片完全相同，通过倒装焊封装技术实现硅芯片与陶瓷薄片之间的电连接和热连接。这种圆片级封装的形式与传统的单芯片封装的风速风向传感器相比，一方面大大降低了MEMS器件的封装成本，另一方面在很大程度上保证了传感器封装造成的偏差的一致性，降低了传感器后端信号调理的成本。

2.本发明将传感器的加热元件从硅芯片上分离出来，通过溅射和刻蚀工艺制作于陶瓷芯片背面，硅芯片与加热元件相对应区域利用MEMS湿法腐蚀工艺制作倒金字塔形空腔，这样一来加热元件与硅芯片之间能够形成空气隔离层，实现加热元件和硅衬间底较好的热隔离。传统的CMOS集成风速风向传感器，加热元件制作在硅基芯片表面，在降低硅基衬底热传导方面，一种方法是在硅芯片背面与加热元件对应区域利用湿法腐蚀工艺制备隔热空腔，其缺点在于制备出的热感应薄膜过于脆弱，热应力对信号检测的影响较大，并且无法实现传感器的封装。另一种方法是在加热元件下面制备多孔硅隔热层，这样一来制备工艺与标准CMOS工艺不兼容，并且多孔硅的制备工艺一致性较差，提高了后端传感器信号调理的难度。本发明提出的传感器结构在保证了与传统CMOS工艺完全兼容的同时，结构上的改进能够有效地降低传感器加热元件产生的热量在硅基芯片中的热传导，使得绝大部分热量用于感知外界环境中风速风向的变化，能够在较低功耗下获得较大的输出信号。

3.本发明采用MEMS各向异性湿法腐蚀工艺制作隔热空腔，具有成本低，一致性好，能够精确控制形状，一次工艺成型的特点，非常适用于利用CMOS标准工艺制作的MEMS传感器的后端处理。

4.本发明采用倒装焊封装技术实现陶瓷芯片与硅芯片之间的电连接和热连接，是一种非常理想的传感器圆片级封装技术。倒装过程环境温度为350℃，与CMOS工艺兼容。

5.本发明使用MEMS各向异性湿法腐蚀工艺制备硅芯片背面的裂片槽，解决了传感器芯片圆片级封装的电引出问题。本技术相比于硅通孔的制作，具有成本低，工艺简单，与CMOS工艺兼容的特点。

附图说明

图1为具有加热元件和焊盘的陶瓷芯片的制备流程。

图2为制备完成的陶瓷芯片，a)为侧视图，b)为顶视图。

图3为具有测温元件和空腔的硅芯片的制备流程。

图4为制备完成的硅芯片，a)为侧视图，b)为顶视图。

图5为利用倒装焊技术完成的传感器圆片级封装。

图6为最终划片，裂片后的单片传感器芯片。

具体实施方式

实施例1

一种基于陶瓷圆片级封装的CMOS集成风速风向传感器的制作过程如下：

第一步，陶瓷芯片的制备

1)在陶瓷衬底1下表面溅射一层金属铝2，见图1(a)；

2)在金属铝层2上旋涂光刻胶，并进行光刻，露出需要去除的金属铝。利用干法刻蚀工艺去除未被光刻胶保护的金属铝2，见图1(b)；

3)去除光刻胶，完成陶瓷芯片上金属铝加热元件3，上热连接金属铝焊盘4，上电连接金属铝焊盘5和电引出金属铝焊盘6的制备，见图1(c)。

第二步，利用标准CMOS工艺制备硅芯片

1)在硅衬底7表面热生长第一热氧化层8，见图3(a)；

2)在第一热氧化层8上化学气相淀积多晶硅9，再对多晶硅进行光刻和腐蚀进行图形化，多晶硅9作为热传感测温元件14的一个金属端，见图3(b)；

3)在多晶硅9上化学气相淀积氧化层10，作为电绝缘层，并在多晶硅的引出端利用干法工艺制备通孔11，见图3(c)；

4)化学气相淀积金属铝，并利用刻蚀工艺对铝进行图形化，其中，金属铝13作为测温热电偶元件14的另一金属端，金属铝12作为硅片上下电连接焊盘的底层金属，4个热传感测温元件14为热传感测温元件，四边对称分布于硅芯片7上表面，见图3(d)；

5)在金属铝12及金属铝13上化学气相淀积氧化层14，并在下电连接焊盘的底层金属铝12上方制备通孔15，见图3(e)；

6)化学气相淀积金属铝，并利用刻蚀工艺对铝进行图形化，形成下电连接焊盘17和下热连接焊盘18。其中，下热连接焊盘18与测温热电偶元件16的另 一金属端金属铝13之间有一层氧化层作为电绝缘层，它们之间只有热通路而不存在电通路，见图3(f)；

7)在硅衬底7下表面化学气相淀积氮化硅19，并利用刻蚀工艺对氮化硅进行图形化，氮化硅19作为在硅衬底7背面制备裂片槽31的掩膜，通孔20为裂片槽31的掩膜开孔，利用湿法腐蚀溶液从此处对硅片进行腐蚀制备裂片槽31，见图3(g)；

8)在硅衬底7正表面上，在4个测温热电偶元件16的中心区域利用干法刻蚀工艺刻蚀掉氧化层8，氧化层10和氧化层14，在制备隔热空腔的区域露出使硅衬底7，见图3(h)；

9)将硅片置于夹具容器中，背面处于保护区域，正面与掺有硅粉的TMAH腐蚀液接触。由于腐蚀为各向异性自停止腐蚀，腐蚀后得到隔热空腔22，形状为倒置金字塔状，斜边角度为54.7°，隔热空腔22位于硅衬底7的正面，4个测温热电偶元件16的中心，其位置与封装后的风速计芯片中的陶瓷片上的加热元件位置呈垂直映射关系，见图3(i)；

10)在硅片正面旋涂光刻胶，并利用光刻工艺去掉下电连接焊盘17和下热连接焊盘18上的光刻胶，制备出电镀通孔24，见图3(j)；

11)利用电镀工艺制备铜柱凸点，铜柱25为电连接凸点29的铜柱，铜柱26为热连接凸点30的铜柱，见图3(k)；

12)利用丝网印刷技术在铜柱25和铜柱26上制备铅锡焊料，铅锡焊料27位于铜柱25之上，铅锡焊料28位于铜柱26之上，见图3(l)；

13)去除硅衬底7上表面的光刻胶，高温回流，凸点29为具有铅锡焊料下电连接凸点，凸点30为具有铅锡焊料下热连接凸点，见图3(m)；

14)将硅片置于夹具容器中，正面处于保护区域，背面与掺有硅粉的TMAH腐蚀液接触。由于腐蚀为各向异性自停止腐蚀，腐蚀后得到裂片槽31，形状为倒置金字塔状，斜边角度为54.7°，见图3(n)。

第三步，倒装焊封装

利用倒装焊工艺，在环境温度为350℃下实现陶瓷芯片1与硅芯片7之间的封装，即通过热连接凸点30和热连接焊料28实现上热连接焊盘4与下热连接焊盘18的互连，完成陶瓷片与硅芯片之间的热连接；通过电连接凸点29和电连接焊料27实现上电连接焊盘5与下电连接焊盘17的互连，完成陶瓷片与硅芯片之间的电连接。

第四步划片

第六步，裂片

利用裂片机去除裂片槽31外围的硅基，完成硅芯片的裂片，露出位于陶瓷片1下表面的电引出焊盘6，最终完成风速风向传感器芯片的制作。

本发明是一种实现CMOS集成风速风向传感器制备以及封装的方案。传感器芯片与外界环境中的风相接触的一侧为陶瓷芯片1的上表面，由于陶瓷材料具有一定的热传导率，通过位于陶瓷芯片1下表面的加热元件3产生的热量，能够在陶瓷芯片1的上表面建立起一定的温度场的分布。在无风条件下该温度场分布围绕加热元件3呈对称分布；在外界环境存在一定风速的条件之下，该对称分布被打破，生成一个温度梯度场，梯度方向与风向的方向保持一致。4个热传感测温元件呈对称布局分布在硅芯片7上表面的隔热空腔22的周围。陶瓷芯片1上表面的温度场能够利用热连接凸点30的热传导特性传给热传感测温元件，进而测出陶瓷芯片1上表面的温度场变化情况。对4个热传感测温元件的输出信号进行处理，就可以得到外界环境中风速和风向的信息。陶瓷芯片1和硅芯片7之间的间隙为空气介质层。

传统的CMOS集成风速风向传感器，传感器的加热元件和测温元件均制作于硅芯片表面，然后以倒装焊倒装或者导热胶贴附的形式与陶瓷芯片实现封装。由于硅的热导率远远大于陶瓷的热导率，因此封装后硅上加热元件产生的热量绝大部分从硅衬底以热传导的方式耗散掉，仅仅只有少量的热量通过陶瓷芯片与空气产生热对流换热，这样一方面大大降低了传感器的输出信号，另一方面提高了传感器的工作功率，降低了传感器的效能。基于这个问题，前人提出在硅衬底背面制作空腔或者在加热元件下制作一层多孔硅用于降低硅衬底的热传导，这样就对传感器的封装或者工艺的一致性和CMOS工艺兼容性提出了挑战。

本发明中，一方面将加热元件从硅芯片中分离出来，制作于用于传感器封装的陶瓷芯片下表面，并且与加热元件3相对应的硅芯片7的上表面区域利用MEMS各向异性湿法腐蚀工艺制备隔热空腔22，这样加热元件3在工作过程中产生的大部分热量将通过陶瓷芯片1的上表面与外界环境的风进行热交换，仅仅有较少的热量通过用于热连接的铜凸点30损失在硅芯片7上，这样就能够较大程度的降低传感器的无用功耗。另一方面加热元件3的制备工艺与陶瓷芯片1上用于倒装焊的上电连接的焊盘5和倒装焊的上热连接的焊盘4的制备工艺相同，因此不增加工艺步骤。陶瓷芯片1和硅芯片7之间为热导率非常小的空气间隙，能够形成形成良好的隔热层。

Claims (4)

1.一种基于陶瓷圆片级封装的集成风速风向传感器，包括陶瓷芯片(1)和硅芯片(7)，硅芯片(7)位于陶瓷芯片(1)的下方，在硅芯片(7)的上表面四边对称分布设有4个热传感测温元件(14)，每个热传感测温元件上热连接有2个下热连接焊盘(18)且每个热传感测温元件电连接有2个下电连接焊盘(17)，在陶瓷芯片(1)的下表面上设有与每个下热连接焊盘相对应的上热连接焊盘(4)和每个下电连接焊盘相对应的上电连接焊盘(5)，在互相对应的上、下热连接焊盘之间设有热连接凸点(30)，在互相对应的上、下电连接焊盘之间设有电连接凸点(29)，电连接凸点(29)上设有电连接焊料(27)，热连接凸点(30)上设有热连接焊料(28)，在硅芯片(7)上表面位于4个热传感测温元件中间位置设有隔热空腔(22)，其特征在于加热元件(3)设在陶瓷芯片(1)的下表面上。

2.根据权利要求1所述的基于陶瓷圆片级封装的集成风速风向传感器，其特征在于隔热空腔(22)位于加热元件(3)的正下方。

3.根据权利要求1所述的基于陶瓷圆片级封装的集成风速风向传感器，其特征在于在陶瓷芯片(1)的下表面上设有电引出焊盘(6)，电引出焊盘(6)在硅芯片(7)上的投影从硅芯片(7)上延伸至硅芯片(7)以外区域。

4.一种权利要求1、2或3所述的基于陶瓷圆片级封装的集成风速风向传感器的制备方法，其特征在于：

第一步，陶瓷芯片的制备

首先利用溅射工艺在陶瓷芯片(1)的背面生长金属铝层(2)，然后利用光刻和刻蚀工艺对金属铝层(2)进行图形化，最后去除光刻胶，完成陶瓷片上加热元件(3)，上热连接焊盘(4)、上电连接焊盘(5)以及电引出焊盘(6)的制备；

第二步，硅芯片的制备

步骤1，在硅芯片(7)表面热生长第一热氧化层(8)；

步骤2，在第一热氧化层(8)上制备多晶硅(9)，作为热传感测温元件(14)的一个金属端；

步骤3，在多晶硅(9)上化学气相淀积氧化层(10)，并利用刻蚀工艺制备通孔(11)；

步骤4，溅射并图形化金属铝(13)，作为热传感测温元件(14)的另一金属端；

步骤5，化学气相淀积氧化层(14)，并制备通孔(15)；

步骤6，化学气相淀积金属铝，并图形化制备电连接焊盘(17)和下热连接焊盘(18)；

步骤7，在硅衬底7下表面化学气相淀积氮化硅(19)，并图形化作为裂片槽(31)的掩膜；

步骤8，在硅衬底(7)正表面上，刻蚀掉氧化层(8)，氧化层(10)和氧化层(14)，在制备隔热空腔的区域露出使硅衬底(7)；

步骤9，硅芯片正(7)上表面各向异性腐蚀制备隔热空腔(22)；

步骤10，利用光刻及可是工艺，制备电镀通孔(24)；

步骤11，电镀制备热连接铜柱(26)及电连接铜柱(25)；

步骤12，利用丝网印刷技术在铜柱(25)和铜柱(26)上制备铅锡焊料；

步骤13，去除硅衬底(7)上表面的光刻胶，高温回流，完成热连接凸点(30)及电连接凸点(29)的制备；

步骤14，硅芯片正(7)下表面各向异性腐蚀制备裂片槽(31)。

第三步，倒装焊封装

利用倒装焊技术，通过热连接凸点(30)实现上热连接焊盘(4)与下热连接焊盘(18)的互连，实现陶瓷芯片(1)与硅芯片(7)之间的热通路；通过热连接凸点(29)实现上电连接焊盘(5)与下电连接焊盘(17)的互连，实现陶瓷芯片(1)与硅芯片(7)之间的电通路。

第四步，划片。

第五步，裂片

利用裂片机去除裂片槽(31)外围的硅基，完成硅芯片的裂片，露出位于陶瓷片(1)下表面的电引出焊盘(6)，最终完成风速风向传感器芯片的制作。

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