CN102072967B - 基于金金键合工艺的热式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金金键合工艺的热式风速风向传感器，包括陶瓷芯片和减薄硅芯片，减薄硅芯片位于陶瓷芯片的下方，在减薄硅芯片的上表面四边对称分布设有4个热传感测温元件，在陶瓷芯片的下表面上设有4个加热元件，陶瓷芯片与减薄硅芯片之间利用金凸点的金金键合工艺实现电气连接和热连接，在减薄硅芯片上设有空腔，用于对硅芯片衬底进行减薄、加热元件与减薄硅芯片之间的热隔离以及释放后陶瓷芯片上电引出金凸点的露出。整个传感器的制备过程，所使用的制备工艺与集成电路工艺兼容，后处理工艺简单，封装采用金金键合技术实现传感器的圆片级封装并利用湿法腐蚀技术实现圆片级释放。

Description

基于金金键合工艺的热式风速风向传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于金金键合工艺的热式风速风向传感器及其制备方法，尤其涉及一种低功耗的热式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，提出了一种利用金金键合技术实现的基于陶瓷封装CMOS集成的热式风速风向传感器，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。并通过最后一步湿法腐蚀技术，实现加热元件和硅衬底的完全热隔离和解决在圆片级封装过程中的电引出问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于金金键合工艺的热式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。

本发明采用如下技术方案：

一种基于金金键合工艺的热式风速风向传感器，包括陶瓷芯片和减薄硅芯片，减薄硅芯片位于陶瓷芯片的下方，在减薄硅芯片的上表面四边对称分布设有4个热传感测温元件，每个热传感测温元件上热连接有2个下热连接焊盘且每个热传感测温元件电连接有2个下电连接焊盘，在下热连接焊盘上设置有下热连接金凸点，在下电连接焊盘上设置有下电连接金凸点，在陶瓷芯片的下表面上设有与每个下热连接焊盘相对应的上热连接金凸点和上热连接焊盘以及每个下电连接焊盘相对应的上电连接金凸点和上电连接焊盘，其特征在于在减薄硅芯片上表面位于4个热传感测温元件中间位置设有空腔，在4个热传感测温元件四周位置与陶瓷芯片上电引出金凸点相对应区域设置有空腔，空腔的深度为30微米至50微米，用于加热元件与减薄硅芯片之间的热隔离，并用于最后圆片级释放时，陶瓷芯片上电引出金凸点的露出，加热元件设在陶瓷芯片的下表面上。 

一种基于金金键合工艺的热式风速风向传感器的制备方法如下所述：

第一步，陶瓷芯片的制备

步骤1，在陶瓷芯片的背面旋涂光刻胶并利用光刻工艺进行光刻胶的图形化；

步骤2，利用溅射工艺制备金属铂层，并利用剥离工艺对金属铂层进行图形化，完成陶瓷片上加热元件、上热连接焊盘、上电连接焊盘以及电引出焊盘的制备；

步骤3，再次旋涂光刻胶并利用光刻工艺对光刻胶进行图形化；

步骤4，利用溅射工艺制备金属金层，并利用剥离工艺对金属金层进行图形化，用于在上热连接焊盘、上电连接焊盘以及电引出焊盘上制备上热连接金凸点、上电连接金凸点以及电引出金凸点的制备；

第二步，减薄硅芯片的制备

步骤1，在硅芯片表面热生长第一热氧化层；

步骤2，在第一热氧化层上制备多晶硅，作为热传感测温元件的一个端；

步骤3，在多晶硅上化学气相淀积氧化层，并利用刻蚀工艺制备通孔；

步骤4，溅射并图形化金属铝，作为热传感测温元件的另一端；

步骤5，化学气相淀积氧化层，并制备通孔；

步骤6，化学气相淀积金属铝，并图形化制备下电连接焊盘和下热连接焊盘；

步骤7，旋涂光刻胶并图形化，溅射金属金层，并利用剥离工艺制备下热连接金凸点和下电连接金凸点；

步骤8，利用干法刻蚀工艺在硅芯片正表面制备30微米至50微米深度的隔热用空腔和电引出金凸点露出用空腔，此深度定义了传感器最终减薄硅芯片的衬底厚度；

第三步，金金键合封装

利用金金键合技术，通过上热连接金凸点与下热连接金凸点之间的金金键合实现上热连接焊盘与下热连接焊盘之间的热连接，实现陶瓷芯片与硅芯片之间的热通路；通过上电连接金凸点与下电连接金凸点之间的金金键合实现上电连接焊盘与下电连接焊盘之间的电连接，实现陶瓷芯片与硅芯片之间的电通路；

第四步，湿法腐蚀释放

将金金键合后的芯片至于腐蚀液中，使腐蚀液与硅芯片的背面相接触，利用夹具保护金金键合后的陶瓷芯片的正表面免于与腐蚀溶液接触，腐蚀至能够观测到陶瓷芯片上电引出金凸点及加热元件停止，此时硅芯片的衬底厚度被减薄至空腔和空腔的深度大小，即减薄硅芯片的衬底厚度即为和空腔的深度；

第五步，划片，完成风速风向传感器的制备。

本发明将硅风速传感器结构中的加热元件与测温元件分离，加热元件制备于陶瓷基板下表面，测温元件制备于硅芯片正表面，并利用金凸点以金金键合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金凸点作为热连接的中间媒介测出该温度场温度分布的变化情况，并通过用于电连接的金凸点将检测信号传递到陶瓷芯片上并通过陶瓷芯片上的电引出焊盘实现与外界的电互联。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金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、焊盘和金凸点，金凸点用于实现陶瓷芯片与硅芯片间的电连接和热连接。利用干法刻蚀工艺在硅片上表面与加热元件相对应的区域制备隔热空腔，并利用湿法腐蚀技术实现加热元件和衬底的完全热隔离，极大程度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热式风速风向传感器。

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金金键合封装的电连接、热连接焊盘和电引出焊盘以及相应的金凸点的制备，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的制备中，利用了MEMS干法刻蚀工艺。第四步圆片级封装中，利用金金键合工艺实现，与CMOS工艺兼容；第五步圆片级释放中，利用了MEMS湿法腐蚀工艺。

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，在减薄硅芯片和陶瓷芯片上均制备金凸点，通过金金键合技术实现硅芯片与陶瓷芯片之间的电连接和热连接，金凸点与倒装焊凸点相比具有图形稳定和一致性好的优点，以使得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干法刻蚀工艺制作空腔，这样一来加热元件能够完全实现与硅芯片之间的热隔离。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，将加热元件和测温元件分别制备在陶瓷芯片和硅芯片上，并在与加热元件相对应的硅芯片的区域制备空腔，这样能够使得加热元件和测温元件之间形成一个空气隔热层，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，使得产生的热量大部分与外界环境进行热交换用于对风速风向的检测，能够在较低功耗下获得较大的输出信号。

3.本发明采用MEMS干法刻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.本发明采用金金键合技术实现陶瓷芯片与硅芯片之间的电连接和热连接，所使用的键合用金凸点具有几何和材料特性稳定，性能一致性较好的特点，是一种非常理想的传感器圆片级封装技术。键合过程环境温度为350℃，与CMOS工艺兼容。

5.本发明首先在硅芯片正表面制备30微米至50微米的空腔，然后使用MEMS各向异性湿法腐蚀工艺从硅芯片背面腐蚀硅芯片衬底，直至能够观测到陶瓷芯片上的金焊盘为止，这种方法能够将硅芯片衬底减薄至30微米至50微米厚度，大大减小硅芯片的热容量，提高传感器的灵敏度以及降低热响应时间，并且在对硅芯片衬底减薄的同时实现了键合芯片的圆片级释放，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。

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。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。

附图说明

图1为陶瓷芯片上加热元件的制备流程。

图2为陶瓷芯片上金凸点的制备流程。

图3为制备完成的陶瓷芯片的侧视图。

图4为制备完成的陶瓷芯片的顶视图。

图5为硅芯片上测温元件的制备流程

图6为硅芯片上测温元件的电引出及空腔的的制备流程。

图7为制备完成的硅芯片的侧视图。

图8为制备完成的硅芯片的顶视图。

图9为利用金金键合技术完成的传感器圆片级封装。

图10为最终划片后并湿法腐蚀释放后的单片传感器芯片。

具体实施方式

实施例1

一种基于金金键合工艺的热式风速风向传感器的制备过程如下：

第一步，陶瓷芯片的制备，见图1和图2

步骤1，在陶瓷芯片1的背面旋涂光刻胶2并利用光刻工艺进行光刻胶2的图形化；

步骤2，利用溅射工艺制备金属铂层3，并利用剥离工艺对金属铂层3进行图形化，完成陶瓷片上加热元件7、上热连接焊盘6、上电连接焊盘5以及电引出焊盘4的制备；

步骤3，再次旋涂光刻胶8并利用光刻工艺对光刻胶8进行图形化；

步骤4，利用溅射工艺制备金属金层9，并利用剥离工艺对金属金层9进行图形化，用于在上热连接焊盘6、上电连接焊盘5以及电引出焊盘4上制备上热连接金凸点12、上电连接金凸点11以及电引出金凸点10的制备；

第二步，减薄硅芯片的制备，见图5和图6

步骤1，在硅芯片13表面热生长第一热氧化层14；

步骤2，在第一热氧化层14上制备多晶硅15，作为热传感测温元件19的一个端；

步骤3，在多晶硅15上化学气相淀积氧化层17，并利用刻蚀工艺制备通孔16；

步骤4，溅射并图形化金属铝18，作为热传感测温元件19的另一端；

步骤5，化学气相淀积氧化层20，并制备通孔21；

步骤6，化学气相淀积金属铝，并图形化制备下电连接焊盘22和下热连接焊盘23；

步骤7，旋涂光刻胶并图形化，溅射金属金层，并利用剥离工艺制备下热连接金凸点24和下电连接金凸点25；

步骤8，利用干法刻蚀工艺在硅芯片13正表面制备30微米至50微米深度的隔热用空腔26和电引出金凸点10露出用空腔27，此深度定义了传感器最终减薄硅芯片28的衬底厚度；

第三步，金金键合封装，见图9

利用金金键合技术，通过上热连接金凸点12与下热连接金凸点24之间的金金键合实现上热连接焊盘6与下热连接焊盘23之间的热连接，实现陶瓷芯片1与硅芯片13之间的热通路；通过上电连接金凸点11与下电连接金凸点25之间的金金键合实现上电连接焊盘5与下电连接焊盘22之间的电连接，实现陶瓷芯片1与硅芯片13之间的电通路；

第四步，湿法腐蚀释放，见图10 

将金金键合后的芯片至于腐蚀液中，使腐蚀液与硅芯片13的背面相接触，利用夹具保护金金键合后的陶瓷芯片1的正表面免于与腐蚀溶液接触，腐蚀至能够观测到陶瓷芯片上电引出金凸点10及加热元件7停止，此时硅芯片13的衬底厚度被减薄至空腔26和空腔27的深度大小，即减薄硅芯片28的衬底厚度即为26和空腔27的深度；

第五步，划片，完成风速风向传感器的制备。

本发明是一种基于金金键合工艺的热式风速风向传感器及其制备方法。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7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7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减薄硅芯片28上表面的隔热空腔26的周围。陶瓷芯片1上表面的温度场能够利用热连接金凸点12和24之间的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和减薄硅芯片28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7相对应的减薄硅芯片28的上表面区域利用MEMS干法工艺制备隔热空腔26，并通过湿法腐蚀工艺使得加热元件7最终实现露出，这样加热元件7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金凸点损失在减薄硅芯片28上，这样就能够较大程度的降低传感器的无用功耗。陶瓷芯片1和减薄硅芯片28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。

实施例2

一种基于金金键合工艺的热式风速风向传感器，包括陶瓷芯片1和减薄硅芯片28，减薄硅芯片28位于陶瓷芯片1的下方，在减薄硅芯片28的上表面四边对称分布设有4个热传感测温元件19，每个热传感测温元件上热连接有2个下热连接焊盘23且每个热传感测温元件电连接有2个下电连接焊盘22，在下热连接焊盘2上设置有下热连接金凸点24，在下电连接焊盘22上设置有下电连接金凸点25，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金凸点12和上热连接焊盘6以及每个下电连接焊盘相对应的上电连接金凸点11和上电连接焊盘5，其特征在于在减薄硅芯片28上表面位于4个热传感测温元件中间位置设有空腔26，在4个热传感测温元件19四周位置与陶瓷芯片1上电引出金凸点10相对应区域设置有空腔27，空腔26和空腔27的深度为30微米至50微米，空腔26用于加热元件7与减薄硅芯片28之间的热隔离，空腔27用于最后圆片级释放时，陶瓷芯片1上电引出金凸点10的露出，加热元件7设在陶瓷芯片1的下表面上；用于热隔离的空腔26位于加热元件7的正下方，并通过圆片级释放工艺，加热元件7最终实现露出，与硅衬底之间实现完全隔离；在陶瓷芯片1的下表面上设有电引出金凸点10，电引出金凸点下方设置有电引出焊盘4，电引出金凸点10在减薄硅芯片28上的投影与减薄硅芯片28上空腔27的位置相对应，并通过湿法腐蚀释放最终使得电引出金凸点10露出；并利用湿法腐蚀工艺对芯片的硅衬底进行了减薄，减薄硅芯片28的衬底厚度由空腔26和空腔27的深度决定。

Claims (3)

1. 基于金金键合工艺的热式风速风向传感器，包括陶瓷芯片（1）和减薄硅芯片（28），减薄硅芯片（28）位于陶瓷芯片（1）的下方，在减薄硅芯片（28）的上表面四边对称分布设有4个热传感测温元件（19），每个热传感测温元件上热连接有2个下热连接焊盘（23）且每个热传感测温元件电连接有2个下电连接焊盘（22），在下热连接焊盘（23）上设置有下热连接金凸点（24），在下电连接焊盘（22）上设置有下电连接金凸点（25），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金凸点（12）和上热连接焊盘（6）以及与每个下电连接焊盘相对应的上电连接金凸点（11）和上电连接焊盘（5），其特征在于在减薄硅芯片（28）上表面位于4个热传感测温元件中间位置设有第一空腔（26），在4个热传感测温元件（19）四周位置与陶瓷芯片（1）上电引出金凸点（10）相对应区域设置有第二空腔（27），第一空腔（26）和第二空腔（27）的深度为30微米至50微米，第一空腔（26）用于加热元件（7）与减薄硅芯片（28）之间的热隔离，第二空腔（27）用于最后圆片级释放时，陶瓷芯片（1）上电引出金凸点（10）的露出，加热元件（7）设在陶瓷芯片（1）的下表面上。

2.根据权利要求1所述的基于金金键合工艺的热式风速风向传感器，其特征在于用于热隔离的第一空腔（26）位于加热元件（7）的正下方，并通过圆片级释放工艺，加热元件（7）最终实现露出，与硅衬底之间实现完全隔离。

3.根据权利要求1所述的基于金金键合工艺的热式风速风向传感器，其特征在于在陶瓷芯片（1）的下表面上设有电引出焊盘（4），电引出焊盘下方设置有电引出金凸点（10），电引出金凸点（10）在减薄硅芯片（28）上的投影与减薄硅芯片（28）上第二空腔（27）的位置相对应，并通过湿法腐蚀释放最终使得电引出金凸点（10）露出。

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