CN102730617A - 集成磁和加速度传感器的封装结构及其封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集成磁和加速度传感器的封装结构及其封装方法，其包括第一晶圆、键合在第一晶圆正面上方的第二晶圆以及倒装于第一晶圆背面的磁传感器。其中第一晶圆上设有驱动加速度传感器和磁传感器的驱动电路以及加速度传感器的结构电路，第一晶圆上还开设有第一腔体，第一腔体中设有加速度传感器的机械结构。第二晶圆上设有与第一腔体配合的第二腔体，第二腔体的尺寸大于或等于加速度传感器机械机构的尺寸。本发明将三轴加速度传感器和三轴磁传感器集成到同一个封装结构，实现了六轴传感器的高度集成，有利于传感器功能的进一步集成与开发。

Description

集成磁和加速度传感器的封装结构及其封装方法
技术领域
本发明涉及一种传感器封装结构和方法，尤其是涉及一种集成磁和加速度传感器的封装结构及其封装方法。 
背景技术
随着消费类电子功能的日益扩展，传感器的应用逐步普及，影像传感器、加速度传感器、磁传感器等等已经成为一些手持类电子设备的标配。但是这些不同功能的传感器往往以独立的产品出现在手持类电子设备中，如两轴或三轴加速度传感器、两轴或三轴磁传感器、陀螺仪等；并且即便是单一传感器产品，其尺寸也相对较大，如加速度传感器产品尺寸为3x3mm。目前市场上鲜有将两种或多种传感器集成到同一封装体中的产品，即使有个别集成产品面世，也是5x5mm或者3x3mm的大尺寸产品。
多个单一传感器的使用不仅大大降低了产品组装的效率，也浪费了PCB板上的大量空间，增加了产品成本，限制了传感器产品的普及和推广。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，现有传感器集成产品匮乏，且封装尺寸较大、成本较高，本发明旨在提供一种集成两种多轴传感器的封装结构和封装方法，且其外形尺寸较小，成本较低。
为了解决上述技术问题，本发明所提出的技术方案是：一种集成磁和加速度传感器的封装结构，其包括：
第一晶圆，其上设有驱动加速度传感器和磁传感器的驱动电路以及加速度传感器的结构电路，第一晶圆上还开设有第一腔体，第一腔体中设有加速度传感器的机械结构，第一晶圆的正面设置金属焊盘；
第二晶圆，其键合在所述第一晶圆的上方，其上设有用于与第一腔体配合的第二腔体，且第二腔体的尺寸大于或等于所述加速度传感器机械机构的尺寸；
金属导线，其由所述金属焊盘引出并再分布到键合后的第一晶圆的背面；
磁传感器，其倒装于键合后的第一晶圆的背面。
进一步的，在不同实施方式中，其中加速度传感器为三轴加速度传感器。
进一步的，在不同实施方式中，其中加速度传感器为三轴热式加速度传感器。
进一步的，在不同实施方式中，其中第一腔体和第二腔体内密封有0.5－4个大气压的重气。
进一步的，在不同实施方式中，其中磁传感器为三轴磁传感器。
进一步的，在不同实施方式中，其中第二晶圆为玻璃晶圆或硅片。
进一步的，本发明的又一个方面，提供了一种集成磁和加速度传感器的封装方法，其包括有以下步骤： 
准备第一晶圆，在其上设置驱动加速度传感器和磁传感器的驱动电路以及加速度传感器的结构电路；
对所述第一晶圆的正面进行刻蚀，以释放加速度传感器的机械结构，并形成第一腔体，第一晶圆的正面上在第一腔体以外的位置设置金属焊盘；
准备第二晶圆，对其进行加工形成与第一腔体配合的第二腔体，并且第二腔体的尺寸大于或等于所述加速度传感器机械机构的尺寸；
将所述第一晶圆与第二晶圆进行键合，键合后第二晶圆在第一晶圆的上方，第二腔体在第一腔体的上方； 
将所述金属焊盘引出至键合后的第一晶圆的背面，并将引出的金属导线在背面进行再分布；
将磁传感器进行凸点工艺处理，再倒装到键合后的第一晶圆的背面；
在所述第一晶圆的背面设置焊球。
进一步的，在不同实施方式中，其中使用的键合方式为共晶键合、金属热压合、环氧密封结合中的一种。
进一步的，在不同实施方式中，其中将金属焊盘引出至第一晶圆背面的方式为侧壁引线工艺或硅通孔工艺。
进一步的，在不同实施方式中，其中将磁传感器进行凸点工艺处理的方式为电镀、植球、锡膏印刷等方式中的一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将三轴加速度传感器和三轴磁传感器集成到同一个封装结构，由于封装采用先进的晶圆级封装技术，集成后的六轴封装结构尺寸比原先单个三轴加速度传感器或三轴磁传感器的封装尺寸还要小，不仅实现了六轴传感器的高度集成，还实现了超小尺寸2x2x1mm的集成封装，而且也实现了封装成本的最小化。本发明的出现有利于传感器功能的进一步集成与开发，拓展了传感器的应用。
附图说明
图1是本发明涉及的集成磁和加速度传感器的封装结构的第一实施例的示意图；
图2是本发明涉及的集成磁和加速度传感器的封装结构的第二实施例的示意图；
图3是本发明涉及的集成磁和加速度传感器的封装方法中第一晶圆和第二晶圆加工好之后的示意图；
图4是本发明涉及的集成磁和加速度传感器的封装方法中第一晶圆和第二晶圆键合在一起的示意图；
图5是本发明涉及的集成磁和加速度传感器的封装方法中金属焊盘引出的示意图；和
图6是本发明涉及的集成磁和加速度传感器的封装方法中焊球形成的示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
请参见图1所示，本发明涉及的一种集成磁和加速度传感器的封装结构的第一实施例100，其包括第一晶圆11和第二晶圆21。
其中第一晶圆11上设有驱动加速度传感器和磁传感器的驱动电路以及加速度传感器的结构电路（未显示），第一晶圆11上还开设有第一腔体12，第一腔体12中设有加速度传感器的机械结构。此外，第一晶圆11的正面在第一腔体12之外还设置有金属焊盘13。
第二晶圆21，其键合在第一晶圆11的上方。其上开设有用于与第一腔体12配合的第二腔体22，并且第二腔体22沿晶圆表面的宽度大于或等于加速度传感器机械机构的尺寸。
键合后的第一晶圆11的背面设置金属导线14，其由金属焊盘13引出并再分布到第一晶圆11的背面。磁传感器3倒装于键合后的第一晶圆11的背面。
进一步的，如图2所示，其图示了本发明涉及的集成磁和加速度传感器的封装结构的第二实施例200，其结构与第一实施例的结构类似，也包括第一晶圆31和第二晶圆41。其与第一实施例的不同在于其金属焊盘（pad）33引出金属导线34的方式不同，其为在第一晶圆31上打孔引出，是通过硅通孔（TSV）工艺实现，而第一实施例的焊盘引出是通过侧壁引线工艺实现。
进一步的，如图3－6所示，本发明还提供了一种制造本发明涉及的集成磁和加速度传感器封装结构的封装方法，其包括有以下步骤：
1、第一晶圆与第二晶圆准备和加工（如图3所示）
准备第一晶圆11，在本实施方式中，其为CMOS晶圆，在其上设置驱动加速度传感器和磁传感器的驱动电路（未显示）以及加速度传感器的结构电路（未显示）。
对第一晶圆11的正面进行干法或湿法刻蚀，以释放加速度传感器的机械结构，并形成第一腔体12，在第一晶圆11的正面上除第一腔体12以外的位置设置金属焊盘13。
准备第二晶圆21，在本实施方式中，其为盖帽晶圆（Cap wafer），具体其可以是玻璃晶圆或是硅片。对其进行加工形成与第一腔体11配合的第二腔体22，并且第二腔体22沿晶圆表面的宽度大于或等于加速度传感器机械机构的尺寸。
第二晶圆21上腔体形成的方式，由于晶圆选择的不同，加工方式也不尽相同。其中对于玻璃晶圆可以采用喷砂、激光钻孔、湿法刻蚀等方式。对于硅片，可以采用干法刻蚀或者湿法刻蚀的方式。
2、第一晶圆与第二晶圆键合（如图4所示）
将第一晶圆11与第二晶圆21进行键合，键合后第二晶圆21在第一晶圆11的上方，第二腔体22在第一腔体12的上方
其中CMOS晶圆与盖帽晶圆进行键合是晶圆间的键合（wafer to wafer bonding）。而采用的键合方式可以包括但不限于，共晶键合，例如，Au-Sn、Cu-Sn、Au-Si等；金属热压合，例如，Au-Au、Al-Al等。也可采用环氧进行密封结合，例如，EPOXY公司的353ND、353ND-T等。
此外，当加速度传感器为热式加速度传感器时，键合过程中还会将一定气压的重气密封在第一腔体12和第二腔体22之内。其中重气是指分子量较大的气体，可以使用的气体包括但不限于，例如，SF6、HFC125、HFC227、C3F8等。而重气的气压一般为0.5－4个大气压。
    且，在不同实施方式中，此步骤中还可以根据实际需要包括对第一晶圆11进行厚度减薄的步骤，在本实施方式中，未显示。
3、焊盘（Pad）连线引出（如图5所示）
将金属焊盘13引出至键合后的第一晶圆11的背面，并将引出的金属导线14在背面进行再分布（redistribution）。
其中焊盘引出方法可以采用侧壁引线工艺，也可以采用硅通孔（TSV）工艺。图5中焊盘13引出方式采用的是侧壁引线工艺。至于硅通孔工艺所形成的结构式样，可参阅图2所示。
4、磁传感器倒装以及焊球设置（如图6所示）
将磁传感器3进行凸点工艺处理，再倒装到键合后的第一晶圆11的背面。其中具体可以是，将做好凸点（bumping）的三轴磁传感器芯片3通过芯片到晶圆（chip to wafer）的方式倒装到第一晶圆11的背面。磁传感器的凸点工艺可以通过电镀，植球，锡膏印刷等方式实现。
在第一晶圆11的背面设置焊球15。在本实施方式中，其为BGA （Ball Grid Array, 球形触点陈列）焊球，具体可以采用但不限于，电镀、植球、锡膏印刷等方式。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种集成磁和加速度传感器的封装结构，其特征在于：其包括：
第一晶圆，其上设有驱动加速度传感器和磁传感器的驱动电路以及加速度传感器的结构电路，第一晶圆上还开设有第一腔体，第一腔体中设有加速度传感器的机械结构，第一晶圆的正面设置金属焊盘；
第二晶圆，其键合在所述第一晶圆的上方，其上设有用于与第一腔体配合的第二腔体，且第二腔体的尺寸大于或等于所述加速度传感器机械机构的尺寸；
金属导线，其由所述金属焊盘引出并再分布到键合后的第一晶圆的背面；
磁传感器，其倒装于键合后的第一晶圆的背面。
2.根据权利要求1所述的集成磁和加速度传感器的封装结构，其特征在于：所述加速度传感器为三轴加速度传感器。
3.根据权利要求2所述的集成磁和加速度传感器的封装结构，其特征在于：所述加速度传感器为三轴热式加速度传感器。
4.根据权利要求3所述的集成磁和加速度传感器的封装结构，其特征在于：所述第一腔体和第二腔体内密封有0.5－4个大气压的重气。
5.根据权利要求1所述的集成磁和加速度传感器的封装结构，其特征在于：所述磁传感器为三轴磁传感器。
6.根据权利要求1所述的集成磁和加速度传感器的封装结构，其特征在于：所述第二晶圆为玻璃晶圆或硅片。
7.一种集成磁和加速度传感器的封装方法，其包括有以下步骤：
准备第一晶圆，在其上设置驱动加速度传感器和磁传感器的驱动电路以及加速度传感器的结构电路；
对所述第一晶圆的正面进行刻蚀，以释放加速度传感器的机械结构，并形成第一腔体，第一晶圆的正面上除第一腔体以外的位置设置金属焊盘；
准备第二晶圆，对其进行加工形成与所述第一腔体配合的第二腔体，并且第二腔体的尺寸大于或等于所述加速度传感器机械机构的尺寸；
将所述第一晶圆与第二晶圆进行键合，键合后第二晶圆在第一晶圆的上方，第二腔体在第一腔体的上方； 
将所述金属焊盘引出至键合后的第一晶圆的背面，并将引出的金属导线在背面进行再分布；
将磁传感器进行凸点工艺处理，再倒装到键合后的第一晶圆的背面；
在所述第一晶圆的背面设置焊球。
8.如权利要求7所述的集成磁和加速度传感器的封装方法，其特征在于：所述第一晶圆与第二晶圆间的键合方式为共晶键合、金属热压合、环氧密封结合中的一种。
9.如权利要求7所述的集成磁和加速度传感器的封装方法，其特征在于：所述将金属焊盘引出至第一晶圆背面的方式为侧壁引线工艺或硅通孔工艺。
10.如权利要求7所述的集成磁和加速度传感器的封装方法，其特征在于：所述将磁传感器进行凸点工艺处理的方式为电镀、植球、锡膏印刷等方式中的一种。
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