CN103021970A - 具有传感器的集成电路以及制造这种集成电路的方法 - Google Patents

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Abstract

一种集成电路封装，用于在所述电路的传感器元件区域中具有一个或者多个传感器元件的集成电路。封装覆盖接合线，但是在所述传感器元件区域上方留有开口。在所述集成电路上方提供保护层，所述封装在所述集成电路上延伸，并且所述保护层具有在所述传感器元件区域周围的通道，所述通道用作任何蠕变进入所述开口区域的封装材料的陷阱。

Description

具有传感器的集成电路以及制造这种集成电路的方法
技术领域
本发明涉及一种集成电路(IC)封装，包括载有一个或者多个传感器元件的衬底，并且利用封装引线(encapsulated lead)连接至结合焊盘。本发明还涉及一种制造这种IC封装的方法。
背景技术
集成电路(IC)可以包括对水分(moisture)敏感的传感器，诸如相对湿度(RH)传感器或者液体浸没(liquid immersion)检测传感器。出于许多原因，这种传感器可被包括在所述IC设计中。
例如，这种传感器可被包括在所述IC中，以便确定退回的故障IC(例如退化至其制造商)是否被外露于水分中而损坏，例如浸泡事件。这种外部影响作为故障原因的确定对于确定消费者退回所述IC或者包括所述IC的电子设备是否有权享受设备保修是至关重要的，因为如上所述浸泡事件的不当使用通常使所述保修无效。
替代地，这种传感器可以是IC的功能的一部分。例如有趋势提供近场通信IC，诸如在传感器范围内的射频(RF)识别(ID)芯片，所述传感器例如温度传感器、环境光传感器、机械冲击传感器、液体浸没传感器、湿度传感器、CO2传感器、O2传感器、pH传感器和乙烯传感器，例如可以用于监测用芯片标记产品的环境条件，使得可以通过监测所述芯片的传感器读数来实现产品质量控制。
通常，可以通过将所述管芯(die)附着至引线框将半导体器件形成为封装，接合线在所述IC的结合焊盘与所述引线框的焊盘之间延伸。然后将这些接合线封装在模塑料(molding compound)中。
当所述管芯包括必须与外部环境接触的传感器元件时会出现问题：所述封装绝不能覆盖这些传感器。这样导致更复杂的封装工艺并且产生各种处理问题。
许多传感器IC在单个晶片上形成，并且在传感器形成之后，所述衬底经历研磨(grinding)，以便减小最终产品的厚度。这发生从所述晶片切割单独的传感器IC然后进行封装之前。这个研磨过程可以导致所述传感器的机械损坏或者污染，特别是因为它们突出所述IC表面。
为了形成具有开放式腔体(open cavity)的封装，传统地在转移成型期间使用橡胶垫。也可以使用所谓的“薄膜辅助成型”。这涉及在所述IC上方放置模具，所述模具具有由接触IC的顶部表面的密封围绕的中心区域。通过将压力施加至所述模具来实现这种密封，并且所述模具例如涂覆有聚四氟乙烯(Teflon)薄膜。所述塑封材料(mold compound)施加至密封外部周围，并且不应该穿透所述密封线(seal line)。然而，为了提供良好的密封以及防止模塑料飞边(flashing)进入所述开放式腔体中，需要施加高压，诸如120bar。这些机械应力会导致管芯破坏，但是如果减小压力，会在所述开放式腔体区域中形成模具飞边。
发明内容
根据本发明，提供了一种集成电路封装，包括：
集成电路，在所述电路的传感器元件区域中具有至少一个传感器元件；
载体，其上安装有所述集成电路；
接合线，在所述集成电路与所述载体之间；
封装，所述封装覆盖所述接合线但是在所述传感器元件区域上方留有开口，
其中在所述集成电路上方提供保护层，所述封装在所述集成电路上方延伸，其中所述保护层包括在所述传感器元件区域周围的通道，所述通道位于所述封装的开口内部。
所述传感器元件区域周围的所述通道用作蠕变进入所述开口区域的任意模具飞边的陷阱。这样，可以释放所述模具压力。通过在所述封装下方(而不是只在所述传感器元件的上方)提供所述保护层，所述保护层还可以增加所述IC的机械强度。例如，可以在衬底研磨和切割步骤之前施加所述保护层，使得在这些步骤期间提高所述强度。
所述通道优选地完全延伸穿过所述保护层，并且包括围绕所述传感器元件区域的闭合形状。
所述保护层可以覆盖所述传感器元件的至少一个。所述保护层覆盖的每一个传感器元件均可以包括在所述传感器元件上方被焊盘通道围绕的保护层焊盘。这个焊盘通道提供单独的传感器的隔离，使得一个传感器元件受到的任何污染不会通过所述保护层传输给其他传感器元件。所述焊盘通道还可以完全延伸穿过所述保护层。
所述保护层可以包括第二通道，所述第二通道相对于所述传感器元件区域在所述第一通道(所述传感器元件区域周围的那个)的外部(即进一步远离所述传感器元件)，并且所述第二通道可以在所述开口的外部。这意味着它被所述封装填充，使得由所述封装材料形成横向防潮层。
所述保护层可以包括聚酰亚胺，并且可以设置在湿度传感器的上方。所述聚酰亚胺材料还可以用作所述对水分敏感的材料。它还可以设置在光传感器的上方并且可以对感兴趣的光是透明的或者可以执行滤光功能。
此外，所述传感器元件可以包括环境光传感器、湿度传感器。
本发明还提供了一种形成集成电路封装的方法，包括：
提供一种集成电路，所述集成电路在所述电路顶面的传感器元件区域中具有至少一个传感器元件；
将所述集成电路安装到载体上；
在所述集成电路与所述载体之间形成接合线；
形成封装层，以便覆盖所述接合线但是在所述传感器元件区域的上方留有开口，
其中所述方法包括在安装到所述载体上之前在所述集成电路的上方形成保护层，以及在所述传感器元件区域周围的保护层中形成通道，
以及其中形成所述封装层包括对所述封装层进行成型直到形成为所述模具一部分的阻挡层为止，所述通道在所述阻挡层的内侧上。
可以通过薄膜辅助成型执行所述封装层成型。
所述方法还包括相对于所述传感器元件区域在通道外部的保护层中形成第二通道。所述第二通道在所述开口的外部，并且形成所述封装层填充所述第二通道以便定义横向防潮层。
附图说明
将参考附图以非限制性示例的形式更详细地描述本发明的示例，其中：
图1以平面图的形式示意性地描述了具有多个传感器的现有技术IC；
图2以截面图的形式示意性地描述了图1所示IC，并且用于解释一种制造所述IC的已知方法；
图3用于解释一种已知的薄膜辅助成型技术；
图4以截面图的形式示意性地描述了具有多个传感器的IC的第一示例，其中所述IC已经被连续的保护层加强；
图5以截面图的形式示意性地描述了本发明所述具有多个传感器的IC的第一示例；
图6以截面图的形式示意性地描述了本发明所述具有多个传感器的IC的第二示例；图7以截面图的形式示意性地描述了本发明所述具有多个传感器的IC的第三示例；
图8示出了如何在所述聚酰亚胺保护层中提供第二通道80；以及
图9以示意的形式示出了在增加额外的通道80来阻挡横向水分扩散之前(左图)和之后(右图)的聚酰亚胺掩模。
具体实施方式
本发明提供了一种用于集成电路的集成电路封装，所述集成电路具有在所述电路的传感器元件区域中的至少一个传感器元件。封装覆盖接合线但是在所述传感器元件区域上方留有开口。在所述集成电路上方提供了保护层，所述封装在所述集成电路上方延伸，并且所述保护层具有在所述传感器元件区域周围的通道，所述通道用作任何已经蠕变进入所述开口区域内的封装材料的陷阱。
图1以平面图的形式示意性地描述了具有多个传感器的现有技术IC。
所述电路10包括以模塑料12形式的封装，所述封装覆盖以所述集成电路与引线框之间接合线形式的互连。然后所述引线框提供与所述集成电路的外部连接。
例如，所述封装是填充的环氧基模塑料。
所述封装具有中心开口14，使得在所述IC顶面上的传感器外露，并且不被所述封装覆盖。所述传感器在传感器元件区域中。它们可以是在所述电路的顶面处或者嵌入其中，但是放置它们使得它们与待感测的所述环境特性(例如光或者湿度)互相作用。对于所述封装层的存在会降低其性能的传感器，所述中心开口是必要的。可能还有其他不需要放置在所述中心开口内的传感器元件，因此所述“传感器元件区域”是用于那些受益于不存在封装层的传感器。
例如，这些传感器可以包括相对湿度传感器16和环境光传感器18，以及气体传感器或者温度传感器(未示出)等等。
图2以截面图的形式示意性地描述了图1的IC，并且用于解释一种制造所述IC的已知方法。
载体被示出为20，以及所述接合线21连接至所述IC 22。例如，所述载体可以包括引线框。图2的截面图示意性地示出了两个安装在所述IC表面上的相对湿度传感器16，以及集成到所述IC结构内的环境光传感器18，例如以光电二极管的形式。
表面安装的传感器16连接至所述IC的上金属层23，所述层还形成了IC结合焊盘，所述接合线21连接至所述结合焊盘。所述传感器通过通孔24连接至所述上金属层23。这些通孔延伸穿过在所述IC顶上的钝化层25、26并且延伸进入所述IC结构至所述上金属层。
所述钝化层25、26形成钝化叠层，例如SiO2(层25)和Si3N4(层26)的。这些层限定了高密度等离子氧化物和氧化物平坦化层(planarization layer)。也可以考虑其他层材料作为所述钝化叠层，例如Ta2O5。
在所示的示例中，所述封装12围绕所述IC的上方和下方，并且所述载体包括引线框，所述引线框限定了下侧连接点。
在这个示例中，每一个湿度传感器16均配置有保护帽，由水分可以通过的材料形成，诸如聚酰亚胺。从所述完全集成的环境光传感器18上方的区域去除这个聚酰亚胺层，以便允许尽可能多的光到达所述环境光传感器。然而，大约5μm的聚酰亚胺层的典型厚度不允许光的透射。
图2示出了附着至各个引线框的单个IC。实际上，将在晶片上形成许多IC。在封装之前，所述晶片经历背面研磨工艺，以便减小所得到的IC的厚度，而在制造工艺期间晶片操作设备(wafer handlingequipment)要求较厚的衬底。因此图2示出了在减薄和切割之后的IC。
晶片研磨和切割工艺将IC暴露到粗糙的机械机械条件下，其可以导致IC破裂。
以示例的方式，每一个传感器均可以具有0.1mm×0.1mm数量级的尺寸，并且每一个晶片传感器IC均可以具有近似2mm×2mm的尺寸。对于大约160mm×200mm的晶片大小，在每一个晶片上可以存在数千个传感器。
图3用于解释一种已知的薄膜辅助成型技术。
模具30定义了阻挡层32，所述阻挡层在所述传感器元件区域的上方形成了封闭的腔室(chamber)。将所述封装材料33从侧面按压到所述模具下方。为了防止所述封装材料33到达所述封闭的腔室，较大压力(例如120bar)被施加至所述模具使得形成密封，并且已加热的柱塞34驱动所述封装材料33。所述已加热的柱塞可以在60-100bar的压力下驱动。需要限制被施加至所述模具的压力，以避免管芯破坏的风险，而这可以导致某些飞边，由箭头36表示，会影响所述传感器性能。
图4以截面图的形式示意性地描述了具有多个传感器的IC的第一示例，其中所述IC已经通过连续的保护层加强。这是申请人认为的一种可行的方法。
在这个示例中，所述保护层40在远离结合焊盘位置处覆盖所述IC的整个顶面。这样给所述晶片研磨应力提供额外的弹性并且允许增加在封装成型期间可以施加的压力。
所述层40可以包括聚酰亚胺(如同之前所述地用于覆盖所述单独的传感器)。
所述层40具有4-5μm的典型厚度。
所述聚酰亚胺层可以是光可定义(photo-definable)的类型，并且可以利用旋涂沉积然后使用标准的光刻构图。替代地，它可以通过施加其他抗蚀剂(resist)然后执行额外的刻蚀步骤来形成和构图以制造所述开口。
尽管这种方法使得在成型期间能够施加增大的压力，本发明提供了如图5所示的另一种改进。
图5以截面图的形式示意性地描述了本发明的具有多个传感器的IC的第一示例。
与图4所示的概念相比，所述保护层包括在所述传感器元件区域周围的通道42，所述通道位于所述封装材料的开口46内部。
这意味着可以在所述通道42中捕获(capture)任何蠕变到所述模具阻挡层32(参见图3)下的封装材料。所述光传感器18可被所述聚酰亚胺涂层40覆盖，如图所示。所述通道42完全延伸穿过所述保护层，因而可以由简单的光刻工艺形成。
图6以截面图的形式示意性地描述了本发明的具有多个传感器的IC的第二示例。
与图5所示的概念相比，所述保护层包括在每一个传感器元件周围的通道60，所述传感器元件被所述保护层覆盖。
这样，在由焊盘通道包围的所述传感器元件的上方形成了保护层焊盘62。所述焊盘通道60也可以完全延伸穿过所述保护层。
这样提供了所述传感器元件的去耦，特别是所述相对湿度传感器，以避免由于水分或者其他污染物扩散通过所述聚酰亚胺保护层而造成的任何可能的干扰和/或漂移。
在图6所示的示例中，在所述环境光传感器18的上方还提供了中心开口64。
图7以截面图的形式示意性地描述了本发明的具有多个传感器的IC的第三示例。
与图6所示的概念相比，在所述环境光传感器上方不存在所述保护层的中心开口。代替地，所述保护层只包括在所述传感器元件区域周围的主通道以及在各个传感器元件周围的单独的通道60。
在所述光传感器上方的聚酰亚胺层可用于执行滤波器功能，例如它可以去除光谱的UV/蓝光和IR/红光部分。
因此本发明使得单个保护层能够设计用于降低在组装期间损坏的风险并且降低任何封装材料蠕变进入中心腔体区域的不利影响。
本发明的另一个可选方面提供了附加的改进，通过所述改进，简单的设计修改降低了当使用开放式腔体封装时接合线腐蚀的可能性，例如其中传感器窗口保持打开的器件，如上述示例所示。
当水分存在时，在所述模塑料内部的卤素会导致接合线腐蚀。水分将有机会在所述封装下方利用横向扩散通过所述保护层(典型地是聚酰亚胺)接近所述接合线。
尽管所述接合线完全被封装在所述模塑料中，但是所述垂直模塑材料厚度可以比所述横向模塑材料外壳(enclosure)大得多。
上述设计包括在所述模塑材料开口范围内的保护层62中的焊盘通道60的去除。此外，可以在被所述模塑材料覆盖的部分中去除所述保护层的一部分。这样创造了模塑料阻挡层，所述阻挡层避免了向所述接合线的横向水分扩散。这种措施可以使所述产品更可靠和坚固，特别是当用在较为严酷的环境，诸如温室和/或工业应用中时。在这些环境中，高湿度、各种化学品和高温度的影响会更容易地诱发接合线腐蚀并且导致更早的器件失效。
图7将这种可能的水分渗透表示为箭头70。这很有可能成为开口传感器封装结构的一个问题，以及因此比标准封装更有可能导致接合线腐蚀。如图7示意性所示，所述水分可以在模塑材料下方横向扩散通过所述聚酰亚胺。随着时间的推移，如果所述模塑料存在卤素，水分可以到达接合线并且开始腐蚀所述接合线。
图8示出了如何在所述聚酰亚胺保护层中提供第二通道80(即狭缝或者一组狭缝)，再次围绕所述传感器。这样，使用所述模塑料创造了横向水分阻断(blocker)。所述额外的通道可以在不使所述工艺过程复杂的情况下与所述通道60一起形成。图8用箭头70示意性地示出了阻止所述水分渗透。优选地，所述第二通道也完全延伸穿过所述保护层，尽管这不是必须的，并且部分阻挡层足以充分地降低水分的通过。
所述薄膜辅助模具仍然位于所述保护层上，所述第二通道80在所述模具位于保护层上位置的所述接合线一侧。这样，维持了所述保护层应力释放的优势。
将所述通道80表示为完全垂直的，但是如果需要更平滑工艺和装配，它也可以是成角度的。
在这个方面中，所述保护层包括相对于所述传感器元件区域在所述第一通道42外部的第二通道80。所述第二通道80在所述开口46的外部，并且因此在所述封装12的下方并且被所述封装填充。
图9以示意的形式示出了在增加额外的通道80来阻挡横向水分扩散之前(左图)和之后(右图)的聚酰亚胺掩模。所述结合焊盘开口表示为90。因为由所述(第一)通道60(或42)提供的保护，所述虚线区域92内部的所有东西都保持免受模塑料。
所述附加的通道80可以是如图所示的正方形或者可以是依赖于所述传感器开口和/或芯片设计的任何形状(例如圆形等)。此外，它不一定是封闭的形状，它可以只在所述接合线附近提供，以便提供所需的水分屏蔽。因此，所述通道通常被形成为一系列狭缝或者封闭的环形形状。
这个附加的水分阻挡层使得所述传感器设计能够适用于全部传感器市场，特别是需要极其坚固的应用领域，诸如汽车、温室和工业应用。所述第二通道可被应用于上述任何设计，具有单个或者多个传感器，以及具有或者没有在单独的传感器周围的通道。
在上述所有设计中，在所述保护层下方的所述IC结构是传统的，并且包括衬底10，在所述衬底上形成金属化叠层。这种金属化叠层典型地包括通过电绝缘层(即电介质层)彼此电绝缘的图案化金属层的叠层。在不同的金属化层中的金属部分可以利用延伸穿过电介质层的通孔彼此导电耦合，所述电介质层使所述金属部分彼此隔开。所述衬底可以是任何合适的衬底材料，例如单晶Si、SiGe、绝缘体上的Si等等，并且可以载有多个电路元件，诸如晶体管、二极管等等。
同样地，所述金属化叠层可以以任何合适的方式形成，并且可以包含任何合适数量的金属层和电介质层。
每一个金属层和每一个电介质层均可以由多个堆叠的子层组成，例如以亚微米CMOS工艺，Ti、TiN、AlCu和TiN的叠层可用于限定在所述金属化叠层中的单个金属层。
每一个电介质层也都可以包括多于一个单个层。例如，这种电介质层可以是包括FSG(氟硅酸盐玻璃)、SiO2和HDP(高密度等离子)氧化物以及任何其他合适的电介质材料组合在内的叠层。也可以使用其他合适的材料。
类似地，应当理解可以用多于一种单个材料形成所述通孔。例如，在某些CMOS技术中，通孔可以由TiN衬里和W柱塞形成。其他半导体工艺过程可以使用不同的材料，例如Cu。
尽管所述实施例示出了本发明所述的具有多个环境传感器的IC封装，但是应当理解在不背离本发明范围的情况下，所述概念可被应用于单个传感器，或者在所述IC设计中可以包括除了所公开的传感器之外的其他附加传感器。
聚酰亚胺只是可能用作所述保护层材料的一个示例。其他示例是BCB，并且本领域普通技术人员应当理解其他示例。
本发明已经示出用于贴在引线框上的半导体集成电路，但是本发明可被等效地应用于具有附着在其他载体上电路的封装，诸如箔、层压或者陶瓷载体。
本发明所述IC可被集成到任何合适的电子器件中，例如诸如手机的移动通信设备、个人数字助理等等，或者可被用作出于监测目的的物品的标签，在这种情况下所述IC用RF功能进行扩展，例如与所述IC的传感器通信耦合的RF收发器。
应当注意，上述实施例阐释而非限制本发明，并且本领域普通技术人员将能够在不背离所附权利要求范围的情况下设计许多替代实施例。在所述权利要求中，置于括号之间的任何参考符号不能被理解为限制所述权利要求。词语“包括”不排除已经在权利要求中列举出的元件或者步骤之外的元件或者步骤的存在。在元件前面的词语“一个”不排除多个这种元件的存在。
本领域普通技术人员应当理解各种其他修改。

Claims (15)

1.一种集成电路封装，包括：
集成电路，具有在所述电路的传感器元件区域中的至少一个传感器元件(16、18)；
载体(20)，其上安装有所述集成电路；
接合线(21)，在所述集成电路与所述载体(20)之间；
封装(12)，所述封装覆盖所述接合线(21)，但是在所述传感器元件区域上方留有开口(46)，
其中在所述集成电路上方提供保护层(44)，所述封装(12)在所述集成电路上方延伸，其中所述保护层包括在所述传感器元件区域周围的通道(42)，所述通道位于所述封装的开口(46)内部。
2.根据权利要求1所述的封装，其中所述通道(42)完全延伸穿过所述保护层。
3.根据权利要求1所述的封装，其中所述保护层(44)覆盖所述传感器元件的至少一个。
4.根据权利要求3所述的封装，其中所述保护层覆盖的每一个传感器元件均包括在所述传感器元件上方由焊盘通道(60)围绕的保护层焊盘(62)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的封装，其中所述保护层包括相对于所述传感器元件区域在所述通道(42)外部的第二通道(80)，其中所述第二通道(80)在所述开口(46)的外部，并且因此被所述封装(12)填充。
6.根据前述权利要求中任一项所述的封装，其中所述保护层(44)包括聚酰亚胺。
7.根据前述权利要求中任一项所述的封装，其中所述传感器元件包括湿度传感器(16)和/或环境光传感器(18)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的封装，其中所述通道(42)和/或第二通道包括围绕所述传感器元件区域的封闭形状。
9.一种形成集成电路封装的方法，包括：
提供一种集成电路，所述集成电路具有在所述电路的传感器元件区域中的至少一个传感器元件(16、18)；
将所述集成电路安装在载体(20)上；
在所述集成电路与所述载体(20)之间形成接合线(21)；
形成封装层(12)，以便覆盖所述接合线但是在所述传感器元件区域的上方留有开口，
其中所述方法包括在安装到所述载体(20)上之前在所述集成电路的上方形成保护层(44)，以及在所述传感器元件区域周围的保护层中形成通道，
以及其中形成所述封装层包括对所述封装层(12)成型直到形成为模具一部分的阻挡层的位置，所述通道(42)在所述阻挡层的内侧上。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述封装层成型包括薄膜辅助成型。
11.根据权利要求9或10所述的方法，包括形成完全穿过所述保护层的通道(42)。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，包括用所述保护层(44)覆盖所述传感器元件的至少一个。
13.根据权利要求12所述的方法，包括对于所述保护层覆盖的每一个传感器元件，形成在所述传感器元件上方被焊盘通道(60)围绕的保护层焊盘(62)。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其中所述方法还包括相对于所述传感器元件区域在所述通道(42)外部的保护层中形成第二通道(80)，其中所述第二通道(80)在所述开口(46)的外部，并且其中形成所述封装层填充所述第二通道(80)。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，其中所述保护层(44)包括聚酰亚胺。
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