CN103663362A - 传感器封装方法以及传感器封装 - Google Patents

Abstract

一种传感器封装方法以及传感器封装。所述方法包括提供（82）结构（117）、提供（100）控制器元件（102、24）、以及将控制器元件粘结（116）到所述结构（117）的外表面（52、64）。所述结构包括传感器晶圆（92）和帽晶圆（94）。晶圆（92、94）的内表面（34、36）耦合在一起，其中传感器（30）插入在所述晶圆（92、94）之间。一个晶圆（92、94）包括衬底部分（40、76），其中粘结盘（42）形成于其内表面（34、36）上。另一个晶圆（92、94）隐藏了所述衬底部分（40、76）。粘结之后，方法（80）包括形成（120）导电元件（60），移除材料部分（96、98、107），形成（130）电互连（56），应用（134）封装材料（64），以及切割（138）。

Description

传感器封装方法以及传感器封装

技术领域

本发明通常涉及半导体封装。更具体地说，本发明涉及形成半导体封装的晶圆级半导体封装。

背景技术

近年来，微电子系统技术广受欢迎。这是因为它们提供了一种制作非常小的电子和机械结构的方式并且通过使用传统批量半导体加工工艺在单一衬底上集成这些结构。当这些微电子器件成为主流技术时，半导体封装的制作和易用性方面的有效封装费用面临着挑战。

附图说明

结合附图并参阅详细说明书以及权利要求，对本发明会有比较完整的理解。其中在附图中类似的参考符号表示相同元件，并且附图不一定是按比例绘制；以及

图1示出了根据实施例的示例传感器封装的俯视图;

图2示出了沿着图1的剖面线A-A的传感器封装的侧视图;

图3示出了根据另一个实施例的沿着图1的剖面线A-A的传感器封装的侧视图;

图4示出了制作图1-图3的传感器封装的封装过程的流程图;

图5示出了结合封装过程被使用的传感器晶圆结构的俯视图;

图6示出了与图2中说明的实施例相对应的传感器晶圆结构的部分侧视图;

图7示出了与图3中说明的实施例相对应的另一个传感器晶圆结构的部分俯视图;

图8示出了结合封装过程被使用的、以控制器晶圆的形式的控制器元件的俯视图；

图9示出示了控制器晶圆的放大部分俯视图;

图10示出了沿着图9的剖面线10-10的控制器晶圆的部分侧面剖视图;

图11示出了根据另一个实施例的结合封装过程被使用的、以多个单独控制器管芯的形式的控制器元件的侧视图；

图12示出了根据封装过程的在封装的初始阶段的控制器晶圆的部分侧面剖视图;

图13示出了在封装的后续阶段被粘结到图6的传感器结构以形成堆叠结构的控制器晶圆的部分侧面剖视图;

图14示出了在封装的后续阶段的图13的堆叠晶圆结构的部分侧面剖视图;

图15示出了在封装的后续阶段的图14的堆叠晶圆结构的部分侧面剖视图;

图16示出了在封装的后续阶段的图15的堆叠晶圆结构的部分侧面剖视图;

图17示出了在封装的后续阶段的图16的堆叠晶圆结构的部分侧面剖视图;

图18示出了根据图4的封装过程的产生于图17的堆叠晶圆结构的传感器封装的侧面剖视图；

图19示出了根据图4的封装过程、以控制器管芯的形式在封装的中间阶段被粘结到传感器晶圆结构以形成堆叠结构74的控制器元件的部分侧面剖视图;

图20示出了在封装的后续阶段的图19的堆叠晶圆结构的部分侧面剖视图;

图21示出了在封装的后续阶段的图20的堆叠晶圆结构的部分侧面剖视图;

图22示出了在封装的后续阶段的图21的堆叠晶圆结构的部分侧面剖视图;

图23示出了在封装的后续阶段的图22的堆叠晶圆结构的部分侧面剖视图;以及

图24示出了根据图4的封装过程的产生于图23的堆叠晶圆结构的传感器封装的侧面剖视图。

具体实施方式

半导体封装通常提供了一组相关的元件。这些元件包括例如一个或多个封装的半导体器件、从器件到封装的互连、提供机械支撑和电、化学、以及环境保护的周围或包括结构、以及将封装附着于主板或系统的连接结构。半导体封装过程的研发人员面临的挑战起因于例如半导体器件对高温工艺的灵敏度（例如，微电子和微观结构）、对合适屏蔽的需要，在某些情况下需要密封或接近密封的密封以保护器件免受污染，等等。由于至少部分的这些挑战，封装是这些器件的主要成本动因中的一个。

半导体封装中的一个或多个半导体器件可以是微电子传感器（例如，磁强计）、微机电系统（MEMS）传感器（例如，加速度计、陀螺仪、压力传感器）、或一些其它微型传感器。对于这样的传感器,适当的封装是很重要的以确保在传感器器件之间往返的信号完整性。例如，传感器封装中的一个传感器器件或多个传感器器件的角位移可以导致测量信号的误差。同样地，传感器封装中的传感器的精确角对准对于接收准确测量结果是至关重要的。

目前，传统管芯级封装中的传感器角对准限于大约正或负两个精度。角对准精度受限于管芯放置技术利用的放置设备的耐受性。为了提高从这些传感器接收的测量值的精度，本行业要求更精确的角对准。随着集成电路（IC）器件几何尺寸的持续减小，对微机电系统（MEMS）器件的使用持续增加、以及包括多个半导体器件的半导体封装的制作持续发展、对低成本、可靠的、高密度封装解决方案的需求增加了。

实施例包括传感器封装方法和根据封装方法产生的传感器封装。该封装方法涉及代替传统管芯-管芯放置技术的晶圆级封装技术。晶圆级封装是指在晶圆级封装半导体器件，并且实质上延伸了晶圆制作过程以包括器件互连和器件保护过程。本发明所讨论的晶圆级封装过程以相对低的成本提供了传感器的高生产量和精确放置封装。附加优势包括一种管芯规模的封装技术，导致了传感器封装的大小通常与管芯的大小相同、传感器堆叠以及大小减小的微电子器件、改进的电性能等等。

现在参照图1和图2。图1示出了根据实施例的的示例传感器封装20的俯视图。图2示出了沿着图1的剖面线A-A的传感器封装的侧视图。通常，传感器封装20包括以控制器元件的形式的传感器结构22和半导体管芯，该控制器元件在本发明中被称为粘结到传感器结构22的控制器管芯24。为了清晰的说明，图1-图3以及图5-图24使用了各种阴影和/或剖面线进行图示以区分传感器封装的不同元件。这些不同元件可以利用当前和即将到来的微加工和/或半导体封装技术产生。

传感器结构22包括传感器管芯26、帽28、以及形成于传感器管芯26的衬底材料32上或内的传感器30。帽28的内表面34耦合于传感器管芯26的内表面36，其中传感器30插入在传感器管芯26和帽28之间。因此，帽28的内表面34在下文中被称为内部帽表面34以及传感器管芯26的内表面36在下文中被称为内管芯表面36。传感器30可以是微机电系统(MEMS)传感器器件，例如加速度计、陀螺仪、或某个其它传感器。然而，传感器30不需要被限定为MEMS传感器配置。相反，传感器30可以是光学器件、电磁器件、化工器件、或包含微米和/或次微米大小的组件的某个其它传感器器件。此外，虽然传感器30是以单数形式提到的，在替代实施例中，传感器管芯26可能包括不止一个形成于衬底材料32上或内的传感器器件。

帽28通常覆盖传感器管芯26以便封装传感器30。帽28可能包括从内部帽表面34向内延伸的腔38以便给传感器30的活动元件提供空隙，但是这种配置不是限定。帽28可以例如通过密封环附着于传感器管芯26，以便将传感器30密封地或接近密封地密封在封装区域内。在图2中所示出的说明的实施例中，帽28包括从传感器管芯26暴露出来的衬底部分40。即，传感器管芯26的材料部分不覆盖帽28的衬底部分40，即帽28的衬底部分40不存在传感器管芯26的材料部分。形成于帽28的内部帽表面34上的粘结盘42位于被帽28密封的区域外。根据传统的和发展的传感器器件制作过程，粘结盘42可以被电连接到传感器30的各种结构和/或电极。为了便于讨论，粘结盘42和传感器30的各种结构和/或电极之间的电互连在本发明中没有被说明和详细描述。

控制器管芯24具有顶面44和与顶面44相对的底面46。在图2中，顶面44被显示为物理放置于底面46上。因此，不同的术语“顶”和“底”在本发明中被利用。顶面44包括控制电路48和在其上形成的粘结盘50。控制电路48可以是用于控制器管芯24的“有源区域”内的任何有源或无源电路以用于将信号传递到传感器30或从传感器30传递出来。

传感器结构22包括与帽28的外表面相对应的外表面52。因此，清楚起见，外表面52在下文中被称为外部帽表面52。传感器结构22还包括与传感器管芯26的外表面相对应的相对外表面54。因此，清楚起见，外表面54在下文中被称为外部管芯表面54。在所说明的实施例中，控制器管芯24的底面46附着于传感器结构22的外部管芯表面54以产生具有位于帽28和控制器管芯24之间的传感器管芯26的堆叠结构55。

在传感器结构22中，位于帽28的衬底部分40的内部帽表面34上的粘结盘42与粘结盘50所在的控制器管芯24的顶面44朝着相同的方向（即，在图2中向上）。在本发明中被称为接合线56的电互连容易地附着于帽28的内部帽表面34上的相应粘结盘42和控制器管芯24的顶面44上的粘结盘50之间以提供在控制器管芯24和传感器结构22的传感器管芯26之间的合适的电互连。

控制器管芯24还包括形成于并且分布于顶面44的隆起58。在实施例中，在控制器管芯24被粘结到传感器结构22之后，导电元件60形成于隆起58上。导电元件60可以是支柱、球、插头、或在隆起58上延伸的某个其它导电特征。导电元件60在图1中被说明为圆形横截面。然而，根据特定设计标准，导电元件60可能有不同形状的横截面。导电元件60被用作传感器封装20的输入/输出元件。

在一些实施例中,根据常规的和即将到来的半导体制作过程，集成传感器61可以被整体形成，其中控制电路48的有源和无源元件位于控制器元件24内。代替集成传感器61或除了集成传感器61之外，传感器封装20可能包括安装到控制器元件24的顶面44的传感器管芯62。在实施例中，集成传感器61或传感器管芯62可以是用于测量磁场强度或方向的磁强计。然而，根据传感器封装20的特定设计标准，集成传感器61或传感器管芯62可以是某个其它传感器器件。

封装材料64被应用于控制器管芯24的顶面44上以封装控制电路48、接合线56、传感器管芯62、以及至少部分封装导电元件60，使得只有导电元件60的顶侧面66从封装材料64暴露出来。封装材料64可以是任何常规的模塑化合物，例如环氧树脂材料。

图3示出了根据另一个实施例的沿着图1的剖面线A-A的传感器封装70的侧视图。传感器封装70与传感器封装20（图2）相似。因此，传感器封装70包括被粘结到传感器结构72以产生堆叠结构74的控制器管芯24，其中传感器结构72由传感器管芯26、帽28、以及传感器30组成。如同传感器封装20，传感器封装70附加地包括将传感器结构72和被封装材料64封装的控制器管芯24、导电元件60、积分传感器6和/或传感器管芯62等等进行电互连的接合线56。

如图3中具体说明的，传感器封装70的不同特征是传感器管芯26包括从帽28暴露出来的衬底部分76。即，冒28的材料部分不覆盖传感器管芯26的衬底部分76，即传感器管芯26的衬底部分76不存在冒28的材料部分。因此，代替形成于冒28的内部帽表面34上（如图2中所示出的），粘结盘42在衬底部分76形成于传感器管芯26的内管芯表面36上。因此，粘结盘42位于被帽28密封的传感器管芯26的区域外。如图2的实施例，根据传统的和发展的传感器器件制作过程，粘结盘42可以被电连接到传感器30的各种结构和/或电极。为了便于讨论，粘结盘42和传感器30的各种结构和/或电极之间的电互连在本发明中没有被说明和详细描述。

还如图3中说明的，传感器封装70的另一个不同特征是控制器管芯24的底面46附着于传感器结构72的外部帽表面52以产生具有位于传感器管芯26和控制器管芯24之间的帽28的堆叠结构74。因此在传感器管芯26的衬底部分76的内管芯表面36上的粘结盘42与粘结盘50所在的控制器管芯24的顶面44朝着相同的方向（即，在图3中向上）。接合线56容易地附着于传感器管芯26的内管芯表面36上的相应粘结盘42和控制器管芯24的顶面44上的粘结盘50之间以提供位于控制器管芯24和传感器结构72的传感器管芯26之间的合适的电互连。

如上面所讨论的，传感器封装20（图2）表示了传感器管芯26被插入在帽28和控制器管芯24之间的结构配置。然而，传感器封装70表示了帽28被插入在传感器管芯26和控制器管芯24之间的翻转结构配置。提供传感器封装20和70是为了示例的目的。然而，根据特定设计标准，传感器封装可能呈现很多形式、大小、形状、以及功能。

图4示出了根据另一个实施例的制作传感器封装20和70（图1-图3）的封装过程80的流程图。封装过程80阐述了一种代替传统管芯放置技术的晶圆级封装技术，其中半导体元件被封装，而仍在晶圆切块之后的晶圆内。封装过程80将结合多个传感器封装20（图2）的封装和多个传感器封装70（图3）的封装被讨论。然而，应该越来越明显，下面的方法可以适合于大量半导体设计的封装。简洁起见，封装过程80阐述了一种示例操作流程。然而，在实际实践中，根据封装设备的加工能力，操作顺序可以有变化。

封装过程80从活动82开始。在活动82，传感器晶圆结构被提供有在其上形成的多个传感器30（图2）。传感器晶圆结构可以由器件制作商提供并且根据封装过程80在单独的封装设备封装。替选地，传感器晶圆结构可以在相同制作设备内制作和封装。

结合活动82参照图5，图5示出了结合封装过程80被使用的传感器晶圆结构84的俯视图。图5具体别说明了示例传感器晶圆结构84，其包括多个由虚线所表示的、用于产生堆叠结构55（图2）的传感器结构22。因此，在传感器晶圆结构84的俯视图中，传感器管芯26的外部管芯表面54是可见的。

替选地，图5的说明可以表示另一个传感器晶圆结构86。在图5中传感器晶圆结构86以及其相关的元件通过括号来区分。如同传感器晶圆结构84，传感器晶圆86包括多个由虚线所表示的、用于产生堆叠结构74（图3）的传感器结构72。因此，在传感器晶圆结构86的俯视图中，帽28的外部帽表面52是可见的。

传感器结构22和72可以包括任何多个传感器器件中的任何一个，例如惯性传感器、陀螺仪、光学设备、压力传感器、磁场传感器、开关、麦克风等等。然而，在替代实施例中，传感器结构22和72可以包括任何其它器件，其中期望单独地保护，即帽的敏感特性以及附加地暴露或显示终端元件，即晶圆级的粘结盘42（图2）。

传感器晶圆结构84和86可以利用常规的和即将到来的体微机械加工、表面微机械加工、和/或高宽比硅微机械加工技术被制作。用于表面微机械加工技术的制作过程通常可以包括例如沉积、构图、以及刻蚀一个或多个牺牲氧化层、一个或多个结构多晶硅层，等等。例如，一个或多个牺牲氧化物层可以沉积在基于硅晶圆上，以及一个或多个结构层可以然后沉积在牺牲层上。

传感器晶圆结构84或86上的所有元件可以是相同的，或传感器晶圆结构84或86可以包括传感器元件的混合物。虚线88表示划定了组成传感器晶圆结构84的各种传感器结构22的边界，或者替选地表示划定了组成传感器晶圆结构86的各种传感器结构72的边界。虚线88可以附加地表示传感器晶圆结构84最终将被切割、切块、蚀刻、或以其它方式切割（下面讨论）的位置。因此，虚线88在下文中被称为锯线88。

在所说明的实施例中，虚线点序列表示的线的选择对90表示最高晶圆，即传感器晶圆或帽晶圆（下面讨论），将被移除的位置（下面讨论）以访问是另一个传感器晶圆或帽晶圆的底层晶圆的粘结盘42（图2和图3）。这些选择对在下文中被称为锯线90。传感器晶圆结构84和86被说明为通常的磁盘形状。然而，传感器晶圆结构84和86的替代实施例可以是任何合适的形状，例如矩形形状。此外，组成给定传感器晶圆结构84或86的传感器结构22或72的数量会有所不同，这取决于传感器结构22或72的大小和用于组装传感器晶圆结构84或86的晶圆（下面讨论）的大小。

现在结合活动82（图4）参照图6，图6示出了与图2中说明的实施例相对应的传感器晶圆结构84的部分侧视图。传感器晶圆结构84包括传感器晶圆92、帽晶圆94、以及形成于传感器晶圆92的衬底材料32上的多个传感器30。根据常规的和即将到来的过程，传感器晶圆92被制作以包括传感器30和被单独制作的帽晶圆94。帽晶圆94随后通过使用任何合适的粘结技术和粘结材料耦合于传感器晶圆92。锯线88描绘了每个相邻传感器管芯26的边界。同样，锯线88描绘了每个相邻帽28的边界。而且，锯线88或相邻的锯线90描绘了将要被移除以暴露形成于帽28的衬底部分40上的底层粘结盘42的控制器管芯26的衬底部分96。在实施例中，传感器晶圆92可以被适当形成以便腔91或空间从粘结盘42位于的内部管芯表面92向内延伸。这样的配置在很大程度上防止了对帽晶圆94上的底层结构的损坏，以及在下面被讨论的锯切操作期间产生锯切。在替代配置中，底层结构例如电连接可以被埋在帽晶圆94的衬底材料中并且和帽晶圆94电隔离开，因此不需要腔91。

现在结合活动82（图4）参照图7，图7示出了与图3中说明的实施例相对应的传感器晶圆结构86的部分顶视图。传感器晶圆结构86包括传感器晶圆92、帽晶圆94、以及形成于衬底材料32上的传感器30。如上面所描述的，传感器晶圆92被制作以包括传感器30和被单独制作的帽晶圆94。帽晶圆94随后通过使用任何合适的粘结技术和粘结材料耦合于传感器晶圆92。锯线88描绘了每个相邻传感器管芯26的边界。同样，锯线88描绘了每个相邻帽28的边界。在该配置中，锯线88或相邻的锯线90描绘了将要被移除以暴露形成于传感器管芯26的衬底部分76上的底层粘结盘42的帽28的材料部分98。

返回参照图4，响应于活动82，传感器晶圆结构84（图6）或传感器晶圆结构86（图7）被提供。封装过程80首先将结合传感器晶圆结构84的提供被讨论以产生传感器封装20（图2）。

在活动82之后，封装过程80继续活动100。在活动100，至少一个控制器元件被提供。控制器元件可以从器件制作商提供并且根据封装过程80在单独的封装设备封装。替选地，控制器元件可以在相同制作设备内制作和封装。

结合活动82参照图8-图10，图8示出了结合封装过程80被使用的、以控制器晶圆102的形式的控制器元件的俯视图。图9示出了控制器晶圆102的放大部分顶视图以及图10显示了沿着图9的剖面线10-10的控制器晶圆的部分侧面剖视图。控制器晶圆102具有顶面44和底面46，其中顶面44包括多个控制器管芯24，并且每个控制器管芯包括控制电路48和在一些实施例中包括集成传感器61。

控制器晶圆102可以利用常规的和即将到来的用于在控制器晶圆102的有源区域形成控制电路48的集成电路（IC）制作技术被制作。标准IC晶圆制作技术的实施创建了三极管、电容、电阻、二极管、以及控制电路48、集成传感器61（如果有的话）的所有其它组件。此外，这些IC制作技术可以被实现以在控制器晶圆102的顶面44上形成粘结盘50和隆起58。这些常规方法步骤在本发明中不必进行描述。

沿着控制器晶圆102的平面顶面44，控制器晶圆102的顶面44被标有虚线104。虚线104表示控制器晶圆102被锯开或切块的位置。例如，在所说明的实施例中，虚线点序列表示的垂直排列的虚线104的相邻对106表示材料部分107（下面讨论）将被移除以访问底层传感器晶圆结构84（图6）的位置。剩余的虚线104表示与传感器晶圆结构84的切割同时发生的控制器晶圆102最终被切割的位置。虚线104在本发明中统称为锯线104。

控制器晶圆102被说明为通常的磁盘形状以与传感器晶圆结构84一致（图6）。然而，控制器晶圆102的替代实施例可以是任何合适的形状，例如矩形形状。此外，形成于给定控制器晶圆102上的控制器管芯24的数量会有所不同，这取决于控制器管芯24的大小和控制器晶圆102的大小。

现在参照图11，图11示出了根据另一个实施例的结合封装过程80被使用的、以控制器管芯24的形式的控制器元件的侧视图。封装过程80（图3）呈现为晶圆-晶圆制作过程，其中所提供的控制器元件是控制器晶圆102（图10），该元件首先结合图12-图18被描述。在替代实施例中，封装过程80可以呈现为管芯-晶圆制作过程，其中所提供的至少一个控制器元件是多个控制器管芯24，该管芯结合图19-图24被描述。同样，图11示出了在控制器晶圆102（图8）被切块、锯切、蚀刻、或以其它方式被切割以形成彼此物理分离的多个控制器管芯24。

现在返回封装过程80，在活动100之后，封装过程80继续活动108。在活动108，控制器晶圆102（图8）经历背磨过程以薄化晶圆102。具体地，底面46（图10）使用了一种常规的研磨材料和设备经历了背磨，该背磨还被称为晶圆薄化。

结合活动108参照图12，图12示出了根据封装过程80的在封装的初始阶段110的控制器晶圆102的部分侧面剖视图。如图12中的虚线111所表示的，控制器晶圆102展示了当在任务80（图4）提供控制器晶圆102用于封装时的初始厚度112。控制器晶圆102的初始厚度112可以大约750微米厚。晶圆背磨是半导体器件制作操作，其中晶圆厚度被减小以使能半导体器件的堆叠和高密度封装。如图12中所示出的，在执行背磨活动108之后，控制器晶圆102的最终厚度92小于初始厚度112。最终厚度114可以是尽可能薄的任何合适的尺寸，而不过度牺牲机械稳定性。例如，控制器晶圆102的最终厚度114可以大约100微米。

返回参照图4，在背磨活动108之后，封装过程80继续活动116。在活动116，控制器晶圆102被粘结到传感器晶圆结构84以形成堆叠晶圆结构55（图2）。

结合活动116参照图13，图13示出了在封装的后续阶段118被粘结到传感器晶圆结构84以形成堆叠晶圆结构117的控制器晶圆102的部分侧面剖视图。接合可以通过利用直接接合、附着接合、热压接合、活性接合、等离子激活接合、阳极接合、共晶接合、或任何其它合适的接合技术被执行。例如，环氧树脂管芯附着材料或薄膜可以被利用以将控制器晶圆102粘结到传感器晶圆结构84。在示出的实施例中，传感器晶圆结构84被提供有在将控制器晶圆102粘结到传感器晶圆结构84之前粘结在一起的传感器晶圆92和帽晶圆94以在活动116形成堆叠晶圆结构117。然而，在替代实施例中，传感器晶圆92、帽晶圆94、以及控制器晶圆102可以同时被粘结在一起。此外，注意当控制器晶圆102包括集成传感器61（图2）时，集成传感器61的温度敏感性可能限定了使用的粘结材料和技术。

控制器晶圆102和传感器晶圆结构84的对齐可以通过利用机械的或光学框标，例如控制器晶圆102和传感器晶圆结构84的沿处的凹槽口、插脚、蚀刻、或全息图像，除了别的之外。硅晶圆接合的自动工艺设备，以及合适的集成对齐技术可以提供控制器晶圆102和传感器晶圆结构84的半导体元件上的特定特性的精确位置。因此，传感器的小于十分之一的精度的角对准可以被实现。该对准精度与在传统管芯级管芯封装中实现的传感器的角对准形成对比；其中传统管芯级封装中的传感器角对准通常限于大约正或负两个精度。

参照图4，在粘结活动116之后，封装过程80继续活动120。在活动120，导电元件60（图2）形成于控制器晶圆102（图10）的隆起58（图10）上。此外，封装过程80的活动122可以被执行。在活动122，当传感器封装20（图2）的设计配置需要传感器管芯62（图2）时，传感器管芯62可以在控制器晶圆102的控制器管芯24（图2）上的适当位置被安装到控制器晶圆102。

结合封装过程80的活动120和122参照图14，图14示出了在封装的后续阶段124的图13的堆叠晶圆结构117的部分侧面剖视图。在图14表示的活动120，导电元件60形成于控制器晶圆102的隆起58上。导电元件60可以是电镀到控制器晶圆102的隆起58上的铜柱。替选地，根据常规的方法，螺柱隆起或锡球可以附着于隆起58。

导电元件60形成于堆叠晶圆结构117的粘结晶圆的隆起58上用作晶片级过程，以实现传感器封装20（图2）的旋转精度对产品电路的改进。当与组装到传感器封装的管芯进行比较时，形成为晶圆级过程的导电元件60在将传感器封装组装到产生电路之后实现了精度的改进。因此，当传感器封装20通过例如焊接最终被组装到产品电路时，相对于产品电路，传感器封装20的位置和旋转将通过导电元件60的位置和旋转被决定，因为焊接将导电元件60对齐到产品电路上的相应的特性。

在还是通过图14表示的活动122，传感器管芯62可以通过管芯附着工艺被粘结到控制器晶圆102以及通过引线被粘结到控制器晶圆102。替选地，传感器管芯62可以通过利用倒装管芯技术被安装到控制器晶圆102；其中在该技术中，通过使用例如焊接凸点安装、柱形凸起焊接等等，而不是常规的引线接合技术，传感器管芯62被倒转并和直接连接到控制器元件24。为了简便说明，传感器管芯62到控制器晶圆102的管芯附着工艺以及引线被接合的细节在本发明没有被说明。

倒装管芯技术可以在传感器管芯62和底层传感器晶圆结构84的传感器30之间实现良好的旋转和倾斜精度。然而，因为控制器晶圆102上的每个控制器管芯24被粘结到包括传感器30的底层传感器晶圆结构84，其中通过晶圆-晶圆接合实现了极好的旋转和倾斜精度，甚至管芯附加过程的实施可以在传感器管芯62和传感器30之间实现改进对准精度。然而，更重要的是，将传感器管芯62安装到控制器晶圆102可以实现改进的封装密度。

返回参照图4，封装过程80继续活动126。在活动126，控制器晶圆102的材料部分107（图10）和传感器晶圆结构84的材料部分96（图6）被移除以展现帽晶圆94（图6）上的粘结盘42（图2）。

结合活动126参照图15，图15示出了在封装的后续阶段128的堆叠晶圆结构117的部分侧面剖视图。暂时返回参照图6，粘结盘42位于传感器晶圆92的材料部分96下的腔或空间内。如图15中所示出的，控制器晶圆102的材料部分107以及传感器晶圆92的材料部分96已被移除，即显示位于这些腔内的以及形成于底层帽晶圆94上的粘结盘42。材料部分107以及材料部分96可以通过沿着控制器晶圆102内的锯线106和传感器晶圆92内的锯线90（见图6）被移除。

再次返回参照图4，一旦材料部分107和96已被移除以在活动126暴露，即展现粘结盘42，封装过程80继续活动130。在活动130，以接合线56的形式的电互连附着于帽晶圆的粘结盘42（图2）和控制器晶圆102的粘结盘50（图2）之间。

现在结合活动130参照图16，图16示出了在封装的后续阶段132的堆叠晶圆结构117的部分侧面剖视图。如所示出示的，通过使用常规的引线接合工艺，接合线56被粘结到帽晶圆94的内部帽表面34上的粘结盘42和控制器晶圆102的顶面44上的相应粘结盘50。应观察到导电元件60高于接合线56的引线接合环高度。引线接合是符合成本效益和灵活的互连技术，并且当在晶圆级制作过程期间形成电互连时可以被容易地实施。

返回参照图4，在引线接合活动130之后，封装过程80继续活动134。在活动134，封装材料64（图2）被应用于封装堆叠晶圆结构117。

结合活动134参照图17，图17示出了在封装的后续阶段136的堆叠晶圆结构117的部分侧面剖视图。如图17中所显示的，导电元件60、控制器管芯102的顶面44、传感器管芯62、接合线56、以及帽晶圆94的暴露的内部帽表面34被封装材料64封装。封装材料可以是模塑化合物、灌注化合物、环氧树脂等等。封装材料64在足够厚的层中被施加以覆盖接合线56和导电元件60。如果在封装期间，封装材料64完全覆盖导电元件60，封装材料64可以被背磨或以其它方式被研磨以暴露导电元件60的顶面66而不暴露接合线56。

如上面所提到的，根据封装设备的特定加工能力，操作顺序可以有变化。例如，导电元件60可以形成于引线接合（图16所表示的）之后或封装（图17所表示的）之后，但是在切割活动（下面讨论）之前。

再次返回参照图4，在引线接合活动130和/或封装活动134之后，简便起见，在本发明未示出的继续处理可以被执行。这种继续处理可以包括在导电元件60上添加锡球。添加的锡球可以增加平衡和改进电互连。附加继续处理可能包括目视检查、操作测试、老化测试、压力测试、加速寿命测试、在封装材料64和导电元件的顶面64上建立附加再分配层、等等，而一切都在晶圆级上进行。

在活动134之后，活动138最终被执行。在活动138，制作的堆叠晶圆结构117通过常规的方式被切割，即切、冲孔、或切块。在活动138之后，封装过程80结束。

结合活动138参照图18，图18示出了根据封装过程的产生于堆叠晶圆结构117（图17）的传感器封装20的侧面剖视图。如所示出的，堆叠晶圆结构117沿着与传感器结构22的锯线88（见图6）和控制器晶圆102的剩余锯线104（见图10）相对应的锯线已被切割，即被切、冲孔、或切块以产生单个传感器封装20。在切割活动138之后，在结束应用中单个传感器封装20可以例如耦合于印刷电路板。每个生成的传感器封装20表示管芯级封装，其中x和y封装尺寸大约等于传感器结构22的x和y尺寸。然而，z尺寸，即每个传感器封装70的厚度大约比堆叠晶圆结构140的厚度大100到200微米以容纳导电元件60和接合线56。

封装过程80在上面被描述为利用传感器晶圆结构86（图6）和控制器晶圆102（图10）以产生传感器封装20的晶圆-晶圆封装过程。根据替代实施例，封装过程80在下面被描述为利用传感器晶圆结构86（图7）和先前被切割的，即被分离的控制器管芯24以产生传感器封装70（图3）的管芯-晶圆封装过程。然而，应很容易了解封装过程80可以被实施为利用晶圆结构86和控制器晶圆102以产生传感器封装70的晶圆-晶圆封装过程。同样，封装过程80可以被实施为利用传感器晶圆结构84和先前被切割的，即被分离的控制器管芯24以产生传感器封装20的管芯-晶圆封装过程。在每个实施例中，改进可以在相对于传统管芯级管芯封装的旋转和倾斜精度中实现。

图19示出了根据封装过程80（图4）的粘结活动116（图4）、以多个控制器管芯24的形式在封装的中间阶段142被粘结到传感器晶圆结构86以形成堆叠结构140的控制器元件的部分侧面剖视图。通过实施将切割的控制器管芯24附着于传感器晶圆结构86的技术，切割的控制器管芯24在活动116被粘结之前可以被探测和被测试。因此，只有“良好的”（即能够适当运行）控制器管芯24将被粘结到传感器晶圆结构86。此外，由于控制器管芯24已经被切割，即彼此物理分离，控制器管芯24的X和Y尺寸可以不同于传感器管芯26的X和Y尺寸。

图20示出了根据封装过程80（图4）的活动120和122（图4）在封装的后续阶段144的图19的堆叠晶圆结构140的部分侧面剖视图。因此，在阶段144，导电元件60形成于控制器管芯24的隆起58上。此外，传感器管芯62（如果存在的话）被安装到控制器管芯24的顶面44。

图21示出了根据封装过程80（图4）的活动126（图4）在封装的后续阶段146的图20的堆叠晶圆结构140的部分侧面剖视图。在阶段146，帽晶圆92的材料部分98被移除以展现底层传感器晶圆92上的粘结盘42（图3）。材料部分98可以通过沿着帽晶圆94内的锯线90（见图20）锯切被移除。

图22示出了根据封装过程80（图4）的活动130（图4），在封装的后续阶段148的图21的堆叠晶圆结构140的部分侧面剖视图。在阶段148，以接合线56的形式的电互连附着于传感器晶圆92的粘结盘42和每个控制器管芯24的相应的粘结盘之间。

图23示出了根据封装过程80（图4）的活动134（图4），在封装的后续阶段150的图22的堆叠晶圆结构140的部分侧面剖视图。在阶段150，封装材料64被施加以封装堆叠圆结构140。如图23中所显示的，导电元件60、控制器管芯24的顶面44、传感器管芯62、接合线56、以及传感器晶圆92的暴露的内部管芯表面36被封装材料64封装。此外，如果在封装期间，封装材料64完全覆盖导电元件60，封装材料64可以被背磨或以其它方式被研磨以暴露导电元件60的顶面66而不暴露接合线56。

图24示出了在封装过程80（图4）的活动138（图4）之后产生于图23的堆叠晶圆结构140的传感器封装70的侧面剖视图。也就是说，制作的堆叠晶圆结构140通过常规的方式被切割，即被切、冲孔、或切块以产生传感器封装70。例如，堆叠晶圆结构140沿着晶圆结构86的线88（见图8）被切割以提供单个传感器封装70。因此，每个生成的传感器封装70表示管芯级封装，其中x和y封装尺寸大约等于传感器结构22的x和y尺寸。然而，z尺寸，即每个传感器封装70的厚度大约比堆叠晶圆结构140的厚度大100到200微米以容纳导电元件60和接合线56。

本发明所描述的实施例包括传感器封装方法以及根据封装方法产生的传感器封装。该封装方法包括代替传统管芯放置技术的晶圆级封装技术。根据晶圆级封装技术，控制器晶圆被粘结到传感器晶圆结构以形成堆叠晶圆结构，其中控制器晶圆的有源侧面朝外。因此，封装输入和输出可以形成于控制器晶圆上。堆叠晶圆结构的一部分被锯切、蚀刻、或以其它方式被切割以展现传感器晶圆结构的底层粘结盘并且控制器晶圆上的控制器元件的相应粘结盘以晶圆格式被引线接合到传感器粘结盘。当传感器晶圆结构包括被粘结到传感器晶圆的帽晶圆时，该方法特别有用，以及传感器晶圆结构的粘结盘位于帽晶圆上，而不是传感器晶圆上。

晶圆级封装过程特别适用于小型化传感器封装，其中传感器的精确旋转和倾斜精度可以在晶圆级而不是管芯级被实现。此外，所需要的角度精度可以得到保证，而没有更昂贵和费时的测试。因此本发明所讨论的晶圆级封装过程以相对较低的成本提供了传感器的高生产量和精确放置封装。此外，晶圆级封装过程导致了通常与管芯大小相同单个传感器封装、堆叠传感器和微电子器件以进行尺寸缩减和改进的封装密度、增强的电性能、等等。此外，晶圆结构和相应的方法符合成本效益，易于实施，并适应现有的组装和封装工具以及技术。

虽然本发明的优选实施例已经被详细说明和描述，很明显对本领域所属技术人员来说在不脱离本发明的精神或所附权利要求范围的情况下，可以对其进行各种修改。例如，在晶圆接合之后的处理操作可以以不同顺序而不是所提出的顺序被执行。

Claims (20)

1.一种形成传感器封装的方法，包括：

将传感器晶圆、帽晶圆、以及至少一个控制器元件粘结在一起，使得所述帽晶圆的第一内表面耦合于所述传感器晶圆的第二内表面以形成传感器结构以及所述至少一个控制器元件的底面耦合于所述传感器结构的外表面以形成堆叠晶圆结构，其中所述传感器晶圆包括被所述帽晶圆封装的多个传感器，所述帽晶圆和所述传感器晶圆中的第一个包括带有位于所述第一和第二内表面的相应一个上的第一粘结盘的衬底部分并且所述帽晶圆和所述传感器晶圆中的第二个隐藏了所述衬底部分，以及所述至少一个控制器元件的顶面包括控制电路和第二粘结盘；

从所述传感器晶圆和所述帽晶圆中的所述第二个移除第一材料部分以暴露具有所述第一粘结盘的所述衬底部分；

在所述第一和第二粘结盘之间形成电互连；以及

切割所述堆叠晶圆结构以产生所述传感器封装。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述粘结操作包括：

将所述帽晶圆的所述第一内表面和所述传感器晶圆的所述第二内表面粘结以形成所述传感器结构；以及

在所述帽晶圆和所述传感器晶圆的所述粘结之后，将所述至少一个控制器元件的所述底面和所述传感器结构的所述外表面粘结以形成所述堆叠晶圆结构。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个控制器元件是以具有所述顶面和所述底面的控制器晶圆的形式，所述顶面包括多个控制器管芯，每个所述控制器管芯具有所述控制电路和所述第二粘结盘；并且其中：

所述粘结操作包括将所述控制器晶圆的所述底面附着于所述传感器结构的所述外表面，使得所述每个所述控制器管芯与所述传感器中的一个对齐；以及

所述移除操作包括移除所述控制器晶圆的与所述第一材料部分相一致的第二材料部分以暴露具有所述第一粘结盘的所述衬底部分。

4.根据权利要求3所述的方法，其中：

对于与所述传感器中的所述一个对齐的每个所述控制器管芯，所述形成操作形成在所述第一和第二粘结盘之间的电互连；以及

所述切割操作在所述形成操作之后被执行以产生多个传感器封装，所述传感器封装是所述多个传感器封装中的一个。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个控制器元件包括彼此物理分离的多个单独控制器管芯，每个所述单独控制器管芯具有所述顶面和所述底面，所述顶面包括所述控制电路和所述第二粘结盘，以及所述粘结操作包括将每个所述单独控制器管芯的所述底面附着于所述传感器结构的所述外表面使得每个所述控制器管芯与所述传感器中的一个对齐。

6.根据权利要求5所述的方法，其中：

对于与所述传感器中的所述一个对齐的每个所述控制器管芯，所述形成操作形成在所述第一和第二粘结盘之间的电互连；以及

所述切割操作在所述形成操作之后被执行以产生多个传感器封装，所述传感器封装是所述多个传感器封装中的一个。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器结构的所述外表面是所述传感器晶圆的第二外表面，以及所述粘结操作包括将所述至少一个控制器元件的所述底面附着于所述传感器晶圆的所述第二外表面以产生具有位于所述帽晶圆和所述至少一个控制器元件之间的所述传感器晶圆的所述堆叠晶圆结构。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器结构的所述外表面是所述帽晶圆的第一外表面，以及所述粘结操作包括将所述至少一个控制器元件的所述底面附着于所述帽晶圆的所述第一外表面以产生具有位于所述传感器晶圆和所述至少一个控制器元件之间的所述帽晶圆的所述堆叠晶圆结构。

9.根据权利要求1所述的方法,其中所述至少一个控制器元件包括形成于所述顶面上的隆起，以及所述方法还包括在所述粘结操作之后在所述隆起上形成导电元件。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述移除操作在所述粘结操作之后被执行。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括：

将封装材料应用于所述至少一个控制器元件的所述顶面以封装所述控制电路和所述电互连；以及

在所述应用操作之后执行所述分割操作。

12.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述粘结操作之后将传感器管芯安装到所述至少一个控制器元件的所述顶面。

13.一种传感器封装，包括：

具有传感器管芯和帽的传感器结构，所述传感器管芯包括传感器，所述帽的第一内表面耦合于所述传感器管芯的第二内表面，所述帽和所述传感器管芯中的第一个包括带有位于所述第一和第二内表面中的相应一个上的第一粘结盘的衬底部分，以及不存在所述帽和传感器管芯中的另一个的材料部分；

具有顶面和与所述顶面相对的底面的控制器管芯，所述顶面包括控制电路和第二粘结盘，所述底面被粘结到所述传感器结构的外表面以形成堆叠结构；

附着于相应的所述第一粘结盘和所述第二粘结盘之间的电互连，所述电互连至少穿过不存在所述材料部分的区域；以及

位于所述控制器管芯的所述顶面上并且封装所述控制电路和所述电互连的封装材料。

14.根据权利要求13所述的传感器封装，其中所述传感器结构的所述外表面是所述传感器管芯的第二外表面，以及所述控制器管芯的所述底面附着于所述传感器管芯的所述第二外表面以产生具有位于所述帽和所述控制器管芯之间的所述传感器管芯的所述堆叠结构。

15.根据权利要求14所述的传感器封装，其中所述帽包括具有位于所述第一内表面上的所述第一粘结盘的所述衬底部分，以及所述第一粘结盘与所述控制器管芯的所述顶面朝着相同的方向。

16.根据权利要求13所述的传感器封装，其中所述传感器结构的所述外表面是所述帽的第一外表面，以及所述控制器管芯的所述底面附着于所述帽的所述第一外表面以产生具有位于所述传感器管芯和所述控制器管芯之间的所述帽的所述堆叠结构。

17.根据权利要求16所述的传感器封装，其中所述传感器管芯包括具有位于所述第二内表面上的所述第一粘结盘的所述衬底部分，以及所述第一粘结盘与所述控制器管芯的所述顶面朝着相同的方向。

18.根据权利要求13所述的传感器封装，还包括位于所述控制器管芯的所述顶面的第二传感器。

19.一种形成传感器封装的方法，包括：

将传感器晶圆、帽晶圆、以及至少一个控制器元件粘结在一起，使得所述帽晶圆的第一内表面耦合于所述传感器晶圆的第二内表面以形成传感器结构，以及所述至少一个控制器元件的底面耦合于所述传感器结构的外表面以形成堆叠晶圆结构，其中所述传感器晶圆包括被所述帽晶圆封装的多个传感器，所述帽晶圆和所述传感器晶圆中的第一个包括带有位于所述第一和第二内表面中的相应一个上的第一粘结盘的衬底部分以及所述帽晶圆和所述传感器晶圆中的第二个隐藏所述衬底部分，以及所述至少一个控制器元件的顶面包括控制电路和第二粘结盘；

从所述传感器晶圆和所述帽晶圆中的所述第二个移除第一材料部分以暴露具有所述第一粘结盘的所述衬底部分；

在所述粘结和移除操作之后在所述第一和第二粘结盘之间形成电互连；

将封装材料应用于所述至少一个控制器元件的顶面上以封装所述控制电路和所述电互连；以及

在所述应用操作之后，切割所述堆叠晶圆结构以产生所述传感器封装。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述移除操作在所述粘结操作之后被执行。

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