CN104061967B - 基于衬底转移工艺的热式风速风向传感器及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于衬底转移工艺的热式风速风向传感器及其封装方法，在保证了与传统CMOS工艺完全兼容的同吋，利用导热粘合剂胶体将陶瓷基板和传感芯片进行键合，通过腐蚀或研磨的方法去掉硅衬底后，能够完全消除传感器加热元件产生的热量在硅基芯片中的热传导；同时传感结构处于陶瓷基板和二氧化硅层之间，由于二氧化硅层具有极低的热传导系数，陶瓷基板具有较大的热传导系数，因此加热元件产生的绝大部分热量均通过导热胶和陶瓷基板向上进行热传导并通过强迫热对流效应与外界环境进行热交换，绝大部分的热量均用于感知外界环境中风速风向的变化，因此由于热传导效应造成的热损失会很小，使传感器能够在低功耗条件下获得较大的敏感信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种低功耗高灵敏度的热式风速风向传感器，尤其涉及一种基于衬底转移工艺的热式风速风向传感器及其封装方法。
背景技术
热风速风向传感器在风速、风向的测量中有广泛的应用，而随着近些年国内外自然灾害逐步增多，对于气象监测的要求越来越高，因此实现低功耗高灵敏度的热风速风向传感器具有重要的意义。在基于CMOS工艺的热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。一方面其封装材料既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，热式风速风向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。
发明内容
发明目的：本发明根据以往硅风速风向传感器存在的问题，提出了一种利用衬底转移工艺实现的基于陶瓷封装CMOS集成的热式风速风向传感器及其封装方法，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，能够完全消除加热元件在硅基衬底上的热传导，在低功耗的条件下可以获得较高的灵敏度；并通过最后一步反应离子刻蚀技术，解决在圆片级封装过程中的电引出问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于衬底转移工艺的热式风速风向传感器，包括陶瓷基板和传感芯片，传感芯片包括二氧化硅绝热层，在二氧化硅绝热层的正面设置有加热元件、测温元件和焊盘，二氧化硅绝热层的正面和陶瓷基板的正面通过粘合剂胶体实现基于粘合剂的低温键合圆片级封装；粘合剂胶体为导热材质。
具体的，所述传感芯片中：加热元件以传感芯片的中心为中心均匀分布并形成中心对称结构，形成温度场；测温元件同样以传感芯片的中心为中心均匀分布并形成对称结构，且测温元件设置在加热元件的外侧，用以感应温度场的分布；通过相对的测温元件上的热温差来反应风速和风向信息。
一种基于衬底转移工艺的热式风速风向传感器封装方法，包括如下步骤：
(1)制备陶瓷基板和基于硅衬底的传感芯片，基于硅衬底的传感芯片的结构为：在硅衬底上设置有二氧化硅绝热层，在二氧化硅绝热层的正面设置有加热元件、测温元件和焊盘；
(2)将二氧化硅绝热层的正面和陶瓷基板的正面之间通过粘合剂胶体实现基于粘合剂的低温键合圆片级封装；
(3)使用腐蚀与研磨的方法完全去除硅衬底。
具体的，所述步骤(2)中，键合过程环境温度低于400℃，与CMOS工艺兼容。
具体的，所述步骤(1)中，基于硅衬底的传感芯片制备过程如下：
(11)在硅衬底上氧化或淀积一层二氧化硅绝热层；
(12)在二氧化硅绝热层上加工生长金属层；
(13)利用光刻和刻蚀工艺对金属层进行图形化；
(14)去除光刻胶形成加热元件、测温元件和焊盘。
具体的，所述步骤(12)中，金属层为金属铝层。
本发明传感器中，陶瓷基板和传感芯片之间通过导热的粘合剂胶体实现基于粘合剂的低温键合圆片级封装，陶瓷基板与传感芯片之间的热连接通过粘合剂传热来实现，键合过程环境温度低于400℃，与CMOS工艺兼容。具有高热导率的硅衬底被用腐蚀加研磨的方式完全去除，仅剩下一层二氧化硅绝热层起绝热的作用。此种方法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。本发明传感器中的陶瓷基板一方面作为用于保护下层传感芯片的封装基板，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基板的上表面和风的环境接触，其他元件和电路均通过陶瓷基板和外界环境隔绝，因此能够避免受到外界环境的污染。本发明通过陶瓷基板下表面使用粘合剂键合方法连接的加热元件在陶瓷基板表面建立一个温度场，陶瓷基板上表面暴露在外界环境中，由加热元件在陶瓷基板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粘合剂的导热功能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。当外界有风从陶瓷基板表面吹过时，风将以热对流的方式从陶瓷基板上表面带走部分的热量，热传感测温元件通过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基板上表面温度场温度梯度的变化，能够反映风向的变化信息。
有益效果：本发明提供的基于衬底转移工艺的热式风速风向传感器及其封装方法，在保证了与传统CMOS工艺完全兼容的同吋，利用导热粘合剂胶体将陶瓷基板和传感芯片进行键合，通过腐蚀或者研磨的方法去掉硅衬底后，能够完全地消除传感器加热元件产生的热量在硅基芯片中的热传导；同时传感结构处于陶瓷基板和二氧化硅层之间，由于二氧化硅层具有极低的热传导系数，陶瓷基板具有较大的热传导系数，因此加热元件产生的绝大部分热量均通过导热胶和陶瓷基板向上进行热传导并通过强迫热对流效应与外界环境进行热交换，绝大部分的热量均用于感知外界环境中风速风向的变化，因此由于热传导效应造成的热损失会很小，使传感器能够在低功耗条件下获得较大的敏感信号；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，另ー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为基于硅衬底的传感芯片的结构示意图；
图2为未去除硅衬底的本发明的结构示意图；
图3为本发明的结构示意图；
图4为本发明安装到电路板中的结构示意图；
包括：硅衬底1，二氧化硅绝热层2，加热元件3，测温元件4，焊盘5，粘合剂胶体6、陶瓷基板7、电路板8、电路板焊盘9、键合线10和绝热封装胶11。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种基于衬底转移工艺的热式风速风向传感器，包括陶瓷基板7和传感芯片，传感芯片包括二氧化硅绝热层2，在二氧化硅绝热层2的正面设置有加热元件3、测温元件4和焊盘5，二氧化硅绝热层2的正面和陶瓷基板7的正面通过粘合剂胶体6实现基于粘合剂的低温键合圆片级封装；粘合剂胶体6为导热材质。所述传感芯片中：加热元件3以传感芯片的中心为中心均匀分布并形成中心对称结构，形成温度场；测温元件4同样以传感芯片的中心为中心均匀分布并形成对称结构，且测温元件4设置在加热元件3的外侧，用以感应温度场的分布；通过相对的测温元件4上的热温差来反应风速和风向信息。
加热元件3用于在陶瓷基板7上实现温度场；通过测温元件4上的热温差来反应风速和风向信息；焊盘5用于实现传感芯片与电路板8之间的连接；粘合剂胶体6一方面用于实现感风陶瓷基板和传感芯片之间的键合粘接，另一方面用于实现加热元件3、测温元件4与陶瓷基板之间的热交换；陶瓷基板7在用作感风面的同时也起到保护芯片表面的元件的作用。
上述基于衬底转移工艺的热式风速风向传感器封装方法，包括如下步骤：
(1)制备陶瓷基板7和基于硅衬底1的传感芯片，基于硅衬底1的传感芯片的结构为：在硅衬底1上设置有二氧化硅绝热层2，在二氧化硅绝热层2的正面设置有加热元件3、测温元件4和焊盘5；
基于硅衬底1的传感芯片如图1所示，其制备过程如下：
(11)在硅衬底1上氧化或淀积一层二氧化硅绝热层2；
(12)在二氧化硅绝热层2上加工生长金属铝层；
(13)利用光刻和刻蚀工艺对金属铝层进行图形化；
(14)去除光刻胶形成加热元件3、测温元件4和焊盘5；
(2)在二氧化硅绝热层2的正面涂上一层较薄的可以导热的粘合剂胶体6，使二氧化硅绝热层2的正面和陶瓷基板7的正面之间通过粘合剂胶体6实现基于粘合剂的低温键合圆片级封装，如图2所示；键合过程环境温度低于400℃，与CMOS工艺兼容；
(3)对硅衬底1的背面进行减薄、研磨或腐蚀，直到完全去除硅衬底，露出二氧化硅绝热层2；再通过光刻和反应离子刻蚀技术刻蚀二氧化硅层绝热层2的对应焊盘5的区域，使焊盘5可以露出来，如图3所示。
在完成上述工艺后，可以划片产生单个的经过封装的传感器芯片，最终安装到电路板8上的传感器芯片的截面如图4所示。在电路板8上的电路板焊盘9和传感芯片的焊盘5之间通过键合线10实现电连接；键合完成后用绝热封装胶11将键合区域封闭起来实现保护的作用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于衬底转移工艺的热式风速风向传感器封装方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)制备陶瓷基板(7)和基于硅衬底(1)的传感芯片，基于硅衬底(1)的传感芯片的结构为：在硅衬底(1)上设置有二氧化硅绝热层(2)，在二氧化硅绝热层(2)的正面设置有加热元件(3)、测温元件(4)和焊盘(5)；基于硅衬底(1)的传感芯片制备过程如下：
(11)在硅衬底(1)上氧化或淀积一层二氧化硅绝热层(2)；
(12)在二氧化硅绝热层(2)上加工生长金属层；
(13)利用光刻和刻蚀工艺对金属层进行图形化；
(14)去除光刻胶形成加热元件(3)、测温元件(4)和焊盘(5)；
(2)将二氧化硅绝热层(2)的正面和陶瓷基板(7)的正面之间通过粘合剂胶体(6)实现基于粘合剂的低温键合圆片级封装；
(3)使用腐蚀与研磨的方法完全去除硅衬底(1)，通过光刻和反应离子刻蚀技术刻蚀二氧化硅层绝热层(2)的对应焊盘(5)的区域，使焊盘(5)露出来。
2.根据权利要求1所述的基于衬底转移工艺的热式风速风向传感器封装方法，其特征在于：所述步骤(2)中，键合过程环境温度低于400℃，与CMOS工艺兼容。
3.根据权利要求1所述的基于衬底转移工艺的热式风速风向传感器封装方法，其特征在于：所述步骤(12)中，金属层为金属铝层。
4.一种采用权利要求1的方法制备的基于衬底转移工艺的热式风速风向传感器，其特征在于：包括陶瓷基板(7)和传感芯片，传感芯片包括二氧化硅绝热层(2)，在二氧化硅绝热层(2)的正面设置有加热元件(3)、测温元件(4)和焊盘(5)，二氧化硅绝热层(2)的正面和陶瓷基板(7)的正面通过粘合剂胶体(6)实现基于粘合剂的低温键合圆片级封装；粘合剂胶体(6)为导热材质。
5.根据权利要求4所述的基于衬底转移工艺的热式风速风向传感器，其特征在于：所述传感芯片中：加热元件(3)以传感芯片的中心为中心均匀分布并形成中心对称结构，形成温度场；测温元件(4)同样以传感芯片的中心为中心均匀分布并形成对称结构，且测温元件(4)设置在加热元件(3)的外侧，用以感应温度场的分布；通过相对的测温元件(4)上的热温差来反应风速和风向信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20170510 |