CN104569109B - 一种面向isfet传感器的芯片结构及其集成封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向ISFET传感器的芯片结构，包括绝缘板和倒装在绝缘板上的裸芯片，裸芯片包括裸芯片基体，裸芯片基体的中部设有方形的敏感区，安置镀有敏感薄膜的ISFET器件，敏感区的两侧向外依次设有传感集成电路区和输入/输出焊盘区，输入/输出焊盘区上形成凸出的焊接导电凸块，绝缘板包括绝缘基板，绝缘基板的中部开有与敏感区大小相适配的孔径，并在孔的周围凸出形成与焊接导电凸块高度相同的挡板，焊接导电凸块固定在绝缘基板上，挡板与焊接导电凸块之间形成容腔并填充有绝缘密封胶。本发明，绝缘板和裸芯片结构简单，通过倒装的技术，完成裸芯片和绝缘板之间的集成封装，封装方法简单、快速，便于产业化和规模化生产，大大提高了工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种面向ISFET半导体传感器芯片，具体涉及一种面向ISFET传感器的芯片结构及其集成封装方法。
背景技术
离子敏感场效应晶体管(Ion Sensitive Field Effect Transistor，简称ISFET)自20世纪70年代问世以来，由于兼具半导体器件的优越特性和离子浓度的分析测量功能，在化学、生物微型传感器等领域具有良好的应用前景。ISFET是在金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,简称MOSFET)的基础上发展而来的，二者在结构上极为相似，区别仅在于MOSFET的金属栅极被离子敏感薄膜和被测溶液代替，而这些都是建立在半导体表面场效应基础上的器件。MOS结构的沟道电阻、电流等都受到敏感栅极电位的影响，而栅极电位又和敏感薄膜/待测溶液界面上的界面电势相关，电势的大小取决于待测溶液中待测离子的活度。基于ISFET半导体器件的传感器具有体积小、灵敏度高、响应时间短、检测方便、易于集成化和批量生产等显著优点，所以近年来，ISFET传感器相关研究发展相当迅速，已经应用到生物医疗、食品安全检测、化学品检测和环境检测等领域。
ISFET的阈值电压与电解液/绝缘膜界面势有关，而电解液/绝缘膜界面势与待测离子的浓度有关，阈值电压与沟道电流有关，因此可以通过检查沟道电流的变化来检测待测离子的浓度。通过变换不同的敏感薄膜，可以检测不同的待测离子。基于ISFET半导体传感器在测试时敏感薄膜要与待测溶液接触，除了敏感区域以外整个器件均需要用绝缘性能良好的密封材料封装。
目前，基于ISFET的半导体传感器绝大部分都是采用悬浮栅结构，以便于后续镀敏感层。但是这种结构的封装非常复杂，不能采用IC芯片封装的标准流程，而敏感区域需要裸露出来和待测溶液接触，同时传感器的相关电路部分又需要保证与待测溶液绝缘隔断，这就给后续封装带来的很大的难度。
到目前为止，还没有相关文献和专利指出面向ISFET半导体传感器的标准封装工艺。中国专利申请号为：200610090241.5提出了一种后续的封装方法，流片后获得的芯片为一个个分立的，只有3mm×3mm的裸片，这给光刻甩胶时带来了很大的麻烦，因为由于表面张力的作用，光刻胶在芯片边缘堆积很厚，从而导致光刻胶涂覆不均匀，不利于后续曝光。此专利指出利用在空白晶圆上制备出和裸芯片等厚、等面积大小的凹槽，这样裸芯片放入这些凹槽后，很好的解决了裸芯片表面甩胶不均匀的问题。但是对后续如何保护I/O PAD和传感器相关电路部分，没有提及，但这恰恰是一个很难解决的问题。
自IBM公司1960年研制开发出在芯片上制作凸点的倒装芯片焊接工艺技术以来，倒装芯片技术得到迅猛发展，目前全世界的倒装芯片消耗量超过年60万片，且以约50％的速度增长。倒装芯片技术的兴起是由于与其他的技术相比，在尺寸、外观、柔性、可靠性、以及成本等方面有很大的优势。今天倒装芯片广泛用于电子表，手机，便携机，磁盘、耳机，LCD以及大型机等各种电子产品上。
关于将芯片倒装技术应用于基于ISFET半导体传感器，鲜有相关产品和专利。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的基于ISFET半导体传感器结构不能利用芯片倒装技术、安装麻烦，不利于产业化生产的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种面向ISFET传感器的芯片结构，包括绝缘板和倒装在所述绝缘板上的裸芯片，所述裸芯片包括裸芯片基体，所述裸芯片基体的中部设有方形的敏感区，所述敏感区内安置镀有敏感薄膜的ISFET器件，所述敏感区的两侧向外依次设有条形的集成电路区和多个输入/输出焊盘区，所述ISFET器件和所述传感集成电路区以及所述输入/输出焊盘区之间均通过裸芯片内的金属互连层实现信号连接，所述输入/输出焊盘区上通过焊接形成凸出的焊接导电凸块，所述绝缘板包括绝缘基板，所述绝缘基板的中部开有与所述敏感区大小相同相适配的孔径，并在孔的周围凸出形成与所述焊接导电凸块高度相同的挡板，所述焊接导电凸块固定在所述绝缘基板上，所述挡板的上表面与所述敏感区的下表面相贴合，所述挡板与所述焊接导电凸块之间形成容腔并填充有绝缘密封胶。
在上述方案中，所述绝缘基板上设有金属化导线，所述焊接导电凸块与所述金属化导线固定连接，且所述焊接导电凸块的内侧面与所述金属化导线靠近所述挡板一端的侧面平齐。
在上述方案中，所述输入/输出焊盘区沿着条形的所述传感集成电路区的长度方向间隔设置。
在上述方案中，所述输入/输出焊盘区的个数为4、5、6、7或8个。
在上述方案中，所述敏感区的边缘设有防止所述绝缘密封胶进入所述敏感区的挡条。
本发明还提供一种面向ISFET传感器的芯片集成封装方法，包括以下步骤：
步骤一，在裸芯片基体上的输入/输出焊盘区上通过溅射或者化学刻蚀的方法去除其表面的氧化物，然后在输入/输出焊盘区的上表面通过焊接的方法形成焊接导电凸块；
步骤二，通过光刻工艺在绝缘基板上形成金属化导线；
步骤三，通过机械加工或其他的方法在绝缘基板形成一个与裸芯片上的敏感区一样大小的孔，并在孔的周围形成与焊接导电凸块高度一致的挡板；
步骤四，将带有焊接导电凸块的裸芯片与有着敏感区等大孔径的绝缘基板相连；
步骤五，在挡板与焊接导电凸块之间填充绝缘密封胶，对整个芯片其他区域起到密封绝缘的作用，用来保护芯片。
在上述方案中，在输入/输出焊盘区的表面形成焊接导电凸块的方法包括：蒸镀焊料凸块、电镀焊料凸块、印刷焊料凸块、钉头焊料凸块、放球凸块或焊料转移凸块。
在上述方案中，裸芯片与绝缘基板连接的方法可采用焊料焊接、热压焊接、热声焊接或粘胶连接。
在上述方案中，在挡板与焊接导电凸块之间填充绝缘密封胶时具体步骤为：
将倒装的裸芯片与绝缘基板加热到70℃至75℃；
利用装有绝缘密封胶的L形注射器，沿着裸芯片的边缘双向注射绝缘密封胶，由于缝隙的毛细管的虹吸作用，绝缘密封胶被吸入，并向中心流动；
填充完毕后，在烘箱中分段升温，达到130℃左右的固化温度后，保持3到4小时即可达完全固化。
在上述方案中，采用绝缘基板倾斜的方法沿着裸芯片的边缘双向注射绝缘密封胶。
本发明，绝缘板和裸芯片结构简单，并通过倒装的技术，完成裸芯片和绝缘板之间的集成封装，封装方法简单、快速，便于产业化和规模化的生产，大大提高了工作效率。
附图说明
图1为本发明的主视图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明中裸芯片的主视图；
图4为本发明中裸芯片的俯视图；
图5为本发明中绝缘板的主视图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做出详细说明。
本发明提供的面向ISFET传感器的芯片结构，包括绝缘板和倒装在绝缘板上的裸芯片，采用的倒装技术与现有倒装封装技术兼容。
如图1、图2、图3、图4所示，裸芯片包括裸芯片基体10，裸芯片基体10的中部设有方形的敏感区14，敏感区14内安置镀有敏感薄膜的ISFET器件，用以检测待测离子，通过镀以不同的敏感薄膜，可以检测不同的待测离子。敏感区14的两侧向外依次设有条形的传感集成电路区13和多个输入/输出焊盘区12，输入/输出焊盘区12可以按传感器集成电路的具体设计设定，例如：4、5、6、7或8个等。输入/输出焊盘区12沿着条形的集成电路区13的长度方向间隔设置，本发明中，敏感区14、传感集成电路区13和输入/输出焊盘区12之间均通过裸芯片内的金属互连层连接，传感集成电路区13主要起到信号控制、处理和温度补偿的作用。对输入/输出焊盘区12进行金属化，通过焊接形成向下凸出的焊接导电凸块11，焊接导电凸块11的材料层一般为Ti-Cu-Au，焊接导电凸块11的总体高度一般为85微米到100微米。
如图5所示，绝缘板包括绝缘基板20，绝缘基板20的中部开有与敏感区14大小相同相适配的孔径，并在孔的周围凸出形成与焊接导电凸块11高度相同的挡板22，在绝缘基板20上与焊接导电凸块11相对应的位置进行金属化，如镀金，以便于和裸芯片的焊接导电凸块11实现连接。
绝缘基板20上设有金属化导线21，焊接导电凸块11固定在绝缘基板20上，焊接导电凸块11与金属化导线21固定连接，且焊接导电凸块11的内侧面与金属化导线21靠近挡板22一端的侧面平齐，挡板22的上表面与敏感区14的下表面相贴合。挡板22与焊接导电凸块11之间形成容腔并填充有绝缘密封胶，对整个芯片其他区域起到密封绝缘的作用，用来保护芯片。敏感区14的边缘设有挡条，以防止绝缘密封胶进入敏感区14，影响传感器的性能。
本发明还提供一种面向ISFET传感器的芯片集成封装方法，包括以下步骤：
步骤一，在裸芯片基体上10的输入/输出焊盘区12上通过溅射或者化学刻蚀的方法去除其表面的氧化物，然后在输入/输出焊盘区12的上表面通过焊接的方法形成焊接导电凸块11；
步骤二，通过光刻工艺在绝缘基板20上形成金属化导线21；
步骤三，通过机械加工或其他的方法在绝缘基板20形成一个与裸芯片上的敏感区14一样大小的孔，并在孔的周围形成与焊接导电凸块11高度一致的挡板22；
步骤四，将带有焊接导电凸块11的裸芯片与有着敏感区14等大孔径的绝缘基板20相连；
步骤五，在挡板22与焊接导电凸块11之间填充绝缘密封胶，对整个芯片其他区域起到密封绝缘的作用，用来保护芯片。
本发明中，在输入/输出焊盘区12的表面形成焊接导电凸块11的常用方法包括：蒸镀焊料凸块、电镀焊料凸块、印刷焊料凸块、钉头焊料凸块、放球凸块或焊料转移凸块。
裸芯片与绝缘基板20连接的方法可采用焊料焊接、热压焊接、热声焊接或粘胶连接。
在挡板与焊接导电凸块之间填充绝缘密封胶时具体步骤为：
将倒装的裸芯片与绝缘基板加热到70℃至75℃；
利用装有绝缘密封胶的L形注射器，沿着裸芯片的边缘双向注射绝缘密封胶，由于缝隙的毛细管的虹吸作用，绝缘密封胶被吸入，并向中心流动；
填充完毕后，在烘箱中分段升温，达到130℃左右的固化温度后，保持3到4小时即可达完全固化。
在沿着裸芯片的边缘双向注射绝缘密封胶时，采用绝缘基板倾斜的方法以利于流动。
本发明，芯片集成封装结构简单，并通过倒装的技术，完成裸芯片和绝缘板之间的集成封装，封装方法简单、快速，便于产业化和规模化的生产，大大提高了工作效率。另外还具有倒装封装技术的共有优点，如短的互联线减小了电感、电阻以及电容，减少了信号延迟等，具有很高的使用价值。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种面向ISFET传感器的芯片结构，其特征在于，包括绝缘板和倒装在所述绝缘板上的裸芯片，所述裸芯片包括裸芯片基体，所述裸芯片基体的中部设有方形的敏感区，所述敏感区内安置镀有敏感薄膜的ISFET器件，所述敏感区的两侧向外依次设有条形的传感集成电路区和多个输入/输出焊盘区，所述ISFET器件和所述传感集成电路区以及所述输入/输出焊盘区之间均通过裸芯片内的金属互连层实现信号连接，所述输入/输出焊盘区上通过焊接形成凸出的焊接导电凸块，所述绝缘板包括绝缘基板，所述绝缘基板的中部开有与所述敏感区大小相同相适配的孔径，并在孔的周围凸出形成与所述焊接导电凸块高度相同的挡板，所述焊接导电凸块固定在所述绝缘基板上，所述挡板的上表面与所述敏感区的下表面相贴合，所述挡板与所述焊接导电凸块之间形成容腔并填充有绝缘密封胶，所述敏感区的边缘设有防止所述绝缘密封胶进入所述敏感区的挡条。
2.如权利要求1所述的一种面向ISFET传感器的芯片结构，其特征在于，所述绝缘基板上设有金属化导线，所述焊接导电凸块与所述金属化导线固定连接，且所述焊接导电凸块的内侧面与所述金属化导线靠近所述挡板一端的侧面平齐。
3.如权利要求1所述的一种面向ISFET传感器的芯片结构，其特征在于，所述输入/输出焊盘区沿着条形的所述传感集成电路区的长度方向间隔设置。
4.如权利要求3所述的一种面向ISFET传感器的芯片结构，其特征在于，所述输入/输出焊盘区的个数为4、5、6、7或8个。
5.一种面向ISFET传感器的芯片集成封装方法，其特征在于，所述面向ISFET传感器采用如权利要求1～4项任一项所述的芯片结构，所述芯片集成封装方法包括以下步骤：
步骤一，在裸芯片基体上的输入/输出焊盘区上通过溅射或者化学刻蚀的方法去除其表面的氧化物，然后在输入/输出焊盘区的上表面通过焊接的方法形成焊接导电凸块；
步骤二，通过光刻工艺在绝缘基板上形成金属化导线；
步骤三，通过机械加工的方法在绝缘基板形成一个与裸芯片上的敏感区一样大小的孔，并在孔的周围形成与焊接导电凸块高度一致的挡板；
步骤四，将带有焊接导电凸块的裸芯片与有着敏感区等大孔径的绝缘基板相连；
步骤五，在挡板与焊接导电凸块之间填充绝缘密封胶，对整个芯片其他区域起到密封绝缘的作用，用来保护芯片，
在挡板与焊接导电凸块之间填充绝缘密封胶时具体步骤为：
将倒装的裸芯片与绝缘基板加热到70℃至75℃；
利用装有绝缘密封胶的L形注射器，沿着裸芯片的边缘双向注射绝缘密封胶，由于缝隙的毛细管的虹吸作用，绝缘密封胶被吸入，并向中心流动；
填充完毕后，在烘箱中分段升温，达到130℃左右的固化温度后，保持3到4小时即可达完全固化。
6.如权利要求5所述的芯片集成封装方法，其特征在于，在输入/输出焊盘区的表面形成焊接导电凸块的方法包括：蒸镀焊料凸块、电镀焊料凸块、印刷焊料凸块、钉头焊料凸块、放球凸块或焊料转移凸块。
7.如权利要求5所述的芯片集成封装方法，其特征在于，裸芯片与绝缘基板连接的方法可采用焊料焊接、热压焊接、热声焊接或粘胶连接。
8.如权利要求5所述的芯片集成封装方法，其特征在于，采用绝缘基板倾斜的方法沿着裸芯片的边缘双向注射绝缘密封胶。
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