CN105789149B - 传感器组件 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及传感器组件。一种传感器组件包括包含通孔(111)的载体(11)，以及包括具有正面(fs)和背面(bs)以及在背面(bs)中的凹陷(21)的传感器芯片(2)。传感器芯片(2)借助于附着层(4)附着到载体(11)，它的背面(bs)面向载体(11)，从而限定传感器芯片(2)安置于其上的载体(2)的第一区域(A1)以及面向凹陷(21)的载体(11)的第二区域(A2)。通孔(111)被布置在载体(11)的第一区域(A1)中。
Description
技术领域
本发明涉及传感器组件以及用于制造传感器组件的方法。
背景技术
越来越多的传感器被集成到半导体芯片中。这种传感器芯片可以放置在诸如晶片焊垫这样的载体上，并且可能地被封装。
在一些应用中，传感器芯片从传感器芯片的背面变薄，用于构建相对传感器芯片的剩余部分热隔离的薄的膜。这可以服务于膜上或膜中的敏感元件的操作，例如，特别是当敏感元件为了感测温度而提供或者以其它方式对温度敏感时，或者例如，当加热操作在测量或制造期间是需要的、该热量不期望迁移到芯片的其它地方但是期望保持局部受限(例如在膜内)时。
当这种传感器芯片被安装到晶片焊垫并且它的背面面向晶片焊垫时，鉴于传感器芯片中的凹陷，腔体在传感器芯片与晶片焊垫之间产生。在这种布置中，传感器芯片的膜降低传感器组件的总体机械阻力，并且下面的腔体可能(例如在制造、装运或处置期间)促进湿气的积累。尤其，湿气可能由包含有机材料(例如塑料，如果适用的话)的传感器芯片的封装吸收，该湿气可能响应于升高的温度而释放到腔体中。在装配期间，例如，焊料回流处理可能引起包括封装(如果有的话)的整个传感器组件的温度升高。然而，升高的温度还可以从外部或者从内部引起，其中在操作期间，例如，加热器可以引起升高的温度(如果适用的话)。不管加热的来源，这种升高的温度可以导致蒸汽压力在腔体内、以及在传感器芯片的塑料封装中(如果适用的话)增加。这种湿气吸收最终可能导致材料界面的分层和/或传感器组件中的裂缝，这也称作“爆米花”现象。
对于诸如塑料封装的表面安装设备这样的湿气/回流敏感部件以及由透湿材料制成的其它组件，湿气敏感性等级通过测试来确定并且作为结果的分类确定产品在制造商和客户处的储存条件、包装、处置和正时技术规格。如果可以降低传感器组件对湿气的敏感性并且可以实现较不严格的湿气敏感性等级，则可以降低包装需求并且可以便利于传感器组件的处置。然而，在晶片焊垫中在腔体下面钻孔似乎不能解决问题，考虑到这种孔提供到腔体和接下来的膜的入口，这可以允许灰尘、助焊剂、PCB涂层材料、装配化学品等(例如在传感器组件自身的装配期间，例如在切割、处置、测试等期间，在装运期间，在客户侧在PCB上的装配期间，以及在整个操作寿命期间)进入腔体。
因此，期望提供一种较不容易发生蒸汽压力在腔体中增加的传感器组件。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供传感器组件，该传感器组件包括传感器芯片，传感器芯片具有正面和背面并且在背面中具有凹陷。传感器芯片借助于附着层附着到载体，其中背面面向载体，从而限定传感器芯片安置于其上的载体的第一区域以及面向凹陷的载体的第二区域。通孔被提供在载体中并且布置在它的第一区域中。通孔优选地由附着层覆盖并且优选地用作排气孔。
载体旨在承载传感器芯片，该传感器芯片附着到载体。在这个上下文中，载体是扁平的板状支撑是优选的。优选地，载体是晶片焊垫。然而，在下文关于晶片焊垫的所有实施例也可以应用于不同种类的载体。在优选的实施例中，晶片焊垫由金属制成，并且具体地是引线框架结构的一部分。
乍看之下，在一方面上由凹陷和载体限定的腔体与另一方面上的通孔之间不存在直接的通道，因为通孔与凹陷偏移地布置。代替地，附着层在传感器芯片与载体之间密封。在一个实施例中附着层包括粘合剂，诸如环氧树脂材料。然而，在高温时，附着层软化并且允许由腔体中的蒸汽压力引起的高度压缩的气体在附着层与传感器芯片之间、或者在附着层与载体之间和/或通过附着层从腔体漏出到排气孔。在压力减轻之后，通过附着层的这种通道可以再次关闭。如果没有这种压力减轻，膜可能冒着在某个负载下破裂的风险。因此，附着层用作用于使腔体释放过量的压力的温度和/或压力依赖的排气介质。另一方面，腔体与通孔之间直接通道的缺乏防止焊料、气体或水侵入到腔体中，否则这可能例如在制造(包括装配)期间发生。同时，防止腔体被污染，例如在客户处焊料回流处理期间由助焊剂引起的污染。
因此，本想法允许压力平衡以及湿气从腔体的去除，并且从而可以实现降低的湿气敏感性等级(例如，MSL-1而不是MSL-3)。这通过在载体中紧挨着腔体或者紧挨着凹槽(优选地载体中的半蚀刻通道的形式)添加排气孔来实现，该凹槽连接到腔体并且在载体中引导到紧挨着排气孔。载体优选地是由导电和导热材料(诸如金属)制成的引线框架结构的一部分。优选地，传感器组件是QFN组件(四方扁平无引线)。
传感器芯片也称作晶片，可以包含半导体衬底(诸如硅衬底)，处理电路优选地集成到该半导体衬底中。可以提供层(诸如CMOS层)，用于构建集成的处理电路。传感器芯片具有正面和背面，其中敏感层优选地布置在正面。敏感层可以布置在半导体衬底的顶上或集成于其中，或者布置在诸如CMOS层的一层这样的层的顶上或集成于其中，并且优选地在跨越腔体的传感器芯片的膜上或膜中。如果集成的处理电路提供在传感器芯片中，则敏感层可以连接到那里，用于在集成的处理电路中预先处理来自敏感层的信号。
具体地，敏感层可以包含金属氧化物材料，并且尤其是半导体金属氧化物材料。金属氧化物材料通常可以包括氧化锡、氧化锌、氧化钛、氧化钨、氧化铟和氧化镓的一种或多种。这样的金属氧化物可以用于诸如VOC、一氧化碳、二氧化氮、甲烷、氨或者硫化氢这样的分析物的检测。金属氧化物传感器基于以下概念：气态的分析物与金属氧化物层在高于100°摄氏度，并且特别地在250℃与350°摄氏度之间的范围内的升高的温度下相互作用。作为催化反应的结果，敏感层的传导性可以改变，该改变可以被测量。传感器因此可以是气体传感器。
在另一个实施例中，敏感层可以包括聚合物，其在一个实施例中可以对H2O敏感，使得传感器可以是湿度传感器。这种聚合物层的电容或电阻可以被测量，用于得出关于可以与敏感层相互作用的气体的信息。
在另一个实施例中，敏感层可以包括用于检测流体流动(诸如气体流动或液体流动)的温度感测手段。
另外，加热器可以被提供，并且优选地布置在膜上或膜中，用于支撑敏感层的测量和/或用于支撑传感器组件的制造。在一个实施例中，需要加热器用于在气体测量之前和/或期间加热敏感层。这可以是例如当敏感层包含金属氧化物材料时的情况。在另一个实施例中，加热器可以另选地或另外地用于在已经将敏感材料应用于传感器芯片用以由其构建敏感层之后使敏感层退火。这可以是当敏感层包括聚合物时和/或当敏感层由包括金属氧化物的材料制成时的情况。在第三实施例中，加热器可以用于加热经过敏感层的流体，用于在加热器的上游和下游产生可以由温度手段测量的温度的梯度。
膜可以被提供以实现热绝缘。在优选的实施例中，膜通过蚀刻(诸如干法蚀刻或湿法蚀刻)来制造，或者以其它方式从传感器芯片的背面去除材料(诸如大块衬底材料)，从而在传感器芯片的背面中产生凹陷。凹陷之上的传感器芯片的剩余材料形成可以由CMOS层和/或大块衬底材料的部分构成的膜。
载体可以具有近似等于传感器芯片的占用面积的占用面积。载体中的通孔通常经受载体的材料和/或载体来制造，例如通过蚀刻、冲孔、激光钻孔、机械钻孔等。优选地，接触焊垫被提供用于电接触传感器芯片。接触焊垫在与载体分离的情况下以及在由金属制成的情况下优选地由与载体相同的材料制成，并且优选地布置在与载体相同的平面中。在不同的实施例中，载体可以包括接触焊垫。接触焊垫暴露于环境作为电气接触的引脚。在一个实施例中，接触焊垫和载体代表引线框架结构。接触焊垫可以由彼此电隔离的导电平台或引线来代表。
模塑料可以应用于引线框架结构/传感器芯片组合。模塑料优选地包括塑料并且优选地是具有填充粒子的环氧树脂，该填充粒子例如可以是玻璃。模塑料至少部分地封闭和/或封装传感器芯片。优选地，开口提供在模塑料中，用于允许其可变量将被测量的气体进入传感器芯片的敏感层。模塑料封装并且如此基本上覆盖传感器芯片，除了敏感层之外，使得从传感器芯片自身、从传感器芯片与载体之间的粘合剂或者从载体自身等的任何除气对测量没有任何影响。
在作为另选的实施例中，印刷电路板(PCB)可以用作载体。这里，传感器芯片附着到印刷电路板的正面，同时接触焊垫可以由印刷电路板的背面上的金属化形成，其另外需要通过印刷电路板的过孔，用于连接到接触焊垫。代替印刷电路板，可以使用另一种载体，诸如陶瓷衬底或玻璃衬底。
根据本发明的另一个方面，提供用于制造传感器组件的方法。制造具有正面、背面以及背面中的凹陷的传感器芯片。通孔被制造在载体中，该载体随后承载传感器芯片。传感器芯片借助于附着层附着到载体，并且它的背面面向载体，使得通孔位于传感器芯片安置于其上的载体的第一区域中。通孔优选地由附着层覆盖。这尤其可以是载体由作为附着层的晶片附着薄膜附着到传感器芯片的情况。这里，被限定为面向凹陷的区域的载体的第二区域也可以由附着层覆盖。在不同的实施例中，并且优选地如果载体由作为附着层的晶圆背面涂层附着到传感器芯片，则附着层可以被构造并且因此仅覆盖第一区域，不包括通孔并且不包括第二区域。因此，在该实施例中，附着层可以理解为具有对于第二区域以及对于通孔的切口。
气体传感器组件的其它有利的实施例在从属权利要求以及在下面的描述中列出，并且将被认为是该布置和方法二者的实施例。
附图说明
本发明的实施例、方面和优点将从下面的其详细描述中变得明晰。这种描述参考附图，其中附图示出：
图1根据本发明的实施例的传感器组件的透明顶视图；
图2根据本发明的另一个实施例的传感器组件的透明顶视图；
图3沿着线A-A'的图1的传感器组件的横截面视图；
图4沿着线A-A'的图2的传感器组件的横截面视图；
图5例示根据本发明的实施例的用于制造传感器组件的方法的图；
图6例示根据本发明的实施例的用于制造传感器组件的另一种方法的步骤的图；以及
图7在用于制造本发明的传感器组件的方法的实施例中使用的引线框架结构的顶视图。
具体实施方式
在附图中，相同的元素由相同的参考符号参考。
图1例示根据本发明的实施例的传感器组件的透明顶视图。
在两行接触焊垫12之间，提供晶片焊垫11形式的载体，其用作用于以虚线指示的传感器芯片2的支撑。晶片焊垫11是矩形形状并且在不同的实施例中可以具有至少在它的底侧上的一个扁平角，例如通过蚀刻晶片焊垫11的厚度的一半而制造的，其可以用作用于传感器组件的定向的光学和/或机械编码。接触焊垫12与晶片焊垫11由模塑料3机械连接。
传感器芯片2在它的背面中具有由21参考并且由虚线圆例示的凹陷。考虑到传感器芯片2通过它的背面安置在晶片焊垫11上，晶片焊垫11的第一区域A1被限定为传感器芯片2实际地安置于其上的(亦即经由稍后引入的附着层与晶片焊垫11接触的)区域。第二区域A2却被限定为面向传感器芯片2的凹陷21的晶片焊垫的区域。
通孔111提供在晶片焊垫11中，其延伸通过晶片焊垫11的整个厚度。通孔111布置在晶片焊垫11的第一区域A1(亦即传感器芯片2在晶片焊垫11上安置的位置)中。通孔111的区域由A3参考，该区域A3属于第一区域A1内。
传感器芯片2借助于附着层附着到晶片焊垫11。优选地，附着层是永久地将传感器芯片2粘贴到晶片焊垫11的粘合剂薄膜。因此，附着层被布置在晶片焊垫11与传感器芯片2的背面之间。为了服务于更好的例示，附着层没有在图1中明确地示出。关于附着层覆盖晶片焊垫11的哪个区域，可以存在不同的实施例：在第一变体中，附着层覆盖包括区域A3的区域A1，并且覆盖区域A2。在第二变体中，附着层仅仅覆盖包括区域A3的区域A1，但是不覆盖区域A2。在第三变体中，附着层仅仅覆盖区域A1，不包括区域A2和A3。
通孔111与凹陷21之间的距离D1优选地小于250μm。在操作期间，由传感器芯片2中的凹陷21与晶片焊垫11限定的腔体可以经受升高的压力、污染的气体等。因此，通孔111为腔体中的气体提供出口。然而，从腔体到达通孔111的唯一方式是通过克服凹陷21与通孔111之间的附着层。可以选择或设计附着层的材料和它的尺寸以使得该排气通道变得对气体流动有更多或更少抵抗力。
图2例示根据本发明的另一个实施例的传感器组件的透明顶视图。与图1的实施例相对照，通孔111现在被布置在与凹陷21更远的距离处。然而，提供凹槽113，其可以被认为是在晶片焊垫11的正面FS中的凹槽，该凹槽例如通过蚀刻晶片焊垫的厚度(例如向下一半)而产生。因此，凹槽113可以理解成腔体朝向通孔111的延伸。在本示例中，凹槽到达第二区域A2中。然而，凹槽113在到达通孔111之前终止。因此，通孔111与凹槽113的终止之间的距离D2优选地在图1的通孔111与凹陷21之间的距离D1的范围中。
在图1和2中，存在连接到晶片焊垫11的连接盘(land)112。这是由于晶片焊垫11与接触焊垫12一起代表引线框架结构1的一部分。引线框架结构1具体地由如图7中所示的更大的引线框架1s制造。因此，接触焊垫12和晶片焊垫11属于引线框架1s，引线框架1s例如包括水平引线1sh，接触焊垫12从水平引线1sh出发。晶片焊垫11替代地借助于连接盘112连接到引线框架1s的垂直引线1sv。传感器芯片2以图1中示出的方式被布置在晶片焊垫11上。假设图7中的引线框架1s进一步延伸并且提供连接到各种水平和垂直引线1sh、1sv的多个晶片焊垫和接触焊垫。在引线框架1s的指定晶片焊垫上已经放置了多个传感器芯片之后，传感器芯片可以电连接到指定的晶片焊垫，例如借助于丝焊。这种布置接着可以放置到模具中用于为传感器芯片提供封装。在第一实施例中，设计模具使得提供用于限定传感器组件的未来侧壁的突出。在该变体中，每个单个传感器组件的形状由该模具限定。在不同的变体中，情况不是这样的并且模具料在各种传感器芯片之间延伸使得单个传感器组件的形状以及具体地它们的侧壁通过从这种模塑块中锯切传感器组件来限定。
作为结果的传感器组件的形状优选地由图7中的虚线矩形指示的模塑料的形状来限定。
图3例示沿着线A-A'通过图1的传感器组件的切面。目前，传感器芯片2包括半导体衬底和布置在该衬底的顶上的CMOS层。衬底可以从背面bs被蚀刻或者用其它方式部分地去除，使得传感器芯片2在它的背面bs中显示凹陷21。作为构建凹陷21的结果，产生变薄的结构，其也称作膜22。敏感层23以及加热器24被布置在膜22上或膜22中。在具体的实施例中，敏感层23包括金属氧化物层，其将通过加热器24加热用于启动化学分析物的感测。因此，敏感层23和加热器24可以都布置在凹陷21之上的膜22上或膜22中。该布置是由于膜22提供的热绝缘，这提高了测量的准确度。
传感器芯片2被布置在晶片焊垫11的正面FS上，它的背面bs和凹陷21面向晶片焊垫11，并且传感器芯片2由附着层4附着到该正面FS。结果，腔体5在传感器组件内部形成。通孔111经由附着层4将腔体5连接到外部世界。热、压力、污染物中的一个或多个可以以气体的形式从腔体5经由附着层4转移到通孔111并且从那里逸出。
模具料3封装传感器芯片2，除了朝向敏感层23的开口31之外。在该实施例中，开口31具有朝向敏感层23变窄的圆形占用面积。
图4例示沿着线A-A'通过图2的传感器组件的切面。这里，凹槽113在晶片焊垫11中可见，该凹槽113在到达通孔111之前终止，并且在另一端连接到腔体5。因此，热、压力、污染物中的一个或多个可以以气体的形式从腔体5经由凹槽113和附着层4转移到通孔111并且从那里逸出。
图5在它的各种图中例示根据本发明的第一实施例的传感器组件的制造。根据图5a)，(例如由烯烃制成的)切割带6被制备，其中晶片附着薄膜41附着到切割带6。另一方面，包括多个传感器芯片的晶圆2w被制备，这优选地通过使得所有电子功能集成于其中，加热器(如果有的话)，每传感器芯片位置的凹陷，以及可能的敏感元件。这种晶圆2w接着附着到晶片附着薄膜41。根据图5b)，该布置沿着垂直线被切割。优选的是，仅晶圆2w和晶片附着薄膜41被贯穿切割，而切割带6不被切割，至少不被完全切割。在图5c)中例示的接下来的步骤中，传感器芯片2/晶片附着薄膜41组合从切割带6中拣出，并且转移到引线框架1s，并且具体地在引线框架1s的单个晶片焊垫上。切割薄膜6与晶片附着薄膜41之间的离型膜可以例如是由拣出器克服的丙烯酸粘合剂。在接下来的步骤中，该布置被放置在模具中，该模具充满模具料，并且沿着垂直线锯切图5e)中示出的作为结果的模塑块，结果得到单个传感器组件。敏感元件可以在锯切之前或者之后通过模具料的开口来施加——如果还没有施加到晶圆2w的话。
在制造传感器组件的不同处理中，图5a)中例示的步骤由图6中例示的步骤取代。因此，涂层42附着到已制备好的晶圆2w的背面，而切割带6不像图5a)中那样包括晶片附着薄膜。背面涂层可以通过印刷浆糊随后干燥来实现，该浆糊随后干燥。优选地，涂层42被构造并且不在区域A2(参看图1)上延伸，并且优选地不在区域A3上延伸。接下来，晶圆2w借助于它的背面涂层42附着到切割带6。进一步的处理等同于图5b)至5e)中示出的处理。
虽然上面示出并描述了本发明的实施例，但是应当理解，本发明并不局限于此而是可以在权利要求书的范围内另外实施和实践。尤其，应当强调，在各种实施例中描述的方法可以包括添加的另外步骤或者与所描述的处理步骤混合，而不脱离本方法权利要求书的范围。
Claims (15)
1.一种传感器组件，包括：
载体(11)，该载体(11)包括通孔(111)，
传感器芯片(2)，该传感器芯片(2)具有正面(fs)和背面(bs)以及在该背面(bs)中的凹陷(21)，
其中，借助于附着层(4)，传感器芯片(2)附着到载体(11)，其中传感器芯片(2)的背面(bs)面向载体(11)，从而限定传感器芯片(2)安置于其上并经由附着层(4)与载体(11)接触的载体(11)的第一区域(A1)以及面向凹陷(21)的载体(11)的第二区域(A2)，
其中通孔(111)被布置在载体(11)的第一区域(A1)中，并且其中通孔(111)是用于使腔体(5)经由附着层(4)排气的排气孔，该腔体(5)借助于凹陷(21)在传感器芯片(2)与载体(11)之间形成。
2.根据权利要求1所述的传感器组件，
其中通孔(111)由附着层(4)覆盖。
3.根据权利要求1所述的传感器组件，
包括在附着层(4)中的对于第二区域(A2)以及对于通孔(111)的切口。
4.根据权利要求1所述的传感器组件，
其中通孔(111)与腔体(5)之间的距离(D1)小于250μm。
5.根据权利要求1所述的传感器组件，
在载体(11)的正面(FS)中包括凹槽(113)，该载体(11)的正面(FS)面向传感器芯片(2)的背面(bs)，
其中凹槽(113)从腔体(4)沿去往通孔(111)的方向延伸并且在到达通孔(111)之前终止。
6.根据权利要求5所述的传感器组件，
其中通孔(111)与凹槽(113)的终止之间的距离(D2)小于250μm。
7.根据权利要求1所述的传感器组件，
其中附着层(4)是晶片附着薄膜(41)。
8.根据权利要求1所述的传感器组件，
其中附着层(4)是涂覆到传感器芯片(2)的背面(bs)的薄膜(42)。
9.根据权利要求1所述的传感器组件，包括
对环境的可变量敏感的层(23)，该层(23)布置在凹陷(21)之上的传感器芯片(2)的一部分上或者布置在该部分中，以及
加热器(24)，该加热器(24)用于加热敏感层(23)。
10.根据权利要求1所述的传感器组件，包括
模塑料(3)，该模塑料(3)至少部分地封闭传感器芯片(2)，
模塑料(3)中的开口(31)，该开口(31)提供到敏感层(23)的入口，
引线框架结构(1)，该引线框架结构(1)包括载体(11)和用于从外部电接触传感器组件的接触焊垫(12)，以及
传感器芯片(2)与接触焊垫(12)之间的电气连接。
11.根据权利要求1所述的传感器组件，
其中从腔体(5)到达通孔(111)的唯一方式是通过凹陷(21)与通孔(111)之间的附着层(4)。
12.一种用于制造传感器组件的方法，包括
制造传感器芯片(2)，该传感器芯片(2)具有正面(fs)、背面(bs)以及背面(bs)中的凹陷(21)，
在载体(11)中制造通孔(111)，
借助于附着层(4)将传感器芯片(2)通过它的背面(bs)附着到载体(11)，使得通孔(111)位于传感器芯片(2)安置于其上并经由附着层(4)与载体(11)接触的载体(11)的第一区域(A1)中，并且其中通孔(111)是用于使腔体(5)经由附着层(4)排气的排气孔，该腔体(5)借助于凹陷(21)在传感器芯片(2)与载体(11)之间形成。
13.根据权利要求12所述的方法，包括
与多个其它传感器芯片一起，在晶圆(2w)中制造包括凹陷(21)的传感器芯片(2)，
提供切割带(6)，其中晶片附着薄膜(41)被布置在该切割带(6)上，
将晶圆(2w)通过它的背面放置到晶片附着薄膜(41)上，
将包括晶片附着薄膜(41)的晶圆(2w)切割成单个传感器芯片(2)，
从切割带(6)中拣出包括晶片附着薄膜(41)的传感器芯片(2)，并且将传感器芯片(2)通过晶片附着薄膜(41)附着到载体(11)上。
14.根据权利要求12所述的方法，
与多个其它传感器芯片一起，在晶圆(2w)中制造包括凹陷(21)的传感器芯片(2)，
将涂层(42)附着到晶圆(2w)的背面，
将晶圆(2w)通过背面的涂层(42)放置到切割带(6)上，
将包括背面涂层(42)的晶圆(2w)切割成单个传感器芯片(2)，
从切割带(6)中拣出包括背面涂层(42)的传感器芯片(2)，并且将传感器芯片(2)通过背面涂层(42)附着到载体(11)上。
15.根据权利要求13所述的方法，
其中载体(11)集成在为多个传感器芯片(2)提供多个载体(11)的引线框架(1s)中，该多个载体(11)彼此互连，
其中多个传感器芯片(2)分别借助于晶片附着薄膜(41)或者背面涂层(42)附着到引线框架(1s)的指定载体(11)，
其中模塑料(3)被施加到引线框架(1s)，从而至少部分地封闭每个传感器芯片(2)，并且在每个传感器芯片(2)的模塑料(3)中提供开口(31)用以允许进入对象敏感层(23)，以及
将模塑后的引线框架(1s)切割成单个传感器组件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |