CN107121475A - 传感器的制造方法及传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种传感器的制造方法和传感器，所述方法包括以下步骤：提供具有模穴的模具。在模穴中配置至少一芯片。芯片具有相对的主动面与背面；主动面朝向模穴的底面。将高分子材料填入模穴中，以覆盖芯片的背面。进行热处理，使得高分子材料固化为高分子基板；进行脱模处理，使得高分子基板从模穴分离出来；在高分子基板的第一表面上形成多条导线；导线与芯片电性连接。以降低制造成本，进而提升商业产品竞争力。

Description

传感器的制造方法及传感器

技术领域

[0001] 本发明是有关于一种传感器的制造方法及传感器，且特别是有关于一种整合芯片 在高分子基板中的传感器的制造方法及传感器。

背景技术

[0002] 系统级封装(System in Package，简称为:SiP)是指将一个系统或子系统的全部 或大部分电子功能整合在一个基板中。举例来说，系统级封装可包括多种芯片，其可以2D或 3D堆叠方式接合(bonded)到所述基板上。所述芯片可例如是处理器、动态随机存取存储器 (DRAM)、快闪存储器结合其他被动元件(如电容器、电阻器等）。因此，系统级封装只需要加 入极少的外部元件即可运作。对于现今越来越微型化的电子产品而言，系统级封装不仅具 有缩小封装体积、重量的功效，还可降低功耗。

[0003] 一般而言，场效应管(Field-Effect Transistor，简称为:FET)是一种利用电场效 应来控制电流大小的半导体元件，由于场效应管具有体积小、重量轻、耗电省、寿命长等优 点，因此，其应用范围较广。举例来说，场效应管可应用在传感器上，其包括气体传感器或是 生物传感器等。然而，当场效应管应用在生物传感器时，传统硅晶圆制造需耗费较多的成 本，且具有较低的晶圆面积利用率。

发明内容

[0004] 本发明提供一种传感器的制造方法及传感器，其可整合芯片在高分子基板中，以 降低制造成本，进而提升商业产品竞争力。

[0005] 本发明提供一种传感器的制造方法，包括以下步骤。提供具有模穴的模具。在模穴 中配置至少一芯片。芯片具有相对的主动面与背面。主动面朝向模穴的底面。将高分子材料 填入模穴中，以覆盖芯片的背面。进行热处理，使得高分子材料固化为高分子基板。进行脱 模处理，使得高分子基板从模穴分离出来。在高分子基板的第一表面上形成多条导线。导线 与芯片电性连接。

[0006] 在本发明的一实施例中，在形成上述导线之后，还包括在芯片上形成微流道结构。

[0007] 在本发明的一实施例中，在形成上述微流道结构之前，还包括在高分子基板的第 一表面上形成保护层。保护层具有开口。开口至少暴露出芯片的感测区。

[0008] 在本发明的一实施例中，上述高分子基板的第一表面与芯片的主动面为共平面。

[0009] 在本发明的一实施例中，上述高分子材料包括热固性树脂材料。

[0010] 在本发明的一实施例中，上述热固性树脂材料包括环氧树脂(Epoxy )、聚二甲基硅 氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其组合。

[0011] 在本发明的一实施例中，上述芯片包括晶体管式芯片、表面声波式芯片、二极管式 芯片、半导体电阻式芯片、微机电式芯片或其组合。

[0012] 在本发明的一实施例中，上述晶体管式芯片包括高速电子迀移率晶体管、硅基晶 体管、奈米线晶体管、奈米碳管晶体管、石墨烯晶体管、二硫化钼晶体管或其组合。

[0013] 本发明提供一种传感器，包括高分子基板、至少一芯片以及多条导线。芯片内埋在 高分子基板中。芯片具有相对的主动面与背面。主动面外露在高分子基板的第一表面。导线 配置在高分子基板上。导线与芯片电性连接。

[0014] 在本发明的一实施例中，上述传感器还包括微流道结构配置在芯片上。

[0015] 在本发明的一实施例中，上述高分子基板的第一表面与芯片的主动面为共平面。

[0016] 在本发明的一实施例中，上述芯片包括晶体管式芯片、表面声波式芯片、二极管式 芯片、半导体电阻式芯片、微机电式芯片或其组合。

[0017] 在本发明的一实施例中，上述晶体管式芯片包括高速电子迁移率晶体管、硅基晶 体管、奈米线晶体管、奈米碳管晶体管、石墨烯晶体管、二硫化钼晶体管或其组合。

[0018] 基于上述，本发明通过将芯片内埋在高分子基板中，使得高分子基板的表面与芯 片的主动面为共平面。接着，将微流道结构配置在芯片上，以形成一种结合微流道与芯片的 传感器。所述传感器不仅可降低制造成本，也与现有的半导体工艺相容。因此，在商业市场 上，本发明的传感器具有产品竞争力。此外，本发明也可整合多种芯片在高分子基板中，所 述芯片可分别具有气体感测、压力感测、湿度感测等特性，以达到系统级封装的功效。

[0019]为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详 细说明如下。

附图说明

[0020] 图1A至图1F所示为本发明的一实施例的一种传感器的制造流程示意图；

[0021] 图2所示为图1E的部分传感器的上视示意图；

[0022]图3所示为图2的A-A’切线的剖面示意图。

[0023] 附图标记说明：

[0024] 10 ：«；

[0025] 12、14、212:开口；

[0026] 1〇〇:模具；

[0027] 1〇2:模穴；

[0028] 1〇4:芯片；

[0029] 104a:主动面；

[0030] 104b:背面；

[0031] 106:尚分子材料；

[0032] 106a:高分子基板；

[0033] 108 :微流道结构；

[0034] 11〇、120、130:导线；

[0035] 112:源极端；

[0036] 114:漏极端；

[0037] 116:栅极端；

[0038] 122:反应层；

[0039] 140:感测区；

[0040] 200:蓝宝石基板；

[0041] 202:GaN 层；

[0042] 204:AlGaN 层；

[0043] 2〇6、208:欧姆接触层；

[0044] 210:保护层；

[0045] H:高度；

[0046] L:长度；

[0047] W:宽度；

[0048] S1:第一表面；

[0049] S2:第二表面；

[0050] P:部分。

具体实施方式

[0051 ]参照本实施例的图式以更全面地阐述本发明。然而，本发明也可以各种不同的形 式体现，而不应限于本文中所述的实施例。图式中的层与区域的厚度会为了清楚起见而放 大。相同或相似的参考号码表示相同或相似的元件，以下段落将不再——赘述。

[00521图1A至图1F所示为本发明的一实施例的一种传感器的制造流程示意图。

[0053]请参照图1A，本发明的一实施例提供一种传感器的制造方法，其步骤如下。首先， 提供具有模穴102的模具100。在一实施例中，模具1〇〇的材料可例如是聚二甲基硅氧院 (PDMS)、压克力或是其他合适的材料。模穴1〇2凹陷在模具100的表面，其中模穴1〇2的凹陷 深度可小于模具100的厚度。在本实施例中，模穴1〇2的形状可例如是矩形，但本发明不限于 此。在其他实施例中，模穴102的形状可例如是方形、圆形或是多边形。

[00M]接着，在模穴102中配置芯片104。芯片104具有相对的主动面l〇4a与背面l〇4b。芯 片104的主动面104a朝向模穴102的底面。在一实施例中，芯片104可包括晶体管式芯片、表 面声波式f片、二极管式芯片、半导体电阻式芯片、微机电式芯片或其组合。晶体管式芯片 可例如是咼电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistors，简称为:HEMT)、桂 基晶体管、奈米线晶体管、奈米碳管晶体管、石墨烯晶体管、二硫化钼晶体管或其组合。虽然 在图1A中仅所示一个芯片104,但本发明不以此为限。在其他实施例中，芯片1〇4的数量与种 类可依使用者需求而调整。举例来说，芯片104可例如是具有气体感测、压力感测、湿度感 测、微尘感测等各种机械与物理感测特性。在此实施例中，可将具有各种感测特性的芯片 104配置在模穴102中，使得本实施例的传感器可具有更多的弹性，以更加贴近客户或是使 用者的需求。

[0055]请参照图1A与图1B，将高分子材料106填入模穴102中，以覆盖芯片1〇4的背面 104b。在一实施例中，高分子材料1〇6包括热固性树脂材料。热固性树脂材料可例如是环氧 树脂(Epoxy)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其组合，但本发明不以 此为限。在其他实施例中，高分子材料1〇6可以是具有低热膨胀系数的材料，或是可承受后 续导线的蒸镀工艺温度或是溅镀工艺温度的材料即为本发明的范畴。虽然在图1B中，高分 子材料1〇6完全填满模穴102，但本发明不以此为限。在其他实施例中，高分子材料106也可 不完全填满模穴102。也就是说，只要高分子材料1〇6能覆盖芯片104的背面i〇4b，使得芯片 104内埋在高分子材料106中即为本发明的范畴。 L〇〇J6]请参照图1B与图1C，进行热处理，使得高分子材料106固化为高分子基板1〇6a。由 于高分子材料K)e可例如是热固性树脂材料，因此，在进行热处理时，高分子材料106可固化 为固体状态的!^分子基板106a。此时，芯片104内埋在高分子基板106a中。而芯片104的主动 面104a外露在高分子基板1〇6的第一表面S1。在一实施例中，热处理的温度可例如是5〇。〇至 200。。。

[0057]之后，进彳2脱模处理，使得高分子基板i〇6a从模穴1〇2分离出来。然后，将高分子基 板106a倒置，使得高分子基板1〇6&的第一表面S1朝上，并使得第二表面S2朝下。在本实施例 中，脱模处理没有特别限制，其可例如是直接以手动方式让高分子基板106&从模穴1〇2分离 出来。

[00581进行脱模处理后的高分子基板l06a(或是传感器)如图1D所示，其高分子基板106a 的第一表面S1与芯片104的主动面104a可视为共平面。在一实施例中，高分子基板106a的长 度L可例如是l0mm至50mm;其宽度W可例如是5mm至30mm;而其高度H可例如是0.5mm至2mm。但 本发明不以此为限，其尺寸可依据使用者需求来调整。举例来说，本发明的传感器的尺寸可 符合微安全数码(Micro Secure Digital，简称为:Micro SD)存储卡的尺寸，其长度可例如 是20mm;其宽度可例如是l0mm;其高度可例如是0.7mm。因此，本发明的传感器可与现行的微 安全数码存储卡的读取装置相符，以读取生物检测的结果。

[0059]请参照图1D与图1E，在高分子基板l〇6a的第一表面S1上形成导线110、120、130。导 线110、120、130与芯片104电性连接。在一实施例中，导线110、120、130可以是金属导线，金 属导线的材料可例如是金、银、铜或其组合。导线110、130的材料与导线120的材料可以相同 或是不同。举例来说，导线110、120、130的材料可皆为金。在另一实施例中，导线110、130的 材料可例如是铜，而导线12〇的材料可例如是金。在一实施例中，导线11 〇、120、130的形成方 法可例如是剥除法（lift-off process)，由于剥除法为所属领域具有通常知识者所周知， 在此便不再详述。

[0060]值得注意的是，本实施例的传感器可利用高分子基板1 〇6a取代传统的硅晶圆基 板，以降低制造成本，进而增加商业产品的竞争力。另外，由于本实施例的传感器的导线 110、120、130是形成在高分子基板106a上，因此，相较于传统的硅基传感器（Si-based sensor)，本实施例的芯片104可有效地缩小，以增加传感器的面积利用率。

[0061 ]图2所示为图1E的部分传感器的上视示意图。图3所示为图2的A-A’切线的剖面示 意图。为图面清楚起见，在图3中仅所示出芯片，而未所示出高分子基板;在图2中未所示出 保护层。

[0062]请同时参照图1E、图2以及图3,部分传感器P包括高分子基板l〇6a、导线110、120、 130以及芯片104。芯片104包括源极端112、漏极端114以及设置在源极端112与漏极端114之 间的栅极端116。如图2所示，导线110与源极端112电性连接，导线130与漏极端114电性连 接。另一方面，导线120可包括反应层122。反应层122相对于芯片104的栅极端116,且反应层 122(或导线120)与栅极端116并未电性连接。反应层122上具有感测区140,其中感测区140 包括键结于反应层122上的受体(receptor)。

[0063]具体来说，在进行生物检测时，是将具有能与所述受体产生反应的配体的待测样 品放置在感测区140(或反应层122)上，使得所述配体键结于所述受体上。接着，施加一电压 于导线120的反应层122上，使得反应层122与芯片104的栅极端116之间产生一压差，以得到 检测电流。所述受体与所述配体的选择并没有特别的限制，只要所述配体能与所述传感器 上的受体相互反应键结即为本发明的范畴。在一实施例中，所述待测样品可例如是核糖核 酸（Ribonucleic acid,简称为：RNA)、脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid，简称为： DNA)、酵素、蛋白质、病毒、脂质或其组合，但本发明不以此为限。

[0064]另一方面，如图3所示，以高电子迁移率晶体管(HEMT)为例来说明，芯片104的结构 是在蓝宝石（sapphire)基板200上依序形成GaN层202以及AlGaN层204。在一实施例中， AlGaN层204的尺寸小于GaN层202。换言之，GaN层202的部分顶面被暴露出来。接着，在AlGaN 层204上分别形成欧姆接触层206、208，其中欧姆接触层206、208彼此不互相接触。在一实施 例中，欧姆接触层206、208的材料可例如是以^1、呢^11、0、1〇^或其组合，其形成方法可 例如是蒸镀或派镀法。

[0065]之后，在欧姆接触层206上形成源极端112(可例如源极电极或导线110的延伸）；在 欧姆接触层208上形成漏极端114(可例如漏极电极或导线130的延伸）。在一实施例中，源极 端112与漏极端114的材料可包括一种或一种以上的导电材料，所述导电材料可例如是金属 材料、金属化合物或其组合。金属材料可例如是1^31、犯、411、¥或其组合；金属化合物可例 如1^^胃、11¥1化^^或其组合。源极端112与漏极端114的形成方法可例如是化学气相沈积 法、物理气相沈积法或其他适当的形成方法。物理气相沈积法可以是蒸镀或派镀。

[0066]然后，在蓝宝石基板200(或是在高分子基板106a的第一表面S1)上形成保护层 210。保护层210覆盖GaN层202、AlGaN层204、欧姆接触层206、208、源极端112以及漏极端114 的表面。保护层210具有开口 212,其中开口 212暴露出栅极端116的表面(如图3所示)或是暴 露出芯片104的感测区（未所示）。在一实施例中，保护层210的材料可例如是氮化硅或光刻 胶，其形成方法可例如是化学气相沈积法或涂布法。在本实施例中，保护层210可避免待测 样品接触到导线110、120、130,以造成导线110、120、130的损坏。另外，保护层210也可暴露 出靠近导线110、120、130的末端处的区域，以利于电性连接至读取装置的插槽。

[0067] 请参考图1E与图1F，在芯片104上形成微流道结构108。详细地说，微流道结构108 具有通道10以及配置在通道10两侧的开口 12、14。也就是说，通道10以及开口 12、14为连通 的空间。通道10对应于(或暴露出）芯片104的感测区140(如图2所示）。在一实施例中，待测 样品可通过开口 12或开口 14经由通道10与芯片104的感测区140接触，以进行生物检测。在 一实施例中，微流道结构108的材料可例如是聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)或其组合。

[0068]在另一实施例中，微流道结构108仅具有通道10，而不具有开口 12、14。详细地说， 本实施例可将高分子基板l〇6a的第一表面S1与第二表面S2贯穿，以在通道10的两侧分别形 成两个开口（未所不），使得通道10与高分子基板l〇6a中的所述两个开口连通。因此，待测样 品可通过所述两个开口经由通道10与芯片104的感测区140接触，以进行生物检测。

[0069]此外，虽然本实施例的说明是以生物传感器为例，但本发明不以此为限。在其他实 施例中，传感器也可具有气体感测、压力感测、湿度感测、微尘感测等各种机械与物理感测 特性。

[0070]综上所述，本发明通过将芯片内埋在高分子基板中，使得高分子基板的表面与芯 片的主动面为共平面。接着，将微流道结构配置在芯片上，以形成一种结合微流道与芯片的 传感器。所述传感器不仅可降低制造成本，也与现有的半导体工艺相容。因此，在商业市场 上，本发明的传感器具有产品竞争力。此外，本发明也可整合多种芯片在高分子基板中，所 述芯片可分别具有气体感测、压力感测、湿度感测等特性，以达到系统级封装的功效。

[0071]最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制;尽 管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依 然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进 行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术 方案的范围。

Claims (13)

1. 一种传感器的制造方法，其特征在于，包括： 提供具有模穴的模具； 在所述模穴中配置至少一芯片，其中所述至少一芯片具有相对的主动面与背面，所述 主动面朝向所述模穴的底面； 将高分子材料填入所述模穴中，以覆盖所述芯片的所述背面； 进行热处理，使得所述高分子材料固化为高分子基板； 进行脱模处理，使得所述高分子基板从所述模穴分离出来;以及 在所述高分子基板的第一表面上形成多条导线，其中所述导线与所述至少一芯片电性 连接。

2. 根据权利要求1所述的传感器的制造方法，其特征在于，在所述高分子基板的所述第 一表面上形成所述导线之后，还包括:在所述至少一芯片上形成微流道结构。

3. 根据权利要求2所述的传感器的制造方法，其特征在于，在所述至少一芯片上形成所 述微流道结构之前，还包括:在所述高分子基板的所述第一表面上形成保护层，所述保护层 具有开口，所述开口至少暴露出所述至少一芯片的感测区。

4. 根据权利要求1所述的传感器的制造方法，其特征在于，所述高分子基板的所述第一 表面与所述芯片的所述主动面为共平面。

5. 根据权利要求1所述的传感器的制造方法，其特征在于，所述高分子材料包括热固性 树脂材料。

6. 根据权利要求5所述的传感器的制造方法，其特征在于，所述热固性树脂材料包括环 氧树脂、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯或其组合。

7. 根据权利要求1所述的传感器的制造方法，其特征在于，所述至少一芯片包括晶体管 式芯片、表面声波式芯片、二极管式芯片、半导体电阻式芯片、微机电式芯片或其组合。

8. 根据权利要求7所述的传感器的制造方法，其特征在于，所述晶体管式芯片包括高速 电子迀移率晶体管、硅基晶体管、奈米线晶体管、奈米碳管晶体管、石墨烯晶体管、二硫化钼 晶体管或其组合。

9. 一种传感器，其特征在于，包括： 高分子基板； 至少一芯片，内埋在所述高分子基板中，其中所述至少一芯片具有相对的主动面与背 面，所述主动面外露在所述高分子基板的第一表面;以及 多条导线，配置在所述高分子基板上，其中所述导线与所述至少一芯片电性连接。

10. 根据权利要求9所述的传感器，其特征在于，还包括微流道结构，配置在所述至少一 芯片上。

11. 根据权利要求9所述的传感器，其特征在于，所述高分子基板的所述第一表面与所 述芯片的所述主动面为共平面。

12. 根据权利要求9所述的传感器，其特征在于，所述至少一芯片包括晶体管式芯片、表 面声波式芯片、二极管式芯片、半导体电阻式芯片、微机电式芯片或其组合。

13. 根据权利要求12所述的传感器，其特征在于，所述晶体管式芯片包括高速电子迀移 率晶体管、硅基晶体管、奈米线晶体管、奈米碳管晶体管、石墨烯晶体管、二硫化钼晶体管或 其组合。