CN109100398B - 一种酒精浓度检测系统封装结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种酒精浓度检测系统的封装结构，包括：芯片基板；信号处理芯片，所述信号处理芯片设置在所述芯片基板的正面；传感器基板，所述传感器基板的背面键合至所述芯片基板的正面，所述信号处理芯片位于所述传感器基板的背面镂空区域；酒精浓度检测结构，所述酒精浓度检测结构设置在所述传感器基板的正面；以及外接焊球，所述外接焊球设置所述芯片基板的背面。

Description

一种酒精浓度检测系统封装结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体封装技术领域，尤其涉及一种酒精浓度检测系统封装结构及其制造方法。

背景技术

近年来，随着私家车的普及，交通安全日益受到人们的重视，而交通事故中很大一部分是酒后驾车导致的，作为酒精浓度检测系统的酒精检测仪成为识别、判断酒驾行为的主要依据。

目前，现有技术制造的传统酒精检测仪价格较为昂贵，而且体积庞大，一般和普通的智能手机一般大。主要原因是这一类的酒精检测仪的传感器芯片和信号处理芯片往往都是作为一种独立的元件，单独封装，因此没有实现集成化和微型化，从而造成了其体积较大和成本较高，难以普及。

另一方面，现有技术制造的酒精传感器一般是使用N型氧化物作为敏感材料，这种材料需要在一定温度(一般是中高温)下才能使用，因此需要加热。这在一定程度上增加了整个系统的功耗，不利于小型化产品的低功耗要求。而为了散热的需要，防止传感器芯片过热，又要在传感器芯片的外部加上金属外壳，既增加了成本又增加了传感器的体积重量。而对于一些不需要加热的传感器的敏感材料，又容易受到环境影响，特别是大气中水汽的影响，也就是说它对湿度较为敏感，从而使测量结果出现误差。

基于TSV转接板的2.5D封装使多个芯片在转接板上直接实现互连，大大缩短了走线长度，降低了信号延迟与损耗。硅基转接板可以制作更小线宽的互连线，布线密度大大提高，使其满足高性能芯片的需求。但是因为硅中有掺杂的缘故，其基板的绝缘性较差，因此不得不在硅基板上再制作一层绝缘层，这增加了工艺的难度而且也限制了在高频高速下的应用。

因此，急需一种新型的酒精检测传感器至少部分的解决上面描述的现有技术制造的酒精传感器的成本贵、体积大、功耗高以及环境敏感等问题。

发明内容

针对现有技术制造的酒精传感器中存在的成本贵、体积大、功耗高以及环境敏感等问题，根据本发明的一个实施例，提供一种酒精浓度检测系统的封装结构，包括：

芯片基板；

信号处理芯片，所述信号处理芯片设置在所述芯片基板的正面；

传感器基板，所述传感器基板的背面键合至所述芯片基板的正面，所述信号处理芯片位于所述传感器基板的背面镂空区域；

酒精浓度检测结构，所述酒精浓度检测结构设置在所述传感器基板的正面；以及

外接焊球，所述外接焊球设置所述芯片基板的背面。

在本发明的一个实施例中，所述芯片基板进一步包括：

位于所述芯片基板正面的第一重布线层RDL；

位于所述芯片基板反面的第二RDL；以及

电连接第一RDL和第二RDL的第一导电通孔。

在本发明的一个实施例中，所述传感器基板还具有电连接所述酒精浓度检测结构至所述信号处理芯片的第二导电通孔。

在本发明的一个实施例中，所述芯片基板和/或所述传感器基板的材料为玻璃。

在本发明的一个实施例中，所述酒精浓度检测结构进一步包括：电极；以及覆盖于所述电极表面及间隔区域的酞菁铜薄膜。

在本发明的一个实施例中，所述电极为叉指电极。

在本发明的一个实施例中，所述第一RDL具有多层RDL层。

在本发明的一个实施例中，具有设置在所述信号处理芯片的底部与所述芯片基板之间的底填胶。

根据本发明的另一个实施例，提供一种酒精浓度检测系统的封装结构的制造方法，包括：

在芯片基板的正面形成第一RDL，背面形成第二RDL，内部形成第一导电通孔；

在所述芯片基板的正面贴装信号处理芯片并进行底填胶填充；

在传感器基板正面形成叉指电极，背面形成导电线路和/或焊盘，内部形成第二导电通孔；

在所述叉指电极的区域蒸镀酞菁铜薄膜；

在所述传感器基板的背面形成芯片镂空区域；

将所述传感器基板的背面键合至所述芯片基板正面的对应位置；以及

在键合后的所述芯片基板的背面形成外接焊球。

在本发明的另一个实施例中，该方法还包括进行封装结构的切割分离，以形成单颗酒精浓度检测系统的封装结构。

本发明提供一种酒精浓度检测系统的晶圆级封装结构及其制造方法，通过在玻璃基板制作覆盖酞菁铜材料的叉指电极形成酒精检测传感器结构，然后利用重布线层RDL、玻璃通孔TGV以及晶圆级键合技术实现酒精检测传感器与信号处理芯片的晶圆级封装，具有低成本、低功耗、小尺寸以及高可靠性等优点。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出根据本发明的一个实施例的一种酒精浓度检测系统的晶圆级封装结构100的剖面示意图。

图2示出根据本发明的一个实施例的一种酒精浓度检测系统的原理图。

图3A至图3G示出根据本发明的一个实施例形成一种酒精浓度检测系统的晶圆级封装结构100的过程剖面示意图。

图4示出根据本发明的一个实施例形成的一种酒精浓度检测系统的晶圆级封装结构100的过程的流程图。

图5示出根据本发明的一个实施例形成的一种酒精浓度检测系统的晶圆级封装结构100的晶圆布局图。

图6示出基于本发明的一个实施例的酒精浓度检测系统集成到便携式电子设备中的示意图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了方便区分各步骤，而并不是限定各步骤的先后顺序，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

本发明提供一种酒精浓度检测系统的晶圆级封装结构及其制造方法，通过在玻璃基板制作覆盖酞菁铜材料的叉指电极形成酒精检测传感器结构，然后利用重布线层RDL、玻璃通孔TGV以及晶圆级键合技术实现酒精检测传感器与信号处理芯片的晶圆级封装，具有低成本、低功耗、小尺寸以及高可靠性等优点。

下面结合图1来详细介绍根据本发明的一个实施例的一种酒精浓度检测系统的晶圆级封装结构。图1示出根据本发明的一个实施例的一种酒精浓度检测系统的晶圆级封装结构100的剖面示意图，如图1所示，该酒精浓度检测系统的晶圆级封装结构100进一步包括芯片基板110、传感器基板120、传感器信号处理芯片130、传感器140以及外接焊球150。

芯片基板110进一步包括第一基板111、位于第一基板111正面的第一RDL层112、位于第一基板111反面的第二RDL层113以及电连接第一RDL层112和第二RDL层113的第一导电通孔114。

在本发明的一个具体实施例中，第一基板111为玻璃基板。因为玻璃材料的湿度系数为“0”，不受湿度的影响，可以有效抑制水汽对传感器的敏感材料的影响；此外玻璃材料没有自由移动的电荷，介电性能优良，以玻璃替代硅材料的玻璃通孔(Through Glass Via，TGV)技术可以避免硅通孔(TSV)绝缘性不良的问题。在本发明的又一具体实施例中，可以通过玻璃刻蚀、种子层沉积、图形化电镀等工艺形成上述的第一RDL层112、第二RDL层113以及第一导电通孔114。

在本发明的又一个实施例中，第一RDL层112可以根据设计需要具有一层或多层，同时在最外层具有与信号处理芯片130电连接的焊盘以及与传感器基板120进行电连接的结构。

传感器基板120进一步包括第二基板121、第二导电通孔122、镂空区域123。其中第二基板121优选为玻璃基板，其原因为上述的湿度和电学特性优势。第二导电通孔122用于电连接传感器结构至芯片基板110上的导电线路，从而实现信号处理芯片130对传感器140的信号处理。镂空区域123用于在传感器基板120与芯片基板110键合封装时容纳信号处理芯片130。

信号处理芯片130用于对酒精传感器输出的信号进行处理。在本发明的一个实施例中，信号处理芯片130通过焊接结构131倒装焊接在芯片基板110的正面焊盘上，正面焊盘可以是第一RDL层112的一部分；同时信号处理芯片130的底部与芯片基板110之间填充有底填胶132，底填胶132起到对信号处理芯片的绝缘和机械保护等作用。

传感器140位于传感器基板120的正面，进一步包括电极141和覆盖于整个电极141区域的酞菁铜薄膜142，其中电极141与传感器基板120中的第二导电通孔电连接。在本发明的一个实施例中，电极141为叉指电极，酞菁铜薄膜142通过蒸镀工艺均匀覆盖在电极141的表面及间隔区域。

酞菁铜薄膜142吸附乙醇气体分子后，其电导率会增加，并且其电导率的变化和气体的浓度变化基本呈线性关系。将电极两端接入恒流源，通过信号处理芯片检测叉指电极两端的电压变化情况，可以得到乙醇气体的浓度，其电学原理图如图2所示，图2示出根据本发明的一个实施例的一种酒精浓度检测系统的原理图。基于本发明封装后的传感器芯片便是利用该原理测量乙醇气体浓度的。

外接焊球150用于整体封装结构与外部的电和信号连接。外接焊球150可以铜鼓植球工艺形成，但本领域的技术人员应该了解到还可以通过电镀等其他工艺形成外接焊球150。

下面结合图3A至图3G以及图4来详细描述形成一种酒精浓度检测系统的晶圆级封装结构100的过程。图3A至图3G示出根据本发明的一个实施例形成一种酒精浓度检测系统的晶圆级封装结构100的过程剖面示意图；图4示出根据本发明的一个实施例形成的一种酒精浓度检测系统的晶圆级封装结构100的过程的流程图。

首先，在步骤401，如图3A所示，在芯片基板301的正面形成第一RDL302，背面形成第二RDL 303，内部形成第一导电通孔304。在本发明的一个实施例中，芯片基板301为玻璃基板，可以通过图形化刻蚀、电镀或沉积工艺在芯片基板301上形成第一RDL 302、第二RDL303以及第一导电通孔304。如通过刻蚀工艺在芯片基板301内形成通孔，通过PVD或者化学镀等工艺在芯片基板301表面和通孔内壁沉积形成种子层，然后通过电镀形成RDL层和导电填充，最后去除电镀掩膜并去除多余的电镀种子层。

接下来，在步骤402，如图3B所示，在芯片基板301的正面焊接信号处理芯片305并进行底填胶填充。在本发明的一个实施例中，信号处理芯片305通过焊接结构306倒装焊在芯片基板301正面的对应焊盘上。然后在焊接好的信号处理芯片305的底部和芯片基板301之间填充底填胶307，底填胶307起到对信号处理芯片305的绝缘和机械保护等作用。

然后，在步骤403，如图3C所示，在传感器基板308正面形成电极309，背面形成导电线路和/或焊盘310，内部形成第二导电通孔311。在本发明的一个实施例中，电极309为叉指电极，相对其他电极可以产生更灵敏的信号反馈，叉指电极通过镀铜形成；第二导电通孔311通过刻蚀、电镀或者填充导电银浆等工艺形成，其材料可以为铜银浆等材料；背面的导电线路和/或焊盘310用于和芯片基板301上的导电线路形成电连接。

接下来，在步骤404，如图3D所示，在电极309的区域上蒸镀一层酞菁铜薄膜312。酞菁铜薄膜312通过蒸镀工艺均匀覆盖在电极309的表面及间隔区域。酞菁铜薄膜312吸附乙醇气体分子后，其电导率会增加，并且其电导率的变化和气体的浓度变化基本呈线性关系。将电极两端接入恒流源，通过信号处理芯片检测叉指电极两端的电压变化情况，可以得到乙醇气体的浓度。基于本发明封装后的传感器芯片便是利用该原理测量乙醇气体浓度的。

然后，在步骤405，如图3E所示，在传感器基板308的背面形成芯片镂空区域313。可以通过湿法刻蚀工艺形成，也可以通过干法刻蚀形成。

接下来，在步骤406，如图3F所示，将传感器基板308键合至芯片基板301。具体通过传感器基板308的背面焊盘与芯片基板301正面的第一RDL 302上的对应焊盘进行对准键合，键合后，信号处理芯片305位于传感器基板308的镂空区域313；传感器基板308上的电极309与信号处理芯片305形成电和/或信号连接，从而使信号处理芯片305能对电极309上的电学信号进行检测、放大、模数转换等处理，得到处理单元可以利用的信号。

最后，在步骤407，如图3G所示，在键合后的芯片基板301的背面形成外接焊球314。

至此，本发明的该种酒精浓度检测系统的晶圆级封装结构100制作完成。其晶圆布局示意图如图5所示，图5示出根据本发明的一个实施例形成的一种酒精浓度检测系统的晶圆级封装结构100的晶圆布局图。后续在进一步的工艺中对晶圆级的封装结构进行切割，获得单颗封装器件。

基于本发明形成的该种酒精浓度检测系统的晶圆级封装结构及其制造方法，通过在玻璃基板制作覆盖酞菁铜材料的叉指电极形成酒精检测传感器结构，然后利用重布线层RDL、玻璃通孔TGV以及晶圆级键合技术实现酒精检测传感器与信号处理芯片的晶圆级封装，具有低成本、低功耗、小尺寸以及高可靠性等优点。可以集成在便携式电子上，进行酒精浓度测试，图6示出基于本发明的一个实施例的酒精浓度检测器件集成到便携式电子设备中的示意图，如图6所示，可以在电子设备的边缘或其他特定位置，设置与该检测器件连通的开口，通过呼吸、说话、吹气、对流等自动完成实时的酒精浓度检测。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (8)

1.一种酒精浓度检测系统的封装结构，包括：

芯片基板，所述芯片基板正面包括第一重布线层RDL；

信号处理芯片，所述信号处理芯片设置在所述芯片基板的正面；

传感器基板，所述传感器基板的背面键合至所述芯片基板的正面，所述信号处理芯片位于所述传感器基板的背面镂空区域中；

酒精浓度检测结构，所述酒精浓度检测结构设置在所述传感器基板的正面；以及

外接焊球，所述外接焊球设置所述芯片基板的背面，

其中，所述传感器基板的正面包括电极；以及覆盖于所述电极表面及间隔区域的酞菁铜薄膜，所述传感器基板的背面包括导电线路和/或焊盘，所述传感器基板的内部包括第二导电通孔，所述电极通过第二导电通孔、传感器基板背面的导电线路和/或焊盘与所述芯片基板正面的第一重布线层RDL形成电连接。

2.如权利要求1所述的酒精浓度检测系统的封装结构，其特征在于，所述芯片基板进一步包括：

位于所述芯片基板反面的第二RDL；以及

电连接第一RDL和第二RDL的第一导电通孔。

3.如权利要求2所述的酒精浓度检测系统的封装结构，其特征在于，所述芯片基板和/或所述传感器基板的材料为玻璃。

4.如权利要求1所述的酒精浓度检测系统的封装结构，其特征在于，所述电极为叉指电极。

5.如权利要求1所述的酒精浓度检测系统的封装结构，其特征在于，所述第一RDL具有多层RDL层。

6.如权利要求1所述的酒精浓度检测系统的封装结构，其特征在于，具有设置在所述信号处理芯片的底部与所述芯片基板之间的底填胶。

7.一种酒精浓度检测系统的封装结构的制造方法，包括：

在芯片基板的正面形成第一RDL，背面形成第二RDL，内部形成第一导电通孔；

在所述芯片基板的正面贴装信号处理芯片并进行底填胶填充；

在传感器基板正面形成叉指电极，背面形成导电线路和/或焊盘，内部形成第二导电通孔；

在所述叉指电极的区域蒸镀酞菁铜薄膜；

在所述传感器基板的背面形成芯片镂空区域；

将所述传感器基板的背面键合至所述芯片基板正面的对应位置，所述叉指电极通过第二导电通孔、传感器基板背面的导电线路和/或焊盘与所述芯片基板正面的第一RDL形成电连接，所述信号处理芯片位于所述传感器基板的背面镂空区域中；以及

在键合后的所述芯片基板的背面形成外接焊球。

8.如权利要7所述的方法，还包括进行封装结构的切割分离，以形成单颗酒精浓度检测系统的封装结构。

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