CN109444235A - 集成式湿度传感器及其制造方法 - Google Patents

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苏梅英
曹立强
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Abstract

本发明提供了一种集成式湿度传感器及其制造方法。该制造方法包括以下步骤：S1，提供具有控制电路的衬底，并在衬底具有控制电路的一侧形成重新布线层，重新布线层包括相互独立的第一电极和第二电极，第二电极与控制电路的引脚接触；S2，采用溶胶‑凝胶法在第一电极上形成湿敏薄膜。上述方法采用了先进的扇入封装工艺实现了湿度传感器集成，湿度传感器的湿敏薄膜采用溶胶‑凝胶法制备，通过点胶的形式涂敷于工作电极上，不仅能够完全与通用的扇入工艺进行兼容，还能够避免现有技术中采用湿敏聚合物电接枝而对封装组件造成的污染。并且，上述制造方法工艺简单，能够实现超薄湿度传感器系统集成，可批量化生产。

Description

集成式湿度传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体而言，涉及一种集成式湿度传感器及其制造方法。
背景技术
随着自动化工业的推进及气候环境的日益关注，湿度传感器广泛应用于各行业领域，如汽车、仪表、气候监测等。湿度传感器的装配形式也由传统的分立封装往系统集成方向进行发展。目前已经进行了各种尝试将湿度传感器集成到CMOS结构中，但由于湿敏电阻材料的介入，需要对传统的CMOS工艺流程进行大量修改，为了不影响传统CMOS工艺，通过封装工艺实现湿度传感器的集成是行之有效的方法。
现有技术中公开了一种利用电接枝技术将湿敏聚合物定位到IC衬底上的技术方案，制作流程为：在IC衬底的绝缘层表面上形成第一导电金属层，将湿敏聚合物电接枝到第一导电金属层上；制作第二层金属层形成平板电容；在第二层金属层上进行钝化层固化、开口及UBM制备；对湿敏电阻材料上方的钝化层进行开口暴露。传感器的感测电极可以为上下两层金属，也可以是共面叉指型，IC衬底包括了MEMS或者CMOS衬底或者ASIC衬底。该专利采用了电接枝技术制备聚合物湿敏电阻材料，需要搭建用于电接枝的电路外部系统，在制备过程中需要将工作电极浸没到电接枝溶液中进行电解，增加了制备难度，并对封装组件造成了污染。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种集成式湿度传感器及其制造方法，以解决现有技术中制备集成式湿度传感器的工艺难度大且易对封装组件造成污染的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种集成式湿度传感器的制造方法，包括以下步骤：S1，提供具有控制电路的衬底，并在衬底具有控制电路的一侧形成重新布线层，重新布线层包括相互独立的第一电极和第二电极，第二电极与控制电路的引脚接触；S2，采用溶胶-凝胶法在第一电极上形成湿敏薄膜。
进一步地，形成重新布线层的步骤包括以下过程：在衬底上沉积形成种子层；在种子层上涂布光刻胶并光刻以得到重布线层线路图形，然后在种子层表面未被重布线层线路图形覆盖的部分电镀铜金属；去除光刻胶，并刻蚀去除种子层中未被铜金属覆盖的部分，以形成重新布线层。
进一步地，在形成重新布线层的步骤之前，步骤S1包括以下步骤：S11，在衬底上形成与控制电路的引脚连接的焊盘；S12，在衬底上形成具有第一开口的第一钝化层，第一开口与至少部分焊盘对应设置，在形成重新布线层的步骤中，形成的第二电极与焊盘接触设置。
进一步地，形成湿敏薄膜的步骤包括：将包括湿敏电阻材料的原料与有机溶剂混合均匀，得到湿敏溶胶前驱体；将湿敏溶胶前驱体点涂在第一电极上并进行陈化处理，得到湿敏溶胶，优选陈化处理的温度为20～85℃；将湿敏溶胶固化，得到湿敏薄膜，优选固化的温度为300～600℃。
进一步地，湿敏电阻材料为金属醇盐或无机盐，优选湿敏电阻材料选自氧化钛、氧化锆、氧化锌、氧化銦和氧化锡中的任一种或多种。
进一步地，在形成湿敏薄膜的步骤之前，步骤S2包括以下步骤：S21，在重新布线层上形成具有第二开口的第二钝化层，第二开口与至少部分第一电极以及至少部分第二电极对应设置；S22，在第二开口中与第二电极对应的部分形成凸点下金属，并在凸点下金属上形成焊球。
进一步地，在步骤S21与步骤S22之间，步骤S2还包括以下步骤：在第二开口中与第一电极对应的部分形成第一保护膜；在步骤S22之后，步骤S2还包括去除第一保护膜的步骤。
进一步地，在步骤S2之后，制造方法还包括以下步骤：在湿敏薄膜上设置第二保护膜，第二保护膜具有多个透气孔。
进一步地，第一电极为插指电极。
进一步地，控制电路包括信号放大电路、A\D模数转换器、校验存储器、CRC发生器以及通讯接口。
进一步地，衬底具有多个芯片区，各芯片区中具有控制电路，在步骤S1中，形成的第二电极与各芯片区中控制电路的引脚接触.
根据本发明的另一方面，提供了一种集成式湿度传感器，包括：衬底，衬底的一侧表面具有控制电路；重新布线层，位于衬底具有控制电路的一侧，且重新布线层包括相互独立的第一电极和第二电极，第二电极与控制电路的引脚接触；湿敏薄膜，覆盖于第一电极的表面上。
进一步地，集成式湿度传感器由上述的制造方法制造而成。
应用本发明的技术方案，提供了一种集成式湿度传感器的制造方法，该方法采用了先进的扇入封装工艺实现了湿度传感器集成，湿度传感器的湿敏薄膜采用溶胶-凝胶法制备，通过点胶的形式涂敷于工作电极上，不仅能够完全与通用的扇入工艺进行兼容，还能够避免现有技术中采用湿敏聚合物电接枝而对封装组件造成的污染。并且，上述制造方法工艺简单，能够实现超薄湿度传感器系统集成，可批量化生产。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了在本申请实施方式所提供的集成式湿度传感器的制造方法中，提供的衬底具有多个芯片区的结构示意图；
图2示出了在本申请实施方式所提供的集成式湿度传感器的制造方法中，在所述衬底上形成与所述控制电路的引脚连接的焊盘后的基体剖面结构示意图；
图3示出了在图2所示的衬底上形成具有第一开口的第一钝化层后的基体剖面结构示意图；
图4示出了在图3所示的衬底具有所述控制电路的一侧形成重新布线层后的基体剖面结构示意图；
图5示出了图4所示的重新布线层中第一电极和第二电极的结构示意图；
图6示出了图5所示的第一电极的结构示意图；
图7示出了在图4所示的衬底上顺序形成第二钝化层与第一保护膜后的基体仰视结构示意图；
图8示出了在图7所示的第二开口中与所述第二电极对应的部分形成凸点下金属后的基体剖面结构示意图；
图9示出了在图8所示的凸点下金属上形成焊球后的基体剖面结构示意图；
图10示出了去除图9所示的第一保护膜并在第一电极上形成湿敏薄膜后的基体剖面结构示意图；
图11示出了在图10所示的湿敏薄膜上设置第二保护膜后的基体剖面结构示意图；
图12示出了本申请实施方式所提供的一种集成式湿度传感器的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
100、衬底；110、芯片区；120、控制电路；10、焊盘；20、重新布线层；21、第一电极；22、第二电极；30、第一钝化层；31、第一开口；40、第二钝化层；41、第二开口；50、凸点下金属；60、第一保护膜；70、焊球；80、湿敏薄膜；90、第二保护膜。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
正如背景技术中所介绍的，现有技术中制备集成式湿度传感器的过程中需要将工作电极浸没到电接枝溶液中进行电解，增加了制备难度，并对封装组件造成了污染。本发明的发明人针对上述问题进行研究，提出了一种包括以下步骤：S1，提供具有控制电路120的衬底100，并在衬底100具有控制电路120的一侧形成重新布线层20，重新布线层20包括相互独立的第一电极21和第二电极22，第二电极22与控制电路120的引脚接触；S2，采用溶胶-凝胶法在第一电极21上形成湿敏薄膜80。
上述集成式湿度传感器的制造方法中由于采用了先进的扇入封装工艺实现了湿度传感器集成，湿度传感器的湿敏薄膜采用溶胶-凝胶法制备，通过点胶的形式涂敷于工作电极上，不仅能够完全与通用的扇入工艺进行兼容，还能够避免现有技术中采用湿敏聚合物电接枝而对封装组件造成的污染。并且，上述制造方法工艺简单，能够实现超薄湿度传感器系统集成，可批量化生产。
下面将更详细地描述根据本发明提供的集成式湿度传感器的制造方法的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员。
首先，执行步骤S1：提供具有控制电路120的衬底100，并在衬底100具有控制电路120的一侧形成重新布线层20，重新布线层20包括相互独立的第一电极21和第二电极22，第二电极22与控制电路120的引脚接触。
上述控制电路120可以包括信号放大电路、A\D模数转换器、校验存储器、CRC发生器以及通讯接口。本领域技术人员可以根据实际需求通过不同的制备工艺形成所需的控制电路120。
上述衬底100可以具有多个芯片区110，各芯片区110中具有控制电路120，如图1所示；此时，在上述步骤S1中，形成的第二电极22与各芯片区110中控制电路120的引脚接触。
在一种优选的实施方式中，形成上述重新布线层20的步骤包括以下过程：在衬底100上沉积形成种子层；在种子层上涂布光刻胶并光刻以得到重布线层线路图形，然后在种子层表面未被重布线层线路图形覆盖的部分电镀铜金属；去除光刻胶，并刻蚀去除种子层中未被铜金属覆盖的部分，以形成重新布线层20。由于铜金属在半导体工艺难以刻蚀，因此先刻蚀除线路图型，再电镀除铜线路，上述种子层能够用于电镀铜金属工艺中的导电。
在形成上述重新布线层20的步骤之前，优选地，上述步骤S1包括以下步骤：S11，在衬底100上形成与控制电路120的引脚连接的焊盘10，如图2所示；S12，在衬底100上形成具有第一开口31的第一钝化层30，第一开口31与至少部分焊盘10对应设置，如图3所示。然后，在衬底100具有控制电路120的一侧形成包括第二电极22，第二电极22的重新布线层20，形成的第二电极22与焊盘10接触设置，如图4和图5所示。更为优选地，上述第一电极21为插指电极，如图6所示。
在执行完上述步骤S1之后，执行步骤S2：采用溶胶-凝胶法在第一电极21上形成湿敏薄膜80。
形成上述湿敏薄膜80的步骤可以包括：将包括湿敏电阻材料的原料与有机溶剂混合均匀，得到湿敏溶胶前驱体；将湿敏溶胶前驱体点涂在第一电极21上并进行陈化处理，得到湿敏溶胶，优选陈化处理的温度为20～85℃；将湿敏溶胶固化，得到湿敏薄膜80，优选固化的温度为300～600℃。
为了提高集成式湿度传感器的性能，优选地，上述湿敏电阻材料为金属醇盐或无机盐，更为优选地，上述湿敏电阻材料选自氧化钛、氧化锆、氧化锌、氧化銦、氧化锡等金属氧化物中的任一种或多种，但不局限于上述优选的种类，本领域技术人员可以根据所选原材料决定上述溶剂的种类。
在一种优选的实施方式中，在形成上述湿敏薄膜80的步骤之前，步骤S2包括以下步骤：S21，在重新布线层20上形成具有第二开口41的第二钝化层40，第二开口41与至少部分第一电极21以及至少部分第二电极22对应设置，如图7所示；S22，在第二开口41中与第二电极22对应的部分形成凸点下金属50，如图8所示，并在凸点下金属50上形成焊球70，如图9所示。上述第二钝化层40用于避免在形成凸点下金属50的工艺中对重新布线层20造成的影响。
在上述优选的实施方式中，在上述步骤S21与上述步骤S22之间，更为优选地，步骤S2还包括以下步骤：在第二开口41中与第一电极21对应的部分形成第一保护膜60，如图7所示。上述第一保护膜60用于保护第一电极21，防止第一电极21表面的杂质污染。
此时，在上述形成凸点下金属50的步骤之后，先去除上述第一保护膜60，然后再在第一电极21上形成湿敏薄膜80，如图10所示。
在上述步骤S2之后，优选地，本发明的上述制造方法还包括以下步骤：在湿敏薄膜80上设置第二保护膜90，第二保护膜90具有多个透气孔，如图11所示。上述第二保护膜90用于保护湿敏薄膜80，防止湿敏薄膜80表面的杂质污染。
根据本发明的另一方面，还提供了集成式湿度传感器，如图12所示，包括衬底100、重新布线层20和湿敏薄膜80，其中，衬底100的一侧表面具有控制电路120；重新布线层20位于衬底100具有控制电路120的一侧，且重新布线层20包括相互独立的第一电极21和第二电极22，第二电极22与控制电路120的引脚接触；湿敏薄膜80覆盖于第一电极21的表面上。
在一种优选的实施方式中，本发明的上述集成式湿度传感器由上述的制造方法制造而成。由于上述制造方法采用了先进的扇入封装工艺实现了湿度传感器集成，湿度传感器的湿敏薄膜采用溶胶-凝胶法制备，通过点胶的形式涂敷于工作电极上，不仅能够完全与通用的扇入工艺进行兼容，还能够避免现有技术中采用湿敏聚合物电接枝而对封装组件造成的污染。并且，上述制造方法工艺简单，能够实现超薄湿度传感器系统集成，可批量化生产。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
1、本发明提供的制造方法采用了先进的扇入封装工艺实现了湿度传感器集成，湿度传感器的湿敏薄膜采用溶胶-凝胶法制备，通过点胶的形式涂敷于工作电极上，不仅能够完全与通用的扇入工艺进行兼容，还能够避免现有技术中采用湿敏聚合物电接枝而对封装组件造成的污染；
2、上述制造方法工艺简单，能够实现超薄湿度传感器系统集成，可批量化生产。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种集成式湿度传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，提供具有控制电路(120)的衬底(100)，并在所述衬底(100)具有所述控制电路(120)的一侧形成重新布线层(20)，所述重新布线层(20)包括相互独立的第一电极(21)和第二电极(22)，所述第二电极(22)与所述控制电路(120)的引脚接触；
S2，采用溶胶-凝胶法在所述第一电极(21)上形成湿敏薄膜(80)。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，形成所述重新布线层(20)的步骤包括以下过程：
在所述衬底(100)上沉积形成种子层；
在所述种子层上涂布光刻胶并光刻以得到重布线层线路图形，然后在所述种子层表面未被所述重布线层线路图形覆盖的部分电镀铜金属；
去除所述光刻胶，并刻蚀去除所述种子层中未被所述铜金属覆盖的部分，以形成所述重新布线层(20)。
3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，在形成所述重新布线层(20)的步骤之前，所述步骤S1包括以下步骤：
S11，在所述衬底(100)上形成与所述控制电路(120)的引脚连接的焊盘(10)；
S12，在所述衬底(100)上形成具有第一开口(31)的第一钝化层(30)，所述第一开口(31)与至少部分所述焊盘(10)对应设置，
在形成所述重新布线层(20)的步骤中，形成的所述第二电极(22)与所述焊盘(10)接触设置。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，形成所述湿敏薄膜(80)的步骤包括：
将包括湿敏电阻材料的原料与有机溶剂混合均匀，得到湿敏溶胶前驱体；
将所述湿敏溶胶前驱体点涂在所述第一电极(21)上并进行陈化处理，得到湿敏溶胶，优选所述陈化处理的温度为20～85℃；
将所述湿敏溶胶固化，得到所述湿敏薄膜(80)，优选所述固化的温度为300～600℃。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述湿敏电阻材料为金属醇盐或无机盐，优选所述湿敏电阻材料选自氧化钛、氧化锆、氧化锌、氧化銦和氧化锡中的任一种或多种。
6.根据权利要求1、4和5中任一项所述的制造方法，其特征在于，在形成所述湿敏薄膜(80)的步骤之前，所述步骤S2包括以下步骤：
S21，在所述重新布线层(20)上形成具有第二开口(41)的第二钝化层(40)，所述第二开口(41)与至少部分所述第一电极(21)以及至少部分所述第二电极(22)对应设置；
S22，在所述第二开口(41)中与所述第二电极(22)对应的部分形成凸点下金属(50)，并在所述凸点下金属(50)上形成焊球(70)。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤S21与所述步骤S22之间，所述步骤S2还包括以下步骤：
在所述第二开口(41)中与所述第一电极(21)对应的部分形成第一保护膜(60)；
在所述步骤S22之后，所述步骤S2还包括去除所述第一保护膜(60)的步骤。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤S2之后，所述制造方法还包括以下步骤：
在所述湿敏薄膜(80)上设置第二保护膜(90)，所述第二保护膜(90)具有多个透气孔。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述第一电极(21)为插指电极。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述控制电路(120)包括信号放大电路、A\D模数转换器、校验存储器、CRC发生器以及通讯接口。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述衬底(100)具有多个芯片区(110)，各所述芯片区(110)中具有所述控制电路(120)，在所述步骤S1中，形成的所述第二电极(22)与各所述芯片区(110)中所述控制电路(120)的引脚接触。
12.一种集成式湿度传感器，其特征在于，包括：
衬底(100)，所述衬底(100)的一侧表面具有控制电路(120)；
重新布线层(20)，位于所述衬底(100)具有所述控制电路(120)的一侧，且所述重新布线层(20)包括相互独立的第一电极(21)和第二电极(22)，所述第二电极(22)与所述控制电路(120)的引脚接触；
湿敏薄膜(80)，覆盖于所述第一电极(21)的表面上。
13.根据权利要求12所述的集成式湿度传感器，其特征在于，所述集成式湿度传感器由权利要求1至9中任一项所述的制造方法制造而成。
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