CN112782338B - 用于气体传感器的隔爆结构、其制备方法及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术领域，本发明公开了一种用于气体传感器的隔爆结构、其制备方法及其封装方法。该隔爆结构包括连接的凹槽和固定结构；该固定结构位于该凹槽的侧面，该固定结构与气体传感器的基座键合连接，该凹槽用于放置该气体传感器的芯片；该凹槽上设有多个通孔；该隔爆结构的材料为硅。本申请提供的隔爆结构具有隔爆效果好和尺寸小的优点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种用于气体传感器的隔爆结构、其制备方法及其封装方法。
背景技术
催化燃烧型气体传感器早已广泛应用于工业控制和生产生活中的气体泄漏预警、在线监测等场合。随着新加工技术的发展，利用微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)技术在硅基底上制造催化燃烧型元器件，已成为新的科研和工业创新方向。
但是，由于催化燃烧型器件所检测的气体均为易燃易爆气体，所以，利用该原理制作成的探测器，都需要外加可靠的防爆措施，才能面向市场销售。利用MEMS技术研发的新型催化燃烧元件的一个巨大优势，是其相对于传统元件，可以做到很小的外观尺寸。
在实际生产生活应用中，MEMS器件依然需要外加隔爆措施，然而现有技术中的隔爆结构具有隔爆效果差以及尺寸大的问题。
发明内容
本发明要解决的是现有技术中隔爆效果差和尺寸大的技术问题。
为解决上述技术问题，本申请在一方面公开了一种用于气体传感器的隔爆结构，该隔爆结构包括连接的凹槽和固定结构；
该固定结构位于该凹槽的侧面，该固定结构与气体传感器的基座键合连接，该凹槽用于放置该气体传感器的芯片；
该凹槽上设有多个通孔；
该隔爆结构的材料为硅。
可选的，该凹槽的顶部与该固定结构的顶部位于同一平面；
该凹槽的底部与该气体传感器的基座连接；
该固定结构的底部与该气体传感器的基座连接。
可选的，该凹槽的横截面积包括圆形；
该多个通孔中相邻通孔之间存在预设距离。
可选的，该隔爆结构的长度与该气体传感器的长度相等；
该隔爆结构的宽度与该气体传感器的宽度相等。
可选的，该固定结构包括凹陷区域，该凹陷区域用于暴露该传感器的引线焊盘。
本申请在另一方面还公开了一种隔爆结构的制备方法，其包括：
提供一硅衬底；
利用光刻技术对该硅衬底的底部进行光刻，得到第一光刻结构，该第一光刻结构包括连接的凹槽和固定结构，该固定结构位于该凹槽的侧面，该固定结构与气体传感器的基座键合连接，该凹槽用于放置该气体传感器的芯片；
利用该光刻技术对该第一光刻结构的顶部进行光刻，在该凹槽上形成多个通孔，得到该隔爆结构。
可选地，该利用该光刻技术对该第一光刻结构的顶部进行光刻，得到该隔爆结构，包括：
利用该光刻技术对该硅衬底的顶部进行光刻，在该凹槽上形成该多个通孔，得到第二光刻结构；
通过该光刻技术对该第二光刻结构的顶部进行光刻，在该固定结构上形成凹陷区域，该凹陷区域用于暴露该传感器的引线焊盘，得到该隔爆结构。
可选的，该凹槽的深度为10微米～800微米；
该凹槽的横截面积为圆形，该凹槽的直径为200微米～2000微米。
本申请在另一方面还公开了一种隔爆结构的封装方法，其包括：
提供气体传感器，该气体传感器包括基座、芯片和引线焊盘，该芯片与该引线焊盘电连接，且该芯片与该引线焊盘位于该基座上；
提供隔爆结构，该隔爆结构包括连接的凹槽和固定结构，该固定结构位于该凹槽的侧面，该固定结构与气体传感器的基座键合连接，该凹槽用于放置该气体传感器的芯片，该凹槽上设有多个通孔，该隔爆结构的材料为硅；
将该芯片对准该凹槽进行键合，完成封装。
本申请在另一方面还公开了一种隔爆结构阵列的封装方法，其包括：
提供晶圆级的气体传感器阵列，该气体传感器阵列中的每个气体传感器包括基座、芯片和引线焊盘，该芯片与该引线焊盘电连接，且该芯片与该引线焊盘位于该基座上；
提供晶圆级的隔爆结构阵列，该隔爆结构阵列中的每个隔爆结构包括连接的凹槽和固定结构，该固定结构位于该凹槽的侧面，该固定结构与气体传感器的基座键合连接，该凹槽用于放置该气体传感器的芯片，该凹槽上设有多个通孔，该隔爆结构的材料为硅；
将该气体传感器阵列的每个该芯片对准该隔爆结构阵列的每个该凹槽进行键合，形成键合阵列结构；
切割该键合阵列结构，得到单颗包含该隔爆结构的气体传感器，完成封装。
采用上述技术方案，本申请提供的气体传感器的隔爆结构具有如下有益效果：
该隔爆结构包括连接的凹槽和固定结构；该固定结构位于该凹槽的侧面，该固定结构与气体传感器的基座键合连接，该凹槽用于放置该气体传感器的芯片；该凹槽上设有多个通孔；该隔爆结构的材料为硅。从而能够使得将该隔爆结构用于气体传感器上时，具有隔爆效果好和尺寸小优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一种视角的隔爆结构的立体图；
图2为本申请另一种视角的隔爆结构的立体图；
图3为本申请一种可选地实施方式中隔爆结构的立体图；
图4为本申请隔爆结构的俯视图；
图5为本申请隔爆结构的仰视图；
图6为本申请一种可选地隔爆结构封装后的产品结构示意图；
图7为本申请另一种可选地隔爆结构封装后的产品结构示意图；
图8为本申请制备隔爆结构方法的流程图；
图9为本申请制备隔爆结构方法的过程示意图；
图10为本申请晶圆级的隔爆结构阵列的结构示意图；
图11为本申请隔爆结构的封装方法的流程图；
图12为本申请隔爆结构阵列的封装方法的流程图；
图13为本申请隔爆结构阵列的封装方法的过程示意图。
以下对附图作补充说明：
1-凹槽；2-固定结构；21-凹陷区域；3-通孔；4-隔爆结构；5-气体传感器的基座；6-焊盘引线；7-硅衬底；8-光刻胶；9-第一图形；10-第一光刻结构；11-盲孔；12-第二图形；13-气体传感器阵列；14-隔爆结构阵列。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，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，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
如图1所示，图1为本申请一种视角的隔爆结构的立体图。本申请在一方面公开了一种用于气体传感器的隔爆结构，该隔爆结构包括连接的凹槽1和固定结构2；该固定结构2位于该凹槽1的侧面，该固定结构2与气体传感器的基座5键合连接，该凹槽1用于放置该气体传感器的芯片；该凹槽1上设有多个通孔3；该隔爆结构的材料为硅。
现有技术中的隔爆结构一般为一个金属网罩，不仅防爆效果差而且其尺寸较大，只能用于大尺寸的气体传感器，而本申请提供的该种隔爆结构由于是基于硅晶圆成型加工，使得其得到隔爆结构的上的通孔3较小，具有更好的防爆效果，且在后续将该隔爆结构与对应的气体传感器封装连接过程中，由于气体传感器也是基于晶圆成型加工，二者可以直接通过键合工艺封装连接，具有封装效率高的优点。
在一种可选的实施方式中，如图2所示，图2为本申请另一种视角的隔爆结构的立体图。该凹槽1的顶部与该固定结构2的顶部位于同一平面；该凹槽1的底部与该气体传感器的基座5连接；该固定结构2的底部与该气体传感器的基座5连接，该结构具有成型加工方便的优点。
在另一种可选的实施方式中，该凹槽1的顶部与所述固定结构2的顶部存在预设高度，增加了该隔爆结构的灵活性，便于在该凹槽1的侧面设有该多个通孔3。
在一种可选的实施方式中，该凹槽1的横截面积包括圆形；该多个通孔3中相邻通孔3之间存在预设距离。
可选的，该凹槽1的横截面积根据需要还可以是矩形、菱形或者异形。
可选的，该多个通孔3可以排列成圆形或者方形，该多个通孔3的排列形状可以与该凹槽1的横截面积形状相同。
可选的，该通孔3的直径范围为10微米～300微米。
可选的，该多个通孔3位于该凹槽1的顶部或者侧面。
在一种可选的实施方式中，如图3-图5所示，图3为本申请一种可选地实施方式中隔爆结构的立体图；图4为本申请隔爆结构的俯视图；图5为本申请隔爆结构的仰视图。该隔爆结构的长度与该气体传感器的长度相等；该隔爆结构的宽度与该气体传感器的宽度相等，该结构具有成型加工方便的优点。可选的，该隔爆结构的长度为0.1毫米～5毫米，该隔爆结构的的宽度为0.1毫米～5毫米，该隔爆结构的的厚度为0.1毫米～2毫米；优选地，该隔爆结构的尺寸1毫米×1毫米×0.6毫米。
在另一种可选的实施方式中，该隔爆结构的长度小于所述气体传感器的长度，该隔爆结构的宽度小于该气体传感器的宽度，不仅有利于降低整体结构的重量，还有利于在该气体传感器上放置气体元器件或者电路线。
在一种可选的实施方式中，如图6-图7所示，图6为本申请一种可选地隔爆结构封装后的产品结构示意图。图7为本申请另一种可选地隔爆结构封装后的产品结构示意图。该固定结构2包括凹陷区域21，该凹陷区域21用于暴露该传感器的引线焊盘。可选地，如图2所示，该固定结构2包括4个凹陷区域21，该凹陷区域21为的横截面积为矩形，可选地，该凹陷区域21的个数、位置以及横截面积的形状可以根据需要设定，例如，该凹陷区域21的个数为1、2、3或者5个，该凹陷区域21的横截面积的形状为矩形、菱形或者异形。
本申请在另一方面还公开了一种隔爆结构的制备方法，如图8所示，图8为本申请制备隔爆结构方法的流程图。其包括：
S801:如图9所示，图9为本申请制备隔爆结构方法的过程示意图。提供一硅衬底7，如图9(a)。
在本实施例中，该硅衬底7为双面抛光硅晶圆。
S802:利用光刻技术对该硅衬底7的底部进行光刻，得到第一光刻结构10,如图9(d)，该第一光刻结构10包括连接的凹槽1和固定结构2，该固定结构2位于该凹槽1的侧面，该固定结构2与气体传感器的基座5键合连接，该凹槽1用于放置该气体传感器的芯片。
在一种可选的实施方式中，该光刻技术包括湿法蚀刻和干法刻蚀。
在一种可选的实施方式中，步骤S802包括：如图9(b)所示，在晶圆的正面涂覆光刻胶8；如图9(c)所示，通过对上步骤中的晶圆进行曝光显影得到第一图形9；如图9(d)所示，利用深硅刻蚀机在上步骤上刻蚀出第一图形9，去除光刻胶8，得到第一光刻结构10；从图9(d)可以看出，该第一光刻结构10包括凹槽1和固定结构2，该固定结构2上包括开口与该凹槽1相同方向的盲孔11，用于后续形成凹陷区域21，进而能够在后续封装到气体传感器上时，漏出传感器的焊盘引线6。
S803:如图9(e)-9(h)所示，利用该光刻技术对该第一光刻结构10的顶部进行光刻，在该凹槽1上形成多个通孔3，得到该隔爆结构4。
在一种可选的实施方式中，步骤S803包括：利用该光刻技术对该硅衬底7的顶部进行光刻，在该凹槽1上形成该多个通孔3，得到第二光刻结构；通过该光刻技术对该第二光刻结构的顶部进行光刻，在该固定结构2上形成凹陷区域21，该凹陷区域21用于暴露该传感器的引线焊盘，得到该隔爆结构4。
在本实施例中，该第二光刻结构是为了在凹槽1的顶部形成多个通孔3，也就是硅网结构，以达到防爆效果，在后续对该第二光刻结构进行刻蚀打通上述盲孔11，从而形成凹陷区域21，但在该步骤中得到的可以是如图3所示的通孔3，还需要在后续进行晶圆分割后得到凹陷区域21，或者是直接得到该凹陷区域21。
需要说明的是，上述形成第二光刻结构和形成凹陷区域21的过程可以是一个步骤形成，也可以如上所述分两步形成，形成的先后顺序不做限定。
在一种可选的实施方式中，步骤S803包括：如图9(e)所示，利用喷胶工艺在该硅衬底7的底部喷涂光刻胶8，或者或将硅衬底7的底部保护起来，在硅衬底7的顶部(晶圆背面)旋涂光刻胶8，如图9(f)所示，并通过曝光显影得到第二图形12，如图9(g)所示，利用深硅刻蚀机，在前述步骤的结构上刻蚀出第二图形12，然后去除光刻胶8，将该结构清洗干净，得到阵列隔爆结构4，如图10所示，图10为本申请晶圆级的隔爆结构阵列的结构示意图。该隔爆结构4阵列包括多个单颗的隔爆结构4，可选地，后续根据需要可以将该阵列隔爆结构4进行切割，得到如图3所示的单个的隔爆结构4，进一步得到如图1所示的隔爆结构4，将其与单个的气体传感器进行单个封装，或者也可以是如后续提到的封装步骤，即直接将阵列隔爆结构4与阵列气体传感器晶圆进行封装，封装后再进行分割，即可直接得到封装隔爆结构4后的气体传感器，具有封装效率高的优点。
在一种可选的实施方式中，该凹槽1的深度为10微米～800微米；
该凹槽1的横截面积为圆形，该凹槽1的直径为200微米～2000微米。
本申请在另一方面还公开了一种隔爆结构的封装方法，如图11所示，图11为本申请隔爆结构的封装方法的流程图。其包括：
S1101:提供气体传感器，该气体传感器包括基座、芯片和引线焊盘，该芯片与该引线焊盘电连接，且该芯片与该引线焊盘位于该基座上。
在本实施例中，该气体传感器为由硅晶圆的MEMS工艺加成成型后分割得到的单颗气体传感器。
S1102:提供隔爆结构4，该隔爆结构4包括连接的凹槽1和固定结构2，该固定结构2位于该凹槽1的侧面，该固定结构2与气体传感器的基座5键合连接，该凹槽1用于放置该气体传感器的芯片，该凹槽1上设有多个通孔3，该隔爆结构4的材料为硅。
在本实施例中，该隔爆结构4的成型加工工艺参考上述制备隔爆结构的方法，在此不再赘述。
S1103:将该芯片对准该凹槽1进行键合，完成封装。
在本实施例中，该步骤得到的封装后产品如图6所示。
本申请在另一方面还公开了一种隔爆结构阵列的封装方法，如图12所示，图12为本申请隔爆结构阵列的封装方法的流程图。其包括：
S1201:如图13所示，图13为本申请隔爆结构阵列的封装方法的过程示意图。如图13(a)所示，提供晶圆级的气体传感器阵列13，该气体传感器阵列13中的每个气体传感器包括基座、芯片和引线焊盘，该芯片与该引线焊盘电连接，且该芯片与该引线焊盘位于该基座上。
在本实施例中，该气体传感器为由硅晶圆的MEMS工艺加成成型得到晶圆级气体传感器阵列13。
S1202:如图13(c)所示，提供晶圆级的隔爆结构阵列14，该隔爆结构阵列14中的每个隔爆结构4包括连接的凹槽1和固定结构2，该固定结构2位于该凹槽1的侧面，该固定结构2与气体传感器的基座5键合连接，该凹槽1用于放置该气体传感器的芯片，该凹槽1上设有多个通孔3，该隔爆结构4的材料为硅。
在本实施例中，该隔爆结构阵列14由上述制备隔爆结构方法得到的晶圆级隔爆结构阵列14。
S1203:如图13(f)所示，将该气体传感器阵列13的每个该芯片对准该隔爆结构阵列14的每个该凹槽1进行键合，形成键合阵列结构。
在一种可选地实施方式中，该步骤S303，包括：如图13(a)-(b)所示，在气体传感器阵列13的表面旋涂液态玻璃材料(SOG)，并烘烤使其溶剂充分挥发；在空气中置于温度为150～180摄氏度的热板上进行高温热解；对上述步骤中的结构进行涂胶、光刻、刻蚀、露出焊盘引线6和气敏区；如图13(d)所示，将隔爆结构阵列14和涂有SOG材料的气体传感器阵列13的表面清洗处理干净，利用晶圆键合机将隔爆结构阵列14中的每个凹槽1与气体传感器阵列13中的每个芯片对准，然后用夹具将二者固定；如图13(e)所示,在二者的外侧面分别加压力5～10千牛，加温至200～300摄氏度，保持2～12小时，得到如图13(f)所示的键合阵列结构。
可选地，本实施例得到的一片晶圆上有10K～50K颗传感器，一次工艺可以是100片晶圆同时制造，与现有技术中的隔爆结构封装工艺相比，具有封装效率高的优点。
本实例中所提及的旋涂液态玻璃进行晶圆键合方法不作为唯一键合方法，也可以选胶键合、晶圆直接键合、共晶键合或分子力键合等。
S1204:切割该键合阵列结构，得到如图13(g)所示的单颗包含该隔爆结构4的气体传感器，完成封装。
以上所述仅为本申请可选实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于气体传感器的隔爆结构，其特征在于，所述隔爆结构包括连接的凹槽(1)和固定结构(2)；
所述固定结构(2)位于所述凹槽(1)的侧面，所述固定结构(2)与气体传感器的基座键合连接，所述凹槽(1)用于放置所述气体传感器的芯片；
所述凹槽(1)上设有多个通孔(3)，以形成硅网结构；所述多个通孔(3)排列成圆形、方形或者与所述凹槽(1)的横截面积形成相同；所述通孔(3)的直径范围为10微米～300微米；所述多个通孔(3)位于所述凹槽(1)的顶部或者侧面；
所述隔爆结构的材料为硅；
所述固定结构(2)包括凹陷区域(21)，所述凹陷区域(21)用于暴露所述传感器的基座上的引线焊盘；所述引线焊盘与所述芯片位于所述基座的同一面。
2.根据权利要求1所述的用于气体传感器的隔爆结构，其特征在于，所述凹槽(1)的顶部与所述固定结构(2)的顶部位于同一平面；
所述凹槽(1)的底部与所述气体传感器的基座(5)连接；
所述固定结构(2)的底部与所述气体传感器的基座(5)连接。
3.根据权利要求1所述的用于气体传感器的隔爆结构，其特征在于，所述凹槽(1)的横截面积包括圆形；
所述多个通孔(3)中相邻通孔(3)之间存在预设距离。
4.根据权利要求1所述的用于气体传感器的隔爆结构，其特征在于，所述隔爆结构的长度与所述气体传感器的长度相等；
所述隔爆结构的宽度与所述气体传感器的宽度相等。
5.一种隔爆结构的制备方法，其特征在于，包括：
提供一硅衬底(7)；
利用光刻技术对所述硅衬底(7)的底部进行光刻，得到第一光刻结构(10)，所述第一光刻结构(10)包括连接的凹槽(1)和固定结构(2)，所述固定结构(2)位于所述凹槽(1)的侧面，所述固定结构(2)与气体传感器的基座(5)键合连接，所述凹槽(1)用于放置所述气体传感器的芯片；
利用所述光刻技术对所述第一光刻结构(10)的顶部进行光刻，在所述凹槽(1)上形成多个通孔(3)，以形成硅网结构，得到所述隔爆结构；所述多个通孔(3)排列成圆形、方形或者与所述凹槽(1)的横截面积形成相同；通孔(3)的直径范围为10微米～300微米；
所述利用所述光刻技术对所述第一光刻结构(10)的顶部进行光刻，得到所述隔爆结构，包括：
利用所述光刻技术对所述硅衬底的顶部进行光刻，在所述凹槽(1)上形成所述多个通孔(3)，得到第二光刻结构；
通过所述光刻技术对所述第二光刻结构的顶部进行光刻，在所述固定结构(2)上形成凹陷区域(21)，所述凹陷区域(21)用于暴露所述传感器的基座上的引线焊盘，得到所述隔爆结构；所述引线焊盘与所述芯片位于所述基座的同一面。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述凹槽(1)的深度为10微米～800微米；
所述凹槽(1)的横截面积为圆形；
所述凹槽(1)的直径为200微米～2000微米。
7.一种隔爆结构的封装方法，其特征在于，包括：
提供气体传感器，所述气体传感器包括基座、芯片和引线焊盘，所述芯片与所述引线焊盘电连接，且所述芯片与所述引线焊盘位于所述基座上；
提供隔爆结构(4)，所述隔爆结构(4)包括连接的凹槽(1)和固定结构(2)，所述固定结构(2)位于所述凹槽(1)的侧面，所述固定结构(2)与气体传感器的基座(5)键合连接，所述凹槽(1)用于放置所述气体传感器的芯片，所述凹槽(1)上设有多个通孔(3)，以形成硅网结构；所述隔爆结构(4)的材料为硅；所述多个通孔(3)排列成圆形、方形或者与所述凹槽(1)的横截面积形成相同；所述通孔(3)的直径范围为10微米～300微米；所述多个通孔(3)位于所述凹槽(1)的顶部或者侧面；所述固定结构(2)包括凹陷区域(21)，所述凹陷区域(21)用于暴露所述传感器的基座上的引线焊盘；所述引线焊盘与所述芯片位于所述基座的同一面；
将所述芯片对准所述凹槽(1)进行键合，完成封装。
8.一种隔爆结构阵列的封装方法，其特征在于，包括：
提供晶圆级的气体传感器阵列(13)，所述气体传感器阵列(13)中的每个气体传感器包括基座、芯片和引线焊盘，所述芯片与所述引线焊盘电连接，且所述芯片与所述引线焊盘位于所述基座上；
提供晶圆级的隔爆结构阵列(14)，所述隔爆结构阵列(14)中的每个隔爆结构(4)包括连接的凹槽(1)和固定结构(2)，所述固定结构(2)位于所述凹槽(1)的侧面，所述固定结构(2)与气体传感器的基座(5)键合连接，所述凹槽(1)用于放置所述气体传感器的芯片，所述凹槽(1)上设有多个通孔(3)，以形成硅网结构；所述隔爆结构(4)的材料为硅；所述多个通孔(3)排列成圆形、方形或者与所述凹槽(1)的横截面积形成相同；所述通孔(3)的直径范围为10微米～300微米；所述多个通孔(3)位于所述凹槽(1)的顶部或者侧面；所述固定结构(2)包括凹陷区域(21)，所述凹陷区域(21)用于暴露所述传感器的基座上的引线焊盘；所述引线焊盘与所述芯片位于所述基座的同一面；
将所述气体传感器阵列(13)的每个所述芯片对准所述隔爆结构阵列(14)的每个所述凹槽(1)进行键合，形成键合阵列结构；
切割所述键合阵列结构，得到单颗包含所述隔爆结构(4)的气体传感器，完成封装。
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