CN113167662B - 具有集成电路和传感器的装置及形成其的方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种装置。该装置包括基板；形成在基板上的一个或多个传感器部件；以及形成在基板上的一个或多个电路，所述一个或多个电路与形成在基板上的一个或多个传感器部件中的至少一个电耦合。

Description

具有集成电路和传感器的装置及形成其的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年9月16日提交的第16/572,509号美国专利申请的优先权，并进一步要求2018年9月17日提交的第62/732,477号美国临时申请的优先权，其中每个申请均通过引用整体合并于此。
技术领域
本发明的实施例涉及电气部件。特别是，本发明的实施例大体涉及集成有电路的电气部件。
背景技术
目前用于形成包括电路和传感器的设备的技术在将电路和传感器集成到所需产品中的能力方面受到限制。分立元件的使用限制了当前设备的尺寸，无法满足所需的性能需求。此外，现有的制造技术可能会有较长的交货时间，并且为了满足所需的尺寸和性能特征而成本过高。
发明内容
本文描述了一种装置。该装置包括基板；形成在基板上的一个或多个传感器部件；以及形成在基板上的一个或多个电路，所述一个或多个电路与形成在基板上的一个或多个传感器部件中的至少一个电耦合。
本发明实施例的其它特征和优点将从附图和下面的详细描述中显而易见。
附图说明
在附图的各个图中，通过示例而非限制的方式示出了本发明的实施例，其中相似的附图标记指示相似的元件，并且其中：
图1示出了根据一个实施例的包括与电路集成在一起的多个传感器的设备；
图2示出了根据一个实施例的与电路集成在一起的RTD；
图3至图18示出了根据一个实施例的用于制造包括与电基板集成在一起的一个或多个有源/无源部件的设备的过程。
具体实施方式
本文描述了根据各个实施例的集成到一个或多个集成电路中的有源和/或无源部件以及制造方法。例如，所述传感器例如为电阻温度检测器(RTD)(例如，由镍、镍铬和/或铂形成)、热电偶、应变仪(例如，由康铜形成)、电容传感器、热电堆、热敏电阻、加热器(例如，由镍铬合金形成)、参比电极(例如，由银/氯化银形成)、例如用于心电图(EKG)或医用电标测贴片的电传感器/激励器(例如，由金或铂电极形成)。所述有源和/或无源部件包括与一个或多个电路和/或其他有源和/或无源部件集成在一起的无线通信部件。
对于一些实施例，在基板(基底)上与无源/有源部件分开的层上形成了一个或多个电路。例如，一个或多个电路可通过穿过绝缘层的一个或多个通孔与一个或多个无源/有源部件电耦合。各个实施例包括设置在多个层上的多种类型的有源/无源元件，每种类型的有源/无源元件位于其自己的单独层上。然而，一些实施例包括设置在同一层上的一个或多个电路以及一种或多种类型的有源/无源部件。可以使用包括但不限于添材薄膜、镀覆、蚀刻和涂覆传感器材料的技术来构造有源或无源部件。
图1示出了根据一个实施例的包括与电路集成在一起的多个传感器的设备。设备100包括通过多个迹线106与一个或多个电路电耦合的多个应变仪传感器102和RTD传感器104。传感器、电路和迹线使用相似的制造技术整体形成在同一基板108上。这使得不需要将分立(独立)部件添加至包括电路的基板，而将分立部件添加至包括电路的基板则需要用于将分立部件电耦合至电路的安装垫(焊盘)。包括用于安装至基板的封装和触点的分立部件需要额外的空间。此外，分立部件和安装垫的封装导致寄生损耗(例如电容性和电阻性损耗)，所述寄生损耗可能改变每个设备上的电路的特性，并且相对于最佳操作特性降低电路的性能。
包括与电路集成在一起的多个有源/无源部件的设备消除了分立部件和安装垫所需的笨重封装。因此，根据本文所述实施例的设备可以具有较小的尺寸，因为集成的有源/无源部件不具有分立部件的封装并且不需要安装垫。此外，根据本文所述实施例的设备将不具有由安装垫引起的寄生损耗。另外，由于有源/无源部件和电路是使用相似技术制造的，因此，在电路被设置在基板上的情况下制造有源/无源部件的能力实现了更好的性能特性和更严格的工作范围。
图2示出了根据一个实施例的与电路集成在一起的RTD传感器。使用包括本文所述技术在内的那些技术将RTD传感器202与一个或多个电路204集成在一起。
图3-18示出了根据一个实施例的用于制造包括与每个电基板集成在一起的一个或多个有源/无源部件的设备的过程(工艺)。将一个或多个有源/无源部件与电路整体形成在同一基板上实现了与例如要求使用固定至电路板的分立部件的那些设备的现有状态相比使设备小型化的能力。此外，将一个或多个有源/无源部件与电路整体形成在同一基板上使得能够使用较小的封装。这还使得根据本文描述的实施例的设备能够是独立(自包含)的，这使得该设备能够在更恶劣的环境中使用，在该更恶劣的环境中，未根据本文所述实施例形成的设备会发生故障或失效。
参考图3，准备基板302以形成与一个或多个电路集成在一起的一个或多个有源/无源部件。基板302可以包含但不限于不锈钢、铜、聚合物膜、陶瓷、玻璃、半导体、镍钛诺(镍钛合金)和其他材料。对于一些实施例，基板302呈在对辊制造工艺(reel to reelmanufacturing process)中使用的卷(roll)的形式。
图4示出了其上设置有电介质层的基板。图4A示出了其上设置有电介质层304的基板302的截面图。图4B示出了其上设置有电介质层304的基板302的立体图。根据一些实施例，电介质层304被设置在基板302上。对于不使用导电基板的实施例，可能不需要在基板302上设置的电介质层304。电介质层304包括但不限于光刻胶、聚酰亚胺、KMPR和SU-8或其他绝缘材料。对于一些实施例，电介质层304使用涂覆(液体涂覆或干膜涂覆)技术设置在基板302上。然而，电介质层304可以使用包括本领域已知技术在内的其他技术形成在基板302上。
图5示出了根据一个实施例的具有已被图案化的电介质层的基板。图5A示出了根据一个实施例的具有已被图案化的电介质层304的基板302的截面图。图5B示出了根据一个实施例的具有已被图案化的电介质层304的基板302的立体图。对于一些实施例，在电介质层304上形成了光刻胶层。根据一些实施例，使用包括本领域已知技术在内的光刻技术来曝光光刻胶，并且使用包括本领域已知技术在内的湿法蚀刻技术来显影光刻胶。该图案化光刻胶层用于在电介质去除工艺期间使得电介质层304图案化，可以使用湿法或干法技术。对于其他实施例，电介质层304是光敏聚酰亚胺层，并使用包括本领域已知技术在内的光刻技术直接图案化，并且使用包括本领域已知技术在内的湿法蚀刻技术显影。另一种图案化方法是对不需要的电介质进行激光烧蚀。
图6示出了根据一个实施例的设置在电介质层上的金属层。图6A示出了根据一个实施例的设置在电介质层304上的金属层306的截面图。图6B示出了根据一个实施例的设置在电介质层304上的金属层304的立体图。金属层306使用包括但不限于物理气相沉积、化学气相沉积和无电化学沉积的技术形成在电介质层304上。对于一些实施例，作为形成金属层306的第一步骤，在电介质层304上形成籽晶层(种子层)。例如，将诸如镍铬之类的籽晶层溅射到电介质层304上。例如，使用无电化学沉积将铜沉积到籽晶层上。根据一些实施例，金属层306用于在电介质层304上形成一个或多个传感器。对于一些实施例，金属层306是溅射到电介质层304上以形成一个或多个应变仪的康铜。
根据一些实施例，在金属层304中形成传感器包括在金属层上沉积光刻胶层(例如，康铜层)，以及使光刻胶层图案化。使用包括但不限于液体槽模、辊涂、喷涂、幕涂、干膜层压和丝网印刷技术在内的那些技术来施加光刻胶层。例如，使用包括本领域已知技术在内的光刻和蚀刻技术使光刻胶图案化。然后，通过蚀刻掉光刻胶层的一部分而暴露的金属层304的部分被蚀刻以形成传感器、电迹线、电触点和其他电路部件。根据一些实施例，使用激光烧蚀来使金属层形成传感器、电迹线、电触点和其他电路部件。
图7示出了根据一个实施例的形成在电介质层304上的应变仪308。图7A示出了根据一个实施例的形成在电介质层304上的应变仪308的截面图。图7B示出了根据一个实施例的形成在电介质层304上的应变仪308的立体图。使用包括本领域已知技术在内的那些技术来对形成在电介质层304上的金属层306进行图案化和蚀刻。例如，使用包括本领域已知技术在内的那些技术在金属层306上形成光刻胶。使用包括本文所述技术在内的那些技术对光刻胶进行图案化和蚀刻。
图8示出了根据一个实施例的在应变仪上形成的第二电介质层。图8A示出了根据一个实施例的形成在应变仪308上的第二电介质层310的截面图。图8B示出了根据一个实施例的形成在应变仪308上的第二电介质层310的立体图。如本文所述，一旦在第一电介质层304上形成了一个或多个传感器，则在所形成的一个或多个传感器上形成第二电介质层310。在形成一个或多个传感器之后，施加第二电介质层310将该一个或多个传感器与在后续步骤中形成的其他结构分开，并保护该一个或多个传感器免于在设备的进一步处理期间发生损坏。对于一些实施例，第二电介质层310是使用包括本文所述技术在内的那些技术形成的聚酰亚胺层。
图9示出了根据一个实施例的具有已经被图案化的第二电介质层的基板302。图9A示出了根据一个实施例的具有已经被图案化的第二电介质层310的基板的截面图。图9B示出了根据一个实施例的具有已经被图案化的第二电介质层310的基板302的立体图。使用包括本领域已知技术在内的光刻技术来使第二电介质层310图案化，并使用包括本领域已知技术在内的湿法蚀刻技术来使第二电介质层310显影。
图10示出了根据一个实施例的形成在第二电介质层310上的第二金属层312。图10A示出了根据一个实施例的形成在第二电介质层310上的第二金属层312的截面图。图10B示出了根据一个实施例的形成在第二电介质层310上的第二金属层312的立体图。第二金属层312使用包括但不限于物理气相沉积、化学气相沉积和无电化学沉积在内的技术形成在第二电介质层310上。对于一些实施例，作为形成诸如第二金属层312的金属层的第一步骤，在电介质层上形成籽晶层。例如，将诸如镍铬的籽晶层溅射到电介质层上。例如，使用无电化学沉积或电镀将铜沉积在籽晶层上。根据一些实施例，第二金属层312被用于形成一个或多个迹线、通孔和电路。例如，第二金属层312可以包括迹线和通孔，以便将在基板上形成或将要在基板上形成的一个或多个传感器互连，并将所述一个或多个传感器连接至其他电路。图11示出了使用根据一个实施例的技术由金属层形成的迹线、电路和通孔。图11A示出了使用根据一个实施例的技术由金属层形成的迹线、电路和通孔的截面图。图11B示出了使用根据一个实施例的技术由金属层形成的迹线、电路和通孔的立体图。对于一些实施例，第二金属层312可以被图案化为包括一个或多个传感器，并且另一电介质层被形成在第二传感器层上，并且另一金属层被形成为包括迹线、电路和/或通孔。因此，本领域技术人员将理解，使用包括本文中的技术在内的任何技术，任意数量的电介质层和图案化金属层可以被形成为包括任意数量和类型的传感器和电路。
图12示出了根据一个实施例的设置在图案化金属层上的第三电介质层314。图12A示出了根据一个实施例的设置在图案化金属层上的第三电介质层314的截面图。图12B示出了根据一个实施例的设置在图案化金属层上的第三电介质层314的立体图。使用包括本文所述技术在内的那些技术来形成第三电介质层314。例如，第三电介质层314是聚酰亚胺层。
图13示出了第三电介质层314，所述第三电介质层314被图案化以在第三电介质层中形成一个或多个开口316。图13A示出了第三电介质层314的截面图，该第三电介质层314被图案化以在第三电介质层中形成一个或多个开口316。图13B示出了第三电介质层314的立体图，该第三电介质层314被图案化以在第三电介质层中形成一个或多个开口316。使用包括本文所述技术在内的那些技术来对电介质层进行图案化。对于一些实施例，在电介质层中形成的一个或多个开口316去除了电介质层的一部分以暴露任何迹线、通孔和电路中的一个或多个。这种开口例如被用于将一个或多个电路和/或传感器互连至使用包括本文所述技术在内的那些技术形成的其他电路和/或其他传感器。
图14示出了根据一个实施例形成的镀金垫(焊盘)318。图14A示出了根据一个实施例形成的镀金垫318的截面图。图14B示出了根据一个实施例形成的镀金垫318的立体图。对于一些实施例，暴露金属层的一个或多个部分被镀金。例如，一个或多个部分被镀金以形成电触点。使用包括本文所述技术在内的一种或多种沉积技术和图案化技术，将金属层312镀金。图15示出了形成在基板的与形成有一个或多个电介质层和图案化金属层的一侧相反的一侧上的镀金垫320。图15A示出了形成在基板的与形成有一个或多个电介质层和图案化金属层的一侧相反的一侧上的镀金垫320的截面图。图15B示出了形成在基板的与形成有一个或多个电介质层和图案化金属层的一侧相反的一侧上的镀金垫320的立体图。使用包括本文所述技术在内的一种或多种沉积技术和图案化技术来形成镀金垫320。对于这种实施例，基板302是金属层，并且在基板上形成的镀金垫320用于形成一个或多个接地和/或负极端子，所述一个或多个接地和/或负极端子用作在所述设备上形成或将要在所述设备上形成的一个或多个电路和/或一个或多个传感器的接地和/或负极端子。
图16示出了根据一个实施例的图案化基板层322。图16A示出了根据一个实施例的图案化基板层322的截面图。图16B示出了根据一个实施例的图案化基板层322(顶侧和底侧)的立体图。使用本文所述技术(例如与将金属层图案化有关的技术)，将基板图案化。此外，可以使用包括本领域已知技术在内的激光烧蚀技术将基板图案化。对于一些实施例，将基板图案化以形成一个或多个电路的至少一部分和/或以使设备具有期望形状。所述期望形状可以包括但不限于用于封装的形状、用于安装的形状、形成用于安装硬件的孔或形成其他机械特征。对于一些实施例，图案化包括使用图案化技术在基板中形成纹理或图案，所述图案化技术包括本文所述的那些技术。
图17示出了根据一个实施例的形成为包括机械特征324的设备。对于一些实施例，设备被图案化或模制为包括机械特征324，所述机械特征324使得能够实现期望的机械特性和/或用于结合到系统中。例如，将基板弯曲或以其他方式模制成包括加强轨形式。其他机械特征324还可以包括用于将设备固定到系统中或用于将另一设备或电路固定至基板的一个或多个焊点。此外，可以使用包括本文所述技术在内的技术将基板图案化为包括一个或多个高表面积粘合剂附着特征，以使施加至基板的粘合剂能够更好地粘附。可以将粘合剂施加至基板以固定一个或多个部件，或者将设备附接至系统。
图18示出了根据一个实施例的已形成设备。所述已形成设备可以包括一种或多种类型的传感器，所述传感器包括本文所述的那些传感器。每种类型的传感器可以使用包括本文所述技术在内的技术与其他传感器形成在同一层上，或者可以形成在单独的层上。所述已形成设备还可包括一个或多个接触垫，所述一个或多个接触垫用于将分立部件安装至设备，例如以完成在设备上形成的一个或多个电路。此外，所述一个或多个接触垫可被配置为将所述已形成设备电耦合至另一系统。对于一些实施例，在设备上形成的一个或多个电路可以包括被配置为无线通信电路或其一部分的电路。例如，所述设备可以包括一个或多个线圈、天线、电感器、电容器、末梢(短截线)特征或无线通信电路的其他元件。
对于一些实施例，一个或多个电路可以形成为包括迹线和其他特征，这些特征的行间距(线间距)在包括但不限于8微米至12微米的范围内。然而，本领域技术人员将理解，可以使用更大和更小的行间距。
对于一些实施例，根据一个实施例的温度传感器被配置为与第一电迹线和第二电迹线电耦合的电阻温度检测器。温度传感器被配置为在电介质层上设置的蛇形线。所述蛇形线在该蛇形线的第一端电连接至第一电迹线，并且在该蛇形线的第二端电连接至第二电迹线。
根据一些实施例，将基板附接至对辊制造工艺的卷幅(web)，以形成本文所述的一个或多个传感器和/或电路。所述对辊制造工艺使用包括本文所述技术在内的技术形成任何金属层和任何电介质层以及一个或多个传感器和电路并将其图案化。
虽然结合这些实施例进行了描述，但本领域的技术人员将认识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。

Claims (12)

1.具有集成电路和传感器的装置，所述具有集成电路和传感器的装置包括：
基板；
形成在所述基板上的第一金属层中的一个或多个传感器，所述第一金属层与所述基板被第一电介质层间隔开；以及
形成在所述基板上的第二金属层中的一个或多个电路，所述一个或多个电路与所述一个或多个传感器中的至少一个电耦合，所述第二金属层与所述第一金属层被第二电介质层间隔开。
2.根据权利要求1所述的具有集成电路和传感器的装置，其中，所述一个或多个传感器中的至少一个是电阻温度检测器。
3.根据权利要求1所述的具有集成电路和传感器的装置，其中，所述一个或多个传感器中的至少一个包括电阻温度检测器阵列。
4.根据权利要求1所述的具有集成电路和传感器的装置，其中，所述一个或多个传感器中的至少一个是压力传感器。
5.根据权利要求4所述的具有集成电路和传感器的装置，其中，所述压力传感器是应变仪。
6.根据权利要求4所述的具有集成电路和传感器的装置，其中，所述压力传感器是电容传感器。
7.根据权利要求1所述的具有集成电路和传感器的装置，其中，所述具有集成电路和传感器的装置包括形成在所述基板上的多个第一金属层中的多个传感器，所述多个传感器中的各个传感器形成在单独的第一金属层中。
8.根据权利要求1所述的具有集成电路和传感器的装置，其中，所述具有集成电路和传感器的装置包括形成在所述基板上的单个第一金属层中的多个传感器。
9.根据权利要求1所述的具有集成电路和传感器的装置，所述具有集成电路和传感器的装置包括物联网设备、医疗设备、智能传感器、家庭自动化设备、工业传感器、汽车传感器、环境设备、安防设备、公共安全设备、零售设备、物流设备和消费设备中的任意一种。
10.形成具有集成电路和传感器的装置的方法，所述方法包括：
在基板上形成第一电介质层；
在第一电介质层上形成第一金属层；
在第一金属层中形成一个或多个传感器；
在第一金属层上形成第二电介质层；
在第二电介质层上形成第二金属层；以及
在第二金属层中形成一个或多个电路，并使所述一个或多个电路与所述一个或多个传感器中的至少一个电耦合。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述具有集成电路和传感器的装置包括形成在所述基板上的多个第一金属层中的多个传感器，所述多个传感器中的各个传感器形成在单独的第一金属层中。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述具有集成电路和传感器的装置包括形成在所述基板上的单个第一金属层中的多个传感器。
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