CN114270159B - 传感器装置和用于制造传感器装置的方法 - Google Patents

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Abstract

一种传感器装置(10)包括传感器管芯(11)、内插器(12)和支撑件(13)。传感器管芯(11)包括接触区域(14)、悬置区域(15)和位于悬置区域(15)中的敏感元件(16)。内插器(12)包括将内插器(12)的第一侧(46)连接到内插器(12)的第二侧(47)的至少两个通孔(48，49)。支撑件(13)将传感器管芯(11)的接触区域(14)机械地和电连接到内插器(12)的第一侧(46)，并且包括至少两个接触接头(30至35)。

Description

传感器装置和用于制造传感器装置的方法
本专利申请要求欧洲专利申请19191794.7的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
本公开涉及一种传感器装置、一种包括该传感器装置的设备以及一种用于制造传感器装置的方法。
传感器装置包括具有敏感元件的传感器管芯。敏感元件可以包括诸如膜、隔膜、悬臂或梁之类的机械元件。机械元件是机械敏感部件。传感器管芯通常附接到另一主体。将另一主体附接到传感器管芯的过程或传感器装置操作期间的温度变化可能对传感器管芯的敏感元件产生机械影响。
本发明的目的是提供一种传感器装置、一种包括该传感器装置的设备以及一种用于制造传感器装置的方法，该传感器装置提高了传感器装置内部的应力解耦。
这些目的通过独立权利要求的主题来实现。从属权利要求中描述了进一步的改进方案和实施例。
在实施例中，传感器装置包括传感器管芯、内插器和支撑件。传感器管芯包括接触区域、悬置区域和位于悬置区域中的敏感元件。内插器包括将内插器的第一侧连接到内插器的第二侧的至少两个通孔。该支撑件将传感器管芯的接触区域机械地和电连接到内插器的第一侧，并且包括至少两个接触接头。
有利地，由于只有传感器管芯的接触区域通过支撑件耦合到内插器，因此悬置区域中的机械应力保持较低。悬置区域仅通过接触区域和支撑件连接到另一主体，即连接到内插器。
在实施例中，至少两个接触接头例如直接或通过内插器的导线将传感器管芯的连接线电连接到内插器的至少两个通孔。
在实施例中，支撑件包括平行于穿过至少两个接触接头的假想线定向的杆。该杆将传感器管芯的接触区域连接到内插器的第一侧。因此，杆位于接触接头与悬置区域之间。悬置区域可以实现为膜区域。膜区域是可以至少包括敏感元件的区域，其中敏感元件可以包括膜。有利地，杆起到支撑的作用，降低了悬置区域中的应力，并避免底部填料到达膜区域。
在实施例中，支撑件包括围绕至少两个接触垫并将传感器管芯的接触区域连接到内插器的第一侧的保护环。保护环可以包括杆和另外的部件，诸如例如另外的杆。在俯视图中，保护环可以具有矩形形状。杆和保护环可以没有电信号。杆和保护环可能不是为信号传输或功率传输而设计的。有利地，保护环防止湿气或灰尘到达至少两个接触接头。
在实施例中，敏感元件包括矩形并具有主膜方向的膜。因此，敏感元件可以被配置用于压力感测。
在实施例中，主膜方向平行于穿过至少两个接触接头的假想线。有利地，所述膜的机械应力与主膜方向垂直于假想线的膜相比保持较低。
在实施例中，传感器管芯包括彼此平行的第一边缘和第二边缘。第一边缘邻近接触区域，第二边缘邻近悬置区域。第一边缘和第二边缘可以平行于主膜方向。有利地，使用该主膜方向能够最小化第一边缘到第二边缘的距离。
在实施例中，传感器管芯包括位于悬置区域中的另外的敏感元件。另外的敏感元件包括另外的膜。另外的膜是矩形的。另外的膜的主膜方向平行于膜的主膜方向。另外的敏感元件可以被配置用于压力感测或者作为参考元件。
在实施例中，传感器管芯和内插器中的至少一个包括CMOS集成电路(缩写为CMOSIC)。有利地，敏感元件的信号和另外的敏感元件(如果该元件存在)的信号能够由CMOS IC评估。
在实施例中，传感器管芯包括CMOS IC。CMOS IC连接到敏感元件。因此，一个或多个压力膜集成在CMOS读出电路的顶部。在该示例中，传感器管芯还包括换能器元件，并且内插器仅用于应力解耦目的。CMOS IC可以连接到另外的敏感元件(如果该元件存在)。CMOS电路可以连接到至少两个接触接头。有利地，敏感元件提供的小信号变化能够通过片上信号评估来检测。
在实施例中，内插器被实现为包括互连载体、互连板和互连基板的组中的一个。内插器具有彼此平行的第一侧和第二侧。与内插器的第二侧相比，内插器的第一侧到传感器管芯的距离较小。内插器的第一侧面向传感器管芯的第一侧。内插器的第二侧可以面向例如印刷电路板(缩写为PCB)，例如最终客户PCB。内插器的第二侧可以向下定向，其中，内插器键合垫(例如实现为焊盘)面向最终客户PCB，并且内插器的接触接头向上定向并面向具有一个或多个应力敏感MEMS元件的传感器管芯的键合垫。有利地，内插器的第一侧上的接触接头不一定直接位于内插器的第二侧上的内插器键合垫、焊球或其他触点的上方。
在实施例中，内插器被实现为包括硅管芯、印刷电路板、基于聚合物的层压板和陶瓷载体的组中的一个。硅管芯可以包括通过硅通孔(缩写为TSV)连接的一侧或两侧上的互连件。印刷电路板(缩写为PCB)可以是具有通孔的单层或多层印刷电路板。陶瓷载体可以包括通过通孔连接的一侧或两侧上的互连布线。基于聚合物的层压板包括通过通孔连接的一侧或两侧上的互连布线。
在实施例中，至少两个接触接头通过金属扩散键合或共晶键合来制造。有利地，传感器管芯通过晶片到晶片的键合工艺固定到内插器。
在实施例中，至少两个接触接头包括选自包括Cu、Au、Al和Ti的组中的材料或选自包括AuIn、CuSn、AuSn、AuGe、AuSi和AlGe的组中的材料组合。材料组合是合金。合金也可以写成AuxIny、CuxSny、AuxSny、AuxGey、AuxSiy和/或AlxGey。有利地，至少一种材料或合金与CMOS技术兼容。
在实施例中，敏感元件是包括压力传感器元件、加速度计元件、陀螺仪元件、超声换能器、麦克风、扬声器、微热板、IR辐射探测器和辐射热计的组中的一个。辐射热计可以是IR辐射探测器的示例。另外的敏感元件也可以该组中的一个或参考元件。敏感元件和另外的敏感元件可以是该组的相同元件或不同元件。
在实施例中，传感器装置使用芯片级封装制造技术(缩写为CSP方法)来制造。CSP方法能够应用于在CMOS电路上制造电容压力传感器，也能够应用于制造应力敏感的其他传感器，并且可以使用底部填料焊接安装在最终客户PCB上。以上列出了这些传感器或传感器元件。
在实施例中，内插器包括至少两个内插器键合垫和/或导线，该至少两个内插器键合垫和/或导线在内插器的第二侧上并且被耦合到内插器的至少两个通孔。内插器键合垫可以实现为焊球或焊盘。有利地，至少两个内插器键合垫和/或导线通过内插器和支撑层的通孔和嵌入式互连件，即内插器的第一侧上的另外的键合垫和传感器管芯的键合垫之间的导电材料，电连接到传感器管芯。传感器装置可以包括使传感器装置防水的底部填料。内插器键合垫可以例如被底部填料材料覆盖、包围和/或封装。
在实施例中，至少两个内插器键合垫和/或导线可操作来接触PCB。因此，内插器键合垫被定位成提供到PCB的触点的连接。
在实施例中，传感器装置包括布置在内插器的第一侧与传感器管芯的第一侧之间的电绝缘间隔件。电绝缘间隔件可以将传感器管芯的悬置区域耦合到内插器的第一侧。有利地，避免了传感器管芯相对于内插器的倾斜。
在实施例中，设备包括传感器装置。该设备被实现为移动设备、可穿戴设备、车辆和空调之一。
在实施例中，用于制造传感器装置的方法包括
-提供包括接触区域、悬置区域和位于悬置区域中的敏感元件的传感器管芯，
-提供内插器，该内插器包括导电层和将内插器的第一侧连接到内插器的第二侧的至少两个通孔，以及
-通过支撑件将传感器管芯连接到内插器，该支撑件将传感器管芯的接触区域机械地和电连接到内插器的第一侧，并且包括至少两个接触接头。
有利地，接触区域和悬置区域被分开，导致敏感元件的低机械应力。
用于制造传感器装置的方法可以例如通过制造根据上述实施例之一的传感器装置来实现。
在实施例中，传感器管芯到内插器的连接通过键合来实现。因此，通过键合来制造支撑件。该键合可以实现为晶片到晶片的键合，缩写为WTW键合。该键合可以是例如晶片扩散键合或共晶键合。
在实施例中，至少两个接触接头通过金属扩散键合或共晶键合来制造。有利地，实现了传感器管芯与内插器之间的稳定机械连接。
在实施例中，传感器装置使用内插器上的跳板应力解耦来实现用于CMOS集成电容压力传感器的防水芯片级封装(缩写为CSP)。有利地，CSP可以是防水的，即能够在不发生电气短路的情况下在水下工作。传感器芯片被配置为跳板。
在实施例中，接触区域被放置在传感器管芯的一侧，这降低了悬置区域中的机械应力。接触区域和悬置区域在传感器管芯的第一侧上彼此横向布置。接触点(连接件)的实际数量最少为两个(例如用于电容或压阻传感器读出的电连接件)，但是可以包括更多的电接触点(例如六个)，此外，可以包括用于阻挡和防止水进入和电接触点的不足的机械支撑接触点或线和/或电接触点周围的保护环。接触接头是从传感器管芯到内插器的电和机械接口。内插器包括的内插器键合垫位于接触接头的另一侧，并且是用于最终用户的PCB的接口。
在实施例中，传感器装置使用用于CMOS电路上的单片集成电容压力传感器的应力解耦的防水CSP的设计和制造方法。应力解耦使用传感器管芯的所谓的跳板悬架来实现，该传感器管芯包含压敏膜并且被制造为CMOS管芯。跳板的一侧连接到多功能内插器，该内插器可以是硅内插器。内插器的功能可以包括
-支撑跳板，允许密封电触点使其与水隔离，并且在不影响应力分离性能的情况下使用底部填料，
-提供再分布层以避免焊接期间的墓碑效应，
-装卸期间的膜保护，和/或
-与PCB的机械和热应力解耦。
传感器装置可以通过WTW键合来实现，并且可以提供用于防水接触的解决方案。传感器装置可以相对于接触接头的位置应用膜的预定取向，接触接头能够被称为固定接头或接触垫。
通常，由于CSP直接焊接到PCB，因此它对应力天然敏感。此外，芯片级封装的目的是使CSP变薄，这将使其例如在测试和校准期间或由于电路板弯曲更容易发生机械变形。从热诱导应力的角度来看，本公开中解释的跳板应力解耦方法结合矩形膜几何形状给出了良好的应力解耦性能。特别是在焊接过程中，由于硅管芯相对于PCB材料的大CTE(热膨胀系数)失配，应力状态会急剧变化。有利地，传感器装置能够以低成本和低制造复杂性制造。
在实施例中，在不使用内插器的情况下，通过倒装芯片技术将压敏元件或CMOS集成压力传感器管芯焊接安装在PCB上可能有几个缺点。不仅应力解耦性能可能无法实现，而且在将CSP焊接到PCB的过程中，焊料回流可能会与压敏膜接触。此外，底部填料可能不能用于保护焊料触点免受腐蚀或浸入水中。有利地，传感器装置避免了在潮湿或冷凝条件下或者甚至在浸入水中期间的电短路。这是通过在跳板级的电触点周围的保护环(可以被称为屏蔽环)以及在将内插器焊接安装到PCB期间使用底部填料来实现的。
在实施例中，CSP包括支撑载体和具有应变敏感元件或几个应变敏感元件的基板，其中，这些部分在一侧连接，以利用跳板结构产生自由悬置的悬置区域。元件能够被称为换能器。
在实施例中，跳板的支撑件位于管芯的一侧，并且还可以用作电信号的电馈通。
在实施例中，跳板的支撑件被配置为围绕电触点以保护电馈通免受短路的保护环。
在实施例中，悬置部分包括应变敏感元件。
在实施例中，应变敏感元件包括压敏膜。
在实施例中，压敏膜直接集成在CMOS钝化层上。
在实施例中，应变敏感元件是电容式压力传感器。
在实施例中，应变敏感元件具有矩形形状，并且沿在管芯一侧提供电接触的支撑层的方向定向。
在实施例中，载体和基板使用晶片到晶片键合技术键合在一起。
在实施例中，晶片到晶片键合技术包括Al/Ge共晶键合。
在实施例中，载体包括硅内插器，该硅内插器具有硅通孔(缩写为TSV)并且在一侧或任一侧上具有单层或双层分布层。
在实施例中，载体包括具有两个金属层互连件的陶瓷和聚合物材料。
在实施例中，载体可以包括CMOS读出管芯。在这种情况下，具有压敏膜的基板仅包含MEMS元件。
在实施例中，跳板厚度(例如400μm)通常比载体(例如100μm)厚。
在实施例中，传感器管芯顶部的接触点用图案化技术预先定义，以减少应变敏感元件上的应力。
有利地，跳板应力解耦方法使用硅内插器和WTW键合。防水CSP解决方案通过用于CMOS电路上的集成电容压力传感器的共晶密封环来实现。
有利地，传感器装置实现了用于压力传感器的芯片级封装解决方案，其提供了：
-能够实现小的外形尺寸(占地面积和封装高度)。
-压敏膜单片集成在读出电路的顶部，避免了可能产生短路或拾取噪声的外部焊线。
-由于跳板原理，实现了良好的应力解耦。
-由于膜相对于焊球阵列的取向，通过焊球连接施加到压力传感器的应变不会影响膜的偏转。
-在机械负载和热应力期间，围绕电触点的支撑杆或密封环允许减小垂直于膜的主要取向的方向上的应力。
CSP将降低整体装配成本。在当前的陆地栅格阵列组装的压力传感器中，组装和封装成本可能占例如制造成本的50％。陆地栅格阵列能够缩写为LGA。CSP解决方案可以降低组装成本，例如降低40-50％。防水封装的压力传感器的售价比非防水版本高得多。传感器装置的CSP解决方案允许小的形状因数(即从3mm·3mm·3mm下降到1mm·1mm·0.7mm)、由于电容读出而低得多(例如10分之一)的功耗、显著降低的压力噪声(例如5分之一)、允许运动跟踪的高输出数据速率(例如10倍)、以及由于良好的应力解耦特性而提高的相对和绝对精度。传感器装置能够用于例如可穿戴和移动应用。
实施例的附图的以下描述可以进一步说明和解释传感器装置和用于制造传感器装置的方法的方面。具有相同结构和相同效果的装置和电路部分分别以等效的附图标记出现。只要在不同附图中装置或电路部分在其功能方面彼此对应，就不再对以下每个附图重复其描述。
图1、图2A、图2B、图3A、图3B、图4A、图4B、图5A和图5B示出了传感器装置的示例；
图6A和图6B示出了传感器管芯的特征的示例；
图7A和图7B示出了传感器装置的示例；
图8A至图8C示出了传感器装置的示例及它们的特征；
图9A和图9B示出了用于制造传感器装置的材料的示例；和
图10示出了传感器装置的制造步骤的示例。
图1示出了传感器装置10的示例。图1的下部分示出了传感器装置10的横截面。传感器装置10包括传感器管芯11、内插器12和支撑件13。支撑件13布置在传感器管芯11与内插器12之间。传感器管芯11经由支撑件13耦合到内插器12。传感器管芯11包括接触区域14和悬置区域15。传感器管芯11的敏感元件16布置在悬置区域15中。此外，传感器管芯11的另外的敏感元件17也可以布置在悬置区域15中。传感器管芯11具有第一侧和第二侧18、19。敏感元件16和另外的敏感元件17位于传感器管芯11的第一侧18。传感器管芯11的第一侧18包括接触区域14和悬置区域15。第一侧18仅由一个接触区域14和一个悬置区域15组成。接触区域14具有一个矩形的形式。悬置区域15具有一个矩形的形式。
传感器管芯11的第一侧18与内插器12相对。传感器管芯11的第一侧18经由支撑件13连接到内插器12。传感器管芯11的第二侧19没有任何接触，即没有与另一主体的任何机械或电接触。因此，传感器管芯11经由支撑件13排他地连接到另一主体(即内插器12)。
图1的上部分示出了传感器管芯11的支撑件13和第一侧18的视图。敏感元件16包括膜20。膜20是矩形的。类似地，另外的敏感元件17包括另外的膜21。另外的膜21是矩形的。膜20的主膜方向38平行于另外的膜21的主膜方向39。膜20具有第一侧长度和第二侧长度L1、L2。第一侧长度L1沿主膜方向38测量。第一侧长度和第二侧长度L1、L2可能具有以下关系：
L1>L2或L1>2·L2或L1>3·L2
另外的膜21具有第三侧长度L3和第四侧长度L4。第一侧长度L1和第三侧长度L3可以具有相同的值。第二侧长度L2和第四侧长度L4可以具有相同的值。传感器管芯11具有彼此平行的第一边缘22和第二边缘23。第一边缘22邻近接触区域14。第二边缘23邻近悬置区域15。第一边缘22和第二边缘23平行于膜20的主膜方向38。
支撑件13包括第一接触接头30和第二接触接头31。支撑件13包括第一数量N个接触接头30至35。因此，在图1所示的示例中，第一数量N是6。然而，第一数量N也可以是2、3、4、5并且大于6。第一数量N可以是至少2、至少3或至少4。第一数量N个接触接头30至35布置在假想线36上。假想线36平行于膜20的主膜方向38和另外的膜21的主膜方向39。第一边缘22和第二边缘23平行于假想线36。x方向从第一边缘22指向第二边缘23。y方向垂直于x方向，并且平行于第一边缘22和第二边缘23、平行于假想线36以及平行于膜20和另外的膜21的主膜方向38、39。接触接头30至35可以实现为电接触点、键合垫、接触垫、电连接件、固定接头、接触体积和/或电馈通。
支撑件13包括围绕第一接触接头30和第二接触接头32的保护环37。因此，保护环37围绕第一数量N个接触接头30至35。保护环37和第一数量N个接触接头30至35由一个或多个相同的材料实现，例如由一个或多个相同的金属实现。保护环37和第一数量N个接触接头30至35由一个或多个相同的金属层实现。在横截面中，第一接触接头30位于保护环37的两个杆之间。
内插器12包括第一内插器键合垫和第二内插器键合垫40、41(如图1的下部分所示，并由上部分的虚线表示)。内插器键合垫40、41可以实现为焊球或焊料凸块。内插器12包括第二数量M个内插器键合垫40至45。第二数量M可以是2、3、4、5、6或大于6。第二数量M可以是至少2、至少3或至少4。内插器12包括第一侧和第二侧46、47。第二数量M个内插器键合垫40至45布置在第二侧47，例如布置在内插器12的第二侧47的边缘。第二数量M个内插器键合垫40至45以规则的方式布置，例如以阵列布置。
内插器12的第一侧46与传感器管芯11的第一侧18相对。悬置区域15与内插器12的第一侧46之间存在间隙。内插器12包括第一通孔和第二通孔48、49(如图1所示的横截面所示)。内插器12可以包括第三数量L个通孔48、49。第三数量L可以是2、3、4、5、6或大于6。第三数量L可以是至少2、至少3或至少4。第三数量L个通孔48、49将内插器12的第一侧46连接到第二侧47。更具体地，第三数量L的通孔48、49将布置在内插器12的第一侧46的接触接头30至35或导线电连接到布置在该内插器的第二侧47的内插器键合垫40至45、导线或键合垫。因此，第三数量L的通孔48、49中的至少一些在一侧连接到第一数量N个接触接头30至35中的几个或每个。此外，第三数量L个通孔48、49中的至少一些连接到第二数量M个内插器键合垫40至45中的几个或每个。在一种选择中，可以有至少一个接触接头和/或至少一个通孔和/或至少一个内插器键合垫，其例如仅具有机械功能而没有电功能。
在示例中，接触接头30至35的第一数量N可以与通孔48、49的第三数量L相同。通孔48、49的第三数量L可以与内插器键合垫40至45的第二数量M相同。
有利地，传感器装置10被实现为芯片级封装，缩写为CSP，该芯片级封装具有内插器、用于压敏元件16、17的跳板结构和围绕电触点30至35以避免在水浸期间电短路的保护环37。
有利地，传感器装置10适用于集成在CMOS读出电路上的电容式压力传感器的防水CSP的设计。传感器装置10涉及减少与测试和校准阶段期间的机械负载以及将传感器装置10焊接到PCB 61(如图2B所示)之后的热感应应力相关的应力相关问题。跳板结构在垂直于支撑件13的方向上具有良好的应力解耦特性。传感器管芯11的支撑件13包括通过接触接头30至35的电馈通。传感器管芯11被实现为跳板。
有利地，应力解耦与客户的PCB 61的厚度无关；可以使用底层填料；PCB61的热特性被预先确定，并且可以与内插器12的热特性相匹配。有利地，相对于传感器管芯11的总面积而言大的膜20、21既不影响脆性，也不影响应力解耦特性。有利地，过程控制问题可以减轻。有利地，前端过程开发是可能的。
模拟示出了，在机械变形期间(例如在测试和校准阶段)的应力解耦：施加在顶部封装盖中心的1N力不会使CMOS管芯向下变形超过10μm：不会超过铝的屈服强度。此外，应力解耦在焊接产生的热应力期间，即在装置从220℃冷却到室温期间实现。膜层中x方向的最大应力张量为0.017MN/m2。
有利地，此处的安装是非常不对称的，而常规的内插器安装是对称的。支撑件13不对称地位于传感器管芯11处。支撑件13也不对称地位于内插器12处。内插器12被实现为互连载体、互连板和/或互连基板。因此，内插器键合垫40至45不在一条线上，而是分布在内插器12的第二侧47，例如在所有四个边界处。第一数量N个接触接头30至35布置在内插器12的第一侧46上的一条线上。因此，内插器键合垫40至45不直接在第一数量N的接触接头30至35之“下”。从内插器键合垫40至45到接触接头30至35的电连接通过导线55至58和通孔48、49实现。因此，内插器12为内插器键合垫40至45的放置提供了高灵活性。
图2A示出了传感器装置10的示例，它是图1所示传感器装置的进一步改进方案。传感器管芯11被实现为互补金属氧化物半导体管芯，缩写为CMOS管芯。传感器管芯11包括集成压力膜。膜20被实现为集成压力膜。另外的膜21也实施为集成压力膜。支撑件13没有保护环37。传感器管芯11获得第一边缘长度LS。第一边缘长度LS是第一边缘22和第二边缘23之间的距离。内插器12获得第二边缘长度LI。在横截面上，第一边缘长度和第二边缘长度LS、LI具有相同的值或近似相同的值。传感器管芯11和内插器12垂直于图2A所示横截面的边缘长度可以相等或近似相等。
第一接触接头30由传感器管芯11上的键合垫50、内插器12上的另外的键合垫51和焊接接头52实现。焊接接头52位于传感器管芯11的键合垫50与内插器12的另外的键合垫51之间。可以实现诸如第一接触接头30之类的其他接触接头31至35。或者，焊接接头52可以例如由共晶键合代替，如下所述。
第一通孔48包括金属塞53和隔离层54。隔离层54包围金属塞53的侧壁，从而将金属塞53与内插器12的其他部分隔离。可以实现诸如第一通孔48之类的的其他通孔49。内插器12可以由硅制成。第三数量L的通孔48、49被制造为集成硅通孔，缩写为集成TSV。内插器12包括第一导线55，该第一导线布置在内插器12的第一侧46上，并导电连接到第一通孔48。可选地，第一导线55可以连接到第一接触接头30。此外，内插器12包括第二导线56，该第二导线布置在内插器12的第一侧46上，并且导电连接到第二通孔49，并且可选地还连接到第二接触接头31。
此外，内插器12包括另外的第一导线57，该另外的第一导线位于内插器12的第二侧47上，并将第一通孔48连接到第一内插器键合垫40。因此，第一导线56通过第一通孔48和另外的第一导线57连接到第一内插器键合垫40。类似地，内插器12包括另外的第二导线58，该另外的第二导线位于内插器12的第二侧47上，并将第二通孔49连接到第二内插器键合垫41。
传感器管芯11具有厚度TS，内插器12具有厚度TI。传感器装置10具有厚度TA，其中TA≥TS+TI。支撑件13可以具有厚度TU。厚度TU是传感器管芯11的第一侧18到内插器12的第一侧46的距离。因此，TA＝TS+TI+TU或TA≈TS+TI+TU。
内插器12可以没有电路。因此，传感器管芯11包括通过CMOS技术实现的集成电路(缩写为IC)。因此，传感器管芯11包括CMOS IC。第一数量N个接触接头30至35电连接到CMOSIC。IC对敏感元件16和另外的敏感元件17提供的传感器信号进行信号评估。
或者，可以存在第一数量N个接触接头30至35，它们没有电连接到CMOS IC。然而，接触接头30至35中的至少两个或至少三个连接到CMOS IC。
在替代的未示出的实施例中，支撑件13包括如图1所示的保护环37。
图2B示出了具有传感器装置10的装置60的示例，其是图1和图2A所示示例的进一步改进方案。装置60还包括连接到传感器装置10的印刷电路板61(缩写为PCB)。内插器12的第二侧47连接到PCB 61的第一侧62。因此，第二数量M个内插器键合垫40至45将内插器12耦合到PCB 61。PCB 61在第一侧62包括第一导线64和第二导线65。内插器12经由内插器键合垫40至45连接到PCB 61的第一导线64和第二导线65。PCB 61可以在第二侧63包括另外的导线67至69。PCB 61可以在两侧62、63上具有导线63、64、67至69。
装置60包括填充内插器12和PCB 61之间的间隙的底部填料66。底部填料66也布置在内插器12的侧边缘的部分处。例如，底部填料66可以覆盖内插器12的大约一半侧表面。
在图2B中，示出的CSP具有通过底部填料66安装在PCB 61上的跳板11和硅内插器12。在该示例中，晶片到晶片的键合(缩写为WTW键合)使用键合垫50、51上的焊料凸块或焊接接头52来执行。内插器12可以包括硅，其两侧46、47上的再分布层通过硅通孔48、49(缩写为TSV)连接，如图2A所示。有利地，跳板应力解耦方法与内插器12结合使用。内插器12能够用底部填料66焊接和/或安装到客户的PCB 61，以保护电连接件30至35在暴露于水时不会发生电短路。
图3A示出了传感器装置10的另外的示例，它是图1、图2A和图2B所示示例的进一步改进方案。第二边缘长度LI具有与第一边缘长度LS相比较大的值。在垂直于图3A所示横截面的横截面中，传感器管芯11的边缘长度可以等于、近似等于、小于或大于内插器12的边缘长度。传感器装置10包括位于传感器管芯11与内插器12之间的电绝缘间隔件70。电绝缘间隔件70位于悬置区域15与内插器12的第一侧46之间。电绝缘间隔件70位于传感器管芯11的第二边缘23附近。电绝缘间隔件70不接触膜20和另外的膜21。
如图3A所示，机械工具71被实现为使得它能够在不对传感器管芯11施加力的情况下向内插器12施加力。在机械工具71与内插器12接触的情况下，传感器管芯11在机械工具71的腔内，并且不与机械工具71机械接触。因此，内插器12的第二侧53能够例如通过引脚或针形件72、73接触。机械工具71将内插器12压向引脚或针形件72、73。有利地，例如用于测试或校准目的的电测量能够在不施加任何接触的情况下进行，因此不会对传感器管芯11施加任何力或应力。
图3B示出了包括传感器装置10和PCB 61的装置60的另外的示例，它是上述示例的进一步改进方案。装置60可以不含底部填料66。内插器12可以包括由例如FR4材料或陶瓷载体组成的两个金属层的基于聚合物的层压板。这种方法的优点是可以将内插器12制成大于传感器管芯11。内插器12可以被命名为载体。这将允许在校准期间减轻机械施加的应力。在这种特定情况下，每个单独封装的槽的布局被设计成使得测试引脚(即弹簧引脚)的力在不与传感器管芯11发生物理接触或推压的情况下，通过载体传递到金属支承基座。传感器管芯11是倒装芯片的CMOS管芯。小的缺点可能是每个单独的传感器管芯11被单独拾取、放置和安装在内插器12上。
传感器管芯11上或内插器12上的图案化抗蚀剂或图案化光刻胶(诸如例如图案化SU8)或内插器12上或传感器管芯11上的硅酮分配液滴可以用作电绝缘间隔件70。间隔件70在一侧实现机械支撑，从而避免传感器管芯11倾斜(所谓的墓碑效应)。传感器装置10实现了具有内插器12作为倒装芯片传感器管芯11的支承载体的装置结构。
如图3B所示，CSP包括跳板11和安装在PCB 61上的两个金属层陶瓷或聚合物载体12倒装芯片。电绝缘间隔件70被分配在接触接头30至35的相对侧，以避免倾斜。电绝缘间隔件70例如实现为硅树脂隔离液滴。
在替代的未示出的实施例中，底部填料66填充PCB 61与内插器12之间的间隙，并且还可以覆盖内插器12的部分侧表面。
图4A示出了传感器装置10的另外的示例，它是上述示例的进一步改进方案。传感器管芯11被制造为具有集成压力膜20、21的CMOS管芯。内插器12被实现为硅内插器。第三数量L个通孔54、55被实现为硅通孔，缩写为TSV。传感器管芯11的第一边缘长度LS等于或近似等于内插器12的第一边缘长度LI。传感器管芯11和内插器12的垂直于图4A所示横截面的边缘长度可以相等或近似相等。
传感器装置10可以通过WTW键合技术来实现。传感器装置10通过WTW堆叠的锯切工艺来实现。因此，例如在俯视图或仰视图中，传感器管芯11的边缘长度等于内插器12的边缘长度。传感器管芯11和内插器12被布置在彼此上而没有横向未对准或横向滞后。
因此，第一接触接头30包括传感器管芯11的第一侧18上的键合垫50或另一金属层、内插器12的第一侧46上的另外的键合垫51或另一金属层以及在分别在金属层之间的键合垫50、51之间的共晶键合材料74。保护环37由与第一数量N个接触接头30至35的结构相同的结构实现。
图4B示出了装置60的另外的示例，它是上述示例的进一步改进方案。在图4B中，示出了具有以跳板配置安装在硅内插器12上的共晶安装的压力传感器管芯11的防水CSP，其中TSV全焊料安装在具有底部填料66的PCB 61上。
使用硅的优点在于，能够使用WTW键合技术将内插器12附接到压力传感器管芯11。因为并非每个传感器管芯11都必须被单独拾取、放置和安装到载体12上，因此这节省了组装成本。此外，由于两个晶片在单片化之前被键合在一起，因此避免了墓碑效应。此外，Si内插器12和CMOS压力传感器管芯11的热膨胀系数(缩写为CTE)是相同的，这降低了热感应应力效应。完全可浸入水中的封装还能够使用接触接头30至35周围的保护环37和内插器12下面的底部填料66来产生。WTW键合可以有利地使用共晶键合来进行。
图5A示出了传感器装置10的另外的示例，它是上述示例的进一步改进方案。内插器12被实现为IC。IC可以在内插器12的第一侧46上实现。内插器12使用CMOS技术制造。内插器12包括读出IC，例如读出专用集成电路，缩写为ASIC。内插器12被实现为ASIC管芯。内插器12包括内插器基板75和内插器金属化叠层76。内插器基板75可以是半导体基板，诸如例如硅基板。
内插器金属化叠层76和内插器基板75形成IC。内插器金属化叠层76到内插器12的第一侧46的距离相对于到内插器12的第二侧47较小。第三数量L个通孔54、55连接由内插器金属化叠层76的第一金属化层77实现的导线。第一金属化层77的导线通过第三数量L个通孔耦合到内插器12的第二侧47上的导线，并因此耦合到第二数量M的内插器键合垫40至45。传感器装置10可以使用共晶键合来制造。传感器管芯11可以没有IC。
或者，传感器管芯11包括IC。用于评估一个或多个传感器信号的一些功能由传感器管芯11的IC实现，而用于评估的其他功能由内插器12的IC实现。
图5B示出了装置60的另外的示例，它是上述示例的进一步改进方案。传感器管芯11被实现为压力传感器管芯、压力传感器MEMS管芯、MEMS管芯、压敏MEMS元件、MEMS压力换能器和/或电容式压力换能器。微机电系统缩写为MEMS。内插器12被实现为CMOS读出ASIC。在图5B中，防水CSP包括以跳板配置在内插器12上共晶安装的传感器管芯11，其中TSV全焊料安装在具有底部填料66的PCB 61上。
在实施例中，内插器12被配置为CMOS读出电路，并且传感器管芯11没有IC。传感器管芯11附接在内插器12的顶部。电馈通30至35现在用于将传感器管芯11的顶部电极和底部电极(如图7A所示)连接到由内插器12实现的读出电路。优点是CMOS制造和MEMS制造能够彼此独立地进行。MEMS晶片或MEMS管芯能够在WTW键合阶段之前测试。
图6A和图6B示出了传感器管芯12的特性的示例。在图6A中，示出了传感器管芯11沿x方向的应力SX，在图6B中示出了传感器管芯11沿y方向的应力SY。在图6A和图6B中，表示了表面的应力张量。应力SX、SY以MN/m2为单位来测量。正值表示拉伸应力，负值表示压缩应力。最高应力水平在接触接头30至35附近。在膜20和另外的膜21中，应力SX几乎为零。此外，在膜20和另外的膜21中，应力SY为零或非常小。因此，通过使用悬置区域15，膜20和另外的膜21中的应力SX、SY保持非常低，并且应力SX、SY集中在接触区域14中。
第二侧长度L2可以称为膜20的宽度。第二侧长度L2可以具有165μm到185μm的值，或者100μm到300μm的值。通常，L2可以是175μm。第一侧长度L1可以被称为膜20的长度。第一侧长度L1可以具有500μm至1000μm的值，或者310μm至2000μm的值。通常，L1可以是700μm。第一长度L1可以是即传感器管芯11的长度减去100μm至200μm的边缘排除。因此，提高了由传感器元件16和另外的传感器元件17执行的测量的精度。
传感器装置10基于用于通过跳板方法进行应力解耦的CSP解决方案。压敏元件16、17位于跳板部分15中。跳板11的悬架在跳板11的一侧，并且包括到称为支撑基板或内插器12的CSP底部的电连接件30至35。具有或不具有集成电子读出的压力传感器管芯11的电连接件经由焊料连接或经由共晶键合发生。电连接件30至35位于传感器管芯11的一侧，以产生包围压敏膜20、21的自由悬置部分15。
在实施例中，压敏膜20、21直接集成在CMOS读出芯片的顶部(参见图7A)。膜20、21可以具有矩形形状。在实施例中，使用两个矩形的膜20、21。接触接头30至35可以朝向矩形膜20、21的长边方向。从应力解耦的角度来看，这是有利的：焊料应力起作用的主轴在膜20、21的纵向方向上。这个方向的应力敏感性最低。由于跳板结构，垂直于主膜方向38、39的方向上的应力，即矩形最小侧的方向上的应力将是最低的。由于膜偏转主要受垂直方向上应力变化的影响，因此在该方向上具有尽可能小的应力变化是很重要的(参见图6A和图6B)。
在图6A和图6B中，示出了由于将CSP焊接到PCB 61而在基板界面处评估的平均机械应力。在图6A中，在膜20的位置处，在x方向(即在该附图中水平并且垂直于矩形膜20的长边)上评估应力。对于400μm厚的传感器管芯11和100μm厚的内插器12，平均应力<0.006MN/m2(对于TS＝TI＝200μm，应力为0.017MN/m2，因此厚度能够在没有影响的情况下缩放)。传感器管芯11是CMOS管芯。根据图6B，由于焊接接头之间的热致变形，应力SY(即在该附图中垂直并与矩形膜20的长边对齐)要大得多。由于传感器管芯11悬置在自由空间中并且没有在x方向上拉动，因此应力SX低得多。由于矩形膜20、21在x方向上更容易受到膜应力，因此当跳板支撑件13与矩形膜20、21沿相同的纵向方向上定向时，跳板结构对于矩形膜特别有利。
图7A示出了传感器装置10的细节，其是上述示例的进一步改进方案。传感器管芯11被实现为半导体主体，该半导体主体可以是CMOS主体。敏感元件16包括顶部电极81和底部电极82。顶部电极81可以实现为顶部金属电极。顶部电极81可以包括钨。顶部电极81可以实现为包括至少两个层的金属层堆叠。例如，金属层堆叠包括三个或五个金属层或者由三个或五个金属层组成。金属层堆叠的中间层由钨制成。例如，金属层堆叠被制造为Ti/TiN/W/Ti/TiN层堆叠。符号/表示层堆叠。底部电极82可以实现为底部金属电极。敏感元件16包括膜20。膜20包括顶部电极81。此外，膜20包括介电层84。介电层84可以布置在顶部电极81的顶部。介电层84可以被制造为钝化密封层。
敏感元件16包括腔85。腔85位于顶部电极81与底部电极82之间。顶部电极81在腔85与介电层84之间。敏感元件16可以包括另外的介电层86。另外的介电层86可以实现为蚀刻停止层。另外的介电层86布置在底部电极82与腔85之间。腔85通过蚀刻牺牲层(图7A中未示出)来制造。牺牲层通过顶部电极81中的孔被蚀刻。在去除牺牲层之后，孔被介电层84封闭。膜20的区域由第一通孔94限定。第一通孔94环绕腔85。
传感器管芯11包括传感器基板78和金属化叠层79。金属化叠层79包括第一介电层91和第一金属化层92，并且可以例如包括图7A中未示出的另外的金属化层和另外的介电层。第一金属化层92的一部分96通过通孔93连接到底部电极82。顶部电极81通过第一通孔94连接到金属层95。金属层95通过第二通孔97连接到第一金属化层92的另外的部分98。第一金属化层92的附加部分100位于底部电极82附近，并且被实现为屏蔽层。
第一金属化层92的部分96、98连接到IC。IC实现为互补金属氧化物半导体电路，缩写为CMOS电路。IC由传感器基板78和金属化叠层79实现。传感器管芯11的键合垫50连接到第一金属化层92的另外的部分99。
内插器12由内插器晶片实现。内插器12包括位于第一侧46的第一介电层101和位于第二侧47的第二介电层102。内插器12的另外的键合垫51在第一介电层101上。第一通孔48包括隔离层54、导电通孔层103和隔离通孔层104。隔离通孔层104将导电通孔层103与第一通孔48的开口105隔离。内插器12的第一导线55将内插器12的另外的键合垫51连接到第一通孔48的导电通孔层103。另外的导电通孔层106沉积在导电通孔层103上。可以实现诸如第一通孔48之类的另外的通孔49。
传感器管芯11的键合垫50包括铝。键合垫50可以由铝或者铝与诸如铜和硅之类的其他材料的化合物制成。传感器管芯11的键合垫50和内插器12的另外的键合垫51被设计用于实现共晶键合。键合垫50的铝层的厚度为5μm至10μm或者2μm至20μm。共晶键合可以被制造为Al/Ge共晶键合。内插器12的另外的键合垫51可以由锗或者锗与其他材料的化合物制成。内插器12的第一导线55可以由铝或者铝与诸如铜和硅之类的其他材料的化合物制成。可以实现诸如第一接触接头30之类的的另外的接触接头31至35。
可以实现诸如敏感元件16之类的另外的敏感元件17。传感器装置10被设计为例如用于移动、移动电话或移动通信设备的压力传感器，并且使用电容技术。传感器管芯11的键合垫50被配置为例如用于提供数字化压力信号。传感器装置10获得低功率和高精度。对于电容读出，ASIC管芯和MEMS管芯之间的键合线是不期望的(产生噪声)。传感器管芯11通过MEMS结构和ASIC的单片集成来制造。钨膜技术允许在可以是钝化层的第一介电层91的顶部制造压敏膜20。这带来了具有集成在一个单个传感器管芯11中的读出电路的压力传感器的优点。在图7A中，WTW键合使用Al/Ge共晶键合在高温下实现。
其上安装有传感器管芯11的内插器12可以包括位于内插器12的第一侧46和第二侧47的硅通孔48、49(TSV)和再分布层。使用具有TSV 48、49的内插器12的优点在于，传感器装置10并且尤其是内插器12可以被焊接和底部填充而不影响应力解耦性能。在实施例中，压敏膜20、21位于其上的晶片通过共晶键合被键合到内插器晶片(参见图7A和图7B)。钨膜20、21通过单片集成在读出ASIC的顶部来制造。钨膜20、21能够应用于在IC(在一个传感器管芯11中的ASIC和MEMS)的钝化层顶部制造电容压力传感器。
图7B示出了传感器装置10的另外的示例，它是上述示例的进一步改进方案。在图7B中，示出了分离之前的传感器装置10的三个管芯。传感器管芯11在CMOS晶片上实现。传感器管芯11是CMOS晶片的一部分。包括三个传感器管芯11的晶片通过包括传感器管芯11的晶片与卡盘110之间的负压保持在卡盘110上。
这种制造方法的优点在于，不需要单独的管芯放置(降低成本)，并且跳板11仅在晶片叠层112的切割和单片化期间创建。有利地，器件能够在晶片级进行测试甚至校准，这从测试成本的角度来看提供了额外的好处。这允许通过内插器12的底侧47上的电接触来探测晶片。晶片可以被真空吸附而不影响压力读数。从晶片侧接近压敏膜20、21(参见图7B)。在WTW键合之后，从内插器侧进行晶片级测试是可行的。示出了在内插器球40、41上的探测，但是在测试垫上的探测也是可能的。空气从晶片的侧面进入。晶片的真空吸附在CMOS侧，不会干扰环境压力读数。
图8A示出了可以实现为上述实施例之一的传感器装置10的特征的示例。传感器管芯11被实现为CMOS管芯。实现为单点力的单个力被施加到传感器管芯11的中心。图8A的左侧示出了传感器装置10的配置。图8A的中间所示的特性是针对传感器管芯11的厚度TS和内插器12的厚度TI相等并且具有200μm的值来确定的。图8A右侧所示的特性是针对400μm的传感器管芯11的厚度TS和100μm的内插器12的厚度TI来模拟的。如图8A所示，在传感器管芯11的厚度较高和内插器12的厚度较低的情况下，膜20和另外的膜21中的应力较低。应力能够通过将传感器管芯11的厚度TS厚度优化为内插器12的厚度TI来减小。传感器管芯11可以包括位于传感器管芯11的第二侧19的接触点115。接触点115被实现为传感器管芯11的第二侧19的区域上方的延伸或隆起。接触点115可以具有大于5μm或20μm或100μm的厚度
在图8B中，如在图8B左侧所示的传感器装置10中所示，针对在三个接触点115至117上具有1牛顿的力来模拟应力。图8B的中间和右侧的传感器管芯11的厚度TS和内插器12的厚度TI具有如图8A所示的值。应力相等并且几乎独立于传感器管芯11的厚度TS和内插器12的厚度TI的选择。在图8B的右侧，膜20、21位于跳板的外侧。传感器管芯11可以包括位于传感器管芯11的第二侧19的至少一个接触点115至117。例如，传感器管芯11可以包括位于传感器管芯11的第二侧19的三个接触点115至117。接触点115至117中的至少一个位于接触区域14上方。接触点115至117中的至少一个位于悬置区域15上方。接触点115至117中的每一个可以位于膜20或膜20、21的区域之外。
如图8C所示，支撑件13包括位于第一数量N个接触接头30至35与悬置区域15之间的杆121。杆121可以被命名为支撑杆、支承杆或分离杆。因此，杆121形成接触区域14的边缘。杆121通过与第一数量N个接触接头30至35相同的步骤制造。就应力而言，杆121具有与保护环37类似的功能。在俯视图中，杆121是矩形的。杆位于第一数量N个接触接头30至35与膜20(或膜20、21)之间。杆121通过第一数量N个接触接头30至35平行于假想线36。对于具有传感器管芯11的较高厚度TS和内插器12的较低厚度TI的配置，应力较低。从图8A、图8B和图8C的比较中能够看出，杆121导致应力减小。在图8C中，提供了支承杆121、通孔的重新定位和底部接触垫的重新排列。
在图8A至图8C中，阐明了接触点115至117和位置对传感器管芯11的x方向上的应力的影响。传感器管芯11的厚度TS、相对于跳板支撑件13的膜位置以及接触点115至117和内插器键合垫40至45(其可以是内插器12到PCB 61之间的焊接接头)对于减小应力是重要的。使用跳板11上的三个接触点115至117将机械载荷传递到膜20或膜20、21的区域之外的位置。指向矩形膜20的纵向方向的杆121有助于减小焊盘30至35周围的局部应力场。
杆121布置在矩形膜20、21的方向上。如果被配置为键合垫30至35周围的保护环37，则键合垫30至35能够被屏蔽并被保护不与水接触。在这方面，使用共晶键合允许在一个步骤中构造保护环37以及传感器管芯11和内插器12之间的键合垫30至35。构造成保护环37的杆121也用于减少跳板11的悬垂并确保均匀的应力分布。这在校准步骤期间是有利的，在校准步骤中，将通过内插器12的底部47上的内插器球或内插器键合垫40至45来探测CSP封装。CSP将被推靠在金属支撑件上，从而根据CSP将推动的接触点115至117使跳板11变形。
在图8A至图8C中，绘制并模拟了几种器件配置，以示出校准期间机械应力的影响。在图8A中，对于厚度TI为200μm的内插器12和厚度TS为200μm的跳板11，当在CSP封装的中心以1N的力推动时，在跳板11中的膜水平上沿x方向模拟应力。从图中可以明显看出，接触点115下方的传感器管芯11的中心处的应力最高。如果跳板11的厚度TS增加到400μm，并且内插器12减小到100μm，以保持整体封装高度低于600μm，则接触点115周围的应力场显著减小。
为了减小膜20、21在x方向上的应力，建议在CSP封装的顶部具有至少三个位于膜区域之外的接触点115至117，如图8B所示。此外，如图8B最右侧的图像所示，由于朝向跳板11的自由悬置部分15的应力减小，因此将膜20、21尽可能地放置在跳板11的边缘23是有利的。
如图8C左侧所示，使用靠近电接头30至35放置的杆121有助于产生均匀的应力场，并且还减少了跳板11的弯曲。底部接触接头30至35相对于顶侧19上的接触点115至117的位置可以在跳板11不变形的情况下引导力通过。
图9A示出了可用于传感器管芯11到内插器12的WTW键合的材料表。WTW键合能够通过金属扩散技术来制造。传感器管芯11的第一侧18上的键合垫50的材料和内插器12的第一侧46上的另外的键合垫51的材料可以是例如铜、金、铝或钛。因此，具有接触接头30至35的支撑件13由铜、金、铝和钛组成的组中的一种金属组成。通过向金属中少量添加，例如可以向Al中添加Si和/或Cu，以提高Al的性能。在表中还列出了金属扩散焊接技术的温度范围、必须施加到两个晶片上的力以及另外的条件。
在图9A中，描述了使用金属扩散键合技术的WTW键合。详情见图9A中的表格。对于金属扩散键合，光滑和干净的金属表面以及键合层的紧密接触是有利的。键合原理基于固相间扩散。使用高均匀力。干净的界面(无氧化物)允许良好的键合性能。典型的键合温度是例如300-480℃
图9B显示了实现为金属共晶合金键合的WTW键合的材料和另外的信息。支撑件13可以例如使用以下合金材料组合之一来制造：金铟(AuIn)、铜锡(CuSn)、金锡(AuSn)、金锗(AuGe)、金硅(AuSi)和铝锗(AlGe)。更确切地说，合金是AuxIny、CuxSny、AuxSny、AuxGey、AuxSiy和/或AlxGey。因此，传感器管芯11的键合垫50可以包括金层，并且内插器12的另外的键合垫51可以包括铟层，反之亦然。因此，金/铟层堆叠用于共晶键合。符号/表示层堆叠。在共晶键合工艺之后，具有接触接头30至35的支撑件13包括由金-铟共晶合金(AuIn)、铜-锡共晶合金(CuSn)、金-锡共晶合金(AuSn)、金-锗共晶合金(AuGe)、金-硅共晶合金(AuSi)和铝-锗共晶合金(AlGe)组成的组的共晶合金。在共晶键合之后，支撑件13包括共晶合金(例如共晶合金Au-In)和可能的残余金属层(例如Au或In)，该残余金属层在加热过程中没有变成液体。
因此，键合垫50、另外的键合垫51以及键合垫50与另外的键合垫51之间的金属的材料能够例如从上述材料组合之一中选择。在图9B所示的表中，还列出了用于实现共晶化合物的成分(以重量百分比计)、共晶温度、高于共晶温度的典型键合温度、所施加的力、工艺持续时间以及关于预处理的信息。
金属共晶合金键合允许在某些情况下降低键合温度，但可能需要良好的抗氧化保护。在高于共晶温度20℃至30℃的加热期间，两种金属将熔化并相互扩散，形成金属间键合。施加均匀的温度(+/-2℃)和压力。
图10示出了实现的例如上述示例之一的传感器装置10的制造过程的示例。
在顶部，示出了在包括内插器12的晶片上执行的工艺。在内插器12的第一侧46上，诸如例如锗层之类的第一金属层124沉积在内插器基板75上。光刻胶125布置在第一金属层124上。光刻胶125通过光刻胶旋涂工艺、曝光工艺和显影工艺制造。如中间所示，第一金属层124在没有被光刻胶125覆盖的那些区域蚀刻。蚀刻被执行使得不仅第一金属层124的未覆盖区域被去除，而且内插器基板75的一些材料也被去除。因此，在内插器基板75中形成凹部123。内插器基板75可以是半导体基板、陶瓷基板、玻璃基板或聚合物基板。半导体基板可以是例如硅基板。如右侧的上部线所示，光刻胶125被去除。第一金属层124位于内插器基板75的凸起部分上。
在图10的底部，示出了传感器管芯11的制造步骤。传感器管芯11包括传感器基板78和第一金属化层127，该第一金属化层可以是例如铝。传感器管芯11包括第二金属化层128，该第二金属化层可以是例如锗。第一金属化层127沉积在传感器基板78上或传感器管芯11的未示出的金属化叠层79的顶部。第二金属化层128沉积在第一金属化层127上。为了图案化第一金属化层127和第二金属化层128，另外的光刻胶129通过光刻胶旋涂工艺、曝光工艺和显影工艺来实现。如中间所示，另外的光刻胶129用作用于蚀刻第二金属化层和第一金属化层127、128的掩模。如图10下部线的右侧所示，另外的光刻胶129通过剥离工艺去除。因此，实现了第一金属化层和第二金属化层127、128的堆叠。
如图10中间右侧所示，包括传感器管芯11的晶片和包括内插器12的晶片彼此附接，并形成晶片叠层112。晶片叠层112被加热到键合温度，并且力被施加到晶片叠层112。因此，第一金属层124与第一金属化层和第二金属化层127、128一起实现共晶键合材料74。共晶键合材料74是共晶键合工艺之后的合金。传感器管芯11与内插器12之间的距离主要取决于共晶键合材料74和内插器12中的凹槽123的厚度。该距离大约是支撑件13的厚度TU(在内插器12的凸起部分被认为是支撑件13的一部分的情况下)。
通常，金属沉积可能比膜伸出表面的实际“突出高度”厚。可选地，Al和/或AL/Ge能够在从表面突出的芯片区域上沉积并图案化。
在未示出的替代实施例中，省略了实现凹槽123的步骤。蚀刻步骤在内插器基板75的材料处停止。共晶键合能够在没有凹槽123的情况下进行。
在未示出的替代实施例中，在图10中的传感器管芯11和内插器12互换。因此，上面的线示出了传感器管芯11的制造步骤，而图10的下面的线示出了内插器11的制造步骤。第一金属层124(例如Ge)能够沉积在传感器管芯11上，第一金属化层和第二金属化层(例如Al/Ge)能够沉积在内插器12上。
在图10中，示出了使用金属层Al/Ge产生合金AlGe的共晶键合工艺步骤。Al/Ge共晶键合的优势是低成本和CMOS兼容的晶圆厂友好材料(参见图9B)。对于一定的金属宽度，Al/Ge具有比其他金属组合高的气密性。键合温度<450℃，这非常适合在CMOS电路上进行MEMS处理，而不会降低金属互连。
如上所述，图1至图10中所示的实施例代表了改进的传感器装置的示例实施例；因此，它们并不构成根据改进的传感器装置的所有实施例的完整列表。例如，实际的传感器装置配置可以在电路部件、结构、形状、尺寸和材料方面不同于所示的实施例。
附图标记
10 传感器装置
11 传感器管芯
12 内插器
13 支撑件
14 接触区域
15 悬置区域
16 敏感元件
17 另外的敏感元件
18 第一侧
19 第二侧
20 膜
21 另外的膜
22 第一边缘
23 第二边缘
30至35 接触接头
36 假想线
37 保护环
38、39 主膜方向
40至45 内插器键合垫
46 第一侧
47 第二侧
48、49 通孔
50 键合垫
51 另外的键合垫
52 焊接接头
53 金属塞
54 隔离层
55至58 导线
60 装置
61 印刷电路板
62 第一侧
63 第二侧
64、65、67至69 导线
66 底部填料
70 电绝缘间隔件
71 机械工具
72、73 引脚
74 共晶键合材料
75 内插器基板
76 内插器金属化叠层
77 第一金属化层
78 传感器基板
79 金属化叠层
81 顶部电极
82 底部电极
84、86、91 介电层
85 腔
92 第一金属化层
93、94、97 通孔
95 金属层
96、98、99、100 部分
101、102 介电层
103、106 导电通孔层
104 隔离通孔层
105 开口
110 卡盘
112 晶片叠层
115至117 接触点
121 杆
123 凹部
124 第一金属层
125、129 光刻胶
127、128 金属化层

Claims (18)

1.一种传感器装置，包括：
传感器管芯（11），其包括接触区域（14）、悬置区域（15）和位于所述悬置区域（15）中的敏感元件（16），
内插器（12），其包括将所述内插器（12）的第一侧（46）连接到所述内插器（12）的第二侧（47）的至少两个通孔（48，49），以及
支撑件（13），其将所述传感器管芯（11）的接触区域（14）机械地和电连接到所述内插器（12）的第一侧（46），并且包括至少两个接触接头，
其中，所述支撑件（13）包括围绕所述至少两个接触接头并将所述传感器管芯（11）的接触区域（14）连接到所述内插器（12）的第一侧（46）的保护环（37），
其中，所述保护环（37）和所述至少两个接触接头由相同的材料实现，
其中，所述敏感元件（16）包括膜（20），所述膜（20）是矩形的，并且具有第一侧长度L1和第二侧长度L2且具有主膜方向，其中L1>L2，
其中，所述第一侧长度L1沿所述主膜方向测量，并且
其中，所述主膜方向平行于穿过所述至少两个接触接头的假想线（36）。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，
其中，所述保护环（37）包括杆（121），所述杆平行于穿过所述至少两个接触接头的假想线（36）定向并且将所述传感器管芯（11）的接触区域（14）连接到所述内插器（12）的第一侧（46）。
3.根据权利要求1所述的传感器装置，
其中，所述传感器管芯（11）包括彼此平行的第一边缘（22）和第二边缘（23），
其中，所述第一边缘（22）邻近所述接触区域（14），并且
其中，所述第二边缘（23）邻近所述悬置区域（15）并且平行于所述主膜方向。
4. 根据权利要求1所述的传感器装置，
其中，所述传感器管芯（11）包括位于所述悬置区域（15）中的另外的敏感元件（17），并且另外的敏感元件（17）包括另外的膜（21），并且
其中，所述另外的膜（21）是矩形的，并且所述另外的膜（21）的主膜方向平行于所述膜（20）的主膜方向。
5.根据权利要求1或2所述的传感器装置，
其中，所述传感器管芯（11）和所述内插器（12）中的至少一个包括CMOS集成电路。
6.根据权利要求5所述的传感器装置，
其中，所述传感器管芯（11）包括所述CMOS集成电路，并且所述CMOS集成电路连接到所述敏感元件（16）。
7.根据权利要求1或2所述的传感器装置，
其中，所述内插器（12）被实现为包括互连载体。
8.根据权利要求1或2所述的传感器装置，
其中，所述内插器（12）被实现为包括互连板。
9.根据权利要求1或2所述的传感器装置，
其中，所述内插器（12）被实现为包括互连基板。
10.根据权利要求1或2所述的传感器装置，
其中，所述至少两个接触接头包括选自包括Cu、Au、Al和Ti的组中的材料或选自包括AuIn、CuSn、AuSn、AuGe、AuSi和AlGe的组中的材料组合。
11.根据权利要求1或2所述的传感器装置，
其中，所述敏感元件（16）是包括压力传感器元件、加速度计元件、陀螺仪元件、超声换能器、麦克风、扬声器、微热板、IR辐射探测器和辐射热计的组中的一个。
12. 根据权利要求1或2所述的传感器装置，
其中，所述内插器（12）包括位于所述内插器（12）的第二侧（47）上的至少两个内插器键合垫和/或导线（57，58），并且
其中，所述至少两个内插器键合垫和/或导线（57，58）耦合到所述内插器（12）的所述至少两个通孔（48，49），并且可操作以接触印刷电路板（61）。
13.根据权利要求1或2所述的传感器装置，
其中，所述传感器装置（10）包括布置在所述内插器（12）的第一侧（46）与所述传感器管芯（11）的第一侧（18）之间的电绝缘间隔件（70）。
14.根据权利要求2所述的传感器装置，其中，所述杆（121）位于所述至少两个接触接头与所述悬置区域（15）之间。
15. 一种包括根据权利要求1至14之一所述的传感器装置（10）的设备,其中，所述设备被实现为移动装置和空调之一。
16.一种用于制造传感器装置的方法，包括
提供包括接触区域（14）、悬置区域（15）和位于所述悬置区域（15）中的敏感元件（16）的传感器管芯（11），
提供内插器（12），所述内插器具有将所述内插器（12）的第一侧（46）连接到所述内插器（12）的第二侧（47）的至少两个通孔（48，49），以及
通过支撑件（13）将所述传感器管芯（11）连接到所述内插器（12），所述支撑件将所述传感器管芯（11）的接触区域（14）机械和电连接到所述内插器（12）的第一侧（46），并且包括至少两个接触接头，
其中，所述支撑件（13）包括围绕所述至少两个接触接头并将所述传感器管芯（11）的接触区域（14）连接到所述内插器（12）的第一侧（46）的保护环（37），
其中，所述保护环（37）和所述至少两个接触接头由相同的材料实现，
其中，所述敏感元件（16）包括膜（20），所述膜（20）是矩形的，并且具有第一侧长度L1和第二侧长度L2且具有主膜方向，其中L1>L2，
其中，所述第一侧长度L1沿所述主膜方向测量，并且
其中，所述主膜方向平行于穿过所述至少两个接触接头的假想线（36）。
17.根据权利要求16所述的方法，
其中，所述支撑件（13）通过晶片扩散键合制造，其中所述至少两个接触接头包括选自包括Cu、Au、Al和Ti的组中的材料。
18.根据权利要求16所述的方法，
其中，所述支撑件（13）通过共晶键合制造，其中，所述至少两个接触接头包括选自包括AuIn、CuSn、AuSn、AuGe、AuSi和AlGe的组中的材料组合。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106517079A (zh) * 2015-09-11 2017-03-22 意法半导体股份有限公司 有减少的应力灵敏度的微电机传感器器件和对应制造工艺
CN109642810A (zh) * 2016-06-21 2019-04-16 ams国际有限公司 传感器封装件和制造传感器封装件的方法
WO2019096998A1 (en) * 2017-11-17 2019-05-23 Ams International Ag Attachment of stress sensitive integrated circuit dies

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004011203B4 (de) * 2004-03-04 2010-09-16 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Montieren von Halbleiterchips und entsprechende Halbleiterchipanordnung
US20140090485A1 (en) * 2012-10-02 2014-04-03 Robert Bosch Gmbh MEMS Pressure Sensor Assembly
US9574959B2 (en) * 2014-09-02 2017-02-21 Apple Inc. Various stress free sensor packages using wafer level supporting die and air gap technique
DE102014224559A1 (de) * 2014-12-01 2016-06-02 Robert Bosch Gmbh Mikromechanische Sensorvorrichtung und entsprechendes Herstellungsverfahren
US11335642B2 (en) * 2017-12-29 2022-05-17 Intel Corporation Microelectronic assemblies
US11984439B2 (en) * 2018-09-14 2024-05-14 Intel Corporation Microelectronic assemblies

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106517079A (zh) * 2015-09-11 2017-03-22 意法半导体股份有限公司 有减少的应力灵敏度的微电机传感器器件和对应制造工艺
CN109642810A (zh) * 2016-06-21 2019-04-16 ams国际有限公司 传感器封装件和制造传感器封装件的方法
WO2019096998A1 (en) * 2017-11-17 2019-05-23 Ams International Ag Attachment of stress sensitive integrated circuit dies

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