基于金金键合工艺的热式风速风向传感器制造技术

本实用新型专利技术公开一种基于金金键合工艺的热式风速风向传感器，包括陶瓷芯片和减薄硅芯片，减薄硅芯片位于陶瓷芯片的下方，在减薄硅芯片的上表面四边对称分布设有4个热传感测温元件，在陶瓷芯片的下表面上设有4个加热元件，陶瓷芯片与减薄硅芯片之间利用金凸点的金金键合工艺实现电气连接和热连接，在减薄硅芯片上设有空腔，用于对硅芯片衬底进行减薄、加热元件与减薄硅芯片之间的热隔离以及释放后陶瓷芯片上电引出金凸点的露出。整个传感器的制备过程，所使用的制备工艺与集成电路工艺兼容，后处理工艺简单，封装采用金金键合技术实现传感器的圆片级封装并利用湿法腐蚀技术实现圆片级释放。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种基于金金键合技术实现的陶瓷圆片级封装，并与标准CMOS 工艺兼容的热式风速风向传感器，尤其涉及一种低功耗的基于金金键合工艺的热式风速风向传感器。
技术介绍
在CMOS集成风速风向传感器的设计中，封装一直以来是阻碍其发展的技术瓶颈。 一方面其封装材料即要求具有良好的热传导性能，又要求对传感器具有保护作用，并且设计中还需要考虑到封装材料对传感器灵敏度、可靠性以及价格等方面的影响，这就限制了传感器自身封装设计的自由度。另一方面，热式流量传感器要求传感器的敏感部分暴露在测量环境中，同时又要求处理电路与环境隔离，以免影响处理电路的性能，两者对封装的要求产生了矛盾。以往报道的硅风速风向传感器大都将硅片的敏感表面直接暴露在自然环境中，以便能够感知外界风速变化。这样一来，硅片很容易受到各种污染，导致其性能的不稳定，甚至损坏。如果采用热导率较高的陶瓷基片，利用倒装焊封装或者导热胶贴附的方式对传感器硅芯片进行封装，就能够较好的避免上述的矛盾，但是封装后传感器产生的热量绝大部分以热传导的方式从硅基衬底耗散掉，仅有很小的一部分通过陶瓷与外界空气进行了热交换，大大降低输出敏感信号的幅值，通过增大传感器的功耗能够提高敏感信号的幅值，但又造成整个传感器系统较大的功耗。本技术根据以往硅风速风向传感器存在的问题，提出了一种利用金金键合技术实现的基于陶瓷封装CMOS集成的热式风速风向传感器，设计结构在保证与标准CMOS工艺兼容以及实现圆片级封装的同时，能够大大降低加热元件在硅基衬底上的热传导，在较低功耗下可以获得较大的输出信号。并通过最后一步湿法腐蚀技术，实现加热元件和硅衬底的完全热隔离和解决在圆片级封装过程中的电引出问题。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种基于金金键合工艺的热式风速风向传感器。设计的传感器结构以及封装形式有利于在保证较大敏感信号幅值的同时，传感器系统具有较低的功耗。本技术采用如下技术方案一种基于金金键合工艺的热式风速风向传感器，包括陶瓷芯片和减薄硅芯片，减薄硅芯片位于陶瓷芯片的下方，在减薄硅芯片的上表面四边对称分布设有4个热传感测温元件，每个热传感测温元件上热连接有2个下热连接焊盘且每个热传感测温元件电连接有 2个下电连接焊盘，在下热连接焊盘上设置有下热连接金凸点，在下电连接焊盘上设置有下电连接金凸点，在陶瓷芯片的下表面上设有与每个下热连接焊盘相对应的上热连接金凸点和上热连接焊盘以及每个下电连接焊盘相对应的上电连接金凸点和上电连接焊盘，其特征在于在减薄硅芯片上表面位于4个热传感测温元件中间位置设有空腔一，在4个热传感测温元件四周位置与陶瓷芯片上电引出金凸点相对应区域设置有空腔，空腔的深度为30微米至50微米，用于加热元件与减薄硅芯片之间的热隔离，并用于最后圆片级释放时，陶瓷芯片上电引出金凸点的露出，加热元件设在陶瓷芯片的下表面上。本技术将硅风速传感器结构中的加热元件与测温元件分离，加热元件制备于陶瓷基板下表面，测温元件制备于硅芯片正表面，并利用金凸点以金金键合的形式将硅芯片和陶瓷芯片集成在一起。本技术通过制备于陶瓷芯片下表面的加热元件在芯片表面建立一个温度场，陶瓷芯片上表面暴露在外界环境中，由加热元件在陶瓷芯片上表面建立的温度场去感受风的变化，热传感测温元件通过用于热连接的金凸点作为热连接的中间媒介测出该温度场温度分布的变化情况，并通过用于电连接的金凸点将检测信号传递到陶瓷芯片上并通过陶瓷芯片上的电引出焊盘实现与外界的电互联。在外界无风的条件下，温度场的分布呈现完全对称的状态。当外界有风从陶瓷芯片上表面吹过时，风将以热对流的方式从陶瓷芯片上表面带走部分的热量，热传感测温元件通过金凸点的热传导作用测出该温度场的变化，进而可反映风速的大小；对称分布的上游和下游热传感测温元件的差分输出反映陶瓷芯片上表面温度场温度梯度的变化，能够反映风向的变化信息。传感器结构中用于封装的薄层陶瓷片一方面作为用于保护下层硅芯片的封装基板，另一方面又作为感受外界风的变化的敏感元件。整个传感器只有陶瓷的上表面和风的环境接触，其他元件通过陶瓷芯片和外界环境隔绝，因此能够避免受到外界环境的污染。通过溅射和刻蚀工艺在陶瓷芯片背面制备金属层，用于形成加热元件、焊盘和金凸点，金凸点用于实现陶瓷芯片与硅芯片间的电连接和热连接。利用干法刻蚀工艺在硅片上表面与加热元件相对应的区域制备隔热空腔，并利用湿法腐蚀技术实现加热元件和衬底的完全热隔离，极大程度减少了由于硅衬底的热传导造成的热损失，从而大大降低了无用功耗。本技术传感器的结构适用于制备二维的热式风速风向传感器。本传感器设计方案中，第一步陶瓷芯片制备中，陶瓷芯片背面的加热元件和用于金金键合封装的电连接、热连接焊盘和电引出焊盘以及相应的金凸点的制备，采用了与 CMOS工艺兼容的溅射和刻蚀工艺技术；第二步测热传感温元件的制备中，采用的是标准 CMOS集成电路工艺；第三步正面隔热空腔的制备中，利用了 MEMS干法刻蚀工艺。第四步圆片级封装中，利用金金键合工艺实现，与CMOS工艺兼容；第五步圆片级释放中，利用了 MEMS 湿法腐蚀工艺。本技术获得如下效果1.本技术的封装工艺属于传感器圆片级封装。工艺引入具有一定热导率的薄层陶瓷圆片作为传感器的封装材料，陶瓷片的大小与硅芯片完全相同，在减薄硅芯片和陶瓷芯片上均制备金凸点，通过金金键合技术实现硅芯片与陶瓷芯片之间的电连接和热连接，金凸点与倒装焊凸点相比具有图形稳定和一致性好的优点，以使得这种圆片级封装的形式与传统的单芯片封装的风速风向传感器相比，一方面大大降低了 MEMS器件的封装成本，另一方面在很大程度上保证了传感器封装造成的偏差的一致性，降低了传感器后端信号调理的成本。2.本技术将传感器的加热元件从硅芯片上分离出来，通过溅射和刻蚀工艺制作于陶瓷芯片背面，硅芯片与加热元件相对应区域利用MEMS干法刻蚀工艺制作空腔，这样一来加热元件能够完全实现与硅芯片之间的热隔离。传统的CMOS集成风速风向传感器，加4热元件制作在硅基芯片表面，在降低硅基衬底热传导方面，一种方法是在硅芯片背面与加热元件对应区域利用湿法腐蚀工艺制备隔热空腔，其缺点在于制备出的热感应薄膜过于脆弱，热应力对信号检测的影响较大，并且无法实现传感器的封装。另一种方法是在加热元件下面制备多孔硅隔热层，这样一来制备工艺与标准CMOS工艺不兼容，并且多孔硅的制备工艺一致性较差，提高了后端传感器信号调理的难度。本技术提出的传感器结构在保证了与传统CMOS工艺完全兼容的同时，将加热元件和测温元件分别制备在陶瓷芯片和硅芯片上，并在与加热元件相对应的硅芯片的区域制备空腔，这样能够使得加热元件和测温元件之间形成一个空气隔热层，有效地降低传感器加热元件产生的热量在硅基芯片中的热传导，使得产生的热量大部分与外界环境进行热交换用于对风速风向的检测，能够在较低功耗下获得较大的输出信号。3.本技术采用MEMS干法刻蚀工艺制作隔热空腔，具有成本低，一致性好，能够精确控制形状，一次工艺成型的特点，非常适用于利用CMOS标准工艺制作的MEMS传感器的后端处理。4.本技术采用金金键合技术实现陶瓷芯片与硅芯片之间的电连接和热连接， 所使用的键合用金凸点具有几何和材料特性本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．基于金金键合工艺的热式风速风向传感器，包括陶瓷芯片（１）和减薄硅芯片（２８），减薄硅芯片（２８）位于陶瓷芯片（１）的下方，在减薄硅芯片（２８）的上表面四边对称分布设有４个热传感测温元件（１９），每个热传感测温元件上热连接有２个下热连接焊盘（２３）且每个热传感测温元件电连接有２个下电连接焊盘（２２），在下热连接焊盘（２３）上设置有下热连接金凸点（２４），在下电连接焊盘（２２）上设置有下电连接金凸点（２５），在陶瓷芯片（１）的下表面上设有与每个下热连接焊盘相对应的上热连接金凸点（１０）的露出，加热元件（７）设在陶瓷芯片（１）的下表面上。上电引出金凸点（１０）相对应区域设置有空腔二（２７），空腔一（２６）和空腔二（２７）的深度为３０微米至５０微米，空腔一（２６）用于加热元件（７）与减薄硅芯片（２８）之间的热隔离，空腔二（２７）用于最后圆片级释放时，陶瓷芯片（１）上电引出金凸点（１２）和上热连接焊盘（６）以及每个下电连接焊盘相对应的上电连接金凸点（１１）和上电连接焊盘（５），其特征在于在减薄硅芯片（２８）上表面位于４个热传感测温元件中间位置设有空腔一（２６），在４个热传感测温元件（１９）四周位置与陶瓷芯片（１）...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：董自强，黄庆安，秦明，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：实用新型
国别省市：84