專利名稱：在液體中使用的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片的制作方法
在液體中使用的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片本發(fā)明涉及封裝半導(dǎo)體傳感器芯片以及制造這種封裝半導(dǎo)體傳 感器芯片的方法，更為具體地，本發(fā)明提供具有改善的檢測(cè)精確度的 封裝半導(dǎo)體傳感器芯片。該封裝半導(dǎo)體傳感器芯片可以用作在分子診 斷中使用的生物傳感器或化學(xué)傳感器。傳感器廣泛應(yīng)用于測(cè)量物理屬性或物理事件。它們輸出作為電、 光或數(shù)字信號(hào)的測(cè)量的功能性讀數(shù)。所述信號(hào)是能夠通過(guò)其它器件被 轉(zhuǎn)換成信息的數(shù)據(jù)。傳感器的一個(gè)具體例子為生物傳感器。生物傳感 器是檢測(cè)在諸如血液、血清、血漿、唾液、組織提取物、組織間隙液、 細(xì)胞培養(yǎng)提取物、食物或詞料提取物、飲用水……的液體中是否存在諸如蛋白質(zhì)、病毒、細(xì)菌、細(xì)胞成分、細(xì)胞膜、孢子、DNA、 RNA 等目標(biāo)分子(即定性測(cè)量)或測(cè)量所述目標(biāo)分子的特定量(即定量測(cè) 量)的器件。目標(biāo)分子也被稱為"分析物"。在幾乎所有的情況下， 生物傳感器使用包含特定識(shí)別元件的表面用于俘獲分析物。因此，可 以通過(guò)將特定分子附著于其來(lái)改變傳感器件的表面，所述特定分子適 合于結(jié)合存在于液體中的目標(biāo)分子。生物傳感器變得越來(lái)越重要。對(duì)于一次性使用的具有電互連的生 物傳感器而言，低成本封裝是非常重要的。 一個(gè)測(cè)量原則是計(jì)算附著 于生物傳感器上的預(yù)定位置處的標(biāo)記分子。例如，可以用磁性粒子或 磁珠來(lái)標(biāo)記分子，并且可以用磁阻傳感器檢測(cè)這些磁性粒子或磁珠。 可以利用常規(guī)的硅晶片技術(shù)制造這種傳感器。大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)中的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片具有如下缺陷在封 裝體和傳感器芯片表面之間存在'壁'，其減少傳感器芯片的效率。
在

圖1中示出一個(gè)例子。傳感器芯片1通過(guò)引線接合附著到封裝體2， 引線接合是用于互連的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。然而，該技術(shù)增加了傳感器表面的 厚度，這會(huì)導(dǎo)致該封裝體的缺點(diǎn)，因?yàn)閭鞲衅餍酒?的頂表面3離封裝體2的頂表面4有一定的距離以致于分析物必須'潛'向傳感器2， 即需要沿著角引導(dǎo)作為流體的分析物(由圖1中的箭頭5所示)，并 且所述分析物將遇到不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。這意味著需要大的流體樣本、低 或緩慢流動(dòng)的區(qū)域、以及由于附著到壁6而可能出現(xiàn)的材料損失?？?選擇的利用貫穿傳感器襯底的金屬化通孔或狹縫的技術(shù)是昂貴的。本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片以及制 造這種封裝半導(dǎo)體傳感器芯片的方法。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是其提供一種具 有改善的檢測(cè)精確度的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片。本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是 提供一種對(duì)于制造和/或充分使用全部的應(yīng)用分析物是便宜的封裝半 導(dǎo)體。封裝半導(dǎo)體傳感器芯片可以用作在分子診斷中使用的生物傳感 器或化學(xué)傳感器。通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的器件和方法可以實(shí)現(xiàn)上述目的。 在所附的獨(dú)立和從屬權(quán)利要求中闡明本發(fā)明的具體和優(yōu)選方案。 適合地而又不僅僅如在權(quán)利要求中所清楚闡明的那樣，從屬權(quán)利要求的特征可以與獨(dú)立權(quán)利要求的特征以及與其它從屬權(quán)利要求的特征妙a ^口 口 °本發(fā)明涉及半導(dǎo)體的領(lǐng)域，例如基于硅的傳感器件，其中電路和 傳感元件的所有接觸都位于頂表面上。在本發(fā)明的第一個(gè)方案中，提供一種封裝半導(dǎo)體傳感器芯片。該封裝半導(dǎo)體傳感器芯片包括設(shè)有傳感電路并具有頂表面的半導(dǎo)體傳感器芯片，以及 具有頂表面的封裝體，其中半導(dǎo)體傳感器芯片的頂表面在封裝體的頂表面之上或者處
在與封裝體的頂表面大致相同的水平面上。封裝半導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)是，為了執(zhí)行測(cè)量，可以通過(guò)少量流體來(lái)使用 傳感器，因?yàn)樵诜庋b體的頂表面與傳感器的頂表面之間基本上不存在 壁，部分流體會(huì)粘到其上，因此該部分對(duì)于測(cè)量而言是被浪費(fèi)掉了。 此外，與現(xiàn)有技術(shù)的傳感器芯片相比，根據(jù)本發(fā)明的封裝半導(dǎo)體傳感 器芯片具有改良的檢測(cè)精確度。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，封裝體的頂表面與半導(dǎo)體傳感器芯片的頂表面之間的距離在0到50lim之間。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，封 裝體的頂表面與半導(dǎo)體傳感器芯片之間的距離小于30 u m，優(yōu)選地小 于20um，更為優(yōu)選地小于10um，且最為優(yōu)選地小于5 U m，即在 0至[J 5ym之間。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，封裝半導(dǎo)體傳感器芯片還可以包括用于 形成至半導(dǎo)體傳感器芯片的電連接的引線指或互連。引線指可以具有5到15wm之間的厚度且具有50到100 lim之間的寬度。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，還被稱為導(dǎo)電引線或互連的引線指可以盡可能地薄以便弓I線指和傳感器芯片之間的高度差盡可能地小。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，封裝半導(dǎo)體傳感器芯片可以具有凹陷的邊 緣。當(dāng)根據(jù)該實(shí)施例的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片浸入在流體中時(shí)，所述 流體例如為液體或氣體，在使用時(shí)，基本上半導(dǎo)體傳感器芯片的整個(gè) 頂表面將與流體接觸，并且不會(huì)發(fā)生要被檢測(cè)的材料在半導(dǎo)體傳感器 的壁上的損耗，因?yàn)橄鄬?duì)于現(xiàn)有技術(shù)的封裝傳感器芯片，從引線指向 下到半導(dǎo)體傳感器芯片基本上不存在壁。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，引線指可以設(shè)有電絕緣涂層，例如有 機(jī)或無(wú)機(jī)層，以便與包括至少一種要被檢測(cè)的分析物的流體電絕緣， 這是因?yàn)榱黧w通?？梢允菍?dǎo)電的。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以通過(guò)將封裝傳感器芯片浸入在流體中 來(lái)將包括至少一種要被檢測(cè)的分析物的流體施加到封裝半導(dǎo)體傳感
器芯片。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以通過(guò)將流體噴射在封裝半導(dǎo)體傳感 器芯片上來(lái)施加流體。此外，在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，還可以以其 它任何適當(dāng)?shù)姆绞?，例如在液態(tài)情況下可以通過(guò)微量吸管，將流體施 加到封裝半導(dǎo)體傳感器芯片。在可選實(shí)施例中，包括至少一種要被檢測(cè)的分析物的流體可以包 含在與傳感器封裝體分離的含流體元件中。在該情況下，包括要被檢 測(cè)的分析物的流體包含在一次性"生物"部件中，該部件與可再利用 的傳感器頭分離且可以施加到可再利用的傳感器頭。例如，含流體元 件可以是阱或具有非常薄的底部或壁的橫向流動(dòng)器件。可以將傳感器 封裝體按壓到含流體元件的底部或壁上，以允許檢測(cè)存在于流體中的 分析物。此外，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，封裝半導(dǎo)體傳感器芯片還可以包括由 生物相容材料構(gòu)成的涂層，即其可以由適合于生物測(cè)量的材料制成。 生物相容材料例如可以由適用于結(jié)合生物材料的材料制成，該材料例 如為聚苯乙烯、尼龍、或硝化纖維。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，涂 層可以由顯示出低生物性結(jié)合或低特異性結(jié)合的材料例如聚乙二醇 形成，或由現(xiàn)有技術(shù)中公知的具有低非特異性結(jié)合的其它任何材料形 成。在后一種情況下，涂層首先需要被生物激活，以便在傳感器芯片 附近將生物受體分子耦合到該涂層?？梢砸圆煌姆绞綄⑼繉邮┘拥椒庋b體。例如，可以從溶液中施 加材料，例如通過(guò)接觸印刷、不接觸印刷、噴射或旋涂來(lái)進(jìn)行。還可 以通過(guò)將箔層疊到封裝體上，例如通過(guò)將薄箔附著到封裝體上(例如 通過(guò)使用膠或通過(guò)熱處理來(lái)進(jìn)行)，來(lái)施加涂層材料。還可以將混合 材料施加到封裝體，例如承載諸如適用于結(jié)合生物材料的硝化纖維的材料的塑料薄片。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，涂層可以具有O.l到30ixm 之間的厚度。根據(jù)本發(fā)明的第一方案的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片例如可以為生
物傳感器或化學(xué)傳感器。在本發(fā)明的第二方案中，提供用于制造封裝半導(dǎo)體傳感器芯片的 方法。該方法包括提供設(shè)有傳感電路且具有第一頂表面的半導(dǎo)體傳感器芯片， 提供具有第二頂表面的臨時(shí)基板，該第二頂表面包括至少一個(gè)引線指，將傳感器芯片附著到臨時(shí)基板，第一頂表面面向第二頂表面，向傳感器芯片提供封裝體，以及除去所述臨時(shí)基板，其中執(zhí)行將半導(dǎo)體傳感器芯片附著到臨時(shí)基板，使得半導(dǎo)體傳感 器芯片的頂表面在封裝體的頂表面之上或者處在與封裝體的頂表面 大致相同的水平面上。根據(jù)本發(fā)明的第二方案的方法的優(yōu)點(diǎn)是，其導(dǎo)致可以利用少量流 體來(lái)使用的封裝半導(dǎo)體傳感器件，因?yàn)樵诜庋b體的頂表面與傳感器芯 片的頂表面之間基本上不存在壁，部分流體會(huì)粘到其上，因此該部分 對(duì)于測(cè)量而言是被浪費(fèi)掉了。此外，該方法導(dǎo)致相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的傳 感器芯片具有改善的檢測(cè)精確度的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以通過(guò)焊接工藝、超聲波鍵合或膠合中 的一種來(lái)執(zhí)行將半導(dǎo)體傳感器芯片附著到臨時(shí)基板上的步驟。根據(jù)本 發(fā)明的實(shí)施例，通過(guò)焊接工藝將半導(dǎo)體傳感器芯片附著到臨時(shí)基板 上。該焊接方法可以包括在半導(dǎo)體傳感器芯片的基板的上表面處設(shè)置焊球，將傳感器芯片附著到臨時(shí)基板，以及熔化所述焊球。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以通過(guò)利用適當(dāng)?shù)奈g刻溶劑的濕法蝕刻 來(lái)執(zhí)行除去臨時(shí)基板的步驟。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該方法還可以包括在封裝半導(dǎo)體傳感器芯
片的頂部上設(shè)置由生物相容材料構(gòu)成的涂層。涂層的厚度可以在0.1到30um之間。生物相容材料例如可以為適用于結(jié)合生物材料的材 料，例如聚苯乙烯、尼龍或硝化纖維。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例， 涂層可以由顯示出低生物或特定結(jié)合的材料例如聚乙二醇形成，或由 現(xiàn)有技術(shù)中公知的具有低非特定結(jié)合的其它任何材料形成。在后一種 情況下，涂層首先需要被生物激活，以便在傳感器芯片附近將生物受 體分子耦合到該涂層。可以以不同的方式將由生物相容材料構(gòu)成的涂層施加到封裝體。 例如，可以從溶液中施加材料，例如通過(guò)接觸印刷、不接觸印刷、噴 射或旋涂來(lái)進(jìn)行。還可以通過(guò)將箔層疊到封裝體上，例如通過(guò)將薄箔 附著到封裝體上(例如通過(guò)使用膠或通過(guò)熱處理來(lái)進(jìn)行)，來(lái)施加涂 層材料。還可以將混合材料施加到封裝體，例如承載諸如適用于結(jié)合 生物材料的硝化纖維的材料的塑料薄片。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該方法還包括提供具有基板頂表面的基板，并且在所述基板頂表面上包括至少 兩個(gè)傳感電路以形成不同的傳感器芯片，在所述至少兩個(gè)傳感電路之間設(shè)置凹槽， 將焊球設(shè)置到基板頂表面上，以及在將所述傳感器芯片附著到臨時(shí)基板之前將基板分離成多個(gè)傳 感器芯片。在本發(fā)明的第三方案中，可以在分子診斷學(xué)中使用根據(jù)本發(fā)明的 第一方案的封裝傳感器。通過(guò)以下結(jié)合附圖進(jìn)行的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的上述和其它特性、 特征以及優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，其中所述附圖以舉例的方式示出本發(fā) 明的原理。該說(shuō)明僅為示例性的，而非限制本發(fā)明的范圍。以下所引 用的參考圖是指附圖。 圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的封裝生物傳感器；圖2示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片；圖3至6示出根據(jù)圖2的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片的制造中的連續(xù) 步驟；圖7示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片； 圖8至10示出具有凹陷邊緣的半導(dǎo)體傳感器芯片的制造中的連 續(xù)步驟；圖11至14示出根據(jù)圖7的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片的制造中的連 續(xù)步驟；圖15示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片。 在不同的圖中，相同的參考標(biāo)記表示相同或相似的元件。將關(guān)于具體實(shí)施例和參考特定的附圖來(lái)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明，但本 發(fā)明不限于此，而僅受權(quán)利要求書的限制。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何 參考標(biāo)記解釋為限制范圍。所述附圖僅為示意性的而非限制性的。在 附圖中，為了示例性的目的， 一些元件的尺寸可以放大且未按比例繪 制。其中當(dāng)涉及單數(shù)名詞例如"一"、"一個(gè)""這個(gè)"時(shí)使用不定或 定冠詞，這包括該名詞的復(fù)數(shù)，除非特別陳述另外的情況。此外，說(shuō)明書和權(quán)利要求書中的術(shù)語(yǔ)第一、第二、第三等用于相 似元件之間的區(qū)分，而不必用于描述次序或時(shí)間順序。應(yīng)該理解的是， 所使用的術(shù)語(yǔ)在適當(dāng)?shù)那樾蜗率强苫Q的，且本文中所描述的本發(fā)明 的實(shí)施例能夠按照除本文所述或所示順序之外的其它順序來(lái)操作。此外，說(shuō)明書和權(quán)利要求書中的術(shù)語(yǔ)頂部、底部、之上、之下等 用于說(shuō)明的目的，而不必用于描述相對(duì)位置。應(yīng)該理解的是，所使用 的術(shù)語(yǔ)在適當(dāng)?shù)那樾蜗率强苫Q的，且本文中所描述的本發(fā)明的實(shí)施 例能夠按照除本文所述或所示方向之外的其它方向來(lái)操作。值得注意的是，權(quán)利要求書中使用的術(shù)語(yǔ)"包括"不應(yīng)該被解釋
為限于其后所列的手段，其不排斥其它元件或步驟。因此應(yīng)該將其解 釋為指定如所提及的所述特征、整體、步驟或部件的存在，而不排除 一個(gè)或多個(gè)其它特征、整體、步驟或部件、或其組合的存在或添加。 因此，不應(yīng)該將措辭"包括裝置A和B的器件"的范圍限于僅由部件A和B組成的器件。這意味著對(duì)于本發(fā)明，器件的相關(guān)部件僅為 A和B。本發(fā)明提供一種封裝半導(dǎo)體傳感器芯片，其中半導(dǎo)體傳感器芯片 的頂表面在封裝體的頂表面之上或處于與封裝體的頂表面大致相同 的平面上。這具有可以使用少量的流體來(lái)用于將要進(jìn)行的測(cè)量的優(yōu) 點(diǎn)，因?yàn)樵诜庋b體的頂表面與傳感器芯片的頂表面之間基本上不存在 壁，部分流體會(huì)粘到其上，因此該部分對(duì)于測(cè)量而言是被浪費(fèi)掉了。 此外，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的傳感器芯片，根據(jù)本發(fā)明的封裝半導(dǎo)體傳感 器芯片具有改善的檢測(cè)精確度。封裝半導(dǎo)體傳感器芯片可以用于檢測(cè)存在于諸如血液、血清、血 漿、唾液、組織提取液、組織間隙液、細(xì)胞培養(yǎng)提取液、食物或詞料 提取液、飲用水……的流體中的至少一種分析物，例如蛋白質(zhì)、病毒、 細(xì)菌、細(xì)胞成分、細(xì)胞膜、孢子、DNA、 RNA……。流體可以是液 體或氣體，還可以是包括至少一種要被檢測(cè)的發(fā)光粒子的真空?？梢詫⒎庋b半導(dǎo)體傳感器芯片浸入在包含要被檢測(cè)的分析物的 流體中。然而，對(duì)于特殊的應(yīng)用，不需要將封裝半導(dǎo)體傳感器芯片浸 入在流體中，而可以例如將流體噴射在封裝半導(dǎo)體傳感器芯片上。此 外，還可以以其它任何適當(dāng)?shù)姆绞?，例如在液體的情況下通過(guò)微量吸 管，將流體施加到封裝半導(dǎo)體傳感器芯片?；蛘撸ㄖ辽僖环N要被檢測(cè)的分析物的流體包含在含流體元件 中，該元件與封裝半導(dǎo)體傳感器芯片分離。在該情況下，包括要被檢 測(cè)的分析物的流體包含在一次性"生物"部件中，該部件與可再利用 的傳感器頭分離且可以施加到可再利用的傳感器頭。例如，含流體元
件可以是阱或具有非常薄的底部或壁的橫向流動(dòng)器件?？梢詫鞲衅?封裝體按壓到含流體元件的底部或壁上，以允許檢測(cè)存在于流體中的 分析物。在圖2中，示意性示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片10。封裝半導(dǎo)體傳感器芯片IO包括封裝體13，其頂表面在封 裝半導(dǎo)體傳感器芯片11的頂表面之下。封裝體13的頂表面與傳感器 芯片11的頂表面之間的距離可以在0到50 u m之間。在本發(fā)明的實(shí) 施例中，半導(dǎo)體傳感器芯片11的頂表面可以處于與封裝體13的頂表 面大致相同的水平面上。優(yōu)選地，半導(dǎo)體傳感器芯片11可以包括硅，但也可以包括GaAs 或其它任何適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體材料。例如，半導(dǎo)體傳感器芯片11為1.4mm X1.5mm。必須理解的是，這僅僅是一個(gè)例子，而且根據(jù)本發(fā)明可以 使用具有不同尺寸的半導(dǎo)體傳感器芯片11。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以將半導(dǎo)體傳感器芯片11連接到例如 以引線框架狀的互連箔的形式所提供的引線框架上。采用"引線框架" 意味著引出指12，其為導(dǎo)電指，例如金屬指，旨在通過(guò)指鍵合(fmger bonding)連接到半導(dǎo)體傳感器芯片11，例如通過(guò)對(duì)諸如金屬帶的導(dǎo) 電帶進(jìn)行沖壓或光加工來(lái)制造諸如金屬指的導(dǎo)電指。在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片10中，互連或?qū)?電引線I2位于與傳感器芯片11的頂表面大致相同的水平面上或者甚 至在傳感器芯片11的頂表面的水平面之下。這與現(xiàn)有技術(shù)的封裝半 導(dǎo)體傳感器芯片相反，其中通過(guò)需要在傳感器芯片表面之上有預(yù)定高 度的引線鍵合來(lái)形成到外界的導(dǎo)電互連，以致于包括這種引線鍵合的 封裝體的頂表面位于傳感器芯片的頂表面之上的位置處。圖3至圖6示出用于制造圖2所示的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片10 的連續(xù)工藝步驟。為了簡(jiǎn)潔，在這些附圖中僅示出一個(gè)器件的橫截面。 然而，實(shí)際上，本發(fā)明還可以應(yīng)用于半導(dǎo)體傳感器芯片U的陣列。 在圖3所示的第一步驟中，提供臨時(shí)基板14，其可以是諸如銅 基板的金屬基板，或其它任何適當(dāng)?shù)幕?。臨時(shí)基板14可以具有與 易于操縱標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備有關(guān)的厚度，并且該厚度優(yōu)選在50到100um之 間。臨時(shí)基板14包括隔離物15，例如密封環(huán)，以及導(dǎo)電引線或引線 指12。例如，隔離物15，例如密封環(huán)，可以包括光可限定的聚合物， 例如苯并環(huán)丁烯(BCB)或SU-8。隔離物15的高度可以在5到15 Pm之間。隔離物15的作用是在進(jìn)一步的封裝步驟(見下文)期間利用封裝材料來(lái)密封傳感電路。導(dǎo)電引線12可以具有5到15ixm之間的厚度，例如lOiam，以 及50到lOOum之間的寬度，例如75"m。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例， 導(dǎo)電引線12也被稱為互連，可以盡可能地薄以便導(dǎo)電引線12與傳感 器芯片11的頂表面之間的高度差盡可能地小(見后)。根據(jù)實(shí)施例，當(dāng)引線指12直接與包括要被檢測(cè)的分析物的流體 直接接觸時(shí)，引線指12可以設(shè)有電絕緣涂層，例如其可以為有機(jī)層 (例如由諸如polysterene、環(huán)氧樹脂的光刻膠、或可以旋涂到基板上 的其它任何適當(dāng)?shù)牟牧蠘?gòu)成的旋涂層)或無(wú)機(jī)層(例如諸如Si02的 氧化物或諸如Si3N4的氮化物)，以便將它們與樣品流體電絕緣，因?yàn)?這種流體通?？梢詫?dǎo)電。接下來(lái)，根據(jù)所述實(shí)施例，通過(guò)使用倒裝片技術(shù)將半導(dǎo)體傳感器 芯片11附著到臨時(shí)基板14。半導(dǎo)體傳感器芯片11包括基板16和傳 感電路17。例如通過(guò)焊接、超聲波鍵合或粘合將半導(dǎo)體傳感器芯片 11附著到臨時(shí)基板14。超聲波鍵合是在沒有加熱的情況下使用超聲 波能量和壓力形成鍵合的鍵合技術(shù)。在圖4所示的例子中，通過(guò)焊接 將半導(dǎo)體傳感器芯片11附著到臨時(shí)基板"。因此，在半導(dǎo)體傳感器 芯片基板16的上表面19上，即在半導(dǎo)體傳感器芯片基板16包括傳 感電路17的一側(cè)上，設(shè)置焊球18。然后將半導(dǎo)體傳感器芯片11設(shè)
置到臨時(shí)基板14上，其頂表面20朝向臨時(shí)基板14。將半導(dǎo)體傳感 器芯片11設(shè)置成使得焊球18與臨時(shí)基板14上的導(dǎo)電引線12接觸且 然后熔化焊球18以在導(dǎo)電引線12與焊球18之間形成物理和電連接。 該步驟在圖4中示出。在將半導(dǎo)體傳感器芯片11附著到臨時(shí)基板14之后，提供傳感器 芯片封裝體13。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，這可以通過(guò)成型例如通過(guò)包 覆成型(overmoulding)來(lái)進(jìn)行。包覆成型工藝通常包括兩個(gè)主要種 類，即鑲嵌成型和多注射成型。在鑲嵌成型工藝中，將可以為塑料或 金屬的一個(gè)或多個(gè)子部件放置或嵌入在模具中。這可以手工或自動(dòng)進(jìn) 行。熔化的聚合物，例如熱塑性彈性體(TPE)、熱塑性聚氨酯(TPU)、 加強(qiáng)工程熱塑性塑料(RETP)或其它任何適當(dāng)?shù)木酆衔?，然后被?入到相同的空腔中形成封裝體。多注射成型要求使用多個(gè)注射單位， 每一個(gè)都獨(dú)立地將期望的塑料材料注射到更為復(fù)雜的模具設(shè)計(jì)中形 成多部件組件。例如，成型材料可以是熱固性環(huán)氧樹脂化合物。成型 溫度通?？梢詾?60。C且成型壓力通常為50Bar。在圖6所示的下一個(gè)步驟中，除去臨時(shí)基板14。這可以通過(guò)本 領(lǐng)域技術(shù)人員公知的技術(shù)來(lái)進(jìn)行，例如通過(guò)使用適當(dāng)?shù)奈g刻溶液的濕 法選擇性蝕刻來(lái)進(jìn)行。例如，在臨時(shí)基板14由銅形成的情況下，可 以通過(guò)使用酸性溶劑，優(yōu)選為氯化鐵溶液，來(lái)執(zhí)行濕法蝕刻，因?yàn)樵?氯化鐵與銅的反應(yīng)中不產(chǎn)生明顯的煙或氣體。這樣，獲得根據(jù)本發(fā)明 第一實(shí)施例的在封裝體13的頂部上具有引線指12的封裝半導(dǎo)體傳感 器芯片10。在根據(jù)第一實(shí)施例的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片11中，傳感器芯片 U的頂表面20上的互連的總厚度可以在0到50iim之間，且優(yōu)選地 小于30um，優(yōu)選地小于20um，更為優(yōu)選地小于10 u m，且最為優(yōu) 選地小于5ixm，并且因此半導(dǎo)體傳感器芯片11的頂表面與封裝體 13的頂表面之間的距離也可以在0到50nm之間，且優(yōu)選地小于30wm，優(yōu)選地小于20um，更為優(yōu)選地小于lOixm，且最為優(yōu)選地小 于5um。關(guān)于互連的總厚度，在給定的例子中，是指導(dǎo)電引線12的 厚度與焊球18的厚度之和。這意味著傳感電路17和導(dǎo)電引線12大 體上處在同一平面內(nèi)。因此，可以通過(guò)導(dǎo)電引線12的厚度來(lái)控制傳 感器芯片11的頂表面20與封裝體13的頂表面之間的距離。在上文中，通過(guò)提供和熔化焊球18來(lái)說(shuō)明將臨時(shí)基板14附著到 半導(dǎo)體傳感器芯片11。然而，在根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例中，代替 焊球18，還可以使用焊接材料的薄層，金突起或膠來(lái)將臨時(shí)基板14 附著到半導(dǎo)體傳感器芯片11。在使用焊接材料的薄層、金突起或具 有導(dǎo)電粘合劑的膠的情況下，關(guān)于互連的總厚度是指導(dǎo)電引線12的 厚度與用于將半導(dǎo)體傳感器芯片11附著到臨時(shí)基板14的材料的厚度 之和。由于以上所述，在根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的封裝半導(dǎo)體傳感器芯 片10中，半導(dǎo)體傳感器芯片11的頂表面20基本上與封裝體13的頂 表面處于相同的水平面?；ミB或引線12基本上與半導(dǎo)體傳感器芯片 11的頂表面20處于相同的水平面。這意味著，在使用中，當(dāng)將封裝半導(dǎo)體傳感器芯片11浸入在流體中時(shí)，該流體例如為液體或氣體， 基本上半導(dǎo)體傳感器芯片ii的整個(gè)頂表面20將與流體接觸，并且不會(huì)發(fā)生例如由于粘到半導(dǎo)體傳感器的壁上而引起的要被檢測(cè)的材料 的損耗，因?yàn)橄鄬?duì)于現(xiàn)有技術(shù)的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片，根據(jù)本發(fā)明 從封裝體13的頂表面向下到半導(dǎo)體傳感器芯片11的頂表面20基本 上不存在壁。在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，提供封裝半導(dǎo)體傳感器芯片10，其 中半導(dǎo)體傳感器芯片ii的頂表面20處于與封裝體13的頂表面相同 的水平面上或在其之上。半導(dǎo)體傳感器芯片11的頂表面20還可以在 互連平面之上(參見圖7)。由于該原因，首先提供具有凹陷邊緣的半導(dǎo)體傳感器芯片11。
圖8至IO示出這種具有凹陷邊緣的半導(dǎo)體傳感器芯片11的制造中的 連續(xù)步驟。在第一步驟中，提供包括至少兩個(gè)用于形成不同半導(dǎo)體傳感器芯 片ll的傳感電路(未在圖中示出)的基板21。在下一步驟中，在基板21中提供凹槽22 (參見圖8)。基板21優(yōu)選可以包括Si，但也可 以包括GaAs或其它任何適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體材料。凹槽22的深度d可以 在30到50um之間并且其寬度w由半導(dǎo)體傳感器芯片11與引線12 的互連所需的寬度的兩倍來(lái)確定。寬度w可以為大約300iim。根據(jù) 本發(fā)明的實(shí)施例，凹槽22可以在基板21的整個(gè)長(zhǎng)度上延伸。例如如 果在基板21上按陣列設(shè)置傳感電路，則可以在例如基本上相互垂直 的兩個(gè)方向上設(shè)置凹槽，以便準(zhǔn)備設(shè)置在基板21上的至少兩個(gè)傳感 電路之間的分割。在該第二實(shí)施例中，通過(guò)凹槽22的深度減去互連引線12的厚度 來(lái)確定半導(dǎo)體傳感器芯片11的表面與引線12之間的距離。在圖9所示的下一步驟中，基板21的頂表面23設(shè)有互連突起， 在圖9給出的例子中，其為焊球18，用于在稍后的階段將半導(dǎo)體傳 感器芯片11附著到臨時(shí)基板14 (見后)。在根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施 例中，互連突起還可以是金突起或?qū)щ娬澈蟿?。在傳感電路的周圍?在凹槽中設(shè)置互連突起。之后，不同的半導(dǎo)體傳感器芯片11彼此分 離(參見圖10)。這可以通過(guò)本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的常規(guī)技術(shù)來(lái)進(jìn)行。 每一個(gè)半導(dǎo)體傳感器芯片11包括基板16和傳感電路(未在圖中示出)。在根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例中，可以在半導(dǎo)體芯片ll彼此分離 之后，換句話說(shuō)，在切割之后，施加互連突起。然而，這較不是優(yōu)選 的。其原因在于主要是從制造的角度來(lái)進(jìn)行考慮，因?yàn)楦菀滋幚磔^ 大的晶片。其上必須要處理器件的晶片變得越小，組裝變得越復(fù)雜。 對(duì)根據(jù)第二實(shí)施例的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片10的進(jìn)一步處理與 針對(duì)本發(fā)明第一實(shí)施例的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片10所討論的工藝相
似。在圖11到14中示出連續(xù)的工藝步驟。提供臨時(shí)基板14，例如，其可以為諸如銅基板底的金屬基板， 或其它任何適當(dāng)?shù)幕?。臨時(shí)基板14可以具有50到100um之間的 厚度且包括導(dǎo)電引線12 (參見圖ll)。導(dǎo)電引線12可以具有5到15 ixm之間的厚度，例如10iim。根據(jù)本發(fā)明，導(dǎo)電引線12或互連可 以盡可能地薄。臨時(shí)基板14還可以包括處在使傳感電路突出的位置 處的凹陷區(qū)域。為了使附圖清楚，這并未在圖11至13中示出。當(dāng)臨 時(shí)基板14具有這種凹陷區(qū)域時(shí)，半導(dǎo)體傳感器芯片11的頂表面20 將在封裝體13的頂表面之上。當(dāng)在臨時(shí)基板14中不存在這種凹陷區(qū) 域時(shí)，半導(dǎo)體傳感器芯片11的頂表面20將處于與封裝體13的頂表 面相同的水平面上。然后將半導(dǎo)體傳感器芯片11設(shè)置到臨時(shí)基板14上，其上表面 20朝向臨時(shí)基板14。接下來(lái)，通過(guò)利用倒裝片技術(shù)將半導(dǎo)體傳感器 芯片11設(shè)置到臨時(shí)基板14上。在給定的例子中，通過(guò)焊接在形成具 有凹陷邊緣的半導(dǎo)體傳感器芯片11期間提供的焊球18，將半導(dǎo)體傳 感器芯片11附著到臨時(shí)基板14。將半導(dǎo)體傳感器芯片11設(shè)置成使得 焊球18與導(dǎo)電引線12接觸且然后熔化焊球18。該步驟在圖12中示 出。在將半導(dǎo)體傳感器芯片11附著到臨時(shí)基板14之后，提供傳感器 芯片封裝體13 (參見圖13)。根據(jù)本發(fā)明，例如這可以通過(guò)包覆成型 來(lái)實(shí)現(xiàn)，如上所述。在根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例中，通過(guò)利用例如環(huán) 氧樹脂來(lái)填充或覆蓋半導(dǎo)體傳感器芯片11和臨時(shí)基板14進(jìn)行提供傳 感器芯片封裝體13。封裝體材料例如可以為塑料或金屬，例如熔化 的聚合物，如熱塑性彈性體(TPE)、熱塑性聚氨酯(TPU)、加強(qiáng)工 程熱塑性塑料(RETP)或其它任何適當(dāng)?shù)木酆衔?。在圖14所示的下一步驟中，除去臨時(shí)基板14。這可以通過(guò)本領(lǐng) 域技術(shù)人員公知的技術(shù)來(lái)進(jìn)行，例如通過(guò)使用適當(dāng)?shù)奈g刻溶液的濕法
選擇性蝕刻來(lái)進(jìn)行。例如，在臨時(shí)基板14由銅形成的情況下，可以 通過(guò)使用酸性溶劑，優(yōu)選為氯化鐵溶液，來(lái)執(zhí)行濕法蝕刻，因?yàn)樵诼?化鐵與銅的反應(yīng)中不產(chǎn)生明顯的煙或氣體。這樣，獲得根據(jù)本發(fā)明第 二實(shí)施例的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片10，其中半導(dǎo)體傳感器芯片11的頂表面20與封裝體13的頂表面處于相同的水平面上(？)，或者半導(dǎo) 體傳感器芯片11的頂表面20在封裝體13的頂表面之上。根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的半導(dǎo)體傳感器芯片IO意味著，當(dāng)封裝 半導(dǎo)體傳感器芯片IO浸入在流體中時(shí)，所述流體例如為液體或氣體， 在使用時(shí)，基本上半導(dǎo)體傳感器芯片11的整個(gè)頂表面20將與流體接 觸，并且不會(huì)發(fā)生要被檢測(cè)的材料在半導(dǎo)體傳感器的壁上的損耗，因 為相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的封裝傳感器芯片，從引線向下到半導(dǎo)體傳感器芯 片11的頂表面20基本上不存在壁。在本發(fā)明的第三實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明第一或第二實(shí)施例的封裝 半導(dǎo)體傳感器芯片10還可以包括生物相容的薄頂部涂層24，即薄頂 部涂層24可以由適于生物測(cè)量的材料制成，且其可以具有0.1 u m到 30iim之間的厚度，優(yōu)選在lum到10um之間。生物相容材料例如 可以為適合于結(jié)合生物材料的材料，例如聚苯乙烯、尼龍、或硝化纖 維。根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例，涂層可以由顯示出低生物或特定結(jié)合 的材料例如聚乙二醇形成，或由現(xiàn)有技術(shù)中公知的具有低非特定結(jié)合 的其它任何材料形成。在后一種情況下，涂層24首先需要被生物激 活，以便在半導(dǎo)體傳感器芯片11附近將生物受體分子耦合到涂層24?？梢砸圆煌姆绞綄⑼繉?4施加到封裝體13。例如，可以從溶 液中施加材料，例如通過(guò)接觸印刷、不接觸印刷、噴射或旋涂來(lái)進(jìn)行。 還可以通過(guò)將箔層疊到封裝體13上，例如通過(guò)將薄箔附著到封裝體 13上，來(lái)施加涂層24的材料。例如，這可以通過(guò)使用膠或通過(guò)熱處 理來(lái)進(jìn)行。還可以將混合材料施加到封裝體13，例如承載諸如硝化 纖維的材料的塑料薄片。 由于根據(jù)第一和第二實(shí)施例的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片11基本上 是平的，而使得可以以良好的完整性、連續(xù)性和均勻性來(lái)施加生物相 容材料?？梢酝ㄟ^(guò)任何適當(dāng)沉淀方法，例如印刷、旋涂、噴射或蒸發(fā)， 來(lái)執(zhí)行生物相容材料的沉積。該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是用于電子部件例如傳感電路17的材料與生物 材料去耦，即不直接接觸，從而這些系統(tǒng)可以被獨(dú)立地優(yōu)化。本發(fā)明的實(shí)施例提供一種用于提供具有至外界環(huán)境的互連的封 裝半導(dǎo)體傳感器芯片10的解決方案，其中傳感電路17的接觸以及其 傳感元件都位于傳感器芯片11的頂表面上?；ミB可以用于將封裝傳感器芯片IO連接至例如用于從封裝半導(dǎo)體芯片IO提取測(cè)量結(jié)果的讀取器件。與現(xiàn)有技術(shù)中的用于提供互連的方法(例如引線鍵合或安裝) 相比，根據(jù)本發(fā)明的方法不增加半導(dǎo)體傳感器芯片的任何高度，因此 產(chǎn)生其傳感器芯片的頂表面在封裝體的頂表面之上或者與封裝體的 頂表面處于相同的水平面上的封裝傳感器芯片，通過(guò)其使要被檢測(cè)的 材料的損耗最小化，且因此優(yōu)化檢測(cè)結(jié)果。此外，由于互連并沒有引 入額外的高度，所以該封裝半導(dǎo)體傳感器芯片可以用于微流體系統(tǒng)， 其中僅向傳感器提供少量流體，且因此盡可能地使流體的損耗最小 化。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片可以用作生物傳感 器或化學(xué)傳感器，并且可以應(yīng)用于分子診斷。應(yīng)該理解的是，雖然在本文中對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的器件已經(jīng)討論了 優(yōu)選實(shí)施例、具體結(jié)構(gòu)和配置、以及材料，但是在不脫離本發(fā)明的范 圍和實(shí)質(zhì)精神的情況下，可以作出形式和細(xì)節(jié)上的各種變化和修改。
權(quán)利要求
1、一種封裝半導(dǎo)體傳感器芯片(10)，包括設(shè)有傳感電路(17)并具有頂表面(20)的半導(dǎo)體傳感器芯片(11)，以及具有頂表面的封裝體(13)，其中所述半導(dǎo)體傳感器芯片(11)的所述頂表面(20)在所述封裝體(13)的所述頂表面之上或者處在與所述封裝體的所述頂表面大致相同的水平面上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片(10)，其中所 述封裝體(13)的所述頂表面與所述半導(dǎo)體傳感器芯片(1)的所述 頂表面(20)之間的距離在0到50um之間。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片(10)，還包括 用于形成至所述半導(dǎo)體傳感器芯片(11)的電連接的引線指(12)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片(10)，其中所 述引線指(12)具有在5到15ixm之間的厚度。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片(10)，其中所 述傳感器芯片(11)具有凹陷邊緣。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片(10)，還包括 由生物相容材料構(gòu)成的涂層(24)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片(10)，其中所 述涂層(24)具有在O.l到30pm之間的厚度。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片(10)，其中所 述傳感器芯片為生物傳感器。
9、 一種用于制造封裝半導(dǎo)體傳感器芯片(10)的方法，該方法 包括提供具有傳感電路(17)且具有第一頂表面(20)的半導(dǎo)體傳感 器芯片(11)，提供具有第二頂表面的臨時(shí)基板(14)，該第二頂表面包括至少 一個(gè)引線指(12)，將所述傳感器芯片(11)附著到所述臨時(shí)基板(14)，所述第一 頂表面(20)面向所述第二頂表面，向所述傳感器芯片(11)提供封裝體(13)，以及除去所述臨時(shí)基板(14)，其中執(zhí)行將所述半導(dǎo)體傳感器芯片(11)附著到所述臨時(shí)基板 (14)，使得所述半導(dǎo)體傳感器芯片(11)的所述頂表面(20)在所 述封裝體(13)的所述頂表面之上或者處在與所述封裝體(13)的所 述頂表面大致相同的水平面上。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中通過(guò)焊接工藝、超聲波鍵 合或粘合中的一種來(lái)執(zhí)行將所述半導(dǎo)體傳感器芯片(11)附著到所述 臨時(shí)基板(14)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法，其中通過(guò)焊接工藝執(zhí)行將所 述半導(dǎo)體芯片(11)附著到所述臨時(shí)基板(14)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述焊接工藝包括在所述半導(dǎo)體傳感器芯片(11)的基板(16)的上表面(19)處 設(shè)置焊球(18)，將所述傳感器芯片(11)附著到所述臨時(shí)基板(14)，以及 熔化所述焊球(18)。
13、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中通過(guò)濕法蝕刻工藝來(lái)執(zhí)行 除去所述臨時(shí)基板(14)。
14、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，該方法還包括在所述封裝半導(dǎo) 體傳感器芯片(11)的頂部上設(shè)置由生物相容材料構(gòu)成的涂層(23)。
15、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，該方法還包括 提供具有基板頂表面的基板(21)，并且在所述基板頂表面上包括至少兩個(gè)傳感電路(17)以形成不同的傳感器芯片(11)， 在所述至少兩個(gè)傳感電路(17)之間設(shè)置凹槽(21)， 將焊球(18)設(shè)置到所述基板頂表面上，以及 在將傳感器芯片(11)附著到所述臨時(shí)基板(14)之前將所述基板(21)分離成多個(gè)傳感器芯片(1)。
16、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，該方法還包括在所述封裝半 導(dǎo)體傳感器芯片(11)的頂部上設(shè)置由生物相容材料構(gòu)成的涂層(23 )。
17、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片(10)在分子 診斷中的應(yīng)用。
18、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的封裝半導(dǎo)體傳感器芯片(10)在分子診斷中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明提供一種封裝半導(dǎo)體傳感器芯片，其中使傳感電路(17)處在與封裝體(13)大致相同的水平面上或在封裝體(13)的水平面之上。由此，當(dāng)將傳感器侵入在流體中，特別是侵入在液體中時(shí)，為了檢測(cè)流體中的分析物，基本上半導(dǎo)體傳感器芯片的整個(gè)頂表面將與流體接觸且因此可以優(yōu)化檢測(cè)結(jié)果。
文檔編號(hào)G01N33/487GK101213448SQ200680024355
公開日2008年7月2日 申請(qǐng)日期2006年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月5日
發(fā)明者J·W·威克普, M·W·J·普林斯 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司