專利名稱：基于減薄工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種采用硅襯底減薄工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)的圓片級(jí)封裝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS集成電路工藝制備傳感器芯片，尤其涉及一種低功耗的基于陶瓷封裝的集成風(fēng)速風(fēng)向傳感器。
背景技術(shù)：
在CMOS集成風(fēng)速風(fēng)向傳感器的設(shè)計(jì)中，封裝一直以來是阻礙其發(fā)展的技術(shù)瓶頸。 一方面其封裝材料即要求具有良好的熱傳導(dǎo)性能，又要求對(duì)傳感器具有保護(hù)作用，并且設(shè)計(jì)中還需要考慮到封裝材料對(duì)傳感器靈敏度、可靠性以及價(jià)格等方面的影響，這就限制了傳感器自身封裝設(shè)計(jì)的自由度。另一方面，熱式流量傳感器要求傳感器的敏感部分暴露在測量環(huán)境中，同時(shí)又要求處理電路與環(huán)境隔離，以免影響處理電路的性能，兩者對(duì)封裝的要求產(chǎn)生了矛盾。以往報(bào)道的硅風(fēng)速風(fēng)向傳感器大都將硅片的敏感表面直接暴露在自然環(huán)境中，以便能夠感知外界風(fēng)速變化。這樣一來，硅片很容易受到各種污染，導(dǎo)致其性能的不穩(wěn)定，甚至損壞。如果采用熱導(dǎo)率較高的陶瓷基片，利用倒裝焊封裝或者導(dǎo)熱膠貼附的方式對(duì)傳感器硅芯片進(jìn)行封裝，就能夠較好的避免上述的矛盾，但是封裝后傳感器產(chǎn)生的熱量絕大部分以熱傳導(dǎo)的方式從硅基襯底耗散掉，僅有很小的一部分通過陶瓷與外界空氣進(jìn)行了熱交換，大大降低輸出敏感信號(hào)的幅值，通過增大傳感器的功耗能夠提高敏感信號(hào)的幅值，但又造成整個(gè)傳感器系統(tǒng)較大的功耗。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種采用硅襯底減薄工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)的圓片級(jí)封裝的基于減薄工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)以及封裝形式有利于在保證較大敏感信號(hào)幅值的同時(shí)，傳感器系統(tǒng)具有較低的功耗。本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案一種基于減薄工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，包括減薄硅芯片，所述減薄硅芯片的背面通過導(dǎo)熱膠連接有陶瓷基板，在減薄硅芯片的正面設(shè)有N阱，在N阱上設(shè)有氧化層，在 N阱的中部設(shè)有4個(gè)擴(kuò)散電阻加熱元件及4個(gè)熱傳感測溫元件，4個(gè)熱傳感測溫元件為熱電偶測溫元件且分布于4個(gè)擴(kuò)散電阻加熱元件的四周，在氧化層的邊緣區(qū)域設(shè)有電引出焊盤，4個(gè)擴(kuò)散電阻加熱元件的電引出焊盤及4個(gè)熱傳感測溫元件的電引出焊盤分別通過金屬引線與電引出焊盤連接，在4個(gè)擴(kuò)散電阻加熱元件和4個(gè)熱傳感測溫元件之間設(shè)置有熱隔離槽，所述熱隔離槽深及減薄硅芯片襯底中。本實(shí)用新型利用CMOS工藝在硅基上制備加熱元件和熱傳感測溫元件，利用DRIE 干法刻蝕工藝在加熱元件和熱傳感測溫元件之間制備50微米深的熱隔離槽，用于減小加熱元件和熱傳感測溫元件之間的橫向熱傳導(dǎo)效應(yīng)；利用硅襯底機(jī)械研磨和拋光的減薄工藝對(duì)已包含加熱元件和熱傳感測溫元件的硅芯片襯底進(jìn)行減薄，去掉大部分的硅襯底直至硅襯底的厚度在80微米至100微米范圍內(nèi)，這樣能夠很大程度上降低芯片的熱容量，在提高芯片的靈敏度的同時(shí)能夠降低傳感器的響應(yīng)時(shí)間；利用具有一定熱導(dǎo)率的陶瓷基板通過導(dǎo)熱膠貼封至減薄硅芯片的背面，陶瓷基板一方面保護(hù)減薄硅芯片免于外界環(huán)境的污染和提供機(jī)械支撐，另一方面作為中間的傳熱介質(zhì)實(shí)現(xiàn)減薄硅芯片與外界環(huán)境的熱交換。在對(duì)硅芯片襯底進(jìn)行減薄的過程中，首先利用石蠟將硅芯片貼至載玻片上，利用載玻片對(duì)減薄硅芯片提供必要的機(jī)械支撐，然后利用導(dǎo)熱膠將仍貼有載玻片的減薄硅芯片貼封至陶瓷基板上，最后再熔解石蠟，去除載玻片，完成傳感器的制備，這樣的制備步驟在能夠制備出襯底厚度在80微米到100微米的傳感器芯片，并在傳感器封裝和劃片的整個(gè)后處理過程中對(duì)脆弱的芯片結(jié)構(gòu)提供必要的機(jī)械支撐。本實(shí)用新型通過制備在減薄硅芯片中的加熱元件產(chǎn)生的熱量通過減薄硅芯片的襯底和導(dǎo)熱膠的熱傳導(dǎo)效應(yīng)傳導(dǎo)至陶瓷基板中，在陶瓷基板中建立一個(gè)溫度場，陶瓷基板上表面暴露在外界環(huán)境中，外界環(huán)境中風(fēng)的變化會(huì)影響陶瓷基板中的溫度場分布，通過導(dǎo)熱膠的傳遞能夠?qū)⑻沾苫逯懈淖兊臏囟葓龇植紓骰刂翜p薄硅芯片襯底中，減薄硅芯片中的熱傳感測溫元件通過減薄后的硅襯底測出該溫度場溫度分布的變化情況。在外界無風(fēng)的條件下，溫度場的分布呈現(xiàn)完全對(duì)稱的狀態(tài)。當(dāng)外界有風(fēng)從陶瓷基板上表面吹過時(shí)，風(fēng)將以熱對(duì)流的方式從陶瓷基板上表面帶走部分的熱量，并在陶瓷基板中建立一個(gè)沿風(fēng)向方向的溫度梯度分布場，熱傳感測溫元件通過減薄后的硅襯底和導(dǎo)熱膠的熱傳導(dǎo)作用測出該溫度場分布的變化，進(jìn)而可計(jì)算出風(fēng)速和風(fēng)向的大小。在傳感器結(jié)構(gòu)中，通過導(dǎo)熱膠貼封至減薄硅芯片背面的陶瓷基板一方面用于保護(hù)下層的減薄硅芯片和提供必要的機(jī)械支撐，另一方面又作為感受外界風(fēng)的變化的敏感元件。整個(gè)傳感器只有陶瓷基板的上表面和風(fēng)的環(huán)境接觸，其他元件均通過陶瓷基板與外界環(huán)境隔絕，因此能夠避免受到外界環(huán)境的污染。本實(shí)用新型傳感器的結(jié)構(gòu)適用于制備二維的風(fēng)速風(fēng)向傳感器。本傳感器設(shè)計(jì)方案中，第一步硅芯片制備中，利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制備加熱元件和熱傳感測溫元件；第二步熱隔離槽的制備中，利用DRIE干法刻蝕工藝；第三步硅芯片襯底減薄中，利用硅襯底機(jī)械研磨和拋光的減薄工藝；第四步陶瓷基板貼封封裝中，利用懸涂技術(shù)將導(dǎo)熱膠懸涂至陶瓷基板的背面，然后對(duì)減薄硅芯片的背面進(jìn)行貼封；第五步，劃片。整個(gè)傳感器制備過程與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容，并能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器芯片的圓片級(jí)封裝。本實(shí)用新型獲得如下效果1.本實(shí)用新型利用DRIE干法刻蝕工藝在硅芯片正表面加熱元件和熱傳感測溫元件之間制備50微米深的熱隔離槽，能夠很有效的減小加熱元件和熱傳感測溫元件之間的橫向熱傳導(dǎo)效應(yīng)；利用硅襯底機(jī)械研磨和拋光的減薄工藝對(duì)已包含加熱元件和熱傳感測溫元件的硅芯片襯底進(jìn)行減薄，去掉大部分的硅襯底直至硅襯底的厚度在80微米至100微米范圍內(nèi)，這樣能夠大大減小芯片的熱容量，降低傳感器的熱響應(yīng)時(shí)間和提高傳感器的靈敏度。2.在減薄硅芯片正表面具有熱隔離槽的芯片結(jié)構(gòu)形式能夠使加熱元件產(chǎn)生的熱量絕大部分通過減薄后的硅襯底垂直傳導(dǎo)至減薄硅芯片背面，能夠很大程度上隔絕加熱元件和熱傳感測溫元件之間的橫向熱傳導(dǎo)，如此可以極大程度減小由于硅襯底的熱傳導(dǎo)效應(yīng)造成的不必要的功耗。[0014]3.硅芯片襯底進(jìn)行減薄的過程中，首先利用石蠟將硅芯片正面貼至載玻片上，利用載玻片對(duì)減薄后的減薄硅芯片提供必要的機(jī)械支撐，然后利用導(dǎo)熱膠將仍貼有載玻片的減薄硅芯片背面貼封至陶瓷基板上，最后在80°C -10(TC環(huán)境下熔解石蠟，去除載玻片，完成傳感器的制備，這樣的制備步驟在能夠制備出襯底厚度在80微米到100微米的減薄硅芯片及傳感器封裝和劃片的整個(gè)過程中均對(duì)脆弱的芯片結(jié)構(gòu)提供必要的機(jī)械支撐。4.本實(shí)用新型利用具有一定熱導(dǎo)率的陶瓷基板通過導(dǎo)熱膠貼封至薄膜硅芯片背面，能夠?yàn)榇嗳醯男酒Y(jié)構(gòu)提供必要的機(jī)械支撐，并保護(hù)傳感器免受外界環(huán)境的污染，同時(shí)為減薄硅芯片和外界環(huán)境之間提供熱通路。傳統(tǒng)的CMOS集成風(fēng)速風(fēng)向傳感器，在降低硅基襯底熱傳導(dǎo)方面，一種方法是在硅芯片背面與加熱元件對(duì)應(yīng)區(qū)域利用濕法腐蝕工藝制備隔熱空腔，其缺點(diǎn)在于制備出的熱感應(yīng)薄膜過于脆弱，熱應(yīng)力對(duì)信號(hào)檢測的影響較大，并且無法實(shí)現(xiàn)傳感器的封裝。另一種方法是在加熱元件下面制備多孔硅隔熱層，這樣一來制備工藝與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝不兼容，并且多孔硅的制備工藝一致性較差，提高了后端傳感器信號(hào)調(diào)理的難度。本實(shí)用新型提出的傳感器結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制備，制備熱隔離槽和對(duì)硅芯片襯底進(jìn)行減薄的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效地降低傳感器加熱元件產(chǎn)生的熱量由于熱傳導(dǎo)效應(yīng)造成的熱量損失，使得絕大部分熱量通過陶瓷基板與空氣進(jìn)行熱交換來感知外界環(huán)境中風(fēng)速風(fēng)向的變化；制備出很薄的減薄硅芯片襯底能大大提高傳感器的靈敏度，因此能夠在較低功耗下獲得較大的輸出信號(hào)。這種圓片級(jí)封裝的形式與傳統(tǒng)的單芯片封裝的風(fēng)速風(fēng)向傳感器相比，一方面大大降低了 MEMS 器件的封裝成本，另一方面在很大程度上保證了傳感器封裝造成的偏差的一致性，降低了傳感器后端信號(hào)調(diào)理的成本。

圖1為硅芯片的制備流程步驟1至步驟4的示意圖。圖2為硅芯片的制備流程步驟5至步驟9的示意圖。圖3為硅芯片的制備流程步驟10至步驟13的示意圖。圖4為硅芯片的頂視圖。圖5為對(duì)硅芯片襯底進(jìn)行減薄和貼封陶瓷封裝的驟1至步驟3的示意圖。圖6為對(duì)硅芯片襯底進(jìn)行減薄和貼封陶瓷封裝的驟4至步驟5的示意圖。圖7為最終劃片后的單片傳感器芯片。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1一種基于減薄工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器的制備方法如下第一步，硅芯片的制備步驟1，在硅芯片1表面熱生長第一熱氧化層2 ；步驟2，在第一熱氧化層2上化學(xué)氣相淀積氮化硅層3 ；步驟3，利用RIE技術(shù)對(duì)硅芯片1進(jìn)行刻蝕，定義有源區(qū)4 ；步驟4，化學(xué)氣相淀積第二氧化層5 ；步驟5，利用CMP技術(shù)對(duì)硅芯片1進(jìn)行拋光處理；[0032]步驟6，濕法腐蝕去除氮化硅層3，制備完成場氧化層6 ；步驟7，磷離子注入，制備N阱7 ；步驟8，熱生長柵氧化層8 ；步驟9，硼離子注入，制備加熱元件9和熱傳感測溫元件15的一個(gè)端10 ；步驟10，化學(xué)氣相淀積第三氧化層，其中第一熱氧化層2、第二氧化層5和第三氧化層合并為氧化層11 ；步驟11，利用干法刻蝕工藝制備熱傳感測溫元件15上通孔12和加熱元件9上通孔17;步驟12，利用濺射工藝制備電引出用鋁焊盤14和熱傳感測溫元件15的另一個(gè)端 13以及加熱元件9電引出焊盤18 ；步驟13，利用干法刻蝕工藝在加熱元件9和熱傳感測溫元件15之間制備熱隔離槽 16 ；第二步，減薄和封裝步驟1，在硅芯片1的正面懸涂石蠟層19 ；步驟2，在80°C環(huán)境溫度下通過石蠟層19在硅芯片1的正面粘附載玻片20 ；步驟3，利用減薄工藝對(duì)硅芯片1的襯底進(jìn)行減薄直至襯底厚度為80微米到100 微米范圍，得到減薄硅芯片21 ；步驟4，在減薄硅芯片21背面懸涂導(dǎo)熱膠22，并貼敷陶瓷基板23，在環(huán)境溫度 100°C下對(duì)導(dǎo)熱膠進(jìn)行固化；步驟5，在80°C環(huán)境溫度下去除載玻片20和石蠟層19 ；第三步，劃片，完成風(fēng)速風(fēng)向傳感器的制備。本實(shí)用新型是一種實(shí)現(xiàn)CMOS集成風(fēng)速風(fēng)向傳感器制備以及圓片級(jí)封裝的方案。 傳感器芯片與外界環(huán)境中的風(fēng)相接觸的一側(cè)為陶瓷基板23的上表面，通過導(dǎo)熱膠22與減薄硅芯片21之間建立熱連接，由于陶瓷材料具有一定的熱傳導(dǎo)率，減薄硅芯片21中的加熱元件9產(chǎn)生的熱量通過減薄后的硅襯底和導(dǎo)熱膠22傳導(dǎo)至陶瓷基板23，在陶瓷基板23的上表面建立起一定的溫度場的分布。在無風(fēng)條件下該溫度場在陶瓷基板23上圍繞陶瓷基板23中心呈對(duì)稱分布；在外界環(huán)境存在一定風(fēng)速的條件之下，該對(duì)稱分布被打破，生成一個(gè)溫度梯度場，梯度方向與風(fēng)向的方向保持一致。4個(gè)熱傳感測溫元件15呈對(duì)稱布局分布在減薄硅芯片21上的加熱元件9的周圍，在加熱元件9與熱傳感測溫元件15之間設(shè)置有熱隔離槽16，用于減小他們之間的橫向熱傳導(dǎo)效應(yīng)，增大傳感器的有用信號(hào)。陶瓷基板23 上表面的溫度場能夠利用導(dǎo)熱膠22的熱傳導(dǎo)特性傳給減薄硅芯片21，再通過硅襯底傳導(dǎo)至熱傳感測溫元件15，進(jìn)而測出陶瓷基板23上表面的溫度場變化情況。對(duì)4個(gè)熱傳感測溫元件15的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，就可以得到外界環(huán)境中風(fēng)速和風(fēng)向的信息。傳統(tǒng)的CMOS集成風(fēng)速風(fēng)向傳感器，一般直接利用倒裝焊倒裝或者導(dǎo)熱膠貼附的形式與陶瓷基板實(shí)現(xiàn)封裝。由于硅的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陶瓷的熱導(dǎo)率，因此封裝后硅上加熱元件產(chǎn)生的熱量絕大部分從硅襯底以熱傳導(dǎo)的方式耗散掉，僅僅只有少量的熱量通過陶瓷基板與空氣產(chǎn)生熱對(duì)流換熱，這樣一方面大大降低了傳感器的輸出信號(hào)，另一方面提高了傳感器的工作功率，降低了傳感器的效能?；谶@個(gè)問題，前人提出在硅襯底背面制作空腔或者在加熱元件下制作一層多孔硅用于降低硅襯底的熱傳導(dǎo)，這樣就對(duì)傳感器的封裝或者工藝的一致性和CMOS工藝兼容性提出了挑戰(zhàn)。本實(shí)用新型中，利用CMOS工藝制備傳感器芯片；利用DRIE干法刻蝕工藝在傳感器芯片正面制備熱隔離槽，用于增大傳感器的有用信號(hào)并減小熱傳導(dǎo)效應(yīng)對(duì)有用信號(hào)造成的干擾；利用與CMOS工藝兼容的減薄工藝對(duì)傳感器芯片的襯底進(jìn)行減薄，能夠大大減低由于熱傳導(dǎo)效用造成的無用功耗且增大傳感器的靈敏度；利用陶瓷基板通過導(dǎo)熱膠貼封至減薄后的傳感器芯片背面對(duì)傳感器芯片進(jìn)行封裝。實(shí)施例2一種基于減薄工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，包括減薄硅芯片21，所述減薄硅芯片 21的背面通過導(dǎo)熱膠22連接有陶瓷基板23，在減薄硅芯片21的正面設(shè)有N阱7，在N阱7 上設(shè)有氧化層11，在N阱7的中部設(shè)有4個(gè)擴(kuò)散電阻加熱元件9及4個(gè)熱傳感測溫元件15， 4個(gè)熱傳感測溫元件15為熱電偶測溫元件且分布于4個(gè)擴(kuò)散電阻加熱元件9的四周，在氧化層11的邊緣區(qū)域設(shè)有電引出焊盤14，4個(gè)擴(kuò)散電阻加熱元件9的電引出焊盤18及4個(gè)熱傳感測溫元件15的電引出焊盤13分別通過金屬引線與電引出焊盤14連接，在4個(gè)擴(kuò)散電阻加熱元件9和4個(gè)熱傳感測溫元件15之間設(shè)置有熱隔離槽16，所述熱隔離槽16深及減薄硅芯片21襯底中。
權(quán)利要求1. 一種基于減薄工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于，包括減薄硅芯片(21 )，所述減薄硅芯片(21)的背面通過導(dǎo)熱膠(22)連接有陶瓷基板(23)，在減薄硅芯片(21)的正面設(shè)有N阱(7)，在N阱(7)上設(shè)有氧化層(11)，在N阱(7)的中部設(shè)有4個(gè)擴(kuò)散電阻加熱元件(9)及4個(gè)熱傳感測溫元件(15)，4個(gè)熱傳感測溫元件(15)為熱電偶測溫元件且分布于4個(gè)擴(kuò)散電阻加熱元件(9)的四周，在氧化層(11)的邊緣區(qū)域設(shè)有電引出焊盤(14)，4個(gè)擴(kuò)散電阻加熱元件(9)的電引出焊盤(18)及4個(gè)熱傳感測溫元件(15)的電引出焊盤(13) 分別通過金屬引線與電引出焊盤(14)連接，在4個(gè)擴(kuò)散電阻加熱元件(9)和4個(gè)熱傳感測溫元件(15)之間設(shè)置有熱隔離槽(16)，所述熱隔離槽(16)深及減薄硅芯片(21)襯底中。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種采用硅襯底減薄工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)的圓片級(jí)封裝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其制備方法，該傳感器芯片采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制作加熱元件和熱傳感測溫元件；利用干法刻蝕工藝在加熱元件和熱傳感測溫元件之間制備50微米深的熱隔離槽，減小他們之間的橫向熱傳導(dǎo)效應(yīng)；利用減薄工藝對(duì)傳感芯片的硅襯底進(jìn)行減薄直至厚度在80微米到100微米的范圍內(nèi)，降低芯片襯底的熱傳導(dǎo)和熱容；利用陶瓷基板貼敷于減薄硅芯片背面對(duì)硅芯片進(jìn)行保護(hù)并感應(yīng)外界環(huán)境風(fēng)速風(fēng)向的變化。本實(shí)用新型提出的風(fēng)速風(fēng)向傳感器在實(shí)現(xiàn)圓片級(jí)封裝的同時(shí)，大大降低了硅襯底上的熱傳導(dǎo)損失和傳感器芯片的熱容，能夠在較低功耗下獲得較大的輸出信號(hào)以及較快的響應(yīng)時(shí)間。
文檔編號(hào)G01P13/02GK201993380SQ20112001164
公開日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2011年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月17日
發(fā)明者秦明, 董自強(qiáng), 黃慶安 申請(qǐng)人:東南大學(xué)