[发明专利]基于陶瓷圆片级封装的集成风速风向传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用倒装焊封装(Flip-chip)技术实现的陶瓷圆片级封装，并与标准CMOS工艺兼容的风速风向传感器，尤其涉及一种低功耗的基于陶瓷圆片级封装的集成风速风向传感器及其制备方法。

技术背景

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。

本发明根据以往硅风速风向传感器存在的问题，提出了一种利用倒装焊封装技术实现的基于陶瓷封装CMOS集成的风速风向传感器，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。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于陶瓷圆片级封装的集成风速风向传感器及其制备方法。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。

技术方案：

本发明将硅风速传感器结构中的加热元件从硅片中分离出来，制造于陶瓷基板下表面，并以倒装焊封装的形式将硅芯片和陶瓷芯片集成在一起。本发明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铜凸点测出该温度场温度分布的变化情况。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铜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。

传感器结构中用于倒装焊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，其他元件和电路均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、倒装焊焊盘和电引出焊盘，铜凸点用于实现陶瓷芯片与硅芯片间的电连接和热连接。加热元件制备在陶瓷上而不是在硅片上，并且硅片上表面与加热元件相对应的区域使用MEMS各向异性湿法腐蚀工艺制备了隔热空腔，有效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。本发明传感器的结构适用于制备二维的风速风向传感器。

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倒装焊封装的电连接、热连接焊盘和电引出焊盘的制备，采用了与CMOS工艺兼容的溅射和刻蚀工艺技术；第二步硅芯片上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和硅芯片背面裂片槽的制备中，利用了MEMS各向异性湿法腐蚀工艺，通过硅芯片表面热传感测温元 件制备过程中的版图设计能够精确控制腐蚀腔的形状和深度。第四步凸点工艺中，利用厚胶工艺和电镀工艺实现；第五步圆片级封装中，陶瓷芯片与硅芯片之间的电连接和热连接使用倒装焊机实现，倒装过程环境温度为350℃，与CMOS工艺兼容。第五步制备硅芯片背面裂片槽中，使用MEMS各向异性湿法腐蚀工艺，能够通过版图设计精确控制裂片槽的位置和深度。

本发明获得如下效果：