传感器封装及其形成方法

传感器封装及其形成方法
【专利摘要】一种传感器封装（20）及其形成方法（70），包括提供具有形成于被接合周界（36）划定的区域（34）内的侧面（26）上的传感器（30）的传感器晶片（74），以及提供在侧面（38）具有控制电路（42）和在相反侧面（40）具有接合周界（46）的控制器晶片（82）。控制器晶片（82）的所述接合周界（46）被接合到所述传感器晶片（74）的相应的接合周界（36）以形成在其中控制电路（42）朝外的堆叠晶片结构（48）。控制器晶片（82）被锯开以显露位于所述传感器晶片（74）上的接合焊盘（32），所述传感器晶片被引线接合到与控制电路（42）一样形成于晶片（82）的相同侧面（38）。所述结构（48）被包封在封装材料（62）中并且被切单以产生传感器封装（20）。
【专利说明】传感器封装及其形成方法
【技术领域】
[0001]本发明通常涉及半导体封装。更具体地说，本发明涉及用于形成传感器封装的晶片级半导体封装。
【背景技术】
[0002]近年来，微电子系统技术广受欢迎。这是因为它们提供了一种制作非常小的电子和机械结构的方式并且通过使用传统批量半导体加工工艺在单一衬底上集成这些结构。当这些微电子器件成为主流技术的时候，半导体封装的制作和易用性方面的有效封装费用面临着挑战。实际上，封装是这些器件的其中一个主要成本动因。
【专利附图】

【附图说明】
[0003]结合附图并参阅详细说明书以及权利要求书，对本发明会有比较完整的理解。其中在附图中类似的参考符号表示类似的元件，并且附图不一定是按比例绘制；以及
[0004]图1根据一个实施例，显示了示例传感器封装的顶视图；
[0005]图2显示了沿着图1的剖面线2-2的传感器封装的侧面视图；
[0006]图3根据另一个实施例，显示了制作图1的传感器封装的封装过程的流程图；
[0007]图4显示了结合封装过程被使用的传感器晶片的顶视图；
[0008]图5显示了传感器晶片的部分顶视图，传感器形成于其侧面上；
[0009]图6显示了图4的传感器晶片的部分侧面剖视图；
[0010]图7显示了结合封装过程被使用的控制器晶片的顶视图；
[0011]图8显示了控制器晶片的部分放大顶视图；
[0012]图9显示了图7的控制器晶片的部分侧面剖视图；
[0013]图10根据封装过程，显示了在封装的初始阶段的控制器晶片的部分侧面剖视图；
[0014]图11显示了在封装的后续阶段的图10的控制器晶片的部分侧面剖视图；
[0015]图12显示了图11的控制器晶片的部分底视图；
[0016]图13显示了在封装的后续阶段被接合到传感器晶片以形成堆叠晶片结构的控制器晶片的部分侧面剖视图；
[0017]图14显示了在封装的后续阶段的图13的堆叠晶片结构的部分侧面剖视图；
[0018]图15显示了在封装的后续阶段的图14的堆叠晶片结构的部分侧面剖视图；
[0019]图16显示了在封装的后续阶段的图15的堆叠晶片结构的部分侧面剖视图；
[0020]图17显示了在封装的后续阶段的图16的堆叠晶片结构的部分侧面剖视图；
[0021]图18显示了在封装的后续阶段的图17的堆叠晶片结构的部分侧面剖视图；
[0022]图19显示了在封装的后续阶段的图18的堆叠晶片结构的部分侧面剖视图；以及
[0023]图20根据图3的封装过程，显示了产生于图19的堆叠晶片结构的传感器封装的侧面剖视图。【具体实施方式】
[0024]半导体封装通常提供了一组相关的元素。这些元素包括，例如，一个或多个封装的半导体器件、从器件到封装的互连、提供机械支撑和电气、化学、以及环境保护的包围或包含结构、以及将封装附接于主板或系统的连结结构。半导体封装过程研发人员面临的挑战起因于例如，半导体器件(例如，微电子和微观结构)对高温工艺的灵敏度、对合适屏蔽的需要，在某些情况下需要密闭或接近密闭的密封以保护器件免受污染，等等。
[0025]半导体封装中的一个或多个半导体器件可以是微电子传感器(例如，磁强计)、微机电系统(MEMS)传感器(例如，加速度计、陀螺仪、压力传感器)、或一些其它微型传感器。对于这样的传感器，适当的封装是很重要的以确保在传感器器件之间往返的信号完整性。例如，传感器封装中的传感器器件或多个传感器器件的角度失准可以导致测量信号的误差。同样地，传感器封装中的传感器的精确角度对准对于接收准确测量结果是至关重要的。
[0026]目前，传统芯片级封装中的传感器角对准局限于大约加上或减去两度精度。角对准精度受限于管芯(die)放置技术利用的放置设备的容差。为了提高从这些传感器接收的测量值的精度，本行业要求更精确的角对准。随着集成电路(IC)器件几何尺寸的持续减小，对微机电系统(MEMS)器件的使用持续增加、以及包括多个微电子元件的半导体封装的制作持续发展、对低成本、可靠的、高密度封装解决方案的需求增加。
[0027]实施例包括传感器封装方法和根据封装方法产生的传感器封装。该封装方法包括一种代替传统管芯-管芯放置技术的晶片级封装技术。晶片级封装指在晶片级上封装半导体器件，并且实质上延伸了晶片制作过程以包括器件互连和器件保护处理。本发明所讨论的晶片级封装过程以相对低的成本提供了传感器的高生产量和精确放置封装。附加优势包括一种芯片规模的封装技术，导致了传感器封装与管芯大致相同的尺寸、传感器与微电子器件堆叠尺寸减小、改进的电性能等等。
[0028]现在参照图1和图2。图1根据一个实施例，显示了示例传感器封装20的顶视图。图2显示了沿着图1的剖面线2-2的传感器封装的侧面视图。通常，传感器封装20包括以传感器元件22形式的半导体管芯和以键合到传感器元件22的控制器元件24形式的另一个半导体管芯。
[0029]传感器元件22有侧面26和与侧面26相反的另一个侧面28。在图2中，侧面26被显示为物理地位于侧面28上方。因此，为了清晰的讨论，侧面26被称为上侧面26，并且相反侧面28被称为下侧面28。传感器30和接合焊盘32形成于传感器元件22的上侧面26。传感器30被放置于上侧面26上被接合周界36 (最好参见图5)划定的区域34 (最好参见图5)内。接合焊盘32被放置于区域34外，位于接合周界36外部。根据常规的和未来的传感器器件制作工艺，接合焊盘32通过导电通孔、导电材料层等方式可以被电连接到传感器30的各种结构。为了讨论简洁，这些电互连在本发明中没有被详细说明或者详细描述。传感器30可以是微机电系统(MEMS)传感器器件，例如加速计、陀螺仪、或一些其它传感器。然而，传感器30不需要被限制于MEMS传感器配置。此外，虽然传感器30在本发明中以单数形式被提到，在替代实施例中，传感器元件22的上侧面26可以包括多于一个被放置于区域34内的传感器器件。
[0030]控制器元件24也有侧面38和与侧面38相反的另一个侧面40。在图2中，侧面38被显示为物理地位于侧面40上方。同样地，为了清晰的讨论，侧面38被称为上侧面38，并且相反侧面40被称为下侧面40。上侧面38包括控制电路42和在其上形成的接合焊盘44。下侧面40包括被配置为邻接传感器元件22的接合周界36的接合周界46 (最好参见图12)。控制器元件24的接合周界46耦合于接合周界36以形成堆叠晶片结构48 ;在该堆叠晶片结构48中，至少控制器元件24的下侧面40与传感器元件22的上侧面26对准。控制电路42可以是用于控制元件24的“有源区域”中的任何有源或无源电路并且被用于在传感器30之间互通信号。接合丝线50附接于传感器元件22的上侧面26上的相应的接合焊盘32和控制器元件24的上侧面38上的接合焊盘44之间以提供控制元件24和传感器元件22之间的合适的电互连。
[0031]在一个实施例中，特征件(feature)可以形成于控制元件24的下侧面40上。根据传感器封装20的特定设计标准，这些特征件可以包括位于上侧面26上的传感器30的功能部件，例如，一个或多个腔52和一个或多个电极54。腔52和电极54可以形成于接合周界46的边界内，并且与传感器30大致对准。
[0032]在一些实施例中，根据常规的和未来的半导体制作工艺，传感器55可以被整体形成，其中控制电路42的有源和无源元件位于控制器元件24内。控制电路42和整体传感器55通过控制器24内部的各种描影和元素表示。代替整体传感器55或除了整体传感器55之外，传感器封装20可以包括安装到控制器元件24的上侧面38的传感器管芯56。在一个实施例中，整体传感器55或传感器管芯可以是用于测量磁场强度或方向的磁强计。然而，根据传感器封装20的特定设计标准，整体传感器55或传感器管芯56可以是一些其它传感器器件。
[0033]控制器元件24还包括形成于并且分布于上侧面38上的凸块焊盘58。在一个实施例中，在控制器元件24被接合到传感器元件22之后，导电元件60形成于凸块焊盘58上。导电元件60可以是支柱、球、插头、或在凸块焊盘58上延伸的一些其它导电特征件。导电兀件60被用作传感器封装20的输入/输出兀件。
[0034]封装材料62被施加于控制器元件24的上侧面38上以包封控制电路42、传感元件22、接合丝线50、以及至少部分地包封导电元件60，以便只有导电元件60的顶侧面64从封装材料62暴露出来。封装材料62可以是任何常规的模塑料(molding compound),例如,环氧树脂材料。传感器封装20在本发明中被提供是用于示例的目的。然而，根据特定设计准贝U，传感器封装20可能采用各种形式、尺寸、形状和功能。
[0035]图3根据另一个实施例，显示了用于制作图1的传感器封装20的封装过程70的流程图。封装过程70提出了晶片级封装技术，其中半导体管芯被封装同时仍然处于晶片形式，然后是晶片切割，以代替传统管芯放置技术。封装过程70将结合多个传感器封装20(图1)的封装被讨论。然而，很明显以下方法可以适用于大量半导体设计的封装方法。为了清晰的讨论，封装过程70提出了操作过程的示例流程。然而，在实际应用中，根据封装设备的特定处理能力，操作顺序可能会存在差异。
[0036]封装过程70从活动72开始。在活动72，提供传感器晶片，在其上形成有多个传感器30 (图2)。传感器晶片可以由器件制作商提供并且根据封装过程70在单独的封装设备上封装。或者，所述传感器晶片可以在相同制作设备内制作和封装。
[0037]结合活动72，参照图4-图6，图4显示了结合封装过程70被使用的传感器晶片74的顶视图。图5显示了传感器晶片74的部分顶视图，其中传感器30形成于其中的上侧面26上，以及图6显示了传感器晶片74的部分侧面剖视图。正如下面将要讨论的，下面的图4-图20可以示出使用不同描影和/或剖面线以区分不同元件。这些不同元件可以利用当前的和未来的微机械加工技术产生。
[0038]图4特别说明了有多个在基于硅的衬底上形成的传感器元件22的示例传感器晶片74。传感器元件22可以是多种传感器器件中的任何一种，例如惯性传感器、陀螺仪、光学器件、压力传感器、磁场传感器、开关、麦克风、等等。然而，在替代实施例中，传感器元件22可以是任何其它器件，期望被单独保护，即，帽、敏感特征件以及附加地暴露或显露终端元件，即，晶片级上的接合焊盘32 (图2)。
[0039]传感器晶片74可以利用常规的和未来的体微机械加工、表面微机械加工、和/或高纵横比的硅微机械加工技术被制作。表面微机械加工技术的制作过程通常可以包括，例如，沉积、图案化、以及刻蚀一个或多个牺牲氧化物层、一个或多个结构多晶硅层，等等。例如，一个或多个牺牲氧化物层可以沉积在基于硅的晶片上，以及一个或多个结构层可以然后沉积在牺牲层上。结构层然后可以适当地被图案化和蚀刻以形成传感器30的可移动和不可移动的微结构76和传感器元件22的接合焊盘32。此外，在接合周界36处的接合材料的沉积，例如金属化层，可以被执行。接合材料将在传感器晶片74和控制器晶片(下面讨论)之间形成密封环的部分。
[0040]传感器晶片74上的所有元件可以相同，或者传感器晶片74可以包含传感器元件的混合。虚线78 (其中只有少数在图4中被显示)表示了划定形成于传感器晶片74上的各种传感器元件22的边界。虚线78可以附加地表示传感器晶片74最终将被切单(下面讨论)的位置。因此，虚线78在下文中被称为锯线78。传感器晶片74被示出为通常的盘形状。然而，传感器晶片74的替代实施例可以是任何合适的形状，例如矩形形状。形成于给定传感器晶片74上的传感器元件22的数量取决于传感器元件22的尺寸和传感器晶片74的尺寸可以改变。
[0041]再次参照封装过程70 (图3)，在活动72提供的传感器晶片74之后，封装过程70继续活动80。在活动80，提供控制器晶片，在其上形成有多个控制器元件24 (图2)。控制器晶片可以由器件制作商提供并且根据封装过程70在单独的封装设备上封装。或者，控制器晶片可以在相同制作设备内制作和封装。
[0042]结合活动80，参照图7-图9，图7显示了结合封装过程70被使用的控制器晶片82的顶视图。图8显示了结合上侧面38上的控制器元件24的控制电路42(通常表示为长方形)的控制器晶片82的部分放大顶视图，以及图9显示了控制器晶片82的部分侧面剖视图。控制器晶片82可以利用常规的和未来的用于在控制器晶片82的有源区域中形成控制电路42的集成电路(IC)制作技术被制作。标准IC晶片制作技术的实施创建了晶体管、电容、电阻、二极管、以及控制电路42的所有其它部件。此外，这些集成电路制作技术可以被实施以在控制器晶片82的上侧面38上形成接合焊盘44和凸块焊盘58。这些常规方法步骤在本发明中不必进行描述。
[0043]沿着控制器晶片82的大致平面的上侧面38，控制器晶片82的上侧面38被标有虚线84。虚线84表示了控制器晶片82将在至少两个独立的操作中被锯开或切块的位置。例如，在所说明的实施例中，垂直排列的虚线84的紧密相邻对85表示了控制器晶片82的若干部分(下面讨论)将被移除的位置以达到底层传感器晶片74 (图4)的接合焊盘32 (图4)。剩余的虚线84表示了与传感器晶片74的切单同时发生的控制器晶片82最终被切单的位置。虚线84在本发明中统称为锯线84。
[0044]控制器晶片82被描述为通常的盘形状以对应传感器74 (图4)。然而，控制器晶片82的替代实施例可以是任何合适的形状，例如矩形形状。此外，形成于给定控制器晶片82上的控制器元件24的数量取决于控制器元件24的尺寸和控制器晶片82的尺寸可以改变。
[0045]再次参照图3，在活动80提供传感器晶片82之后，封装过程70继续活动86。在活动86，控制器晶片82经历了背研磨(backgrinding)过程以变薄晶片82。特别是，下侧面40经历了使用常规的研磨材料和设备的背研磨，也被称为晶片薄化。
[0046]结合活动86，参照图10，图10根据封装过程70，显示了在封装的初始阶段88的控制器晶片82的部分侧面剖视图。正如在图10中用虚线所表示的，当被提供给活动80封装的时侯，控制器晶片82存在初始厚度90。控制器晶片88的初始厚度90可以大约750微米厚。晶片背研磨是其中晶片厚度被减小以允许半导体器件的堆叠和高密度封装的半导体器件制作操作。正如图10中所显示的，在执行背研磨活动86之后，控制器晶片82的最终厚度92小于初始厚度90。最终厚度92可以是尽可能薄的而不过度牺牲机械稳定性的任何合适的尺寸，同时还允许特征件，例如，腔52 (图2)和/或电极54 (图2)形成于控制器晶片82的下侧面40。例如，控制器晶片82的最终厚度92可以大约500微米。
[0047]返回参照图3，在背研磨活动86之后，封装过程70继续活动94。在活动94，例如腔52和/或电极54 (图2)的特征件可以根据传感器封装20 (图2)的特定设计标准形成于控制器晶片82的下侧面40处。封装过程70继续活动96，其中接合材料被施加于控制器晶片82的下侧面。
[0048]结合活动94和96，参照图11和12，图11显示了在封装的后续阶段95的图10的控制器晶片82的部分侧面剖视图，以及图12显示了在后续阶段96的控制器晶片82的部分底视图。在活动94，腔52可以被从下侧面40创建，延伸部分地通过控制器晶片82。腔52可以通过从下侧面40蚀刻通过控制器晶片82被形成。例如，腔52可以通过执行深反应离子蚀刻(DRIE)工艺、另一个各向异性蚀刻工艺、硅蚀刻工艺、等等被创建以在控制器晶片82中形成腔52。
[0049]此外，电极54可以通过例如常规的半导体沉积处理、图案化、以及绝缘和导电材料的蚀刻过程形成于下侧面40。正如本领域所属技术人员所熟知的，电极54应通过绝缘层与控制器元件24的体半导体硅电隔离。为了简化的说明，该绝缘层没有被明显显示。
[0050]此外，在接合周界46处应用接合层98可以被实施。接合层98将在传感器晶片74的接合周界36 (图5)和控制器晶片82的接合周界46之间形成密封环的部分。在一个实施例中，接合层98可以是金属化。术语金属化指主要充当半导体器件内的电接触和互连的金属层。此外，金属层通常被利用以避免其它系统的污染，例如化学气相沉积(CVD)系统、夕卜延沉积系统、等等。薄膜铝是半导体制作中最广泛使用的金属化，并且可以通过溅射、双源蒸发或电镀进行沉积。然而，许多其它金属或合金可以用于相同目的。或者，非金属，例如锗，也可以被使用。在本例子中，电极54的形成可以与将接合层98应用于接合周界46同时发生。然而，电极54可以替代地形成于不同过程中。
[0051]随着在接合周界46的应用，接合材料98 (例如，金属化)将被用作传感器晶片74的接合周界36 (图5)和控制器晶片82的接合周界46之间的接合剂。应想起正如上面所提到的，接合材料98可以附加地或替换地被应用于传感器晶片74的接合周界36。
[0052]现在返回参照图3，在活动94和96之后，封装过程70继续活动100。在活动100，控制器晶片82被接合到传感器晶片74以形成堆叠晶片结构48 (图2)。
[0053]结合活动100，参照图13，图13显示了在封装的后续阶段104被接合到传感器晶片74以形成堆叠晶片结构48的控制器晶片82的部分侧面剖视图。更具体地，位于控制器晶片82的下侧面40上的接合周界46被接合到传感器晶片74相应的接合周界36。因此，在活动100之后，控制器晶片82变为保护位于传感器晶片74的上侧面36处的可移动或不可移动的微观结构76的帽。
[0054]接合可以通过利用例如共晶接合十四。也被称为共晶焊接的共晶接合指一种用中间共晶金属层，例如，金属化98 (图12)的晶片接合技术。共晶金属层是一种在特定成分和温度下直接从固体状态转化到液体状态，而不经过两相平衡状态即液体和固体状态的合金，或反之亦然。因此，共晶金属层的共晶温度可以是远低于构成共晶金属层的两个或更多纯元素的融化温度。
[0055]共晶接合能够在相对较低的处理温度下通过使用单一过程产生密封封装和电互连。共晶接合的附加属性包括引进最终组件中的低合成应力、高粘接强度、高制作生产量、以及良好可靠性。虽然共晶接合在此被讨论，但应了解，任何其它合适的接合技术可以替代地被实施。
[0056]控制器晶片82和传感器晶片74的对准可以通过利用机械或光学基准标记，例如晶片74和82的边缘处的凹口、插脚、蚀亥Ij、或全息图像、等等被实现。硅晶片接合的自动处理设备以及合适的对准技术的整合可以提供对晶片74和82上的半导体元件的特定特征件来说是关键的精确定位。因此，对于传感器，可以被实现不到十分之一度的精度的角对准。该对准精度与在传统芯片级管芯封装中所实现的通常被限制于大约正负两度的传感器的角对准形成对比。
[0057]返回参照图3，在接合活动100之后，封装过程70继续活动106。在活动106，晶片堆叠结构48 (图13)的传感器晶片74通过使用常规的研磨材料和设备经历了背研磨或薄化过程。
[0058]结合活动106，参照图13和14，图14显示了在封装的后续阶段108的图13的堆叠晶片结构48的部分侧面剖视图。正如图13中所显示的，当被提供给活动72 (图3)的封装的时候，传感器晶片74存在初始厚度110。传感器晶片74的初始厚度110可以大约700微米或更大。晶片背研磨可以被执行以降低传感器晶片74的厚度。正如图14中所显示的，在执行背研磨活动106之后，传感器晶片74的最终厚度112小于初始厚度110。例如，在背研磨之后，传感器晶片74的最终厚度112可以大约300微米。
[0059]返回参照图3，在背研磨活动106之后，封装过程70继续活动114。在活动114，导电元件60 (图2)形成于控制器晶片82 (图9)的凸块焊盘58 (图9)上。
[0060]结合活动114，参照图15，图15显示了在封装的后续阶段116的堆叠晶片结构48的部分侧面剖视图。在图15表示的活动114，导电元件60形成于控制器晶片82的凸块焊盘58上。导电元件60可以是电镀到控制器晶片82的凸块焊盘58上的铜柱。或者，根据常规的方法，柱状凸块或焊料球可以附接于凸块焊盘58。导电元件60形成于堆叠结构48的接合晶片的凸块焊盘58上用作晶片级处理，以实现传感器封装20的旋转精度对产品电路的改进。当与管芯组装到传感器封装中进行比较的时候，晶片级处理的导电元件60的形成实现了精度的改进，之后是将传感器封装组装到产品电路中。因此，当传感器封装20(图
2)通过例如焊接最终被组装到产品电路的时候，传感器封装20相对于产品电路的位置和旋转将通过导电元件60的位置和旋转来决定，因为焊接将导电元件60对准到产品电路上的相应的特征件。
[0061]返回参照图3，在活动114之后，封装过程70继续活动118。在活动118，当传感器管芯56 (图2)是设计配置的一部分的时侯，传感器管芯56可以在直接位于控制器晶片82的控制器件24上的合适的位置处被安装到控制器晶片82。
[0062]结合活动118，参照图16，图16显示了在封装的后续阶段120的堆叠晶片结构48的部分侧面剖视图。传感器管芯56可以通过管芯附接处理和接合到控制器晶片82的丝线而被接合到控制器晶片82。或者，传感器管芯56可以通过利用倒装芯片技术被安装到控制器晶片82，在倒装芯片技术中传感器管芯56被反转并且通过使用例如焊料凸块安装、柱状凸块接合等等而不是常规的丝焊技术被直接连接到控制器元件24。
[0063]倒装芯片技术可以在传感器管芯56和底层传感器晶片74的传感器30之间实现良好的旋转和倾斜精度。然而，甚至管芯附加处理的实施也可以在传感器管芯56和传感器30之间实现改进对准精度，因为控制器晶片82上的每一个控制器元件24被接合到包含通过晶片-晶片接合实现了极好的旋转和倾斜精度的传感器30的底层传感器元件22。然而，更重要的是，将传感器管芯56安装到控制器晶片82可以实现改进的封装密度。
[0064]返回参照图3，在活动118之后，封装过程70继续活动122。在活动122，控制器晶片82的若干部分被移除以显露传感器晶片74上的接合焊盘32 (图2)。
[0065]结合活动122，参照图17，图17显示了在封装的后续阶段124的堆叠晶片结构48的部分侧面剖视图。正如图17所显示的，控制器晶片82的若干部分126被移除以暴露，SP显露底层传感器晶片74的接合焊盘32。若干部分126可以通过沿着控制器晶片82内的锯线84的相邻对85 (见图16)进行锯切被移除。
[0066]再次返回参照图3，一旦控制器晶片82的部分126在活动122被移除以暴露，即显露结合盘32，封装过程70继续活动128。在活动128，接合丝线50 (图2)被附接于传感器晶片74的接合焊盘32 (图2)和控制器晶片82的接合焊盘44 (图2)之间。
[0067]现在结合活动122，参照图18，图18显示了在封装的后续阶段130的堆叠晶片结构48的部分侧面剖视图。正如所显示的，通过使用常规的引线接合过程，接合丝线50被接合到传感器晶片74的上侧面26的接合焊盘32以及控制器晶片82的上侧面38的相应的结合盘44。应观察到，导电元件60高于接合丝线50的引线接合环高度。引线接合是一种符合成本效益和灵活互连的技术，并且当在晶片级制作过程中实现电互连的时候可以容易地被实施。
[0068]返回参照图3，在引线接合活动128之后，封装过程70继续活动132。在活动132，封装材料62 (图2)被施加以包封堆叠晶片结构48。
[0069]结合活动132，参照图19，图19显示了在封装的后续阶段134的堆叠晶片结构48的部分侧面剖视图。正如图19所显示的，导电元件60、控制器晶片82的上侧面38、传感器管芯56、接合丝线50、以及传感器晶片74的暴露的上侧面26被封装材料62包封。封装材料62可以是模塑料、封装化合物、环氧树脂、等等，并且封装材料62被施加于足够厚的层以覆盖接合丝线50和导电元件60。如果封装材料62在包封期间完全覆盖导电元件60，封装材料62可以被研磨或以其它方式摩擦以暴露导电元件60的顶面64，而不暴露接合丝线50。
[0070]再次返回参照图3，在引线接合活动128和/或包封活动132之后，为了简便起见，在本发明未显示的继续处理可以被执行。这种继续处理可以包含在导电性元件60上添加焊料球。添加的焊料球可以增加平衡和改进电互连。附加继续处理可以包含目视检查、操作测试、老化、压力测试、加速寿命测试、在封装材料62和导电元件的顶面64上建立附加再分配层、等等，而一切仍在晶片级上进行。
[0071]在活动132之后，活动136最终被执行。在活动136，制作的堆叠晶片结构48通过常规的方式被切单，即，切割、冲孔、或切块。在活动136之后，封装过程70结束。
[0072]结合活动136，参照图20，图20根据封装过程70，显示了产生于堆叠晶片结构48(图19)的传感器封装20的侧面剖视图。正如所显示的，堆叠晶片结构48沿着相当于传感器晶片74的锯线78 (见图19)和控制器晶片82的剩余的锯线84的锯线被切单，即，切割、冲孔、或切块以提供单个传感器封装20。在切单活动136之后，单个传感器封装20可以耦合于，例如，在最终应用中的印刷电路板。每一个最终的传感器封装20代表芯片级封装，其中X和y封装尺寸大约等于传感器元件22的X和y尺寸。然而，z尺寸，即每一个传感器封装20的厚度大约比堆叠晶片结构的厚度大100到200微米以容纳导电元件60和接合丝线50。
[0073]本发明所描述的实施例涵盖微电子传感器封装方法以及根据封装方法产生的传感器封装。该封装方法包括一种代替传统管芯放置技术的晶片级封装技术。根据晶片级封装技术，控制器晶片被接合到传感器晶片以形成堆叠晶片结构，其中控制器晶片的有源侧面由封装朝外。因此，封装输入和输出可以形成于控制器晶片上。堆叠晶片结构的一部分被锯切、蚀刻、或以其它方式被切割以显露传感器晶片的底层接合焊盘并且控制器晶片上的控制器元件的相应的接合焊盘以晶片格式被引线接合到传感器接合焊盘。晶片级封装过程特别适用于小型化传感器的封装，其中传感器的精确旋转和倾斜精度可以在晶片级而不是管芯级被实现。此外，所需要的角度精度可以得到保证，而没有更昂贵和费时的测试。因此本发明所讨论的晶片级封装过程以相对较低的成本提供了传感器的高生产量和精确放置封装。此外，晶片级封装过程导致了通常与管芯相同尺寸的单个传感器封装、堆叠传感器和微电子器件以进行尺寸缩减和改进的封装密度、增强的电性能、等等。此外，晶片结构和相应的方法符合成本效益，易于实施，并适应现有的组装和封装工具以及技术。
[0074]虽然本发明的优选实施例已经被详细说明和描述，很明显对本领域所属技术人员来说在不脱离本发明的精神或所附权利要求书范围的情况下，可以对其进行各种修改。例如，在晶片接合之后的处理操作可以以不同顺序而不是所提出的顺序被执行。
【权利要求】
1.一种形成传感器封装的方法，包括: 提供具有第一侧面和与所述第一侧面相反的第二侧面的传感器晶片，所述第一侧面包括位于所述第一侧面上的被第一接合周界划定的区域内的传感器； 提供具有第三侧面和与所述第三侧面相反的第四侧面的控制器晶片，所述第三侧面包括控制电路，并且所述第四侧面包括第二接合周界； 将所述控制器晶片的所述第二接合周界接合到所述传感器晶片的所述第一接合周界以形成包括多个传感器封装的堆叠晶片结构；以及 对所述堆叠晶片结构切单以产生所述传感器封装。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述控制器晶片存在初始厚度，并且所述方法还包括:在所述接合操作之前，背研磨所述控制器晶片的所述第四侧面至小于所述初始厚度的最终厚度。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括:在所述第二接合周界处将接合材料施加于所述控制器晶片的所述第四侧面。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括:在所述接合操作之前在所述控制器晶片的所述第四侧面处形成特征件，所述特征件是所述传感器的位于所述传感器晶片的所述第一侧面处的功能部件。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述特征件包括腔，并且所述形成操作包括:形成从所述第四侧面延伸到所述控制器晶片中的所述腔使得所述腔在所述接合操作之后与所述传感器对准。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述特征件包括电极，并且所述形成操作包括:在所述第四侧面上形成所述电极使得所述电极在所述接合操作之后与所述传感器对准。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器晶片存在初始厚度，并且所述方法还包括:在所述接合操作之后背研磨所述传感器晶片的所述第二侧面至小于所述初始厚度的最终厚度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器晶片包括形成于被所述第一接合周界划定的所述区域之外的所述第一侧面上的第一接合焊盘，所述控制器晶片包括形成于所述第三侧面上的第二接合焊盘，并且所述方法还包括: 移除所述控制器晶片的若干部分以显露形成于所述传感器晶片的所述第一侧面上的所述第一接合焊盘；以及 在所述第一接合焊盘和第二接合焊盘中的相应的接合焊盘之间附接接合丝线。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述移除和附接操作在所述切单操作之前执行。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括:将封装材料施加于所述控制器晶片的所述第三侧面上以包封所述控制电路，并且在所述施加操作之后执行所述切单操作。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述控制器晶片包括形成于所述第三侧面上的凸块焊盘，并且所述方法还包括:在所述接合操作之后在所述凸块焊盘上形成导电元件。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括:将封装材料施加于所述控制器晶片的所述第三侧面上以包封所述控制电路并且至少部分地包封所述导电元件。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括:在所述接合操作之后，将传感器管芯安装到所述控制器晶片的所述第三侧面上。
14.一种传感器封装,包括: 传感器元件管芯，具有第一侧面和与所述第一侧面相反的第二侧面，所述第一侧面包括位于所述第一侧面上的被第一接合周界划定的区域内的第一传感器，并且所述第一侧面还包括位于所述区域之外的第一接合焊盘； 控制器元件管芯，具有第三侧面和与所述第三侧面相反的第四侧面，所述第三侧面包括控制电路和第二接合焊盘，并且所述第四侧面包括第二接合周界，所述第二接合周界被接合到所述第一接合周界以形成堆叠结构； 附接于所述传感器元件管芯的所述第一侧面上的所述第一接合焊盘和所述控制器元件管芯的所述第三侧面上的所述第二接合焊盘中的相应的焊盘之间的接合丝线；以及封装材料，被施加于所述控制器元件管芯的所述第三侧面上以包封所述控制电路和所述接合丝线。
15.根据权利要求14所述的传感器封装，其中至少所述控制器元件管芯的所述第四侧面和所述传感器元件管芯的所述第一侧面是共同对准的。
16.根据权利要求14所述的传感器封装，其中: 所述控制元件管芯包括形成于所述第三侧面上的凸块焊盘；以及所述传感器管芯还包括在所述控制器元件管芯被接合到所述传感器元件管芯之后形成于所述凸块焊盘上的导电元件，所述导电元件在所述凸块焊盘上方延伸，并且所述封装材料至少部分地包封所述导电元件使得所述导电元件的顶面从所述封装材料暴露。
17.根据权利要求14所述的传感器封装，还包括第二传感器，所述第二传感器是所述控制器元件管芯内部的集成的传感器或安装到所述控制器元件管芯的所述第三侧面上的传感器管芯中的一个。
18.—种形成传感器封装的方法,包括: 提供传感器晶片，所述传感器晶片具有第一侧面和与所述第一侧面相反的第二侧面，所述第一侧面包括位于所述第一侧面上的被第一接合周界划定的区域内的传感器，并且所述第一侧面还包括位于所述区域之外的第一接合焊盘； 提供控制器晶片，所述控制器晶片具有第三侧面和与所述第三侧面相反的第四侧面，所述第三侧面包括控制电路和第二接合焊盘，并且所述第四侧面包括第二接合周界； 将所述控制器晶片的所述第二接合周界接合到所述传感器晶片的所述第一接合周界以形成包括多个传感器封装的堆叠晶片结构； 移除所述控制器晶片的若干部分以显露形成于所述传感器晶片的所述第一侧面上的所述第一接合焊盘； 在所述第一接合焊盘和第二接合焊盘中的相应的焊盘之间附接接合丝线； 将封装材料施加到所述控制器晶片的所述第三侧面上以包封所述控制电路和所述接合丝线；以及 在所述施加操作之后， 对所述堆叠晶片结构切单以产生所述传感器封装。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述控制器晶片存在初始厚度，并且所述方法还包括:在所述接合操作之前，背研磨所述控制器晶片的所述第四侧面至小于所述初始厚度的最终厚度。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括:在所述接合操作之前，在所述控制器晶片的所述第四侧面处形成特征件，所述特征 件是所述传感器的位于所述传感器晶片的所述第一侧面处的功能部件。
【文档编号】B81B7/00GK103569956SQ201310287464
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年7月10日 优先权日:2012年7月11日
【发明者】P·H·鲍尔斯, P·M·霍尔姆, S·R·胡珀, R·M·鲁普 申请人:飞思卡尔半导体公司