专利名称：一种含有硅通孔的压力传感器封装结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种含有硅通孔的压力传感器封装结构，属于微电子机械技术领域。
背景技术：
目前压力传感器被广泛运用于消费电子行业、汽车电子行业、石油化工部门、航空航天部门等领域，压力传感器的失效和故障多因封装失效引起，封装成为实现压力传感器应用的关键技术。压力传感器真空封装常采用金属管壳、金属隔离膜片、金属底座、充灌硅油、引线键合技术，利用焊接技术将金属管壳、金属隔离膜片及金属管座焊接形成密闭腔体；利用静电键合或金-硅共熔键合技术，将压力传感器通 过硼磷硅玻璃封接在金属管座上；并在金属隔离膜片和压力传感器之间的密闭腔体内充灌硅油，通过金属隔离膜片和硅油将外界压力传递到压力传感器上；信号引出主要采用引线键合技术。此类封装结构存在一定局限性1、工艺成本高，焊接设备昂贵；2、封装体积大，不利于产品的轻型化、薄型化、小型化；3、硅油与芯片之间热膨胀系数失配容易影响压力测量精度；4、封接中的非气密性容易导致渗油、漏油，损坏压力传感器；5、硅油的充灌或多或少会引入部分压力误差；6、弓丨线键合的金属线和焊接点容易受高震荡、高速压力循环环境疲劳失效。最近，Kulite公司生产出了用于高温恶劣环境下高可靠性、高精度、小体积、可进行静态和动态测量的SOI压力传感器，其封装采用新型无铅封装，将压力传感器芯片倒装焊接在非导电玻璃上，其中非导电玻璃金属接触端有互连通孔，其中填充有高温导电金属-玻璃粉末，带有导电胶的插脚直接嵌入玻璃，实现插脚和传感器芯片的良好电互连。该封装方案无需充灌硅油，能够保证气密性封装，适应多种应用，只要环境对硅或玻璃材料无影响，该类封装结构甚至可以用于如导电流体的超小型压力传感器；但是该类封装需采用特殊材料和特殊工艺，成本高，制作困难。如何能通过简单工艺完成高性能的压力传感器封装是值得研究的方向。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种含有硅通孔的压力传感器封装结构，用硅底座代替传统的硼磷硅玻璃基座，采用倒装焊技术、键合技术(如CuSn键合、AuSn共晶键合、Cu-Cu键合、Au-Au键合等)实现压力传感器的气密性真空封装，该结构可提升压力传感器灵敏度，并且可以用于动态压力检测，具有体积小、集成度高的优点。本发明的技术方案如下—种含有娃通孔的压力传感器封装结构，包括娃底座和压力传感器芯片，在娃底座上设有通孔，其内填充有导电材料(如Cu、W等)形成导电柱，作为金属互连线；导电柱上表面制备导电微凸点(如AuSn微凸点、CuSn微凸点等)，作为连接压力传感器芯片信号的接触点；所述导电微凸点的外围有一圈气密性材料构成(如AuSn、CuSn等)的键合金属环,用于实现局部气密性封装；所述压力传感器芯片倒装键合在所述硅底座上。所述制备导电微凸点可采用电镀工艺或者化学镀工艺。所述硅底座中部为一空腔，利于压力传感器芯片倒装键合，同时利于应力的减小。所述键合金属环分布在通孔位置导电微凸点外围，位于靠近硅底座外围边缘的位置。所述键合金属环还 分布在通孔位置导电微凸点内围，位于靠近娃底座凹型槽边缘。所述压力传感器芯片上设置有硅压阻条，针对仅有外围键合金属环的情况，所述硅压阻条分布在靠近压力传感器的硅膜边缘水平距离小于100 U m的位置。所述压力传感器芯片上设置有硅压阻条，针对存在内外键合金属环的情况，所述硅压阻条分布在靠近压力传感器的硅膜边缘水平距离10(T200 u m的位置。所述压力传感器芯片与硅底座的键合整体通过焊球技术直接装配在基板上(如PCB板、硅基板、LTCC基板等，一般为无孔基板)。所述压力传感器芯片与硅底座的键合整体采用键合技术装配在转接板上(如硅转接板、LTCC转接板、PCB等)，利用转接板作为过渡再与基板集成，或者直接利用转接板作为电互连基板。所述转接板设有通孔，其内填充导电材料，形成导电柱；导电柱上表面采用电镀工艺/化学镀工艺/剥离技术制备金属再分布层(如Cu金属再分布层、Al金属再分布层等)。该金属再分布层是一层金属线，其下表面与硅转接板接触位置有绝缘阻挡层。所述转接板的金属再分布层另一端与硅底座通过导电微凸点连接，所述导电柱的下表面与基板通过大焊球连接。所述娃转接板和基板上可集成处理电路，有利于减小寄生效应，提升传感器灵敏度。与现有技术相比，本发明的有益效果表现在I、本发明相对于传统采用硅-玻璃静电键合技术、金属引线键合技术、金属隔离膜技术和密闭腔充灌硅油技术的封装结构，取消了充灌硅油和金属隔离膜，简化了封装结构，减小了封装体积和重量，增加了测试灵敏度，并且可以用于压力动态检测；采用通孔内填充导电材料替代金属引线作为信号引出线，能够增加互连可靠性。2、本发明相对于Kulite公司提出的在非导电玻璃中填充高导电金属_玻璃粉末的SOI压力传感器新型无铅封装结构，无需采用特殊材料和特殊工艺，采用电镀工艺在硅通孔中填充导电金属材料实现互连。3、本发明采用单环和双环式气密性材料的键合金属环封装，在保证测试灵敏度的情况下，对于不同压阻条分布的压力传感器封装起到了减小键合应力的作用；同时取消了填充胶的使用，采用金属环结构，有利于实现局部气密性。4、本发明的压力传感器封装结构，可结合三维封装提升传感器的集成度。5、硅通孔经填充后，可以起到固定的作用，当传感器受到传递介质外加压力作用时，能够有效减小梯形槽斜面对硅膜形变的干扰影响；可动电极通过垂直互连过孔引出，有效的减小了电容信号在传输过程中的损耗，从而测量得到比较精确的信号。采用本发明制造的传感器具有精度高、线性度好等优点，适用于高精度的压力测量领域。
图I是本发明单环式键合金属环封装结构俯视示意图；图2是本发明双环式键合金属环封装结构俯视示意图；图3是本发明实施例一的结构示意图；图4是本发明实施例二的结构示意图；图5是本发明实施例三的结构示意图；图6是本发明实施例四的结构示意图；其中，I-压力传感器芯片；2_绝缘阻挡层；3_硅压阻条；4-通孔；5_硅底座；6-键合金属环；7-导电微凸点；8-UBM ;9-焊球；10_基板；11_金属再分布层；12_转接板；13_娃 膜；14一凹型槽。
具体实施例方式以下结合附图，对本发明作进一步的说明。图I为具有外围键合金属环结构的单环式键合金属环封装结构俯视示意图，对应于图3中的A-A视图；图2为具有内、外围键合金属环结构的双环式键合金属环封装结构俯视示意图，对应于图4中的A-A视图。实施例一如图3所示，本发明对硅底座5从背面向正面在对应SOI压力传感器芯片I数据信号端口的位置采用DRIE工艺刻蚀深度约100 200 u m的硅盲孔(其中DRIE工艺参数为SF6气体流量130sccm，C4F8气体流量lOOsccm，载台功率为600W，自动压力控制APC选择60，每刻蚀9s后钝化7s，刻蚀速率约2iim/min (具体参数与刻蚀面积密切相关))；热氧形成2 ii m厚SiO2绝缘侧壁或者淀积SiNx，磁控溅射淀积300 A粘附层Ti/1000 A阻挡层W，形成绝缘阻挡层2，同时在盲孔侧壁溅射种子层，其中种子层材料与硅盲孔填充导电材料一致(通常情况下，种子层越厚，填充导电材料晶粒越小，填充效果越好)；通过控制电流密度、添加剂比例、电镀时间等参数实现硅盲孔无空洞导电材料填充，形成导电柱(目前所采用的电镀液为SINYANG ADDITIVE UPT3320型号甲基磺酸体系电镀液，其中含有添加剂UPT3320A、抑制剂UPT3320S、UPT3320L ;该电镀液电流密度ASD可设置范围为0. I 2. 5，温度设置范围为2(T30°C，具体电镀时间根据电镀面积及电镀厚度计算)，同时在硅底座5背面的导电柱端口处采用电镀或者化学镀工艺制备UBM8结构，随后腐蚀去除表面粘附层Ti/阻挡层W/种子层；娃底座5背面和玻璃临时键合，对硅底座5的正面CMP减薄抛光(其中硅材料的抛光采用主要成分为Al2O3的研磨液，设备采用国产UNIP0L-1202设备，抛光液滴液速率为250ml/hr，压强为0. 05MPa,摆速为10次/min，摆幅为30°，转速为20r/min，研磨液配比为磨料水=1:3，抛光时间据实际减薄厚度而定；铜材料的抛光可采用酸性抛光液，主要的酸性抛光液氧化剂有硝酸、硫酸等，实验参数为抛光液滴液速率为150ml/hr，压力为
0.05MPa，摆速为10次/min，摆幅为30°，转速为60r/min)，直至露出导电柱，形成贯穿基片的通孔4 ;娃底座5正面通过PECVD淀积2 ii m厚SiO2绝缘层或者SiNx，光刻图形化定义出通孔4位置，并采用RIE工艺刻蚀去除通孔4处SiO2绝缘层或者SiNx ;硅底座5正面淀积300 A粘附层Ti/1000人阻挡层W/1000 A种子层，在通孔4位置电镀或者化学镀形成导电微凸点7，其中微凸点厚度约为5pm;同时在其外围电镀或者化学镀一圈环形的键合金属环结构，其中键合金属环6的材料为气密性材料，微凸点和金属环结构间留有一定的间隙(空隙无范围限制，通常情况下只要满足微凸点和金属环结构处在底座边缘位置即可)；腐蚀去除表面粘附层Ti/阻挡层W/种子层；硅底座5正面中间位置采用RIE或者DRIE刻蚀凹型槽14 (具体工艺方法选择取决与凹型槽深度)，凹型槽尺寸应大于等于压力传感器芯片I硅膜13尺寸，并在凹型槽表面LPCVD淀积约2 u m厚绝缘层，形成最终硅底座5结构；将硅底座5和玻璃解键合；与此同时，压力传感器芯片I信号端口及对应硅底座5金属键合环的位置均需电镀或者化学镀与硅底座5上一致的微凸点材料及键合金属环材料，采用倒装键合技术将上述压力传感器芯片I装配在所制备好的硅底座5上，具体倒装键合工艺参数取决于倒装键合材料，比如CuSn键合参数可设定为温度260°C，键合时间20min，键合压强2MPa ；再在硅底座5背面UBM8位置植入焊球9，并装配在基板10上，其中硅压阻条3分布在靠近压力传感器的硅膜13边缘水平距离小于100 u m的位置，且封装后处于硅底座5的凹型槽14内。实施例二
如图4所不,本发明实施例二实施方案类似实施例一,主要差异在于娃底座5正面CMP减薄抛光，形成贯穿基片的通孔4后，在通孔4位置电镀或者化学镀形成导电微凸点7，同时在其内、外围两侧分别电镀或者化学镀一圈环形的键合金属环结构，其中键合金属环6的材料为气密性材料。其余工艺步骤相同，不再赘述，其中硅压阻条3分布在靠近压力传感器的硅膜13边缘水平距离10(T200 u m的位置，且封装后处于硅底座5的凹型槽14内。实施例三如图5所示，本发明实施例三实施方案如下其中压力传感器芯片I倒装键合在硅底座5上的工艺步骤有对硅底座5从背面向正面在对应SOI压力传感器芯片I数据信号端口的位置采用DRIE工艺刻蚀深度约100^200 u m的硅盲孔，随后淀积2 ii m厚SiO2或SiNx绝缘层、300 A粘附层Ti/1000 A阻挡层W，形成绝缘阻挡层2，同时溅射r2 u m种子层，其中种子层材料与硅盲孔填充导电材料一致；硅盲孔电镀形成导电柱，同时采用电镀或者化学镀工艺制备UBM8结构，随后腐蚀去除表面粘附层Ti/阻挡层W/种子层；硅底座5背面和玻璃临时键合，对硅底座5的正面CMP减薄抛光，直至露出导电柱，形成贯穿基片的通孔4 ;硅底座5正面淀积2 ii m厚SiO2绝缘层或者SiNx，光刻图形化定义出通孔4位置，并采用RIE工艺刻蚀去除通孔4处SiO2绝缘层或者SiNx ;娃底座5正面淀积300 A粘附层Ti/1000 A阻挡层W/1000 A种子层，在通孔4位置电镀或者化学镀形成导电微凸点7，同时在其外围电镀或者化学镀一圈环形的键合金属环结构；腐蚀去除表面粘附层Ti/阻挡层W/种子层；硅底座5正面中间位置采用RIE或者DRIE刻蚀凹型槽14 (具体工艺方法选择取决与凹型槽深度)，凹型槽尺寸应大于等于压力传感器芯片I硅膜13尺寸，并在凹型槽表面LPCVD淀积约2 u m厚绝缘层，形成最终硅底座5结构；将硅底座5和玻璃解键合；压力传感器芯片I处理办法与实施例一中压力传感器芯片I处理办法相同，不再赘述；随后采用倒装键合技术将上述压力传感器芯片I装配在所制备好的硅底座5上。转接板12背面的制备工艺与硅底座5背面制备工艺类似，不再赘述；转接板12背面加工完成后与玻璃临时键合，对转接板12的正面CMP减薄抛光，直至露出导电柱，形成贯穿基片的通孔4 ;随后转接板12正面淀积2 ii m厚SiO2或SiNx绝缘层，光刻图形化出通孔4位置和金属再分布层11位置，其中金属再分布层11介于硅底座5上的通孔4和转接板12上的通孔4之间区域，金属再分布层线条宽度大于等于20 y m ；RIE刻蚀去除转接板上通孔4和金属再分布层11处的SiO2绝缘层或者SiNx ;转接板12正面淀积300 A粘附层Ti/〗000A阻挡层W/1000 A种子层，采用电镀工艺/化学镀工艺/剥离技术制备金属再分布层11，金属再分布层11厚度取决于信号频率；在对应硅底座5上通孔4的位置采用电镀工艺或化学镀工艺制备微凸点；将压力传感器芯片I和硅底座5的键合整体采用键合工艺装配在转接板12上；其中可在转接板12背面UBM8处植入焊球9，再装配到基板10上；或者在转接板12背面制备信号线，直接以转接板12作为电互连基板10。实施例四如图6所不,本发明实施例四实施方案类似实施例三,主要差异在于娃底座5正面CMP减薄抛光，形成贯穿基片的通孔4后，在通孔4位置电镀或者化学镀形成导电微凸点7，同时在其内、外围两侧分别电镀或者化学镀一圈环形的键合金属环结构，其中键合金属环6的材料为气密性材料。其余工艺步骤相同，不再赘述。·
权利要求
1.一种含有娃通孔的压力传感器封装结构，其特征在于，包括娃底座和压力传感器芯片，在硅底座上设有通孔，其内填充有导电材料，形成导电柱；导电柱上表面制备导电微凸点；所述导电微凸点的外围有一圈气密性材料构成的键合金属环；所述压力传感器芯片倒装键合在所述硅底座上。
2.如权利要求I所述的含有硅通孔的压力传感器封装结构，其特征在于，所述硅底座中部为一空腔。
3.如权利要求I所述的含有硅通孔的压力传感器封装结构，其特征在于，所述键合金属环位于靠近硅底座外围边缘的位置。
4.如权利要求3所述的含有硅通孔的压力传感器封装结构，其特征在于，所述键合金属环还分布在通孔位置导电微凸点内围，位于靠近硅底座凹型槽边缘。
5.如权利要求I或3所述的含有硅通孔的压力传感器封装结构，其特征在于，所述压力传感器芯片上设置有硅压阻条，所述硅压阻条分布在靠近压力传感器的硅膜边缘水平距离小于100 u m的位置。
6.如权利要求4所述的含有硅通孔的压力传感器封装结构，其特征在于，所述压力传感器芯片上设置有硅压阻条，所述硅压阻条分布在靠近压力传感器的硅膜边缘水平距离为IOOlOOiim 的位置。
7.如权利要求I所述的含有硅通孔的压力传感器封装结构，其特征在于，所述压力传感器芯片与硅底座的键合整体通过焊球植入技术直接装配在基板上。
8.如权利要求I所述的含有硅通孔的压力传感器封装结构，其特征在于，本发明的结构还包括转接板，所述压力传感器芯片与硅底座的键合整体利用转接板作为过渡与基板集成，或者直接利用转接板作为电互连基板。
9.如权利要求I所述的含有硅通孔的压力传感器封装结构，其特征在于，所述转接板设有通孔，其内填充导电材料，形成导电柱；导电柱上表面采用电镀工艺/化学镀工艺/剥离技术制备金属再分布层，导电柱下表面与硅转接板接触位置有绝缘阻挡层。
10.如权利要求I所述的含有硅通孔的压力传感器封装结构，其特征在于，所述转接板金属再分布层另一端与硅底座通过导电微凸点连接，所述导电柱的下表面与基板通过大焊球连接。
全文摘要
本发明提出一种含有硅通孔的压力传感器封装结构，用硅底座代替传统的硼磷硅玻璃基座，采用倒装焊技术、键合技术(如CuSn键合、AuSn共晶键合、Cu-Cu键合、Au-Au键合等)实现压力传感器的气密性真空封装；采用单环和双环式键合金属环封装，在保证测试灵敏度的情况下，对于不同压阻条分布的压力传感器封装起到了减小键合应力的作用；采用导电柱替代金属引线作为信号引出线，增加了互连可靠性。本发明相对于传统采用硅玻静电键合技术、金属引线键合技术、金属隔离膜技术和密闭腔充灌硅油技术的封装结构，取消了充灌硅油和金属隔离膜，有利于提升压力传感器灵敏度，也可用于动态压力检测，同时具有体积小、集成度高的优点。
文档编号B81B7/00GK102749167SQ20121021074
公开日2012年10月24日 申请日期2012年6月20日 优先权日2012年6月20日
发明者刘振华, 金玉丰, 陈兢 申请人:北京大学