专利名称：待测传感器芯片的电学引出结构及其应用的制作方法
待测传感器芯片的电学引出结构及其应用技术领域
本发明属于集成电路制造、封装和测量技术领域。具体是指待测传感器芯片的电学引出结构及其应用。
背景技术：
随着集成电路封装技术向小型化、高密度和三维封装等方向的发展，以及芯片面积不断增加，封装引起的芯片应力问题日益突出，已成为器件失效的主要原因之一。因此， 进行封装应力的测试与分析成为改进封装工艺，提高器件可靠性的重要环节。与传统的应力测试方法相比，利用硅的压阻效应制造的应力测试芯片与常规集成电路工艺兼容，测量设备比较简单，测试结果能反映芯片实际受力情况，是进行集成电路封装应力测量的有力工具。
压阻应力传感器是利用硅的压阻效应，通过测量附加应力导致的电阻阻值变化来计算得到芯片表面的应力分布状态。由于集成电路制造中采用的是基于(100)晶面的硅片作为基底，为了真实地模拟集成电路封装过程中的应力分布，所以压阻传感器一般是制作在(100)硅衬底上的。为了标定硅的压阻传感器的三个压阻系数Π η、Π 12、和Π 44以及测试不同方向的应力，制作的多个掺B或P电阻一般都是沿〈100〉和〈110〉不同晶向的，应力传感器的测试结构就逐步形成了 2元素、3元素、偏轴3元素、4元素及6元素等沿不同晶向的多种结构，而这类压阻传感器只局限于硅片面内应力的测量，还无法获得面外应力的信息。最近，通过 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺制作的应力传感器(Marc Baumann, IEEE SENSORS 2009 Conference,441),利用沿垂直于娃片方向 的压阻效应，实现了从面内到面外的应力测量。
一般而言，应力传感器测量输出与应力在理论上呈线性比例关系，测试传感器封装前，其输出应该为零，但由于传感器在制造工艺过程会引入残余应力，同时测试坏境特别是温度的影响很大，致使传感器封装前的测试输出并不为零，且传感器输出与应力偏离线性比例关系，因此，测试传感器芯片封装前的输出以及测试芯片的温度至关重要，是影响封装应力测量准确性的一个重要问题。
常规的前值标定方法一般是利用探针压到待测芯片的焊盘上获得的，而后再通过金属焊线连接外部测量装置测得传感器封装后的值(图1)，图1 (a)为传感器封装前的前值测量示意图，通过探针I压到测试芯片2上，并将探针的另一端连接外部测试装置测得前值输出，图1(b)为传感器封装后测试输出的示意图，将传感器通过金属引线3连接到基板6 上，盖上管壳4完成封装后，并由焊线5连接外部测试装置测得传感器封装后值，通过比较前后值得到应力大小，而由于前值测量时探针压到测量芯片上本身也引入应力，使封装前值测量存在误差，且传感器封装前后的测试方式不同，因此，这种类型的应力测量方法只能用于比较不同封装工艺条件下引入的应力相对大小，无法实现某一封装工艺过程中引入应力的绝对精确测量。
现有的应力传感器的另一个问题是，传感器在封装完成前没有实现电学引出，也就无法实现对封装过程中应力变化的实时监控。发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种待测传感器芯片的电学引出结构，并利用该结构实现封装应力的精确测量及实时在线监控应力的分布。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案待测传感器芯片的电学引出结构，其特征在于所述待测传感器芯片(16)上设有焊盘(9)以及位于焊盘(9)上的金属焊点(10);该电学引出结构还包括设有焊盘和互连线的柔性基板(14)，所述待测传感器芯片通过金属焊点(10)倒装焊于柔性基板(14)的焊盘上；通过柔性基板(14)的焊盘由焊线(15)实现电学引出。
作为本发明的优选技术方案之一，所述待测传感器芯片包括衬底、制备在所述衬底上的应力传感器(12、13)和温度传感器(11)。
作为本发明的优选技术方案之一，所述衬底为(100)娃片或SOI片。
作为本发明的优选技术方案之一，所述应力传感器是通过掺杂浓度为IO1Vcm3 IO1Vcm3范围的硼和磷制作而成的压敏电阻或者MOS器件。
作为本发明的优选技术方案之一，所述温度传感器为沉积厚度50 200纳米的金属钼。
作为本发明的优选技术方案之一，所述柔性基板(14)为梳齿形状；该柔性基板[14]梳齿端悬在空中，另一端固定；所述待测传感器芯片(16)倒装焊于该柔性基板(14) 的梳齿端。
本发明还提供一种测量环氧树脂固化所产生应力的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤
I)制备待测传感器芯片的电学引出结构并测量其应力；
2)采用环氧树脂将上述电学引出结构贴在PCB板上；
3)烘干步骤2)之后获得的结构；
4)测量步骤3)后的应力；
5)计算步骤I)和步骤4)的应力差，即获得环氧树脂固化所引入的应力。
作为本发明的优选技术方案之一，所述步骤I)中测量其应力包括a)获得电学引出结构后，外接电阻形成惠斯顿电桥，测量并记录该电桥的电压输出随温度的变化曲线山) 拆下所述外接电阻后，采用环氧树脂将所述电学引出结构贴在PCB板(18)上并烘干；c)外接相同的电阻形成的惠斯顿电桥，测量并记录该电桥的电压输出随温度的变化曲线，d)比较贴片前后的曲线得到环氧树脂固化引入的绝对应力以及应力随温度变化的规律。
作为本发明的优选技术方案之一，所述步骤I)中待测传感器芯片的电学引出结构包括待测传感器芯片，所述待测传感器芯片(16)上设有焊盘(9)以及位于焊盘(9)上的金属焊点(10);该电学引出结构还包括设有焊盘和互连线的柔性基板(14)，所述待测传感器芯片通过金属焊点(10)倒装焊于柔性基板(14)的焊盘上；通过柔性基板(14)的焊盘由焊线(15)实现电学引出。
本发明还提供一种实时在线测量环氧树脂固化所产生应力的方法，其特征在于， 该方法包括以下步骤
I)制备待测传感器芯片的电学引出结构；
2)采用环氧树脂将上述电学引出结构贴在PCB板上；
3)将步骤2)之后获得的结构放入烘箱(19)中烘烤；
4)进行实时在线测量步骤3)过程中产生的应力。
作为本发明的优选技术方案之一，所述步骤I)中待测传感器芯片的电学引出结构包括待测传感器芯片，所述待测传感器芯片(16)上设有焊盘(9)以及位于焊盘(9)上的金属焊点(10);该电学引出结构还包括设有焊盘和互连线的柔性基板(14)，所述待测传感器芯片通过金属焊点(10)倒装焊于柔性基板(14)的焊盘上；通过柔性基板(14)的焊盘由焊线(15)实现电学引出。
本发明还提供一种测量传感器芯片倒装焊互连工艺中引入应力的方法，其特征在于该方法包括以下步骤
I)制备待测传感器芯片的电学引出结构并测量其应力，所述待测传感器芯片(16)正面上设有焊盘(9)以及位于焊盘(9)上的金属焊点(10);该电学引出结构还包括设有焊盘和互连线的柔性基板(14)，所述待测传感器芯片通过金属焊点(10)倒装焊于柔性基板(14)的焊盘上；通过柔性基板(14)的焊盘由焊线(15)实现电学引出；
2)所述待测传感器芯片(16)背面也设有焊盘和位于该焊盘上的金属焊点；
3)将步骤2)后获得的结构采用倒装焊的方法实现与PCB板(18)的互连并测量此时的应力；
4)比较步骤I)与步骤3)中获得的应力大小，便可得到倒装焊互连工艺中引入应力的值。
本发明的优点在于将应力/温度传感器通过倒装焊于柔性基板的上，实现传感器的电学引出，解决了应力传感器封装前标定的问题，能够测量封装技术中引入的绝对应力。并通过温度传感器测量温度，得到封装应力随温度变化的规律，实现封装应力和温度的实时在线测量。
图1为传感器常规的封装前值和后值标定方法的示意图。图1a为前值测量示意图，I为探针，2为传感器芯片，图1b后值测量方法的示意图，3为金属引线，4为封装管壳，5 为金属焊线，6为基板。
图2为制作在SOI硅片上的温度/应力传感器的剖面图。7为底层硅，采用微机电加工的基本工艺将温度传感器11、P型应力传感器12和N型应力传感器13制作在绝缘层 8上面的顶层硅上，9为金属焊盘，10为金属焊点。
图3为传感器元件(分别为温度传感器11、P型应力传感器12和N型应力传感器 13)的俯视图。
图4为本发明基于柔性基板实现温度/应力传感器电学引出的结构示意图，在SOI 硅片上制作传感器元件11、12和13，通过金属焊盘9和凸点10与柔性基板14实现互连，并由焊线15实现电学引出。
图5为制作成梳齿结构的柔性基板的俯视图，将待测传感器芯片16制作在柔性基板14的齿端。
图6为模拟芯片用于测量环氧树脂固化所产生应力的示意图。16为实现电学引出的待测传感器芯片，17为环氧树脂，18为PCB板(Printed Circuit board)。
图7为测试芯片用于实时在线测量环氧树脂固化过程中所引入应力的示意图。19 为烘箱。
图8为测试芯片用于测量倒装焊互连工艺引入应力的示意图。
图9为惠斯顿电桥结构示意图，应力或温度传感器电阻20通过金属导线21与三个电阻阻值相同的金属电阻22相连接，形成惠斯顿电桥，电桥a、b两端通过导线21分别连接到直流电源23的正、负极，c、d两端分别接到万用表24的正、负极。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实施例。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图4所示，本发明提供了待测传感器芯片的电学引出结构，所述待测传感器芯片16上设有焊盘9以及位于焊盘9上的金属焊点10 ;该电学引出结构还包括设有焊盘和互连线的柔性基板14，所述待测传感器芯片通过金属焊点10倒装焊于柔性基板14的焊盘上；通过柔性基板14的焊盘由焊线15实现电学引出。所述待测传感器芯片包括衬底、 制备在所述衬底上的应力传感器12、13和温度传感器11。
本发明采用柔性基板14将应力传感器和温度传感器实现电学引出，并将其作为模拟芯片采用待封装技术进行封装，通过测试封装前后的应力变化得到该封装技术引入的应力。本发明通过温度传感器用于传感器芯片封装前后的温度测量，分别得到应力传感器封装前后的输出随温度变化的曲线，通过比较封装前后的输出曲线就可以得到封装应力随温度变化的规律，因此，该传感器还可用于封装应力和温度的实时在线测量。
所述温度/应力传感器芯片实现电学引出的方法是通过在传感器芯片的焊盘上制作金属焊点10，并将其倒装焊于柔性基板上实现的。所述的封装前后传感器的输出均为电压输出。
所述应力/温度传感器是制作在(100)娃片或者SOI片(Silicon On Insulator) 上的，保证了与集成电路制造中所采用的硅片晶面的一致性。应力传感器是通过掺杂浓度为IO1Vcm3到IO1Vcm3范围的硼和磷制作而成的压敏电阻或者MOS器件，而温度敏感元件为沉积厚度50纳米到200纳米范围的金属钼(Pt)。
所述柔性基板是通过在聚宪亚胺薄膜上制作金属焊盘和互连线，然后剥离形成的柔性薄膜板，也可以是商业的柔性基板FPC (Flexible Printed Circuit Board),其厚度为 O.1mm到2mm的范围，柔性基板的特点是非常柔软，可折叠，具有很强的弹性，所以柔板本身在应力/温度传感器芯片倒装焊中引入产生的应力很小。
通过将柔性基板制作成梳齿形状可进一步减小柔性基板的影响，图5为制作成梳齿结构的柔性基板的俯视图，将待测传感器芯片16制作在柔性基板14的锯齿端，并将柔性基板锯齿端悬在空中，而另外一端固定。这样待测传感器芯片的应力大部分被释放，进一步减小柔性基板对待测芯片的影响，从而提高封装前值测试的可靠性。
应用例一
传统的应力/温度传感器阵列需要采用探针台进行封装前的电压输出测量，封装后通过金属焊线连接外部测量装置测试其电压输出，通过比较封装前后电压输出计算得到应力大小，而由于前值测量时探针压到芯片上本身也引入应力，封装前值测量存在误差，且传感器封装前后的测试方式不同，因此，这种类型的应力测量方法只能用于比较不同封装工艺条件下引入的应力相对大小，无法实现某一封装工艺过程中引入应力的绝对精确测量，而基于柔性基板实现了应力/温度传感器电学引出后，可以实现应力/温度传感器阵列封装前后的输出电压精确测量，且传感器封装前后的电压输出都是基于柔性基板完成的， 测试方式相同，因此，可以实现某一封装工艺过程中引入的绝对应力测量。同时，由于在封装前测量了应力传感器输出的温度特性曲线，通过比较封装前后应力传感器输出的温度特性曲线，可以用于测量封装应力随温度变化的规律。
图4为采用柔性基板实现应力/温度传感器电学·引出的结构示意图，将Pt温度传感器11、P型应力传感器12和N型应力传感器13制作在SOI片的顶层硅上，金属Pt的沉积厚度100纳米，B和P的掺杂浓度1018/cm3。在焊盘9上植入金属焊点10，并采用倒装焊的方法实现与柔性基板14上焊盘的互连，所用柔性基板为商业FPC板，厚度为O. 15mm,最后通过焊线15实现应力/温度传感器的电学引出。
图6为应力/温度传感器测试环氧树脂贴片引入应力的结构示意图。将应力/ 温度传感器的芯片16基于柔板14实现电学引出后，外接电阻形成惠斯顿电桥，测量并记录电桥的电压输出随温度的变化曲线。拆下外接电阻后，通过环氧树脂将芯片贴在PCB板 (Printed Circuit board) 18上并烘干后,夕卜接相同的电阻形成惠斯顿电桥,测量并记录电桥的电压输出随温度的变化曲线，比较贴片前后的曲线就可以计算得到环氧树脂固化引入的绝对应力以及应力随温度变化的规律。
图9为惠斯顿电桥结构示意图，应力或温度传感器电阻20通过金属导线21与三个电阻阻值相同的金属电阻22相连接，形成惠斯顿电桥，电桥a、b两端通过导线21分别连接到直流电源23的正、负极，c、d两端分别接到万用表24的正、负极，通过万用表24来测试封装前后电桥的电压输出。
应用例二
传统的应力/温度传感器阵列在封装前是没有实现电学引出的，只能用于测量封装工艺中引入的相对应力大小，无法实现封装过程中引入应力的实时在线测量，而基于柔性基板应力/温度传感器实现电学引出后，可以用于封装应力和温度的实时在线测量。
图7为应用该传感器芯片实时在线测量应力的示意图，制作与应用例一中相同的应力/温度传感器芯片，将应力/温度传感器的芯片16基于柔板14实现电学引出后，外接电阻形成惠斯顿电桥，测量并记录电桥的电压输出随温度的变化曲线。拆下外接电阻后， 采用环氧树脂贴将应力/温度传感器的芯片16背面到PCB板18上，放入烘箱19中，外接相同的电阻形成惠斯顿电桥，测量并记录环氧树脂固化过程中实时的电压输出及相应的温度，通过比较固化过程中实时的电压输出与相应温度贴片前的电压输出就可以计算得到固化过程实时引入的应力大小，从而实现环氧树脂固化过程中引入应力和温度的实时在线测量。
应用例三
图8为温度/应力传感器芯片用于模拟测量倒装焊互连工艺中引入应力大小的剖面示意图，温度/应力传感器的制作方法与应用例一中的相同，只是温度/应力传感器芯片16的背面也制作了焊盘9和金属焊点10，在通过柔性基板14实现温度/应力传感器电学引出后，外接电阻形成惠斯顿电桥(参图9)，测量并记录电桥的电压输出随温度的变化曲线。拆下外接电阻后，将该模拟芯片采用倒装焊的方法实现与PCB板(Printed Circuit board) 18的互连，外接相同的电阻形成惠斯顿电桥，测量并记录倒装焊后电桥的电压输出及随温度的变化曲线，比较倒装焊前后的曲线 就可以计算倒装焊引入的绝对应力以及应力随温度变化的规律，
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。 熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一股原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种待测传感器芯片的电学引出结构，其特征在于所述待测传感器芯片(16)上设有焊盘(9)以及位于焊盘(9)上的金属焊点(10);该电学引出结构还包括设有焊盘和互连线的柔性基板(14)，所述待测传感器芯片通过金属焊点(10)倒装焊于柔性基板(14)的焊盘上；通过柔性基板(14)的焊盘由焊线(15)实现电学引出。
2.如权利要求1所述的待测传感器芯片的电学引出结构，其特征在于所述待测传感器芯片包括衬底、制备在所述衬底上的应力传感器(12、13)和温度传感器(11)。
3.如权利要求2所述的待测传感器芯片的电学引出结构，其特征在于所述衬底为(100)硅片或SOI片。
4.如权利要求2所述的待测传感器芯片的电学引出结构，其特征在于所述应力传感器是通过掺杂浓度为IO1Vcm3 IO1Vcm3范围的硼和磷制作而成的压敏电阻或者MOS器件。
5.如权利要求2所述的待测传感器芯片的电学引出结构，其特征在于所述温度传感器为沉积厚度50 200纳米的金属钼。
6.如权利要求1所述的待测传感器芯片的电学引出结构，其特征在于所述柔性基板(14)为梳齿形状；该柔性基板(14)梳齿端悬在空中，另一端固定；所述待测传感器芯片(16)倒装焊于该柔性基板(14)的梳齿端。
7.一种测量环氧树脂固化所产生应力的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 1)制备待测传感器芯片的电学引出结构并测量其应力； 2)采用环氧树脂将上述电学引出结构贴在PCB板上； 3)烘干步骤2)之后获得的结构； 4)测量步骤3)后的应力； 5)计算步骤I)和步骤4)的应力差，即获得环氧树脂固化所引入的应力； 所述步骤I)中待测传感器芯片的电学引出结构包括待测传感器芯片，所述待测传感器芯片(16)上设有焊盘(9)以及位于焊盘(9)上的金属焊点(10);该电学引出结构还包括设有焊盘和互连线的柔性基板(14)，所述待测传感器芯片通过金属焊点(10)倒装焊于柔性基板(14)的焊盘上；通过柔性基板(14)的焊盘由焊线(15)实现电学引出。
8.如权利要求7所述的测量环氧树脂固化所产生应力的方法，其特征在于，所述步骤I)中测量其应力包括a)获得电学引出结构后，外接电阻形成惠斯顿电桥，测量并记录该电桥的电压输出随温度的变化曲线山)拆下所述外接电阻后，采用环氧树脂将所述电学引出结构贴在PCB板(18)上并烘干；c)外接相同的电阻形成的惠斯顿电桥，测量并记录该电桥的电压输出随温度的变化曲线，d)比较贴片前后的曲线得到环氧树脂固化引入的绝对应力以及应力随温度变化的规律。
9.一种实时在线测量环氧树脂固化所产生应力的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 1)制备待测传感器芯片的电学引出结构； 2)采用环氧树脂将上述电学引出结构贴在PCB板上； 3)将步骤2)之后获得的结构放入烘箱(19)中烘烤； 4)进行实时在线测量步骤3)过程中产生的应力； 所述步骤I)中待测传感器芯片的电学引出结构包括待测传感器芯片，所述待测传感器芯片(16)上设有焊盘(9)以及位于焊盘(9)上的金属焊点(10);该电学引出结构还包括设有焊盘和互连线的柔性基板(14)，所述待测传感器芯片通过金属焊点(10)倒装焊于柔性基板(14)的焊盘上；通过柔性基板(14)的焊盘由焊线(15)实现电学引出。
10.一种测量传感器芯片倒装焊互连工艺中引入应力的方法，其特征在于该方法包括以下步骤 1)制备待测传感器芯片的电学引出结构并测量其应力，所述待测传感器芯片(16)正面上设有焊盘(9)以及位于焊盘(9)上的金属焊点(10);该电学引出结构还包括设有焊盘和互连线的柔性基板(14)，所述待测传感器芯片通过金属焊点(10)倒装焊于柔性基板(14)的焊盘上；通过柔性基板(14)的焊盘由焊线(15)实现电学引出； 2)所述待测传感器芯片(16)背面也设有焊盘和位于该焊盘上的金属焊点； 3)将步骤2)后获得的结构采用倒装焊的方法实现与PCB板(18)的互连并测量此时的应力；4)比较步骤I)与步骤3)中获得的应力大小，便可得到倒装焊互连工艺中引入应力的值。
全文摘要
本发明涉及待测传感器芯片的电学引出结构及其应用。所述待测传感器芯片(16)上设有焊盘(9)以及位于焊盘(9)上的金属焊点(10)；该电学引出结构还包括设有焊盘和互连线的柔性基板(14)，所述待测传感器芯片通过金属焊点(10)倒装焊于柔性基板(14)的焊盘上；通过柔性基板(14)的焊盘由焊线(15)实现电学引出。本发明通过采用柔性基板实现应力/温度传感器的电学引出，然后将已实现电学引出的传感器作为模拟芯片采用待测封装技术进行封装，通过测量封装前后的应力变化就可以得到该封装技术引入的应力。柔性基板电学引出的方法解决了封装用应力传感器难以实现封装前标定的问题。该传感器还可用于封装应力和温度的实时在线测量。
文档编号H01L23/488GK103021985SQ201110281248
公开日2013年4月3日 申请日期2011年9月21日 优先权日2011年9月21日
发明者杨恒, 豆传国, 吴燕红, 李昕欣, 王跃林 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所