基于襯底轉(zhuǎn)移工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其封裝方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于襯底轉(zhuǎn)移工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其封裝方法，在保證了與傳統(tǒng)CMOS工藝完全兼容的同吋，利用導(dǎo)熱粘合劑膠體將陶瓷基板和傳感芯片進(jìn)行鍵合，通過(guò)腐蝕或研磨的方法去掉硅襯底后，能夠完全消除傳感器加熱元件產(chǎn)生的熱量在硅基芯片中的熱傳導(dǎo)；同時(shí)傳感結(jié)構(gòu)處于陶瓷基板和二氧化硅層之間，由于二氧化硅層具有極低的熱傳導(dǎo)系數(shù)，陶瓷基板具有較大的熱傳導(dǎo)系數(shù)，因此加熱元件產(chǎn)生的絕大部分熱量均通過(guò)導(dǎo)熱膠和陶瓷基板向上進(jìn)行熱傳導(dǎo)并通過(guò)強(qiáng)迫熱對(duì)流效應(yīng)與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換，絕大部分的熱量均用于感知外界環(huán)境中風(fēng)速風(fēng)向的變化，因此由于熱傳導(dǎo)效應(yīng)造成的熱損失會(huì)很小，使傳感器能夠在低功耗條件下獲得較大的敏感信號(hào)。
【專利說(shuō)明】基于襯底轉(zhuǎn)移工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其封裝方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種低功耗高靈敏度的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，尤其涉及一種基于襯底 轉(zhuǎn)移工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其封裝方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 熱風(fēng)速風(fēng)向傳感器在風(fēng)速、風(fēng)向的測(cè)量中有廣泛的應(yīng)用，而隨著近些年國(guó)內(nèi)外自 然災(zāi)害逐步增多，對(duì)于氣象監(jiān)測(cè)的要求越來(lái)越高，因此實(shí)現(xiàn)低功耗高靈敏度的熱風(fēng)速風(fēng)向 傳感器具有重要的意義。在基于CMOS工藝的熱風(fēng)速風(fēng)向傳感器的設(shè)計(jì)中，封裝一直以來(lái)是 阻礙其發(fā)展的技術(shù)瓶頸。一方面其封裝材料既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，熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器要 求傳感器的敏感部分暴露在測(cè)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(lái)，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(guò)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(guò)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。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 發(fā)明目的：本發(fā)明根據(jù)以往硅風(fēng)速風(fēng)向傳感器存在的問(wèn)題，提出了一種利用襯底 轉(zhuǎn)移工藝實(shí)現(xiàn)的基于陶瓷封裝CMOS集成的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其封裝方法，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 在保證與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容以及實(shí)現(xiàn)圓片級(jí)封裝的同時(shí)，能夠完全消除加熱元件在硅基 襯底上的熱傳導(dǎo)，在低功耗的條件下可以獲得較高的靈敏度；并通過(guò)最后一步反應(yīng)離子刻 蝕技術(shù)，解決在圓片級(jí)封裝過(guò)程中的電引出問(wèn)題。
[0004] 技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0005] -種基于襯底轉(zhuǎn)移工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，包括陶瓷基板和傳感芯片，傳感 芯片包括二氧化硅絕熱層，在二氧化硅絕熱層的正面設(shè)置有加熱元件、測(cè)溫元件和焊盤(pán)，二 氧化硅絕熱層的正面和陶瓷基板的正面通過(guò)粘合劑膠體實(shí)現(xiàn)基于粘合劑的低溫鍵合圓片 級(jí)封裝；粘合劑膠體為導(dǎo)熱材質(zhì)。
[0006] 具體的，所述傳感芯片中：加熱元件以傳感芯片的中心為中心均勻分布并形成中 心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，形成溫度場(chǎng)；測(cè)溫元件同樣以傳感芯片的中心為中心均勻分布并形成對(duì)稱結(jié) 構(gòu)，且測(cè)溫元件設(shè)置在加熱元件的外側(cè)，用以感應(yīng)溫度場(chǎng)的分布；通過(guò)相對(duì)的測(cè)溫元件上的 熱溫差來(lái)反應(yīng)風(fēng)速和風(fēng)向信息。
[0007] -種基于襯底轉(zhuǎn)移工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器封裝方法，包括如下步驟：
[0008] (1)制備陶瓷基板和基于娃襯底的傳感芯片，基于娃襯底的傳感芯片的結(jié)構(gòu)為： 在硅襯底上設(shè)置有二氧化硅絕熱層，在二氧化硅絕熱層的正面設(shè)置有加熱元件、測(cè)溫元件 和焊盤(pán)；
[0009] (2)將二氧化硅絕熱層的正面和陶瓷基板的正面之間通過(guò)粘合劑膠體實(shí)現(xiàn)基于粘 合劑的低溫鍵合圓片級(jí)封裝；
[0010] (3)使用腐蝕與研磨的方法完全去除硅襯底。
[0011] 具體的，所述步驟（2)中，鍵合過(guò)程環(huán)境溫度低于400°C，與CMOS工藝兼容。
[0012] 具體的，所述步驟（1)中，基于硅襯底的傳感芯片制備過(guò)程如下：
[0013] (11)在硅襯底上氧化或淀積一層二氧化硅絕熱層；
[0014] (12)在二氧化硅絕熱層上加工生長(zhǎng)金屬層；
[0015] (13)利用光亥_刻蝕工藝對(duì)金屬層進(jìn)行圖形化；
[0016] (14)去除光刻膠形成加熱元件、測(cè)溫元件和焊盤(pán)。
[0017] 具體的，所述步驟（12)中，金屬層為金屬鋁層。
[0018] 本發(fā)明傳感器中，陶瓷基板和傳感芯片之間通過(guò)導(dǎo)熱的粘合劑膠體實(shí)現(xiàn)基于粘合 劑的低溫鍵合圓片級(jí)封裝，陶瓷基板與傳感芯片之間的熱連接通過(guò)粘合劑傳熱來(lái)實(shí)現(xiàn)，鍵 合過(guò)程環(huán)境溫度低于400°C，與CMOS工藝兼容。具有高熱導(dǎo)率的硅襯底被用腐蝕加研磨的 方式完全去除，僅剩下一層二氧化硅絕熱層起絕熱的作用。此種方法有效減少了由于硅襯 底的熱傳導(dǎo)造成的熱損失，從而大大降低了無(wú)用功耗。本發(fā)明傳感器中的陶瓷基板一方面 作為用于保護(hù)下層傳感芯片的封裝基板，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，其他元件和電路均通過(guò)陶瓷基板和外 界環(huán)境隔絕，因此能夠避免受到外界環(huán)境的污染。本發(fā)明通過(guò)陶瓷基板下表面使用粘合劑 鍵合方法連接的加熱元件在陶瓷基板表面建立一個(gè)溫度場(chǎng)，陶瓷基板上表面暴露在外界環(huán) 境中，由加熱元件在陶瓷基板上表面建立的溫度場(chǎng)去感受風(fēng)的變化，熱傳感測(cè)溫元件通過(guò) 粘合劑的導(dǎo)熱功能測(cè)出該溫度場(chǎng)溫度分布的變化情況。在外界無(wú)風(fēng)的條件下，溫度場(chǎng)的分 布呈現(xiàn)完全對(duì)稱的狀態(tài)。當(dāng)外界有風(fēng)從陶瓷基板表面吹過(guò)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，熱傳感測(cè)溫元件通過(guò)測(cè)出該溫度場(chǎng)的變化，進(jìn)而可反映風(fēng)速 的大??；對(duì)稱分布的上游和下游熱傳感測(cè)溫元件的差分輸出反映陶瓷基板上表面溫度場(chǎng)溫 度梯度的變化，能夠反映風(fēng)向的變化信息。
[0019] 有益效果：本發(fā)明提供的基于襯底轉(zhuǎn)移工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其封裝方 法，在保證了與傳統(tǒng)CMOS工藝完全兼容的同吋，利用導(dǎo)熱粘合劑膠體將陶瓷基板和傳感芯 片進(jìn)行鍵合，通過(guò)腐蝕或者研磨的方法去掉硅襯底后，能夠完全地消除傳感器加熱元件產(chǎn) 生的熱量在娃基芯片中的熱傳導(dǎo)；同時(shí)傳感結(jié)構(gòu)處于陶瓷基板和二氧化娃層之間，由于二 氧化硅層具有極低的熱傳導(dǎo)系數(shù)，陶瓷基板具有較大的熱傳導(dǎo)系數(shù)，因此加熱元件產(chǎn)生的 絕大部分熱量均通過(guò)導(dǎo)熱膠和陶瓷基板向上進(jìn)行熱傳導(dǎo)并通過(guò)強(qiáng)迫熱對(duì)流效應(yīng)與外界環(huán) 境進(jìn)行熱交換，絕大部分的熱量均用于感知外界環(huán)境中風(fēng)速風(fēng)向的變化，因此由于熱傳導(dǎo) 效應(yīng)造成的熱損失會(huì)很小，使傳感器能夠在低功耗條件下獲得較大的敏感信號(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。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為基于娃襯底的傳感芯片的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0021] 圖2為未去除硅襯底的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖4為本發(fā)明安裝到電路板中的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 包括：硅襯底1，二氧化硅絕熱層2,加熱元件3,測(cè)溫元件4,焊盤(pán)5,粘合劑膠體6、 陶瓷基板7、電路板8、電路板焊盤(pán)9、鍵合線10和絕熱封裝膠11。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0026] -種基于襯底轉(zhuǎn)移工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，包括陶瓷基板7和傳感芯片，傳 感芯片包括二氧化硅絕熱層2,在二氧化硅絕熱層2的正面設(shè)置有加熱元件3、測(cè)溫元件4 和焊盤(pán)5,二氧化硅絕熱層2的正面和陶瓷基板7的正面通過(guò)粘合劑膠體6實(shí)現(xiàn)基于粘合劑 的低溫鍵合圓片級(jí)封裝；粘合劑膠體6為導(dǎo)熱材質(zhì)。所述傳感芯片中：加熱元件3以傳感芯 片的中心為中心均勻分布并形成中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，形成溫度場(chǎng)；測(cè)溫元件4同樣以傳感芯片 的中心為中心均勻分布并形成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且測(cè)溫元件4設(shè)置在加熱元件3的外側(cè)，用以感應(yīng) 溫度場(chǎng)的分布；通過(guò)相對(duì)的測(cè)溫元件4上的熱溫差來(lái)反應(yīng)風(fēng)速和風(fēng)向信息。
[0027] 加熱元件3用于在陶瓷基板7上實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)；通過(guò)測(cè)溫元件4上的熱溫差來(lái)反應(yīng) 風(fēng)速和風(fēng)向信息；焊盤(pán)5用于實(shí)現(xiàn)傳感芯片與電路板8之間的連接；粘合劑膠體6 -方面 用于實(shí)現(xiàn)感風(fēng)陶瓷基板和傳感芯片之間的鍵合粘接，另一方面用于實(shí)現(xiàn)加熱元件3、測(cè)溫元 件4與陶瓷基板之間的熱交換；陶瓷基板7在用作感風(fēng)面的同時(shí)也起到保護(hù)芯片表面的元 件的作用。
[0028] 上述基于襯底轉(zhuǎn)移工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器封裝方法，包括如下步驟：
[0029] (1)制備陶瓷基板7和基于娃襯底1的傳感芯片，基于娃襯底1的傳感芯片的結(jié) 構(gòu)為：在硅襯底1上設(shè)置有二氧化硅絕熱層2,在二氧化硅絕熱層2的正面設(shè)置有加熱元件 3、測(cè)溫元件4和焊盤(pán)5 ;
[0030] 基于硅襯底1的傳感芯片如圖1所示，其制備過(guò)程如下：
[0031] (11)在硅襯底1上氧化或淀積一層二氧化硅絕熱層2 ;
[0032] (12)在二氧化硅絕熱層2上加工生長(zhǎng)金屬鋁層；
[0033] (13)利用光亥_刻蝕工藝對(duì)金屬鋁層進(jìn)行圖形化；
[0034] (14)去除光刻膠形成加熱元件3、測(cè)溫元件4和焊盤(pán)5 ;
[0035] (2)在二氧化硅絕熱層2的正面涂上一層較薄的可以導(dǎo)熱的粘合劑膠體6,使二氧 化硅絕熱層2的正面和陶瓷基板7的正面之間通過(guò)粘合劑膠體6實(shí)現(xiàn)基于粘合劑的低溫鍵 合圓片級(jí)封裝，如圖2所示；鍵合過(guò)程環(huán)境溫度低于400°C，與CMOS工藝兼容；
[0036] (3)對(duì)硅襯底1的背面進(jìn)行減薄、研磨或腐蝕，直到完全去除硅襯底，露出二氧化 硅絕熱層2 ;再通過(guò)光刻和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)刻蝕二氧化硅層絕熱層2的對(duì)應(yīng)焊盤(pán)5的區(qū) 域，使焊盤(pán)5可以露出來(lái)，如圖3所示。
[0037] 在完成上述工藝后，可以劃片產(chǎn)生單個(gè)的經(jīng)過(guò)封裝的傳感器芯片，最終安裝到電 路板8上的傳感器芯片的截面如圖4所示。在電路板8上的電路板焊盤(pán)9和傳感芯片的焊 盤(pán)5之間通過(guò)鍵合線10實(shí)現(xiàn)電連接；鍵合完成后用絕熱封裝膠11將鍵合區(qū)域封閉起來(lái)實(shí) 現(xiàn)保護(hù)的作用。
[0038] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人 員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于襯底轉(zhuǎn)移工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于：包括陶瓷基板（7)和 傳感芯片，傳感芯片包括二氧化硅絕熱層（2)，在二氧化硅絕熱層（2)的正面設(shè)置有加熱元 件（3)、測(cè)溫元件（4)和焊盤(pán)（5)，二氧化硅絕熱層（2)的正面和陶瓷基板（7)的正面通過(guò) 粘合劑膠體（6)實(shí)現(xiàn)基于粘合劑的低溫鍵合圓片級(jí)封裝；粘合劑膠體（6)為導(dǎo)熱材質(zhì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于襯底轉(zhuǎn)移工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其特征在于：所 述傳感芯片中：加熱元件（3)以傳感芯片的中心為中心均勻分布并形成中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，形 成溫度場(chǎng)；測(cè)溫元件（4)同樣以傳感芯片的中心為中心均勻分布并形成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且測(cè)溫 元件⑷設(shè)置在加熱元件⑶的外側(cè)，用以感應(yīng)溫度場(chǎng)的分布；通過(guò)相對(duì)的測(cè)溫元件⑷上 的熱溫差來(lái)反應(yīng)風(fēng)速和風(fēng)向信息。
3. -種基于襯底轉(zhuǎn)移工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器封裝方法，其特征在于：包括如下步 驟： (1) 制備陶瓷基板（7)和基于娃襯底（1)的傳感芯片，基于娃襯底（1)的傳感芯片的結(jié) 構(gòu)為：在硅襯底（1)上設(shè)置有二氧化硅絕熱層（2)，在二氧化硅絕熱層（2)的正面設(shè)置有加 熱元件⑶、測(cè)溫元件⑷和焊盤(pán)（5); (2) 將二氧化硅絕熱層⑵的正面和陶瓷基板（7)的正面之間通過(guò)粘合劑膠體（6)實(shí) 現(xiàn)基于粘合劑的低溫鍵合圓片級(jí)封裝； (3) 使用腐蝕與研磨的方法完全去除硅襯底（1)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于襯底轉(zhuǎn)移工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器封裝方法，其特征 在于：所述步驟（2)中，鍵合過(guò)程環(huán)境溫度低于400°C，與CMOS工藝兼容。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于襯底轉(zhuǎn)移工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器封裝方法，其特征 在于：所述步驟（1)中，基于硅襯底（1)的傳感芯片制備過(guò)程如下： (11) 在硅襯底（1)上氧化或淀積一層二氧化硅絕熱層（2); (12) 在二氧化硅絕熱層（2)上加工生長(zhǎng)金屬層； (13) 利用光刻和刻蝕工藝對(duì)金屬層進(jìn)行圖形化； (14) 去除光刻膠形成加熱元件（3)、測(cè)溫元件（4)和焊盤(pán)（5)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于襯底轉(zhuǎn)移工藝的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器封裝方法，其特征 在于：所述步驟（12)中，金屬層為金屬鋁層。
【文檔編號(hào)】G01P5/10GK104061967SQ201410326494
【公開(kāi)日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】秦明, 朱雁青, 陳蓓, 黃慶安 申請(qǐng)人:東南大學(xué)