一种复合式MEMS传感器及芯片级封装方法与流程

一种复合式mems传感器及芯片级封装方法
技术领域
1.本发明涉及一种复合式mems传感器及芯片级封装方法，属于敏感元件与传感器领域。


背景技术：

2.mems传感器是基于微机电系统(mems，microelectro mechanical systems)工艺制备而成的，具有成本低、尺寸小、精度高、可靠性高等优点，现已被广泛应用于石油化工、工业控制、消费电子、航天航空等行业。
3.按照mems传感器的功能，可将其进一步划分为mems温度传感器、mems压力传感器、mems加速度传感器、mems惯性传感器等等，在一些应用场合中，比如汽车胎压传感器，需要同时采集轮胎的温度、压力、加速度等物理量，这时就需要采用复合式mems传感器。
4.一种解决方案是在芯片级进行集成，比如专利cn201510868610.8，一种mems压阻式复合传感器及其加工方法，这种方案虽然可以实现加速度传感器、压力传感器以及温度传感器的芯片级集成，但该方案的芯片良率近似等于三个mems传感器各自良率的乘积，这会导致总体芯片良率较低，从而造成加工成本的大幅度上涨。而且，该方案无法对三种传感器芯片进行模块化组合，当芯片被设计出来，版图即已经确定，当三个mems传感器中任何一个传感器规格发生改变，就需要重新设计、开发一套新的版图，这无疑也会增加复合型传感器的潜在成本。
5.另外一种解决方案，是分别制备mems温度、压力、加速度传感器，然后将他们封装在陶瓷等基板上，并通过引线键合等方式实现彼此的电连接。然而，现有的封装方案，比如专利cn201910427442.7，一种用于燃油压力传感器的封装方法，采用陶瓷基板对压力传感器进行封装，在陶瓷基板上方布线，通过引线键合的方式实现mems芯片与asic(application specific integrated circuit，专门应用的集成电路)芯片的电气连接。这种方法虽然工艺成熟，但仅适用于简单布线的封装，难以适用于复杂布线的情况，比如三芯片甚至多芯片封装的体系，此时会存在布线困难，键合的引线彼此接触等问题，从而降低传感器的可靠性，或者为了提高引线键合的可靠性而被动增大传感器的尺寸。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术方案中复合型mems传感器存在的难以模块化生产、良率低、封装可靠性差等问题，本发明提供了一种复合式mems传感器及芯片级封装方法。
7.本发明的第一个目的在于提供一种复合型mems传感器，所述复合型mems传感器包括由下而上依次键合的三层结构：硅基板层、互联层和芯片层；
8.所述硅基板层包括硅基板，所述硅基板设有金属线，用于所述芯片层上各芯片之间的电气连接；
9.所述互联层设有通孔，所述通孔内贯穿有金属柱，用于实现所述芯片层与所述硅基板层的电气连接；
10.所述芯片层包括多个mems传感器芯片和asic芯片。
11.可选的，所述互联层的材料为玻璃，所述互联层的通孔位置与所述mems传感器芯片、所述asic芯片的位置对应。
12.可选的，所述硅基板的材料为单抛硅片。
13.可选的，所述芯片层包括：mems压力传感器芯片和/或mems加速度传感器芯片和/或mems温度传感器芯片，以及asic芯片。
14.可选的，所述mems压力传感器芯片和/或mems加速度传感器芯片位置的下方对应的互联层上表面设有凹槽，用于提供形变空间。
15.本发明还提供一种复合型mems传感器的封装方法，所述方法包括：
16.步骤一：制备硅基板；
17.步骤11：以硅片为基底，在硅片上制备金属层；
18.步骤12：对金属层进行刻蚀，形成金属线和输入输出金属端口；
19.步骤二：制备互联层；
20.步骤21：采用玻璃材料，在玻璃上制备上下贯穿的通孔；
21.步骤22：电镀金属，填充所述通孔的内部空间和所述互联层的表面；
22.步骤23：抛光所述互联层的表面，去除互联层表面的金属，使金属仅保留在通孔内，形成金属柱；
23.步骤三：利用阳极键合的方法连接芯片层、所述互联层和所述硅基板，所述芯片层包括多个mems传感器芯片和asic芯片，所述mems传感器芯片、asic芯片与所述互联层的通孔位置对应，实现所述芯片层与所述硅基板的电气连接。
24.可选的，所述步骤二中制备互联层还包括：刻蚀所述互联层与传感器芯片连接的一面，与所述传感器芯片位置对应的部分形成凹槽，用于给所述传感器芯片提供形变空间。
25.可选的，所述步骤11中制备金属层的方法为物理气相沉积pvd法或溅射薄膜法。
26.可选的，所述步骤23中采用的抛光方法为化学机械抛光cmp方法。
27.可选的，所述步骤三中的传感器芯片包括：mems压力传感器和/或mems加速度传感器和/或mems温度传感器。
28.本发明有益效果是：
29.1、通过互联层设计，将芯片间的电气连接线埋置在互联层内，相比于现有技术的引线键合工艺裸露在外部的方案，本发明不仅克服了键合的引线容易彼此接触的问题，且更加适用于多芯片封装、布线复杂的场景，提高了复合型mems传感器的可靠性。
30.2、采用芯片级封装结构，多个不同类型和功能的mems传感器芯片可以独立加工，相比于现有技术中的版图固定的方案，本发明可以对复合型mems传感器进行模块化设计与加工，提升芯片的整体良率，同时可以降低复合型传感器的生产成本。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本发明复合式传感器芯片的正视图。
33.图2为本发明中互联层的正视图。
34.图3为本发明中硅基板的正视图。
35.图4位本发明复合式传感器芯片的侧视图。
36.1、mems压力传感器芯片；2、mems加速度传感器芯片；3、mems温度传感器芯片；4、asic芯片；5、mems压力传感器芯片和加速传感器芯片下方空腔；6、通孔；39、互联层；40、硅基板；
37.附图中7-38均为金属垫(端子)，其中7-12端子作为最终的输入/输出端子，与外界直接连接：
38.7、电源供电正极；8、电源供电负极；9、接地端子；10、mems压力传感器信号输出端子；11、mems加速度传感器芯片信号输出端子；12、mems温度传感器芯片信号输出端子；
39.其中13-26端子与asic芯片4直接连接：
40.13、传感器供电正极；14、电源供电正极；15、电源供电负极；16、接地端子；17、mems压力传感器芯片信号输出端子；18、mems加速度传感器芯片信号输出端子；19、mems温度传感器芯片信号输出端子；20、传感器芯片供电负极；21、mems温度传感器芯片第一输入信号端子；22、mems温度传感器芯片第二输入信号端子；23、mems加速度传感器芯片第一输入信号端子；24、mems加速度传感器芯片第二输入信号端子；25、mems压力传感器芯片第一输入信号端子；26、mems压力传感器芯片第二输入信号端子；
41.其中27-30端子与mems压力传感器芯片1直接连接：
42.27、mems压力传感器芯片第二输出信号端子；28、mems压力传感器芯片第一输出信号端子；29、mems压力传感器芯片供电负极；30、mems压力传感器芯片供电正极；
43.其中31-34端子与mems加速度传感器芯片2直接连接：
44.31、mems加速度传感器芯片第二输出信号端子；32、mems加速度传感器芯片第一输出信号端子；33、mems加速度传感器芯片供电负极；34、mems加速度传感器芯片供电正极；
45.其中35-38端子与mems温度传感器芯片3直接连接：
46.35、mems温度传感器芯片供电负极；36、mems温度传感器芯片供电正极；37、mems温度传感器芯片第二输出信号端子；38、mems温度传感器芯片第一输出信号端子。
具体实施方式
47.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
48.实施例一：
49.本实施例提供一种复合型mems传感器，所述复合型mems传感器包括由下而上依次键合的：硅基板层、互联层39和芯片层；
50.硅基板层包括硅基板40，所述硅基板40设有金属线，用于与所述芯片层实现互联；
51.本实施例的芯片层包括mems压力传感器芯片、mems加速度传感器芯片、mems温度传感器芯片和asic芯片；
52.硅基板40面积比互联层39大，上面有用于mems压力传感器芯片、mems加速度传感器芯片、mems温度传感器芯片与asic芯片实现互联的金属布线，以及复合式传感器与外界
的6个输入/输出端子。
53.本实施例的互联层39的材料为玻璃，设有通孔，通孔内贯穿有金属柱，通孔位置与mems压力传感器、mems加速度传感器、mems温度传感器与asic芯片的位置对应，用于实现所述传感器芯片层、所述asic芯片层与所述硅基板层的电气连接；
54.本实施例的互联层39上有20个通孔，通孔内有金属柱，用于实现三种mems传感器芯片以及asic芯片与硅基板40上电路的电气连接。互联层39上有两个空腔5，位于mems压力传感器和mems加速度传感器下方，用于为mems压力传感器膜片和mems加速度传感器悬臂的变形提供足够空间。
55.实施例二：
56.本实施例提供一种复合型mems传感器的封装方法，所述方法包括：
57.步骤一：制备硅基板；
58.步骤11：以硅片为基底，在硅片上制备金属层：采用普通单抛硅片材料，通过物理气相沉积pvd或溅射薄膜的方法制备金属层，采用金属层材料可以为铝、金、铬金等；
59.步骤12：采用干法或湿法刻蚀对金属层进行刻蚀，形成金属线和输入输出金属端口；
60.步骤二：制备互联层；
61.步骤21：采用玻璃材料，在玻璃上制备上下贯穿的通孔，所述通孔的位置位于本实施例需要键合的mems压力传感器芯片、mems加速度传感器芯片、mems温度传感器芯片与asic芯片对应的位置，其中mems压力传感器芯片、mems加速度传感器芯片、mems温度传感器芯片的下方各自有4个通孔，asic芯片下方有14个通孔。
62.步骤22：电镀金属，填充所述通孔的内部空间和所述互联层的表面；
63.步骤23：采用机械研磨、cmp方法抛光所述互联层的表面，去除互联层表面的金属，使金属仅保留在通孔内，形成金属柱；
64.步骤24：用干法或湿法刻蚀互联层的上表面，即与mems压力传感器芯片、mems加速度传感器芯片、mems温度传感器芯片与asic芯片键合的那一面，用于在上表面mems压力传感器和mems加速传感器对应位置的下方形成凹槽；
65.步骤三：利用阳极键合的方法连接mems压力传感器芯片、mems加速度传感器芯片、mems温度传感器芯片、asic芯片和互联层和所述硅基板，所述传感器芯片与所述互联层的通孔位置对应，实现与所述硅基板的电气连接。
66.本实施例通过互联层设计，将芯片间的电气连接线埋置在互联层内，相比于现有技术的引线键合工艺裸露在外部的方案，本发明不仅克服了键合的引线容易彼此接触的问题，且更加适用于多芯片封装、布线复杂的场景，提高了复合型mems传感器的可靠性。
67.此外，本实施例采用芯片级封装结构，多个不同类型和功能的mems传感器芯片可以独立加工，相比于现有技术中的版图固定的方案，本发明可以对复合型mems传感器进行模块化设计与加工，提升芯片的整体良率，同时可以降低复合型传感器的生产成本。
68.本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
69.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。