傳感器封裝及其形成方法
【專利摘要】一種傳感器封裝（20）及其形成方法（70），包括提供具有形成于被接合周界（36）劃定的區(qū)域（34）內(nèi)的側(cè)面（26）上的傳感器（30）的傳感器晶片（74），以及提供在側(cè)面（38）具有控制電路（42）和在相反側(cè)面（40）具有接合周界（46）的控制器晶片（82）?？刂破骶?2）的所述接合周界（46）被接合到所述傳感器晶片（74）的相應(yīng)的接合周界（36）以形成在其中控制電路（42）朝外的堆疊晶片結(jié)構(gòu)（48）。控制器晶片（82）被鋸開以顯露位于所述傳感器晶片（74）上的接合焊盤（32），所述傳感器晶片被引線接合到與控制電路（42）一樣形成于晶片（82）的相同側(cè)面（38）。所述結(jié)構(gòu)（48）被包封在封裝材料（62）中并且被切單以產(chǎn)生傳感器封裝（20）。
【專利說明】傳感器封裝及其形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明通常涉及半導(dǎo)體封裝。更具體地說，本發(fā)明涉及用于形成傳感器封裝的晶片級(jí)半導(dǎo)體封裝。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，微電子系統(tǒng)技術(shù)廣受歡迎。這是因?yàn)樗鼈兲峁┝艘环N制作非常小的電子和機(jī)械結(jié)構(gòu)的方式并且通過使用傳統(tǒng)批量半導(dǎo)體加工工藝在單一襯底上集成這些結(jié)構(gòu)。當(dāng)這些微電子器件成為主流技術(shù)的時(shí)候，半導(dǎo)體封裝的制作和易用性方面的有效封裝費(fèi)用面臨著挑戰(zhàn)。實(shí)際上，封裝是這些器件的其中一個(gè)主要成本動(dòng)因。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0003]結(jié)合附圖并參閱詳細(xì)說明書以及權(quán)利要求書，對(duì)本發(fā)明會(huì)有比較完整的理解。其中在附圖中類似的參考符號(hào)表示類似的元件，并且附圖不一定是按比例繪制；以及
[0004]圖1根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，顯示了示例傳感器封裝的頂視圖；
[0005]圖2顯示了沿著圖1的剖面線2-2的傳感器封裝的側(cè)面視圖；
[0006]圖3根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，顯示了制作圖1的傳感器封裝的封裝過程的流程圖；
[0007]圖4顯示了結(jié)合封裝過程被使用的傳感器晶片的頂視圖；
[0008]圖5顯示了傳感器晶片的部分頂視圖，傳感器形成于其側(cè)面上；
[0009]圖6顯示了圖4的傳感器晶片的部分側(cè)面剖視圖；
[0010]圖7顯示了結(jié)合封裝過程被使用的控制器晶片的頂視圖；
[0011]圖8顯示了控制器晶片的部分放大頂視圖；
[0012]圖9顯示了圖7的控制器晶片的部分側(cè)面剖視圖；
[0013]圖10根據(jù)封裝過程，顯示了在封裝的初始階段的控制器晶片的部分側(cè)面剖視圖；
[0014]圖11顯示了在封裝的后續(xù)階段的圖10的控制器晶片的部分側(cè)面剖視圖；
[0015]圖12顯示了圖11的控制器晶片的部分底視圖；
[0016]圖13顯示了在封裝的后續(xù)階段被接合到傳感器晶片以形成堆疊晶片結(jié)構(gòu)的控制器晶片的部分側(cè)面剖視圖；
[0017]圖14顯示了在封裝的后續(xù)階段的圖13的堆疊晶片結(jié)構(gòu)的部分側(cè)面剖視圖；
[0018]圖15顯示了在封裝的后續(xù)階段的圖14的堆疊晶片結(jié)構(gòu)的部分側(cè)面剖視圖；
[0019]圖16顯示了在封裝的后續(xù)階段的圖15的堆疊晶片結(jié)構(gòu)的部分側(cè)面剖視圖；
[0020]圖17顯示了在封裝的后續(xù)階段的圖16的堆疊晶片結(jié)構(gòu)的部分側(cè)面剖視圖；
[0021]圖18顯示了在封裝的后續(xù)階段的圖17的堆疊晶片結(jié)構(gòu)的部分側(cè)面剖視圖；
[0022]圖19顯示了在封裝的后續(xù)階段的圖18的堆疊晶片結(jié)構(gòu)的部分側(cè)面剖視圖；以及
[0023]圖20根據(jù)圖3的封裝過程，顯示了產(chǎn)生于圖19的堆疊晶片結(jié)構(gòu)的傳感器封裝的側(cè)面剖視圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0024]半導(dǎo)體封裝通常提供了一組相關(guān)的元素。這些元素包括，例如，一個(gè)或多個(gè)封裝的半導(dǎo)體器件、從器件到封裝的互連、提供機(jī)械支撐和電氣、化學(xué)、以及環(huán)境保護(hù)的包圍或包含結(jié)構(gòu)、以及將封裝附接于主板或系統(tǒng)的連結(jié)結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體封裝過程研發(fā)人員面臨的挑戰(zhàn)起因于例如，半導(dǎo)體器件(例如，微電子和微觀結(jié)構(gòu))對(duì)高溫工藝的靈敏度、對(duì)合適屏蔽的需要，在某些情況下需要密閉或接近密閉的密封以保護(hù)器件免受污染，等等。
[0025]半導(dǎo)體封裝中的一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體器件可以是微電子傳感器(例如，磁強(qiáng)計(jì))、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器(例如，加速度計(jì)、陀螺儀、壓力傳感器)、或一些其它微型傳感器。對(duì)于這樣的傳感器，適當(dāng)?shù)姆庋b是很重要的以確保在傳感器器件之間往返的信號(hào)完整性。例如，傳感器封裝中的傳感器器件或多個(gè)傳感器器件的角度失準(zhǔn)可以導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)的誤差。同樣地，傳感器封裝中的傳感器的精確角度對(duì)準(zhǔn)對(duì)于接收準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)果是至關(guān)重要的。
[0026]目前，傳統(tǒng)芯片級(jí)封裝中的傳感器角對(duì)準(zhǔn)局限于大約加上或減去兩度精度。角對(duì)準(zhǔn)精度受限于管芯(die)放置技術(shù)利用的放置設(shè)備的容差。為了提高從這些傳感器接收的測(cè)量值的精度，本行業(yè)要求更精確的角對(duì)準(zhǔn)。隨著集成電路(IC)器件幾何尺寸的持續(xù)減小，對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件的使用持續(xù)增加、以及包括多個(gè)微電子元件的半導(dǎo)體封裝的制作持續(xù)發(fā)展、對(duì)低成本、可靠的、高密度封裝解決方案的需求增加。
[0027]實(shí)施例包括傳感器封裝方法和根據(jù)封裝方法產(chǎn)生的傳感器封裝。該封裝方法包括一種代替?zhèn)鹘y(tǒng)管芯-管芯放置技術(shù)的晶片級(jí)封裝技術(shù)。晶片級(jí)封裝指在晶片級(jí)上封裝半導(dǎo)體器件，并且實(shí)質(zhì)上延伸了晶片制作過程以包括器件互連和器件保護(hù)處理。本發(fā)明所討論的晶片級(jí)封裝過程以相對(duì)低的成本提供了傳感器的高生產(chǎn)量和精確放置封裝。附加優(yōu)勢(shì)包括一種芯片規(guī)模的封裝技術(shù)，導(dǎo)致了傳感器封裝與管芯大致相同的尺寸、傳感器與微電子器件堆疊尺寸減小、改進(jìn)的電性能等等。
[0028]現(xiàn)在參照?qǐng)D1和圖2。圖1根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，顯示了示例傳感器封裝20的頂視圖。圖2顯示了沿著圖1的剖面線2-2的傳感器封裝的側(cè)面視圖。通常，傳感器封裝20包括以傳感器元件22形式的半導(dǎo)體管芯和以鍵合到傳感器元件22的控制器元件24形式的另一個(gè)半導(dǎo)體管芯。
[0029]傳感器元件22有側(cè)面26和與側(cè)面26相反的另一個(gè)側(cè)面28。在圖2中，側(cè)面26被顯示為物理地位于側(cè)面28上方。因此，為了清晰的討論，側(cè)面26被稱為上側(cè)面26，并且相反側(cè)面28被稱為下側(cè)面28。傳感器30和接合焊盤32形成于傳感器元件22的上側(cè)面26。傳感器30被放置于上側(cè)面26上被接合周界36 (最好參見圖5)劃定的區(qū)域34 (最好參見圖5)內(nèi)。接合焊盤32被放置于區(qū)域34外，位于接合周界36外部。根據(jù)常規(guī)的和未來的傳感器器件制作工藝，接合焊盤32通過導(dǎo)電通孔、導(dǎo)電材料層等方式可以被電連接到傳感器30的各種結(jié)構(gòu)。為了討論簡(jiǎn)潔，這些電互連在本發(fā)明中沒有被詳細(xì)說明或者詳細(xì)描述。傳感器30可以是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器器件，例如加速計(jì)、陀螺儀、或一些其它傳感器。然而，傳感器30不需要被限制于MEMS傳感器配置。此外，雖然傳感器30在本發(fā)明中以單數(shù)形式被提到，在替代實(shí)施例中，傳感器元件22的上側(cè)面26可以包括多于一個(gè)被放置于區(qū)域34內(nèi)的傳感器器件。
[0030]控制器元件24也有側(cè)面38和與側(cè)面38相反的另一個(gè)側(cè)面40。在圖2中，側(cè)面38被顯示為物理地位于側(cè)面40上方。同樣地，為了清晰的討論，側(cè)面38被稱為上側(cè)面38，并且相反側(cè)面40被稱為下側(cè)面40。上側(cè)面38包括控制電路42和在其上形成的接合焊盤44。下側(cè)面40包括被配置為鄰接傳感器元件22的接合周界36的接合周界46 (最好參見圖12)?？刂破髟?4的接合周界46耦合于接合周界36以形成堆疊晶片結(jié)構(gòu)48 ;在該堆疊晶片結(jié)構(gòu)48中，至少控制器元件24的下側(cè)面40與傳感器元件22的上側(cè)面26對(duì)準(zhǔn)?？刂齐娐?2可以是用于控制元件24的“有源區(qū)域”中的任何有源或無源電路并且被用于在傳感器30之間互通信號(hào)。接合絲線50附接于傳感器元件22的上側(cè)面26上的相應(yīng)的接合焊盤32和控制器元件24的上側(cè)面38上的接合焊盤44之間以提供控制元件24和傳感器元件22之間的合適的電互連。
[0031]在一個(gè)實(shí)施例中，特征件(feature)可以形成于控制元件24的下側(cè)面40上。根據(jù)傳感器封裝20的特定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這些特征件可以包括位于上側(cè)面26上的傳感器30的功能部件，例如，一個(gè)或多個(gè)腔52和一個(gè)或多個(gè)電極54。腔52和電極54可以形成于接合周界46的邊界內(nèi)，并且與傳感器30大致對(duì)準(zhǔn)。
[0032]在一些實(shí)施例中，根據(jù)常規(guī)的和未來的半導(dǎo)體制作工藝，傳感器55可以被整體形成，其中控制電路42的有源和無源元件位于控制器元件24內(nèi)?？刂齐娐?2和整體傳感器55通過控制器24內(nèi)部的各種描影和元素表示。代替整體傳感器55或除了整體傳感器55之外，傳感器封裝20可以包括安裝到控制器元件24的上側(cè)面38的傳感器管芯56。在一個(gè)實(shí)施例中，整體傳感器55或傳感器管芯可以是用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度或方向的磁強(qiáng)計(jì)。然而，根據(jù)傳感器封裝20的特定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，整體傳感器55或傳感器管芯56可以是一些其它傳感器器件。
[0033]控制器元件24還包括形成于并且分布于上側(cè)面38上的凸塊焊盤58。在一個(gè)實(shí)施例中，在控制器元件24被接合到傳感器元件22之后，導(dǎo)電元件60形成于凸塊焊盤58上。導(dǎo)電元件60可以是支柱、球、插頭、或在凸塊焊盤58上延伸的一些其它導(dǎo)電特征件。導(dǎo)電兀件60被用作傳感器封裝20的輸入/輸出兀件。
[0034]封裝材料62被施加于控制器元件24的上側(cè)面38上以包封控制電路42、傳感元件22、接合絲線50、以及至少部分地包封導(dǎo)電元件60，以便只有導(dǎo)電元件60的頂側(cè)面64從封裝材料62暴露出來。封裝材料62可以是任何常規(guī)的模塑料(molding compound),例如,環(huán)氧樹脂材料。傳感器封裝20在本發(fā)明中被提供是用于示例的目的。然而，根據(jù)特定設(shè)計(jì)準(zhǔn)貝U，傳感器封裝20可能采用各種形式、尺寸、形狀和功能。
[0035]圖3根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，顯示了用于制作圖1的傳感器封裝20的封裝過程70的流程圖。封裝過程70提出了晶片級(jí)封裝技術(shù)，其中半導(dǎo)體管芯被封裝同時(shí)仍然處于晶片形式，然后是晶片切割，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)管芯放置技術(shù)。封裝過程70將結(jié)合多個(gè)傳感器封裝20(圖1)的封裝被討論。然而，很明顯以下方法可以適用于大量半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的封裝方法。為了清晰的討論，封裝過程70提出了操作過程的示例流程。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)封裝設(shè)備的特定處理能力，操作順序可能會(huì)存在差異。
[0036]封裝過程70從活動(dòng)72開始。在活動(dòng)72，提供傳感器晶片，在其上形成有多個(gè)傳感器30 (圖2)。傳感器晶片可以由器件制作商提供并且根據(jù)封裝過程70在單獨(dú)的封裝設(shè)備上封裝?；蛘?，所述傳感器晶片可以在相同制作設(shè)備內(nèi)制作和封裝。
[0037]結(jié)合活動(dòng)72，參照?qǐng)D4-圖6，圖4顯示了結(jié)合封裝過程70被使用的傳感器晶片74的頂視圖。圖5顯示了傳感器晶片74的部分頂視圖，其中傳感器30形成于其中的上側(cè)面26上，以及圖6顯示了傳感器晶片74的部分側(cè)面剖視圖。正如下面將要討論的，下面的圖4-圖20可以示出使用不同描影和/或剖面線以區(qū)分不同元件。這些不同元件可以利用當(dāng)前的和未來的微機(jī)械加工技術(shù)產(chǎn)生。
[0038]圖4特別說明了有多個(gè)在基于硅的襯底上形成的傳感器元件22的示例傳感器晶片74。傳感器元件22可以是多種傳感器器件中的任何一種，例如慣性傳感器、陀螺儀、光學(xué)器件、壓力傳感器、磁場(chǎng)傳感器、開關(guān)、麥克風(fēng)、等等。然而，在替代實(shí)施例中，傳感器元件22可以是任何其它器件，期望被單獨(dú)保護(hù)，即，帽、敏感特征件以及附加地暴露或顯露終端元件，即，晶片級(jí)上的接合焊盤32 (圖2)。
[0039]傳感器晶片74可以利用常規(guī)的和未來的體微機(jī)械加工、表面微機(jī)械加工、和/或高縱橫比的硅微機(jī)械加工技術(shù)被制作。表面微機(jī)械加工技術(shù)的制作過程通?？梢园?，例如，沉積、圖案化、以及刻蝕一個(gè)或多個(gè)犧牲氧化物層、一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)多晶硅層，等等。例如，一個(gè)或多個(gè)犧牲氧化物層可以沉積在基于硅的晶片上，以及一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)層可以然后沉積在犧牲層上。結(jié)構(gòu)層然后可以適當(dāng)?shù)乇粓D案化和蝕刻以形成傳感器30的可移動(dòng)和不可移動(dòng)的微結(jié)構(gòu)76和傳感器元件22的接合焊盤32。此外，在接合周界36處的接合材料的沉積，例如金屬化層，可以被執(zhí)行。接合材料將在傳感器晶片74和控制器晶片(下面討論)之間形成密封環(huán)的部分。
[0040]傳感器晶片74上的所有元件可以相同，或者傳感器晶片74可以包含傳感器元件的混合。虛線78 (其中只有少數(shù)在圖4中被顯示)表示了劃定形成于傳感器晶片74上的各種傳感器元件22的邊界。虛線78可以附加地表示傳感器晶片74最終將被切單(下面討論)的位置。因此，虛線78在下文中被稱為鋸線78。傳感器晶片74被示出為通常的盤形狀。然而，傳感器晶片74的替代實(shí)施例可以是任何合適的形狀，例如矩形形狀。形成于給定傳感器晶片74上的傳感器元件22的數(shù)量取決于傳感器元件22的尺寸和傳感器晶片74的尺寸可以改變。
[0041]再次參照封裝過程70 (圖3)，在活動(dòng)72提供的傳感器晶片74之后，封裝過程70繼續(xù)活動(dòng)80。在活動(dòng)80，提供控制器晶片，在其上形成有多個(gè)控制器元件24 (圖2)?？刂破骶梢杂善骷谱魃烫峁┎⑶腋鶕?jù)封裝過程70在單獨(dú)的封裝設(shè)備上封裝?；蛘撸刂破骶梢栽谙嗤谱髟O(shè)備內(nèi)制作和封裝。
[0042]結(jié)合活動(dòng)80，參照?qǐng)D7-圖9，圖7顯示了結(jié)合封裝過程70被使用的控制器晶片82的頂視圖。圖8顯示了結(jié)合上側(cè)面38上的控制器元件24的控制電路42(通常表示為長(zhǎng)方形)的控制器晶片82的部分放大頂視圖，以及圖9顯示了控制器晶片82的部分側(cè)面剖視圖?？刂破骶?2可以利用常規(guī)的和未來的用于在控制器晶片82的有源區(qū)域中形成控制電路42的集成電路(IC)制作技術(shù)被制作。標(biāo)準(zhǔn)IC晶片制作技術(shù)的實(shí)施創(chuàng)建了晶體管、電容、電阻、二極管、以及控制電路42的所有其它部件。此外，這些集成電路制作技術(shù)可以被實(shí)施以在控制器晶片82的上側(cè)面38上形成接合焊盤44和凸塊焊盤58。這些常規(guī)方法步驟在本發(fā)明中不必進(jìn)行描述。
[0043]沿著控制器晶片82的大致平面的上側(cè)面38，控制器晶片82的上側(cè)面38被標(biāo)有虛線84。虛線84表示了控制器晶片82將在至少兩個(gè)獨(dú)立的操作中被鋸開或切塊的位置。例如，在所說明的實(shí)施例中，垂直排列的虛線84的緊密相鄰對(duì)85表示了控制器晶片82的若干部分(下面討論)將被移除的位置以達(dá)到底層傳感器晶片74 (圖4)的接合焊盤32 (圖4)。剩余的虛線84表示了與傳感器晶片74的切單同時(shí)發(fā)生的控制器晶片82最終被切單的位置。虛線84在本發(fā)明中統(tǒng)稱為鋸線84。
[0044]控制器晶片82被描述為通常的盤形狀以對(duì)應(yīng)傳感器74 (圖4)。然而，控制器晶片82的替代實(shí)施例可以是任何合適的形狀，例如矩形形狀。此外，形成于給定控制器晶片82上的控制器元件24的數(shù)量取決于控制器元件24的尺寸和控制器晶片82的尺寸可以改變。
[0045]再次參照?qǐng)D3，在活動(dòng)80提供傳感器晶片82之后，封裝過程70繼續(xù)活動(dòng)86。在活動(dòng)86，控制器晶片82經(jīng)歷了背研磨(backgrinding)過程以變薄晶片82。特別是，下側(cè)面40經(jīng)歷了使用常規(guī)的研磨材料和設(shè)備的背研磨，也被稱為晶片薄化。
[0046]結(jié)合活動(dòng)86，參照?qǐng)D10，圖10根據(jù)封裝過程70，顯示了在封裝的初始階段88的控制器晶片82的部分側(cè)面剖視圖。正如在圖10中用虛線所表示的，當(dāng)被提供給活動(dòng)80封裝的時(shí)侯，控制器晶片82存在初始厚度90?？刂破骶?8的初始厚度90可以大約750微米厚。晶片背研磨是其中晶片厚度被減小以允許半導(dǎo)體器件的堆疊和高密度封裝的半導(dǎo)體器件制作操作。正如圖10中所顯示的，在執(zhí)行背研磨活動(dòng)86之后，控制器晶片82的最終厚度92小于初始厚度90。最終厚度92可以是盡可能薄的而不過度犧牲機(jī)械穩(wěn)定性的任何合適的尺寸，同時(shí)還允許特征件，例如，腔52 (圖2)和/或電極54 (圖2)形成于控制器晶片82的下側(cè)面40。例如，控制器晶片82的最終厚度92可以大約500微米。
[0047]返回參照?qǐng)D3，在背研磨活動(dòng)86之后，封裝過程70繼續(xù)活動(dòng)94。在活動(dòng)94，例如腔52和/或電極54 (圖2)的特征件可以根據(jù)傳感器封裝20 (圖2)的特定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)形成于控制器晶片82的下側(cè)面40處。封裝過程70繼續(xù)活動(dòng)96，其中接合材料被施加于控制器晶片82的下側(cè)面。
[0048]結(jié)合活動(dòng)94和96，參照?qǐng)D11和12，圖11顯示了在封裝的后續(xù)階段95的圖10的控制器晶片82的部分側(cè)面剖視圖，以及圖12顯示了在后續(xù)階段96的控制器晶片82的部分底視圖。在活動(dòng)94，腔52可以被從下側(cè)面40創(chuàng)建，延伸部分地通過控制器晶片82。腔52可以通過從下側(cè)面40蝕刻通過控制器晶片82被形成。例如，腔52可以通過執(zhí)行深反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)工藝、另一個(gè)各向異性蝕刻工藝、硅蝕刻工藝、等等被創(chuàng)建以在控制器晶片82中形成腔52。
[0049]此外，電極54可以通過例如常規(guī)的半導(dǎo)體沉積處理、圖案化、以及絕緣和導(dǎo)電材料的蝕刻過程形成于下側(cè)面40。正如本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員所熟知的，電極54應(yīng)通過絕緣層與控制器元件24的體半導(dǎo)體硅電隔離。為了簡(jiǎn)化的說明，該絕緣層沒有被明顯顯示。
[0050]此外，在接合周界46處應(yīng)用接合層98可以被實(shí)施。接合層98將在傳感器晶片74的接合周界36 (圖5)和控制器晶片82的接合周界46之間形成密封環(huán)的部分。在一個(gè)實(shí)施例中，接合層98可以是金屬化。術(shù)語金屬化指主要充當(dāng)半導(dǎo)體器件內(nèi)的電接觸和互連的金屬層。此外，金屬層通常被利用以避免其它系統(tǒng)的污染，例如化學(xué)氣相沉積(CVD)系統(tǒng)、夕卜延沉積系統(tǒng)、等等。薄膜鋁是半導(dǎo)體制作中最廣泛使用的金屬化，并且可以通過濺射、雙源蒸發(fā)或電鍍進(jìn)行沉積。然而，許多其它金屬或合金可以用于相同目的?；蛘撸墙饘?，例如鍺，也可以被使用。在本例子中，電極54的形成可以與將接合層98應(yīng)用于接合周界46同時(shí)發(fā)生。然而，電極54可以替代地形成于不同過程中。
[0051]隨著在接合周界46的應(yīng)用，接合材料98 (例如，金屬化)將被用作傳感器晶片74的接合周界36 (圖5)和控制器晶片82的接合周界46之間的接合劑。應(yīng)想起正如上面所提到的，接合材料98可以附加地或替換地被應(yīng)用于傳感器晶片74的接合周界36。
[0052]現(xiàn)在返回參照?qǐng)D3，在活動(dòng)94和96之后，封裝過程70繼續(xù)活動(dòng)100。在活動(dòng)100，控制器晶片82被接合到傳感器晶片74以形成堆疊晶片結(jié)構(gòu)48 (圖2)。
[0053]結(jié)合活動(dòng)100，參照?qǐng)D13，圖13顯示了在封裝的后續(xù)階段104被接合到傳感器晶片74以形成堆疊晶片結(jié)構(gòu)48的控制器晶片82的部分側(cè)面剖視圖。更具體地，位于控制器晶片82的下側(cè)面40上的接合周界46被接合到傳感器晶片74相應(yīng)的接合周界36。因此，在活動(dòng)100之后，控制器晶片82變?yōu)楸Ｗo(hù)位于傳感器晶片74的上側(cè)面36處的可移動(dòng)或不可移動(dòng)的微觀結(jié)構(gòu)76的帽。
[0054]接合可以通過利用例如共晶接合十四。也被稱為共晶焊接的共晶接合指一種用中間共晶金屬層，例如，金屬化98 (圖12)的晶片接合技術(shù)。共晶金屬層是一種在特定成分和溫度下直接從固體狀態(tài)轉(zhuǎn)化到液體狀態(tài)，而不經(jīng)過兩相平衡狀態(tài)即液體和固體狀態(tài)的合金，或反之亦然。因此，共晶金屬層的共晶溫度可以是遠(yuǎn)低于構(gòu)成共晶金屬層的兩個(gè)或更多純?cè)氐娜诨瘻囟取?br> [0055]共晶接合能夠在相對(duì)較低的處理溫度下通過使用單一過程產(chǎn)生密封封裝和電互連。共晶接合的附加屬性包括引進(jìn)最終組件中的低合成應(yīng)力、高粘接強(qiáng)度、高制作生產(chǎn)量、以及良好可靠性。雖然共晶接合在此被討論，但應(yīng)了解，任何其它合適的接合技術(shù)可以替代地被實(shí)施。
[0056]控制器晶片82和傳感器晶片74的對(duì)準(zhǔn)可以通過利用機(jī)械或光學(xué)基準(zhǔn)標(biāo)記，例如晶片74和82的邊緣處的凹口、插腳、蝕亥Ij、或全息圖像、等等被實(shí)現(xiàn)。硅晶片接合的自動(dòng)處理設(shè)備以及合適的對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的整合可以提供對(duì)晶片74和82上的半導(dǎo)體元件的特定特征件來說是關(guān)鍵的精確定位。因此，對(duì)于傳感器，可以被實(shí)現(xiàn)不到十分之一度的精度的角對(duì)準(zhǔn)。該對(duì)準(zhǔn)精度與在傳統(tǒng)芯片級(jí)管芯封裝中所實(shí)現(xiàn)的通常被限制于大約正負(fù)兩度的傳感器的角對(duì)準(zhǔn)形成對(duì)比。
[0057]返回參照?qǐng)D3，在接合活動(dòng)100之后，封裝過程70繼續(xù)活動(dòng)106。在活動(dòng)106，晶片堆疊結(jié)構(gòu)48 (圖13)的傳感器晶片74通過使用常規(guī)的研磨材料和設(shè)備經(jīng)歷了背研磨或薄化過程。
[0058]結(jié)合活動(dòng)106，參照?qǐng)D13和14，圖14顯示了在封裝的后續(xù)階段108的圖13的堆疊晶片結(jié)構(gòu)48的部分側(cè)面剖視圖。正如圖13中所顯示的，當(dāng)被提供給活動(dòng)72 (圖3)的封裝的時(shí)候，傳感器晶片74存在初始厚度110。傳感器晶片74的初始厚度110可以大約700微米或更大。晶片背研磨可以被執(zhí)行以降低傳感器晶片74的厚度。正如圖14中所顯示的，在執(zhí)行背研磨活動(dòng)106之后，傳感器晶片74的最終厚度112小于初始厚度110。例如，在背研磨之后，傳感器晶片74的最終厚度112可以大約300微米。
[0059]返回參照?qǐng)D3，在背研磨活動(dòng)106之后，封裝過程70繼續(xù)活動(dòng)114。在活動(dòng)114，導(dǎo)電元件60 (圖2)形成于控制器晶片82 (圖9)的凸塊焊盤58 (圖9)上。
[0060]結(jié)合活動(dòng)114，參照?qǐng)D15，圖15顯示了在封裝的后續(xù)階段116的堆疊晶片結(jié)構(gòu)48的部分側(cè)面剖視圖。在圖15表示的活動(dòng)114，導(dǎo)電元件60形成于控制器晶片82的凸塊焊盤58上。導(dǎo)電元件60可以是電鍍到控制器晶片82的凸塊焊盤58上的銅柱。或者，根據(jù)常規(guī)的方法，柱狀凸塊或焊料球可以附接于凸塊焊盤58。導(dǎo)電元件60形成于堆疊結(jié)構(gòu)48的接合晶片的凸塊焊盤58上用作晶片級(jí)處理，以實(shí)現(xiàn)傳感器封裝20的旋轉(zhuǎn)精度對(duì)產(chǎn)品電路的改進(jìn)。當(dāng)與管芯組裝到傳感器封裝中進(jìn)行比較的時(shí)候，晶片級(jí)處理的導(dǎo)電元件60的形成實(shí)現(xiàn)了精度的改進(jìn)，之后是將傳感器封裝組裝到產(chǎn)品電路中。因此，當(dāng)傳感器封裝20(圖
2)通過例如焊接最終被組裝到產(chǎn)品電路的時(shí)候，傳感器封裝20相對(duì)于產(chǎn)品電路的位置和旋轉(zhuǎn)將通過導(dǎo)電元件60的位置和旋轉(zhuǎn)來決定，因?yàn)楹附訉?dǎo)電元件60對(duì)準(zhǔn)到產(chǎn)品電路上的相應(yīng)的特征件。
[0061]返回參照?qǐng)D3，在活動(dòng)114之后，封裝過程70繼續(xù)活動(dòng)118。在活動(dòng)118，當(dāng)傳感器管芯56 (圖2)是設(shè)計(jì)配置的一部分的時(shí)侯，傳感器管芯56可以在直接位于控制器晶片82的控制器件24上的合適的位置處被安裝到控制器晶片82。
[0062]結(jié)合活動(dòng)118，參照?qǐng)D16，圖16顯示了在封裝的后續(xù)階段120的堆疊晶片結(jié)構(gòu)48的部分側(cè)面剖視圖。傳感器管芯56可以通過管芯附接處理和接合到控制器晶片82的絲線而被接合到控制器晶片82?；蛘撸瑐鞲衅鞴苄?6可以通過利用倒裝芯片技術(shù)被安裝到控制器晶片82，在倒裝芯片技術(shù)中傳感器管芯56被反轉(zhuǎn)并且通過使用例如焊料凸塊安裝、柱狀凸塊接合等等而不是常規(guī)的絲焊技術(shù)被直接連接到控制器元件24。
[0063]倒裝芯片技術(shù)可以在傳感器管芯56和底層傳感器晶片74的傳感器30之間實(shí)現(xiàn)良好的旋轉(zhuǎn)和傾斜精度。然而，甚至管芯附加處理的實(shí)施也可以在傳感器管芯56和傳感器30之間實(shí)現(xiàn)改進(jìn)對(duì)準(zhǔn)精度，因?yàn)榭刂破骶?2上的每一個(gè)控制器元件24被接合到包含通過晶片-晶片接合實(shí)現(xiàn)了極好的旋轉(zhuǎn)和傾斜精度的傳感器30的底層傳感器元件22。然而，更重要的是，將傳感器管芯56安裝到控制器晶片82可以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的封裝密度。
[0064]返回參照?qǐng)D3，在活動(dòng)118之后，封裝過程70繼續(xù)活動(dòng)122。在活動(dòng)122，控制器晶片82的若干部分被移除以顯露傳感器晶片74上的接合焊盤32 (圖2)。
[0065]結(jié)合活動(dòng)122，參照?qǐng)D17，圖17顯示了在封裝的后續(xù)階段124的堆疊晶片結(jié)構(gòu)48的部分側(cè)面剖視圖。正如圖17所顯示的，控制器晶片82的若干部分126被移除以暴露，SP顯露底層傳感器晶片74的接合焊盤32。若干部分126可以通過沿著控制器晶片82內(nèi)的鋸線84的相鄰對(duì)85 (見圖16)進(jìn)行鋸切被移除。
[0066]再次返回參照?qǐng)D3，一旦控制器晶片82的部分126在活動(dòng)122被移除以暴露，即顯露結(jié)合盤32，封裝過程70繼續(xù)活動(dòng)128。在活動(dòng)128，接合絲線50 (圖2)被附接于傳感器晶片74的接合焊盤32 (圖2)和控制器晶片82的接合焊盤44 (圖2)之間。
[0067]現(xiàn)在結(jié)合活動(dòng)122，參照?qǐng)D18，圖18顯示了在封裝的后續(xù)階段130的堆疊晶片結(jié)構(gòu)48的部分側(cè)面剖視圖。正如所顯示的，通過使用常規(guī)的引線接合過程，接合絲線50被接合到傳感器晶片74的上側(cè)面26的接合焊盤32以及控制器晶片82的上側(cè)面38的相應(yīng)的結(jié)合盤44。應(yīng)觀察到，導(dǎo)電元件60高于接合絲線50的引線接合環(huán)高度。引線接合是一種符合成本效益和靈活互連的技術(shù)，并且當(dāng)在晶片級(jí)制作過程中實(shí)現(xiàn)電互連的時(shí)候可以容易地被實(shí)施。
[0068]返回參照?qǐng)D3，在引線接合活動(dòng)128之后，封裝過程70繼續(xù)活動(dòng)132。在活動(dòng)132，封裝材料62 (圖2)被施加以包封堆疊晶片結(jié)構(gòu)48。
[0069]結(jié)合活動(dòng)132，參照?qǐng)D19，圖19顯示了在封裝的后續(xù)階段134的堆疊晶片結(jié)構(gòu)48的部分側(cè)面剖視圖。正如圖19所顯示的，導(dǎo)電元件60、控制器晶片82的上側(cè)面38、傳感器管芯56、接合絲線50、以及傳感器晶片74的暴露的上側(cè)面26被封裝材料62包封。封裝材料62可以是模塑料、封裝化合物、環(huán)氧樹脂、等等，并且封裝材料62被施加于足夠厚的層以覆蓋接合絲線50和導(dǎo)電元件60。如果封裝材料62在包封期間完全覆蓋導(dǎo)電元件60，封裝材料62可以被研磨或以其它方式摩擦以暴露導(dǎo)電元件60的頂面64，而不暴露接合絲線50。
[0070]再次返回參照?qǐng)D3，在引線接合活動(dòng)128和/或包封活動(dòng)132之后，為了簡(jiǎn)便起見，在本發(fā)明未顯示的繼續(xù)處理可以被執(zhí)行。這種繼續(xù)處理可以包含在導(dǎo)電性元件60上添加焊料球。添加的焊料球可以增加平衡和改進(jìn)電互連。附加繼續(xù)處理可以包含目視檢查、操作測(cè)試、老化、壓力測(cè)試、加速壽命測(cè)試、在封裝材料62和導(dǎo)電元件的頂面64上建立附加再分配層、等等，而一切仍在晶片級(jí)上進(jìn)行。
[0071]在活動(dòng)132之后，活動(dòng)136最終被執(zhí)行。在活動(dòng)136，制作的堆疊晶片結(jié)構(gòu)48通過常規(guī)的方式被切單，即，切割、沖孔、或切塊。在活動(dòng)136之后，封裝過程70結(jié)束。
[0072]結(jié)合活動(dòng)136，參照?qǐng)D20，圖20根據(jù)封裝過程70，顯示了產(chǎn)生于堆疊晶片結(jié)構(gòu)48(圖19)的傳感器封裝20的側(cè)面剖視圖。正如所顯示的，堆疊晶片結(jié)構(gòu)48沿著相當(dāng)于傳感器晶片74的鋸線78 (見圖19)和控制器晶片82的剩余的鋸線84的鋸線被切單，即，切割、沖孔、或切塊以提供單個(gè)傳感器封裝20。在切單活動(dòng)136之后，單個(gè)傳感器封裝20可以耦合于，例如，在最終應(yīng)用中的印刷電路板。每一個(gè)最終的傳感器封裝20代表芯片級(jí)封裝，其中X和y封裝尺寸大約等于傳感器元件22的X和y尺寸。然而，z尺寸，即每一個(gè)傳感器封裝20的厚度大約比堆疊晶片結(jié)構(gòu)的厚度大100到200微米以容納導(dǎo)電元件60和接合絲線50。
[0073]本發(fā)明所描述的實(shí)施例涵蓋微電子傳感器封裝方法以及根據(jù)封裝方法產(chǎn)生的傳感器封裝。該封裝方法包括一種代替?zhèn)鹘y(tǒng)管芯放置技術(shù)的晶片級(jí)封裝技術(shù)。根據(jù)晶片級(jí)封裝技術(shù)，控制器晶片被接合到傳感器晶片以形成堆疊晶片結(jié)構(gòu)，其中控制器晶片的有源側(cè)面由封裝朝外。因此，封裝輸入和輸出可以形成于控制器晶片上。堆疊晶片結(jié)構(gòu)的一部分被鋸切、蝕刻、或以其它方式被切割以顯露傳感器晶片的底層接合焊盤并且控制器晶片上的控制器元件的相應(yīng)的接合焊盤以晶片格式被引線接合到傳感器接合焊盤。晶片級(jí)封裝過程特別適用于小型化傳感器的封裝，其中傳感器的精確旋轉(zhuǎn)和傾斜精度可以在晶片級(jí)而不是管芯級(jí)被實(shí)現(xiàn)。此外，所需要的角度精度可以得到保證，而沒有更昂貴和費(fèi)時(shí)的測(cè)試。因此本發(fā)明所討論的晶片級(jí)封裝過程以相對(duì)較低的成本提供了傳感器的高生產(chǎn)量和精確放置封裝。此外，晶片級(jí)封裝過程導(dǎo)致了通常與管芯相同尺寸的單個(gè)傳感器封裝、堆疊傳感器和微電子器件以進(jìn)行尺寸縮減和改進(jìn)的封裝密度、增強(qiáng)的電性能、等等。此外，晶片結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的方法符合成本效益，易于實(shí)施，并適應(yīng)現(xiàn)有的組裝和封裝工具以及技術(shù)。
[0074]雖然本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)被詳細(xì)說明和描述，很明顯對(duì)本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員來說在不脫離本發(fā)明的精神或所附權(quán)利要求書范圍的情況下，可以對(duì)其進(jìn)行各種修改。例如，在晶片接合之后的處理操作可以以不同順序而不是所提出的順序被執(zhí)行。
【權(quán)利要求】
1.一種形成傳感器封裝的方法，包括: 提供具有第一側(cè)面和與所述第一側(cè)面相反的第二側(cè)面的傳感器晶片，所述第一側(cè)面包括位于所述第一側(cè)面上的被第一接合周界劃定的區(qū)域內(nèi)的傳感器； 提供具有第三側(cè)面和與所述第三側(cè)面相反的第四側(cè)面的控制器晶片，所述第三側(cè)面包括控制電路，并且所述第四側(cè)面包括第二接合周界； 將所述控制器晶片的所述第二接合周界接合到所述傳感器晶片的所述第一接合周界以形成包括多個(gè)傳感器封裝的堆疊晶片結(jié)構(gòu)；以及 對(duì)所述堆疊晶片結(jié)構(gòu)切單以產(chǎn)生所述傳感器封裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述控制器晶片存在初始厚度，并且所述方法還包括:在所述接合操作之前，背研磨所述控制器晶片的所述第四側(cè)面至小于所述初始厚度的最終厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括:在所述第二接合周界處將接合材料施加于所述控制器晶片的所述第四側(cè)面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括:在所述接合操作之前在所述控制器晶片的所述第四側(cè)面處形成特征件，所述特征件是所述傳感器的位于所述傳感器晶片的所述第一側(cè)面處的功能部件。
5.根據(jù)權(quán)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:形成從所述第四側(cè)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與所述傳感器對(duì)準(zhǔn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述特征件包括電極，并且所述形成操作包括:在所述第四側(cè)面上形成所述電極使得所述電極在所述接合操作之后與所述傳感器對(duì)準(zhǔn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述傳感器晶片存在初始厚度，并且所述方法還包括:在所述接合操作之后背研磨所述傳感器晶片的所述第二側(cè)面至小于所述初始厚度的最終厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述傳感器晶片包括形成于被所述第一接合周界劃定的所述區(qū)域之外的所述第一側(cè)面上的第一接合焊盤，所述控制器晶片包括形成于所述第三側(cè)面上的第二接合焊盤，并且所述方法還包括: 移除所述控制器晶片的若干部分以顯露形成于所述傳感器晶片的所述第一側(cè)面上的所述第一接合焊盤；以及 在所述第一接合焊盤和第二接合焊盤中的相應(yīng)的接合焊盤之間附接接合絲線。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述移除和附接操作在所述切單操作之前執(zhí)行。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括:將封裝材料施加于所述控制器晶片的所述第三側(cè)面上以包封所述控制電路，并且在所述施加操作之后執(zhí)行所述切單操作。
11.根據(jù)權(quán)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側(cè)面上的凸塊焊盤，并且所述方法還包括:在所述接合操作之后在所述凸塊焊盤上形成導(dǎo)電元件。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括:將封裝材料施加于所述控制器晶片的所述第三側(cè)面上以包封所述控制電路并且至少部分地包封所述導(dǎo)電元件。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括:在所述接合操作之后，將傳感器管芯安裝到所述控制器晶片的所述第三側(cè)面上。
14.一種傳感器封裝,包括: 傳感器元件管芯，具有第一側(cè)面和與所述第一側(cè)面相反的第二側(cè)面，所述第一側(cè)面包括位于所述第一側(cè)面上的被第一接合周界劃定的區(qū)域內(nèi)的第一傳感器，并且所述第一側(cè)面還包括位于所述區(qū)域之外的第一接合焊盤； 控制器元件管芯，具有第三側(cè)面和與所述第三側(cè)面相反的第四側(cè)面，所述第三側(cè)面包括控制電路和第二接合焊盤，并且所述第四側(cè)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疊結(jié)構(gòu)； 附接于所述傳感器元件管芯的所述第一側(cè)面上的所述第一接合焊盤和所述控制器元件管芯的所述第三側(cè)面上的所述第二接合焊盤中的相應(yīng)的焊盤之間的接合絲線；以及封裝材料，被施加于所述控制器元件管芯的所述第三側(cè)面上以包封所述控制電路和所述接合絲線。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的傳感器封裝，其中至少所述控制器元件管芯的所述第四側(cè)面和所述傳感器元件管芯的所述第一側(cè)面是共同對(duì)準(zhǔn)的。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的傳感器封裝，其中: 所述控制元件管芯包括形成于所述第三側(cè)面上的凸塊焊盤；以及所述傳感器管芯還包括在所述控制器元件管芯被接合到所述傳感器元件管芯之后形成于所述凸塊焊盤上的導(dǎo)電元件，所述導(dǎo)電元件在所述凸塊焊盤上方延伸，并且所述封裝材料至少部分地包封所述導(dǎo)電元件使得所述導(dǎo)電元件的頂面從所述封裝材料暴露。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的傳感器封裝，還包括第二傳感器，所述第二傳感器是所述控制器元件管芯內(nèi)部的集成的傳感器或安裝到所述控制器元件管芯的所述第三側(cè)面上的傳感器管芯中的一個(gè)。
18.—種形成傳感器封裝的方法,包括: 提供傳感器晶片，所述傳感器晶片具有第一側(cè)面和與所述第一側(cè)面相反的第二側(cè)面，所述第一側(cè)面包括位于所述第一側(cè)面上的被第一接合周界劃定的區(qū)域內(nèi)的傳感器，并且所述第一側(cè)面還包括位于所述區(qū)域之外的第一接合焊盤； 提供控制器晶片，所述控制器晶片具有第三側(cè)面和與所述第三側(cè)面相反的第四側(cè)面，所述第三側(cè)面包括控制電路和第二接合焊盤，并且所述第四側(cè)面包括第二接合周界； 將所述控制器晶片的所述第二接合周界接合到所述傳感器晶片的所述第一接合周界以形成包括多個(gè)傳感器封裝的堆疊晶片結(jié)構(gòu)； 移除所述控制器晶片的若干部分以顯露形成于所述傳感器晶片的所述第一側(cè)面上的所述第一接合焊盤； 在所述第一接合焊盤和第二接合焊盤中的相應(yīng)的焊盤之間附接接合絲線； 將封裝材料施加到所述控制器晶片的所述第三側(cè)面上以包封所述控制電路和所述接合絲線；以及 在所述施加操作之后， 對(duì)所述堆疊晶片結(jié)構(gòu)切單以產(chǎn)生所述傳感器封裝。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述控制器晶片存在初始厚度，并且所述方法還包括:在所述接合操作之前，背研磨所述控制器晶片的所述第四側(cè)面至小于所述初始厚度的最終厚度。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括:在所述接合操作之前，在所述控制器晶片的所述第四側(cè)面處形成特征件，所述特征 件是所述傳感器的位于所述傳感器晶片的所述第一側(cè)面處的功能部件。
【文檔編號(hào)】B81B7/00GK103569956SQ201310287464
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月11日
【發(fā)明者】P·H·鮑爾斯, P·M·霍爾姆, S·R·胡珀, R·M·魯普 申請(qǐng)人:飛思卡爾半導(dǎo)體公司