[實用新型]基于金金鍵合工藝的熱式風速風向傳感器

無效

• 申請號: 201020658349.1
• 申請日: 2010-12-14
• 公開（公告）號: CN202102009U
• 公開（公告）日: 2012-01-04
• 發明（設計）人: 董自強;黃慶安;秦明
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01P13/02
• 分類號: G01P13/02;G01P5/10;B81C1/00
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 湯志武

技術領域

本實用新型涉及一種基于金金鍵合技術實現的陶瓷圓片級封裝，并與標準CMOS工藝兼容的熱式風速風向傳感器，尤其涉及一種低功耗的基于金金鍵合工藝的熱式風速風向傳感器。?

技術背景

在CMOS集成風速風向傳感器的設計中，封裝一直以來是阻礙其發展的技術瓶頸。一方面其封裝材料即要求具有良好的熱傳導性能，又要求對傳感器具有保護作用，并且設計中還需要考慮到封裝材料對傳感器靈敏度、可靠性以及價格等方面的影響，這就限制了傳感器自身封裝設計的自由度。另一方面，熱式流量傳感器要求傳感器的敏感部分暴露在測量環境中，同時又要求處理電路與環境隔離，以免影響處理電路的性能，兩者對封裝的要求產生了矛盾。以往報道的硅風速風向傳感器大都將硅片的敏感表面直接暴露在自然環境中，以便能夠感知外界風速變化。這樣一來，硅片很容易受到各種污染，導致其性能的不穩定，甚至損壞。如果采用熱導率較高的陶瓷基片，利用倒裝焊封裝或者導熱膠貼附的方式對傳感器硅芯片進行封裝，就能夠較好的避免上述的矛盾，但是封裝后傳感器產生的熱量絕大部分以熱傳導的方式從硅基襯底耗散掉，僅有很小的一部分通過陶瓷與外界空氣進行了熱交換，大大降低輸出敏感信號的幅值，通過增大傳感器的功耗能夠提高敏感信號的幅值，但又造成整個傳感器系統較大的功耗。本實用新型根據以往硅風速風向傳感器存在的問題，提出了一種利用金金鍵合技術實現的基于陶瓷封裝CMOS集成的熱式風速風向傳感器，設計結構在保證與標準CMOS工藝兼容以及實現圓片級封裝的同時，能夠大大降低加熱元件在硅基襯底上的熱傳導，在較低功耗下可以獲得較大的輸出信號。并通過最后一步濕法腐蝕技術，實現加熱元件和硅襯底的完全熱隔離和解決在圓片級封裝過程中的電引出問題。?

實用新型內容

本實用新型的目的是提供一種基于金金鍵合工藝的熱式風速風向傳感器。設計?的傳感器結構以及封裝形式有利于在保證較大敏感信號幅值的同時，傳感器系統具有較低的功耗。?

本實用新型采用如下技術方案：?

一種基于金金鍵合工藝的熱式風速風向傳感器，包括陶瓷芯片和減薄硅芯片，減薄硅芯片位于陶瓷芯片的下方，在減薄硅芯片的上表面四邊對稱分布設有4個熱傳感測溫元件，每個熱傳感測溫元件上熱連接有2個下熱連接焊盤且每個熱傳感測溫元件電連接有2個下電連接焊盤，在下熱連接焊盤上設置有下熱連接金凸點，在下電連接焊盤上設置有下電連接金凸點，在陶瓷芯片的下表面上設有與每個下熱連接焊盤相對應的上熱連接金凸點和上熱連接焊盤以及每個下電連接焊盤相對應的上電連接金凸點和上電連接焊盤，其特征在于在減薄硅芯片上表面位于4個熱傳感測溫元件中間位置設有空腔一，在4個熱傳感測溫元件四周位置與陶瓷芯片上電引出金凸點相對應區域設置有空腔，空腔的深度為30微米至50微米，用于加熱元件與減薄硅芯片之間的熱隔離，并用于最后圓片級釋放時，陶瓷芯片上電引出金凸點的露出，加熱元件設在陶瓷芯片的下表面上。?

本實用新型將硅風速傳感器結構中的加熱元件與測溫元件分離，加熱元件制備于陶瓷基板下表面，測溫元件制備于硅芯片正表面，并利用金凸點以金金鍵合的形式將硅芯片和陶瓷芯片集成在一起。本實用新型通過制備于陶瓷芯片下表面的加熱元件在芯片表面建立一個溫度場，陶瓷芯片上表面暴露在外界環境中，由加熱元件在陶瓷芯片上表面建立的溫度場去感受風的變化，熱傳感測溫元件通過用于熱連接的金凸點作為熱連接的中間媒介測出該溫度場溫度分布的變化情況，并通過用于電連接的金凸點將檢測信號傳遞到陶瓷芯片上并通過陶瓷芯片上的電引出焊盤實現與外界的電互聯。在外界無風的條件下，溫度場的分布呈現完全對稱的狀態。當外界有風從陶瓷芯片上表面吹過時，風將以熱對流的方式從陶瓷芯片上表面帶走部分的熱量，熱傳感測溫元件通過金凸點的熱傳導作用測出該溫度場的變化，進而可反映風速的大小；對稱分布的上游和下游熱傳感測溫元件的差分輸出反映陶瓷芯片上表面溫度場溫度梯度的變化，能夠反映風向的變化信息。傳感器結構中用于封裝的薄層陶瓷片一方面作為用于保護下層硅芯片的封裝基板，另一方面又作為感受外界風的變化的敏感元件。整個傳感器只有陶瓷的上表面和風的環境接觸，其他元件通過陶瓷芯片和外界環境隔絕，因此能夠避免受到外界環境的污染。通過濺射和刻蝕工藝在陶瓷芯片背面制備金屬層，用于形成加熱元件、焊盤和金凸點，金凸點用于實?現陶瓷芯片與硅芯片間的電連接和熱連接。利用干法刻蝕工藝在硅片上表面與加熱元件相對應的區域制備隔熱空腔，并利用濕法腐蝕技術實現加熱元件和襯底的完全熱隔離，極大程度減少了由于硅襯底的熱傳導造成的熱損失，從而大大降低了無用功耗。本實用新型傳感器的結構適用于制備二維的熱式風速風向傳感器。?