[發(fā)明專利]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

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410326494.2
• 申請(qǐng)日: 2014-07-09
• 公開（公告）號(hào): CN104061967B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 秦明;朱雁青;陳蓓;黃慶安
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): G01D21/02
• 分類號(hào): G01D21/02;G01P5/10;G01P13/02
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙)32249
• 代理人: 黃成萍

技術(shù)領(lǐng)域

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)

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，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

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；并通過最后一步反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，解決在圓片級(jí)封裝過程中的電引出問題。

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：

一種基于襯底轉(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，二氧化硅絕熱層的正面和陶瓷基板的正面通過粘合劑膠體實(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)。

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；通過相對(duì)的測(cè)溫元件上的熱溫差來反應(yīng)風(fēng)速和風(fēng)向信息。

一種基于襯底轉(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：

(1)制備陶瓷基板和基于硅襯底的傳感芯片，基于硅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；

(2)將二氧化硅絕熱層的正面和陶瓷基板的正面之間通過粘合劑膠體實(shí)現(xiàn)基于粘合劑的低溫鍵合圓片級(jí)封裝；

(3)使用腐蝕與研磨的方法完全去除硅襯底。

具體的，所述步驟(2)中，鍵合過程環(huán)境溫度低于400℃，與CMOS工藝兼容。

具體的，所述步驟(1)中，基于硅襯底的傳感芯片制備過程如下：

(11)在硅襯底上氧化或淀積一層二氧化硅絕熱層；

(12)在二氧化硅絕熱層上加工生長金屬層；

(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、測(cè)溫元件和焊盤。

具體的，所述步驟(12)中，金屬層為金屬鋁層。