本發(fā)明屬于測量風(fēng)速風(fēng)向的傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于圓片級封裝的MEMS風(fēng)速風(fēng)向傳感器結(jié)構(gòu)及封裝方法。

背景技術(shù)：

風(fēng)速、風(fēng)向是反映氣象情況非常重要的參數(shù),對環(huán)境監(jiān)測、交通運輸和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要的影響，因此，快速測量出風(fēng)速和風(fēng)向具有重要的實際意義。但是由于風(fēng)速的不均勻性十分常見，同一地區(qū)相隔數(shù)百米就會出現(xiàn)較大的風(fēng)速差異，所以，需要采用大規(guī)模傳感節(jié)點來獲得更加精確的風(fēng)速和風(fēng)向。早期采用傳統(tǒng)的機械風(fēng)杯，后期出現(xiàn)了基于超聲原理和多普勒原理的風(fēng)速檢測系統(tǒng)。但是這些風(fēng)速傳感器體積龐大不可移動，功耗高，價格高還需要定期維護，MEMS技術(shù)的出現(xiàn)由于使得小型化，便攜式的風(fēng)速風(fēng)向檢測系統(tǒng)成為了可能。

眾所周知，在MEMS傳感器的制作中，封裝一直以來都是阻礙其發(fā)展的技術(shù)瓶頸。一方面封裝材料要求具有良好的熱傳導(dǎo)，又要對傳感器有保護作用，并且設(shè)計中還要考慮成本的因素。以往都是將硅敏感芯片背面貼于陶瓷正面，陶瓷的背面感風(fēng)，這樣加熱的熱量需要從硅的加熱面?zhèn)鞯搅硪幻嬖賯鞯教沾缮?，然后再在風(fēng)場作用下，陶瓷背面產(chǎn)生溫度差，再將溫差傳回到硅的加熱面進行檢測，這樣會影響傳感器的靈敏度和響應(yīng)時間，并且由于是用導(dǎo)熱膠將硅片貼在陶瓷芯片上，由于封裝過程中導(dǎo)熱膠不可能完全對稱，也會影響傳感器的性能。

本發(fā)明將硅圓片正面以倒裝焊的方式圓片級封裝方式鍵和于陶瓷基板正面，而陶瓷基板的反面作為傳感器和風(fēng)接觸的界面，僅需要對硅圓片和陶瓷基板低溫鍵合，進行劃片得到的傳感器中，硅芯片上可以通過硅通孔將中心測溫元件，加熱元件和熱傳感測溫元件通過通孔導(dǎo)電連接到硅圓片背部，從而與控制和檢測電路相連。為了將硅芯片和陶瓷基板更好的熱接觸，加熱元件,中心測溫元件和熱傳感測溫元件的熱端緊貼陶瓷基板。這樣相對于之前的結(jié)構(gòu)，可以降低成本，提高靈敏度和降低響應(yīng)時間。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足并降低傳感器的成本，提供一種基于圓片級封裝的MEMS風(fēng)速風(fēng)向傳感器結(jié)構(gòu)及封裝方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于圓片級封裝的MEMS風(fēng)速風(fēng)向傳感器結(jié)構(gòu)，包括硅芯片和陶瓷芯片；

所述硅芯片包括硅圓片和二氧化硅絕熱層，二氧化硅絕熱層設(shè)置在硅圓片上，二氧化硅絕熱層上設(shè)有用于產(chǎn)生熱量的加熱元件、中心測溫元件和熱傳感測溫元件，一個中心測溫元件設(shè)在方形硅芯片的中心，四個加熱元件和四個熱傳感測溫元件都以中心測溫元件的中心為中心均勻設(shè)置，加熱元件和熱傳感測溫元件的位置平行于硅芯片的邊，由中心測溫元件向硅芯片的邊依次為加熱元件、隔熱槽和熱傳感測溫元件。四個熱傳感測溫元件設(shè)置在加熱元件的外側(cè)，用以感應(yīng)溫度場的分布，通過相對的熱傳感測溫元件上的熱溫差來反應(yīng)風(fēng)速和風(fēng)向信息。

所述陶瓷芯片包括陶瓷基板，所述硅圓片正面以圓片級封裝方式鍵和于陶瓷基板正面，陶瓷基板背面用于感風(fēng)面；

所述硅芯片和陶瓷芯片連接得到的傳感器中，硅芯片通過硅通孔將中心測溫元件，加熱元件和熱傳感測溫元件導(dǎo)電連接到傳感器背部，并與控制和檢測電路相連。

隨著MEMS元器件的競爭越來越激烈，以及對MEMS元器件要求越來越高，為了進一步縮小MEMS芯片的體積和降低工藝成本，TSV與三維圓片級封裝的MEMS芯片成為必然趨勢。

一種上述基于圓片級封裝的MEMS風(fēng)速風(fēng)向傳感器的封裝方法，包括以下步驟：

第一步:硅芯片的制備

步驟1，制備帶硅通孔并電鍍填充的硅圓片，包括在硅片的固定位置深硅刻蝕出盲孔，然后沉積氧化硅絕緣層，再進行種子層濺射，去膠剝離后電鍍填充盲孔，最后減薄到底面露出孔,并在硅圓片上氧化一層二氧化硅絕熱層；

步驟2，在二氧化硅絕熱層上表面旋涂光刻膠，曝光進行圖形化露出制備中心測溫元件，加熱元件和熱傳感測溫元件；

步驟3，濺射粘附層和熱敏電阻，其組成中心測溫元件，加熱元件和熱傳感測溫元件；

步驟4，剝離工藝，去除光刻膠和不必要的粘附層和熱敏電阻；

步驟5，干法刻蝕隔熱槽；

步驟6，制備鈍化層保護粘附層和熱敏電阻；

步驟7，在鈍化層上凸點下金屬并圖形化，電鍍硅圓片上焊盤；

第二步：陶瓷芯片的制備

在陶瓷基板旋涂光刻膠，圖形化露出凸點焊料區(qū)域，濺射凸點金屬并圖形化，電鍍陶瓷基板上焊盤，完成熱連接焊盤的制備。

第三步：倒裝焊圓片級封裝

利用倒裝焊技術(shù)，經(jīng)過連接凸點上實現(xiàn)上連接焊盤與下連接焊盤的互連，以低溫共晶的圓片級鍵和方式實現(xiàn)陶瓷基板與硅圓片之間的熱通路。鍵和過程中溫度約為310℃，滿足MEMS風(fēng)速計的溫度范圍。

第四步：劃片，完成MEMS風(fēng)速風(fēng)向傳感器的制備。

本發(fā)明傳感器中，陶瓷基板和硅圓片之間通過低溫鍵和實現(xiàn)圓片級封裝，鍵和溫度310℃。采用較薄的具有高熱導(dǎo)率的硅圓片,能大大的降低功耗。并且在硅芯片中引入了硅通孔,由于硅通孔可以使得導(dǎo)電體穿過硅芯片，不需要引線框和引線鍵和，從而降低了封裝的成本。

本發(fā)明傳感器的陶瓷基板一方面作為保護硅芯片的封裝基板，另一方面又可以用作感受外界風(fēng)速變化的敏感元件。整個傳感器只有陶瓷基板的背面和風(fēng)進行環(huán)境接觸，其他元件包括硅芯片，中心測溫元件,加熱元件，和熱傳感測溫元件都不和環(huán)境接觸，從而可以具有穩(wěn)定的性質(zhì)。

本發(fā)明通過在陶瓷基板正面和硅圓片正面做焊料凸點，低溫鍵和的圓片級封裝方式進行封裝，其中焊料做為硅圓片和陶瓷基板的熱通路，陶瓷基板背面感風(fēng)，由于硅上加熱元件,中心測溫元件和熱傳感測溫元件的熱端緊貼陶瓷基板，加熱元件在陶瓷基板表面建立的溫度場隨風(fēng)的變化而變化，熱傳感測溫元件由于與陶瓷基板緊貼，可以感受到溫度場分布的變化情況。在外界無風(fēng)的條件下，溫度場的分布呈現(xiàn)完全對稱的狀態(tài)。當(dāng)外界有風(fēng)吹過陶瓷基板背面時，風(fēng)將以熱對流的方式從陶瓷基板背面帶走部分的熱量，熱傳感測溫元件將測出溫度的變化，從而反映風(fēng)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基板上的溫度場梯度的變化，能夠反映風(fēng)向的變化信息。

有益效果：1.本發(fā)明的封裝工藝屬于傳感器圓片級封裝，陶瓷基板與硅圓片封裝前大小完全相同，通過倒裝焊封裝實現(xiàn)硅圓片和陶瓷基板之間的熱連接，封裝后僅需要簡單的劃片就可以得到完整的傳感器。這種圓片級封裝的方式與傳統(tǒng)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元件的封裝成本，提高了傳感器的封裝效率，另一方面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調(diào)理的成本。

2.本發(fā)明所有MEMS器件都做在硅芯片上，相對于之前加熱元件放在陶瓷片上，中心測溫元件和熱傳感測溫元件做在硅片上，由于陶瓷基板相對硅芯片粗糙很多，硅芯片上的結(jié)構(gòu)包括加熱元件和中心測溫元件和熱傳感測溫元件之間阻值之間差異就小很多?？梢詼p小后期電路參數(shù)匹配及風(fēng)速風(fēng)向校準(zhǔn)帶來的壓力，并大大降低傳感器校準(zhǔn)方面人力，物力的成本。

3.本發(fā)明采用了一種具有硅通孔結(jié)構(gòu)的圓片級封裝的MEMS風(fēng)速風(fēng)向傳感器，由于采用硅通孔作為電連接，縮短了傳感器和電路之間的互連線距離，相對于之前的金屬絲焊結(jié)構(gòu)，降低了后續(xù)打線的時間，減少了引線鍵合的封裝誤差，更加適合量產(chǎn)，并且能夠精確控制，一次成型。由于傳感器圓片級封裝后僅需要劃片就可以得到傳感器器件，劃片后的芯片可以不浪費陶瓷芯片面積，在4寸晶圓上可以實現(xiàn)大量的傳感器制備。并且簡單的劃片后即可，相對于之前沒有硅通孔的結(jié)構(gòu)，不需要將硅圓片進行裂片，不需后續(xù)處理，降低工藝成本，提高陶瓷基板利用率。

4.由于將加熱元件,中心測溫元件和熱傳感測溫元件的熱端緊貼陶瓷基板，相比于之前將硅芯片背面貼在陶瓷基板上，再用陶瓷基板另一面進行感風(fēng)的方法，可以提高連接可靠性和熱傳導(dǎo)性能，較大程度提高了傳感器的靈敏度和響應(yīng)時間。

5.本發(fā)明采用的低溫鍵和技術(shù)實現(xiàn)陶瓷基板與硅芯片之間的熱連接,所使用的鍵和用金錫凸點具有幾何和材料特性穩(wěn)定,性能一致性好的特點,是一種非常理想的傳感器圓片級封裝技術(shù),鍵和過程環(huán)境溫度為310℃,與風(fēng)速計能承受溫度兼容。

附圖說明

圖1為本發(fā)明硅芯片制備過程；

圖2為本發(fā)明硅芯片俯視圖；

圖3為本發(fā)明硅芯片側(cè)視圖；

圖4為本發(fā)明陶瓷芯片側(cè)視圖；

圖5為本發(fā)明陶瓷芯片俯視圖；

圖6為本發(fā)明最后完成劃片后的單片傳感器芯片側(cè)視圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步說明。

如圖1-6所示，一種基于圓片級封裝的MEMS風(fēng)速風(fēng)向傳感器結(jié)構(gòu)，包括硅芯片110和陶瓷芯片；

所述硅芯片110包括硅圓片20和二氧化硅絕熱層10，二氧化硅絕熱層10設(shè)置在硅圓片20上，二氧化硅絕熱層10上設(shè)有用于產(chǎn)生熱量的加熱元件26、中心測溫元件28和熱傳感測溫元件24，一個中心測溫元件28設(shè)在方形硅芯片110的中心，四個加熱元件26和四個熱傳感測溫元件24都以中心測溫元件28的中心為中心均勻設(shè)置，加熱元件26和熱傳感測溫元件24的位置平行于硅芯片110的邊，由中心測溫元件28向硅芯片110的邊依次為加熱元件26、隔熱槽70和熱傳感測溫元件24。四個熱傳感測溫元件24設(shè)置在加熱元件26的外側(cè)，用以感應(yīng)溫度場的分布，通過相對的熱傳感測溫元件24上的熱溫差來反應(yīng)風(fēng)速和風(fēng)向信息。

所述陶瓷芯片包括陶瓷基板90，所述硅圓片20正面以圓片級封裝方式鍵和于陶瓷基板90正面，陶瓷基板90背面用于感風(fēng)面；

所述硅芯片110和陶瓷芯片連接得到的傳感器210中，硅芯片110通過硅通孔(30、32、34)將中心測溫元件28，加熱元件26和熱傳感測溫元件24導(dǎo)電連接到傳感器210背部，并與控制和檢測電路相連。

一種基于圓片級封裝的MEMS風(fēng)速風(fēng)向傳感器的封裝方法，包括以下步驟：

第一步:硅芯片110的制備

步驟1，制備帶硅通孔30并電鍍填充的硅圓片20，包括在硅片的固定位置深硅刻蝕出盲孔，然后沉積氧化硅絕緣層，再進行種子層濺射，去膠剝離后電鍍填充盲孔，最后減薄到底面露出孔,并在硅圓片上氧化一層二氧化硅絕熱層10；

步驟2，在二氧化硅絕熱層10上表面旋涂光刻膠40，曝光進行圖形化露出制備中心測溫元件28，加熱元件26和熱傳感測溫元件24；

步驟3，濺射粘附層50和熱敏電阻60,其組成中心測溫元件28，加熱元件26和熱傳感測溫元件24；

步驟4，剝離工藝，去除光刻膠40和不必要的粘附層50和熱敏電阻60；

步驟5，干法刻蝕隔熱槽70；

步驟6，制備鈍化層80保護粘附層50和熱敏電阻60；

步驟7，在鈍化層上凸點下金屬并圖形化，電鍍硅圓片上焊盤100；

第二步：陶瓷芯片的制備

在陶瓷基板90旋涂光刻膠，圖形化露出凸點焊料區(qū)域，濺射凸點金屬并圖形化，電鍍陶瓷基板上焊盤(92、94)，完成熱連接焊盤的制備。

第三步：倒裝焊圓片級封裝

利用倒裝焊技術(shù)，經(jīng)過連接凸點上實現(xiàn)上連接焊盤與下連接焊盤的互連，以低溫共晶的圓片級鍵和方式實現(xiàn)陶瓷基板90與硅圓片20之間的熱通路。鍵和過程中溫度約為310℃，滿足MEMS風(fēng)速計的溫度范圍。

第四步：劃片，完成MEMS風(fēng)速風(fēng)向傳感器的制備。

應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。