用于集成器件的衬底级组件、其制造工艺及相关集成器件专利检索-轮胎压力监测系统车轮和轮胎专利检索查询-专利查询网

用于集成器件的衬底级组件、其制造工艺及相关集成器件

阅读：401发布：2020-10-07

专利汇可以提供用于集成器件的衬底级组件、其制造工艺及相关集成器件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且在衬底级组件(22)中，半导体材料的器件衬底(20)具有顶面(20a)并包封第一集成器件(1；16)，特别地第一集成器件具有形成于器件衬底(20)之内的埋藏腔(3)以及在顶面(20a)附近悬置于埋藏腔(3)上方的膜(4)。在顶面(20a)上方将帽盖衬底(21)耦合到器件衬底(20)以便覆盖第一集成器件(1；16)，从而在膜(4)上提供第一空白空间(25)。电接触元件(28a，28b)将集成器件(1；16)与衬底级组件(22)的外部电连接。在一个实施例中，该器件衬底(20)集成至少一个具有相应膜(4′)的其他集成器件(1′，10)；并且在所述其他集成器件(1′，10)的相应膜(4′)上方提供与第一空白空间(25) 流体隔离的其他空白空间(25′)。，下面是用于集成器件的衬底级组件、其制造工艺及相关集成器件专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种衬底级组件(22)，其特征在于包括：
-半导体材料的器件衬底(20)，其具有顶面(20a)并包封第一集成器件(1；16)，所述第一集成器件在所述顶面(20a)附近具备有效面积(4)；
-帽盖衬底(21)，其在所述顶面(20a)上方耦合到所述器件衬底 (20)以便覆盖所述第一集成器件(1；16)，所述耦合使得在对应于所述有效面积(4)的位置提供第一空白空间(25)；以及
-电接触元件(28a，28b)，其用于将所述第一集成器件(1；16) 与所述衬底级组件(22)外部电连接。
2.根据权利要求1所述的组件，其中所述第一集成器件(1；16) 具备形成于所述器件衬底(20)之内的埋藏腔(3)以及在所述有效面积处悬置于所述埋藏腔(3)上方的膜(4)；所述第一空白空间(25) 提供在对应于所述膜(4)的位置。
3.根据权利要求1或2所述的组件，其中在所述帽盖衬底(21) 之内提供第一进出通道(26)，所述第一进出通道(26)流体连接到所述第一空白空间(25)和所述衬底级组件(22)外部。
4.根据前述权利要求的任一项所述的组件，其中所述帽盖衬底(21) 在所述第一集成器件(1；16)的有效面积(4)上方具有第一传感器腔 (24)，所述第一传感器腔(24)至少部分地形成所述第一空白空间(25)；特别地，所述第一传感器腔(24)的深度在10μm和400μm之间。
5.根据前述权利要求的任一项所述的组件，还包括键合区域(23)，其设置于所述器件衬底(20)和所述帽盖衬底(21)之间以确保其接合，并被放置为与所述顶面(20a)接触，从而包围所述第一集成器件(1； 16)的有效面积(4)而不叠置其上；所述第一空白空间(25)至少部分由所述键合区域(23)划界。
6.当权利要求5不从属于权利要求4时根据权利要求5所述的组件，其中所述帽盖衬底(21)平坦且未构图，所述键合区域(23)的厚度介于6和100μm之间；所述第一空白空间(25)整个地由所述键合区域(23)界定。
7.根据权利要求5或6所述的组件，其中所述帽盖衬底(21)包括半导体材料、玻璃、陶瓷和聚合物材料之一；且其中所述键合区域(23) 包括玻璃料或者金属或聚合物材料。
8.根据权利要求5-7的任一项所述的组件，其中所述帽盖衬底(21) 和键合区域(23)中的至少一个由导电材料制成，以便为所述第一集成器件提供静电屏蔽；特别地，所述第一集成器件为麦克风(16)。
9.根据前述权利要求的任一项所述的组件，其中所述电接触元件 (28a，28b)包括如下元件中的至少一个：通过所述器件衬底(20)制造的通孔(28a)；以及形成于所述器件衬底(20)未被所述帽盖衬底 (21)覆盖的所述顶面(20a)的一部分上的电连接焊盘(28b)；且其中所述第一集成器件(1；16)还包括形成于所述器件衬底(20)中的埋藏腔(3)以及悬置于所述埋藏腔(3)上方的膜(4)，以及换能元件(5)，所述换能元件被构造成将所述膜(4)的形变转换成电信号，且所述电接触元件(28a，28b)连接到所述换能元件(5)。
10.根据前述权利要求的任一项所述的组件，其中所述第一集成器件(1；16)还包括形成于所述器件衬底(20)之内的埋藏腔(3)以及悬置于所述埋藏腔(3)上方的膜(4)；并且在所述帽盖衬底(21)之内提供第一进出通道(26)，所述第一进出通道流体连接到所述第一空白空间(25)和所述衬底级组件(22)的外部；并且在所述器件衬底(20) 内部提供第二进出通道(30)，所述第二进出通道与所述集成器件(1) 的所述埋藏腔(3)和所述衬底级组件(22)的外部流体相通。
11.根据前述权利要求的任一项所述的组件，其中第一进出通道 (26)和多个其他进出通道(26)被提供在所述帽盖衬底(21)之内并流体连接到所述第一空白空间(25)和所述衬底级组件(22)的外部；特别地，所述第一和其他进出通道(26)尺寸不同和/或其间提供不同的间距。
12.根据前述权利要求的任一项所述的组件，其中所述器件衬底 (20)包封至少一个其他集成器件(1′；10)，该其他集成器件拥有相应的有效面积(4′)；且其中在对应于所述其他集成器件(1′；10)的相应有效面积(4′)的位置提供其他空白空间(25′)；所述其他空白空间 (25′)与所述第一空白空间(25)流体隔离。
13.根据权利要求12所述的组件，其中所述帽盖衬底(21)具有至少一个其他传感器腔(24′)，所述其他传感器腔设置于所述其他集成器件(1′；10)的相应有效面积(4′)上方，并至少部分地形成所述其他空白空间(25′)；所述第一空白空间(25)和其他空白空间(25′)至少部分地由设置于所述第一空白空间(25)和其他空白空间(25′)之间的所述帽盖衬底(21)的分隔部分(32)以流体密闭的方式隔开。
14.根据权利要求12或13所述的组件，还包括键合区域(23)，其设置于所述器件衬底(20)和所述帽盖衬底(21)之间，并与所述器件衬底(20)的所述顶面(20a)接触，从而包围所述第一集成器件(1； 16)的有效面积(4)和所述其他集成器件(1′；10)的相应有效面积(4′) 而不叠置其上；所述第一空白空间(25)和所述其他空白空间(25′)至少部分由所述键合区域(23)划界。
15.根据权利要求10-14的任一项所述的组件，其中所述第一集成器件(1；16)还包括形成于所述器件衬底(20)之内的埋藏腔(3)以及悬置于所述埋藏腔(3)上方的膜(4)，且所述其他集成器件包括形成于所述器件衬底(20)之内的相应埋藏腔(3′)以及悬置于所述相应埋藏腔(3′)上方的相应膜(4′)；且其中所述第一集成器件为压力传感器(1)，且所述其他集成器件为惯性传感器(10)，所述惯性传感器 (10)包括在所述其他空白空间(25′)之内设置于相应膜(4′)上的惯性质量(11)。
16.根据权利要求15所述的组件，其中所述惯性质量(11)包括直接淀积于所述相应膜(4′)上的金属材料；所述金属材料是从包括银、锡、铜、铅和金的组中选择的，且优选地具有大于7000kg/m3的密度。
17.根据权利要求12-14的任一项所述的组件，其中所述第一集成器件为压力传感器(1)，且所述其他集成器件为对应所述压力传感器 (1)的基准压力传感器(1′)。
18.根据前述权利要求的任一项所述的组件，其中所述第一集成器件(1；16)还包括形成于所述器件衬底(20)之内的埋藏腔(3)以及悬置于所述埋藏腔(3)上方的膜(4)；所述第一集成器件为麦克风传感器(16)，其具有被感测隔片(17)与所述埋藏腔(3)隔开的后室 (18)，所述感测隔片被构造成根据抵达所述埋藏腔(3)的声波施加到其上的压力而运动。
19.根据权利要求18所述的组件，其中所述第一集成器件(1；16) 还包括形成于所述器件衬底(20)之内的埋藏腔(3)以及悬置于所述埋藏腔(3)上方的膜(4)；所述第一集成器件为气体传感器，且所述膜(4)包括探测材料，所述探测材料被构造成允许探测气态材料的存在；所述膜(4)与所述器件衬底(20)热解耦。
20.根据前述权利要求的任一项所述的组件，其中所述帽盖衬底 (21)包括生长于所述器件衬底(20)上的层，尤其是通过电镀或外延步骤生长的层；所述帽盖衬底(21)与所述器件衬底(20)集成为一体。
21.一种电子器件，其特征在于包括：根据前述权利要求的任一项所述的衬底级组件(22)，以及包封并机械保护所述衬底级组件(22) 的封装(40)；其中所述封装(40)包括机械支撑所述衬底级组件(22) 的基底主体(42)和被构造成横向涂布所述衬底级组件(22)的涂层区域(44)。
22.根据权利要求21所述的器件，其中所述涂层区域(44)保持不被覆盖，并可以从界定所述封装(40)的第一外表面(40a)的一部分的所述帽盖衬底(21)的顶面(21b)外部触及所述涂层区域(44)，并且特别地，通过所述第一进出通道(26)触及所述涂层区域。
23.根据权利要求21或22所述的器件，其中所述封装(40)为LGA、 SO、QFN或BGA型，且具有由所述基底主体(42)的表面承载的接触焊盘(46)，所述表面不接触所述衬底级组件(22)并界定所述封装的第二外表面(40b)。
24.根据权利要求21-23的任一项所述的器件，还包括电耦合到所述衬底级组件(22)并被所述封装(40)包封的电路管芯(50)；其中所述器件衬底(20)和电路管芯(50)通过相应的粘附层(41，51)机械耦合到所述基底主体(42)并并排设置。
25.根据权利要求21-23的任一项所述的器件，还包括电耦合到所述衬底级组件(22)并被所述封装(40)包封的电路管芯(50)；其中所述电路管芯(50)机械耦合到所述基底主体(42)，且所述器件衬底 (20)以叠置方式机械耦合到所述电路管芯(50)。
26.根据权利要求21-25的任一项所述的器件，还包括进出通道 (30)，其通过所述基底主体(42)延伸并在所述衬底级组件与所述顶面(20a)相对的表面到达所述衬底级组件。
27.根据权利要求21-26的任一项所述的器件，其中所述电子器件是轮胎压力监测系统(TPMS)、血压监测系统(BPMS)、喷墨系统或移动电话之一。
28.一种用于制造衬底级组件(22)的工艺，其特征在于包括：
-提供半导体材料的器件衬底(20)，所述器件衬底具有顶面(20a)；
-在所述器件衬底(20)之内形成第一集成器件(1；16)，所述第一集成器件(1；16)在所述所述顶面(20a)附近具备有效面积(4)；
-在所述顶面(20a)上方将帽盖衬底(21)耦合到所述器件衬底(20) 以便覆盖所述第一集成器件(1；16)，所述耦合包括在对应于所述有效面积(4)的位置形成第一空白空间(25)；以及
-形成电接触元件(28a，28b)，所述电接触元件用于将所述第一集成器件(1；16)与所述衬底级组件(22)的外部电连接。
29.根据权利要求28所述的工艺，其中形成第一集成器件还包括形成所述器件衬底(20)之内的埋藏腔(3)以及悬置于所述埋藏腔(3) 上方的膜(4)，且所述第一空白空间(25)形成于对应于所述膜(4) 的位置。
30.根据权利要求28或29所述的工艺，还包括在所述帽盖衬底(21) 中形成流体连接到所述第一空白空间(25)和所述衬底级组件(22)外部的第一进出通道(26)。
31.根据权利要求28-30的任一项所述的工艺，其中形成第一空白空间(25)包括在所述帽盖衬底(21)中形成所述第一集成器件(1； 16)的有效面积(4)上方的第一传感器腔(24)。
32.根据权利要求28-31的任一项所述的工艺，其中所述机械耦合包括：形成键合区域(23)，其设置于所述器件衬底(20)和所述帽盖衬底(21)之间并与所述器件衬底(20)的顶面(20a)接触，从而包围所述第一集成器件(1；16)的有效面积(4)而不叠置其上；以及经由所述键合区域(23)连接所述器件衬底(20)和所述帽盖衬底(21)；并且其中所述第一空白空间(25)至少部分地由所述键合区域(23)划界。
33.根据权利要求28-32的任一项所述的工艺，其中形成第一集成器件(1；16)还包括形成所述器件衬底(20)之内的埋藏腔(3)以及悬置于所述埋藏腔(3)上方的膜(4)，以及形成换能元件(5)，所述换能元件被构造成将所述膜(4)的形变转换成电信号，并且形成所述电接触元件(28a，28b)包括形成如下元件中的至少一种：通过所述器件衬底(20)的通孔(28a)；以及位于所述器件衬底(20)未被所述帽盖衬底(21)覆盖的所述顶面(20a)的一部分上的电连接焊盘(28b)；以及将所述通孔(28a)或所述电连接焊盘(28b)连接到所述换能元件 (5)。
34.根据权利要求28-33的任一项所述的工艺，其中形成第一集成器件(1；16)还包括形成所述器件衬底(20)之内的埋藏腔(3)以及悬置于所述埋藏腔(3)上方的膜(4)；还包括在所述帽盖衬底(21) 中形成第一进出通道(26)，所述第一进出通道流体连接到所述第一空白空间(25)和所述衬底级组件(22)的外部，以及在所述器件衬底(20) 中形成第二进出通道(30)，所述第二进出通道与所述集成器件(1) 的所述埋藏腔(3)和所述衬底级组件(22)的外部流体相通。
35.根据权利要求28-34的任一项所述的工艺，还包括在所述帽盖衬底(21)之内形成第一进出通道(26)和多个其他进出通道(26)，其流体连接到所述第一空白空间(25)和所述衬底级组件(22)的外部；特别地，所述第一和其他进出通道(26)尺寸不同和/或其间提供不同的间距。
36.根据权利要求28-35的任一项所述的工艺，还包括：在所述器件衬底(20)中形成至少一个其他集成器件(1′；10)，所述其他集成器件拥有相应的有效面积(4′)；所述耦合进一步包括在对应于所述其他集成器件(1′；10)的相应有效面积(4′)的位置形成其他空白空间(25′)；所述其他空白空间(25′)与所述第一空白空间(25)流体隔离。
37.根据权利要求36所述的工艺，其中形成其他空白空间(25′) 包括在所述帽盖衬底(21)中在所述其他集成器件(1′，10)的所述相应有效面积(4)上方形成至少一个其他传感器腔(24′)；所述形成至少一个其他传感器腔(24′)包括通过所述帽盖衬底(21)的分隔部分(32) 分隔所述第一空白空间(25)和所述其他空白空间(25′)。
38.根据权利要求36或37所述的工艺，其中所述耦合包括形成键合区域(23)，其设置于所述器件衬底(20)和所述帽盖衬底(21)之间，并与所述顶面(20a)接触，从而包围所述第一集成器件(1；16) 的有效面积(4)和所述其他集成器件(1′；10)的相应有效面积(4′) 而不叠置其上；所述第一空白空间(25)和所述其他空白空间(25′)至少部分地由所述键合区域(23)划界。
39.根据权利要求36-38的任一项所述的工艺，其中形成第一集成器件(1；16)包括形成所述器件衬底(20)之内的埋藏腔(3)以及悬置于所述埋藏腔(3)上方的膜(4)，且形成其他集成器件(1′；10) 包括形成所述器件衬底(20)之内的相应埋藏腔(3′)以及悬置于所述相应埋藏腔(3′)上方的相应膜(4′)；且其中形成第一集成器件包括形成压力传感器(1)，且形成至少一个其他集成器件包括形成惯性传感器(10)；形成惯性传感器(10)包括在所述相应膜(4′)上且在所述其他空白空间(25′)之内形成惯性质量(11)。
40.根据权利要求39所述的工艺，其中形成惯性质量(11)包括直接在所述相应膜(4′)上淀积金属材料，所述金属材料是从包括银、锡、铜、铅和金的组中选择的，且优选地具有高于7000kg/m3的密度。
41.根据权利要求36-38的任一项所述的工艺，其中形成第一集成器件包括形成压力传感器(1)，且形成至少一个其他集成器件包括形成对应于所述压力传感器(1)的基准压力传感器(1′)。
42.根据权利要求28-38的任一项所述的工艺，其中形成第一集成器件包括形成麦克风传感器(16)，尤其是形成所述器件衬底(20)之内的埋藏腔(3)以及悬置于所述埋藏腔(3)上方的膜(4)，以及被感测隔片(17)与所述埋藏腔(3)隔开的后室(18)，所述感测隔片被构造成根据抵达所述埋藏腔(3)的声波施加到其上的压力而运动。
43.根据权利要求28-42的任一项所述的工艺，其中形成第一集成器件包括形成气体传感器，尤其是形成所述器件衬底(20)之内的埋藏腔(3)以及悬置于所述埋藏腔(3)上方的膜(4)；形成所述膜(4) 包括形成探测材料，所述探测材料被构造成允许探测气态材料的存在；所述膜(4)与所述器件衬底(20)热解耦。
44.根据权利要求28-43的任一项所述的工艺，其中耦合所述帽盖衬底(21)包括在所述器件衬底(20)上生长材料层，尤其是通过电镀或外延步骤生长层；所述帽盖衬底(21)与所述器件衬底(20)集成为一体。
45.一种制造电子器件的工艺，其特征在于包括：根据权利要求 28-44的任一项所述形成衬底级组件(22)；以及在封装(40)中包封所述衬底级组件(22)，以便涂覆并机械保护所述衬底级组件(22)；其中所述包封包括提供基底主体(42)以支撑所述衬底级组件(22)，以及用涂层区域(44)横向涂布所述衬底级组件(22)。
46.根据权利要求45所述的工艺，其中将所述涂层区域(44)构造成保持不被覆盖，并可以从界定所述封装(40)的第一外表面(40a) 的一部分的所述帽盖衬底(21)的顶面(21b)外部触及所述涂层区域 (44)，尤其是通过所述第一进出通道(26)触及所述涂层区域。
47.根据权利要求45或46所述的工艺，包括在所述基底主体(42) 不接触所述衬底级组件(22)并界定所述封装(40)的第二外表面(40b) 的表面形成接触焊盘(46)。
48.根据权利要求45-47的任一项所述的工艺，还包括将电路管芯 (50)电耦合到所述封装(40)之内的所述衬底级组件(22)；且其中所述包封还包括通过相应的粘附层(41，51)将所述器件衬底(20)和电路管芯(50)并排地机械耦合到所述基底主体(42)。
49.根据权利要求45-47的任一项所述的工艺，还包括将电路管芯 (50)电耦合到所述封装(40)之内的所述衬底级组件(22)；且其中所述包封还包括将所述电路管芯(50)机械耦合到所述基底主体(42)，并以堆叠方式将所述器件衬底(20)机械耦合到所述电路管芯(50)。
50.根据权利要求45-49的任一项所述的工艺，还包括形成进出通道(30)，其通过所述基底主体(42)延伸并在所述衬底级组件与所述顶面(20a)相对的表面到达所述衬底级组件。

说明书全文

技术领域

本发明涉及集成器件，尤其是传感器件的衬底级组件(通常称为“晶片级封装”)，涉及相应的制造工艺和相关集成器件。

背景技术

公知利用微制造技术制造半导体传感器(例如压力传感器、惯性传感器、麦克风或气体传感器)，半导体传感器的工作是基于悬置在腔上的膜的存在的。
具体而言，以本申请人名义提交的EP 1577656公开了一种压力传感器及其制造工艺。详细地讲(图1)，由1表示的压力传感器被集成到半导体材料制造的具有顶面2a的衬底2中，半导体材料尤其是单晶硅。在衬底2之内形成埋藏腔3，并由柔性可变形膜4将其与顶面2a隔开，该膜4悬置于埋藏腔3上方(具体而言，“埋藏腔”一词在此表示形成于半导体材料单个主体之内、与其顶面相距一定距离的腔)。在这种情况下，埋藏腔3还被隔离开并整个包含于衬底2之内。换能元件5，即由扩散或注入掺杂剂原子而形成的压敏电阻器被设置于膜4中，其探测膜4(由于外加电压导致)的形变，并产生作为要探测的压力的函数的对应电信号。简言之，压力传感器1的制造工艺包括：在衬底2之内形成多个深沟槽，由半导体材料制成的分隔壁将所述多个深沟槽彼此隔开；然后在脱氧环境中执行外延生长以形成外延层，该外延层在顶部闭合这些深沟槽；以及最后执行热退火步骤以形成埋藏腔3。在埋藏腔3 上方保留薄硅层，该薄硅层部分地由外延生长的硅原子构成，部分地由迁移的硅原子构成；该硅层形成膜4。
2005年1月25日以本申请人名义提交的专利申请EP 05425028.7 描述了一种压电电阻加速度计和相应的制造工艺。详细而言(图2)，由10表示的压电电阻加速度计具有基本类似于上述压力传感器1的结构，因此用相同附图标记表示类似的部分，此外，该压电电阻加速度计具有形成于膜4上，具体而言形成于膜4的大致几何中心处的惯性质量 11。该惯性质量11由例如银、锡、铜、铅、金或其他高密度金属的焊接膏构成，所述高密度金属优选地具有高于7000kg/m3的密度。例如，该惯性质量11包括柱形基部和半球形顶部，具有100μm和200μm之间的半径和50μm和350μm之间的厚度(假定膜4的边大约为500μm，惯性质量11的半径和膜4的边之间的比例在20％和40％之间)。
通过金属网淀积该惯性质量11，该金属网例如由镍或钢制成，在对应于要淀积焊接膏的区域的位置具有适当的开口。此外，所述淀积伴随有温度升高步骤，在该步骤期间，惯性质量11粘附到膜4的顶面，冷却之后形成期望的形状。
将惯性质量11的重心G置于膜4之外，使得在使用期间作用于加速度计10的加速度决定惯性质量11上的动量，这导致其沿相应方向倾斜。惯性质量11的位移导致膜4的形变和压电电阻元件5的电阻率变化，据此适当的探测电路确定作用于加速度计10上的加速度量。
前述专利申请No.EP 05425028.7进一步披露了(图3)在同一半导体材料的衬底2的分开且不同的表面部分中的上述压力传感器1和加速度计10的集成，特别是为了获得压力监测系统15，例如用于监测车辆轮胎的充气压力的所谓轮胎压力监测系统(TPMS)。在使用时，将压力监测系统15安装在轮胎的内表面上，压力传感器1测量其充气状态，而加速度计10通过向压力传感器1提供测量开始信号并向耦合到其上的电子电路提供数据收集信号来执行唤醒功能。特别地，加速度计10 探测轮胎在旋转期间的离心加速度。强度大于预设阈值的加速度代表车辆运动的状态，因此导致压力监测的开始，从而将监测限制到测量运动的时间间隔中。
此外，MEMS麦克风传感器是已知的，图4中示出了其实例。同样将16表示的麦克风传感器集成到由半导体材料制成的、具有顶面2a的衬底2中，该传感器包括形成于衬底2中并由悬置于埋藏腔3上方的膜 4与顶面2a隔开的埋藏腔3。膜4是固定的，具有多个孔(未示出)，允许空气从外界环境通过孔进入埋藏腔3中。柔性且会因气压而运动的传感器隔片17将埋藏腔3与形成于衬底2背部的后室18隔开。膜4和传感器隔片17形成感测电容器的两个相对极板，该感测电容器的电容随着它们的相对距离的变化而变化。在使用时，传感器隔片17因为抵达埋藏腔3的声波而发生形变，从而导致感测电容器的电容值发生相应变化。
所述传感器的尺寸特别小，即在0.8mm×0.8mm×0.3mm(长×宽×厚) 左右，或在2mm×2mm×0.3mm左右，使得传统的封装技术不再有优势，特别是模制或预模制型传统型封装妨碍过多，且无论如何也不是针对需要尺寸最小化的诸如汽车的应用或消费应用而优化的。例如，现有的 MEMS麦克风封装构思使用相当笨重的金属外壳(或由FR4和金属材料的组合制成)，该外壳保护传感器管芯并对其进行静电屏蔽。此外，就制造成本而言，传统型的封装不是最优的。
另一方面，已知有对集成器件使用可替换封装技术的趋势，所述技术实现了制成的电子器件的总尺寸的减小和制造成本的同时减少。特别地，所谓的“晶片级封装”技术是已知的，其设想在包封集成器件的半导体材料层顶部直接形成保护层，以机械地保护这些集成器件。

发明内容

因此，本发明的目的是为集成器件提供衬底级组件，其将实现制造工艺成本的最小化和相应电子器件最终尺寸的最小化。
因此，根据本发明，提供了分别如权利要求1和28所限定的衬底级组件和制造工艺。
根据本发明，还提供了分别如权利要求21和45所限定的电子器件和制造工艺。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在仅仅通过非限制性实例的方式，并参考附图描述其优选实施例，附图中：
-图1是已知类型的压力传感器的截面图；
-图2是已知类型的惯性传感器的截面图；
-图3是已知类型的压力监测系统的截面图；
-图4是已知类型的麦克风传感器的截面图；
-图5是根据本发明的一方面的用于压力传感器的衬底级组件的截面图；
-图6是用于差压传感器的衬底级组件的截面图；
-图7是用于相对压力传感器的衬底级组件的截面图；
-图8是用于压力监测器件的衬底级组件的截面图；
-图9是用于包括多个半导体传感器的集成器件的衬底级组件的截面图；
-图10是根据本发明的一方面的包括封装和衬底级组件的电子器件的截面图；
-图11是图10的电子器件的透视图；
-图12是包括封装和衬底级组件的另一电子器件的截面图；
-图13示出了图12的电子器件的变型；
-图14-16示出了图13的电子器件的另外的变型；以及
-图17示出了图5的衬底级组件的可能变型。

具体实施方式

图5示出了半导体材料(例如单晶硅)的衬底20，其具有正面20a 和与正面20a相对的背面20b(在下文中将把衬底20称为“器件衬底”，只要其是设计用来集成一个或多个集成器件，尤其是传感器件的)。
如参考图1所述(因此用相同的附图标记表示类似部分)，在器件衬底20内部形成集成器件，即压力传感器1。具体而言，在器件衬底 20的正面20a上形成悬置于埋藏腔3上方的膜4。
根据本发明的一方面，在正面20a上，将由半导体材料(例如硅)、玻璃或其他陶瓷或聚合物材料制成的帽盖衬底21(机械地和/或电气地) 耦合到器件衬底20，从而覆盖并保护压力传感器1，并为压力传感器1 提供衬底级组件22。具体而言，在此用“衬底级组件”一词表示包括器件衬底20、帽盖衬底21和相应电气输入/输出连接(如下文所述制造的) 的复合结构。
根据本发明的一方面，通过键合工艺将帽盖衬底21连接到器件衬底20，键合工艺采用了被设置为接触正面20a并在其上的键合区域23 (有利地为密封区域)，以确保接合。例如，键合区域23由玻璃料或金属或聚合物材料制成。键合区域23具有环形结构，并围绕压力传感器1的膜4而却不叠置其上。此外，对于玻璃料键合而言，键合区域23 的主延伸尺度介于100μm和300μm之间，对于金属键合而言，小于 100μm，在两种情况下最大厚度都大约为10μm。
根据本发明的一方面，在对应于膜4的位置在帽盖衬底21中形成与膜4相通的传感器腔24。例如，通过各向异性(或各向同性)化学蚀刻制造传感器腔24，该化学蚀刻从与器件衬底20接触的帽盖衬底21的第一表面21a开始，该传感器腔24具有介于10μm和400μm之间的深度。因此，在器件衬底20和帽盖衬底21之间接合之后，在膜4上方保留空白空间25，从而确保其运动自由度，并避免根据所加压力改变其形变。具体而言，该空白空间25部分地由键合区域23的厚度限定，部分地由帽盖衬底21中挖开的传感器腔24限定，并且部分地由键合区域23 划界，部分地由传感器腔24的壁划界。
此外，第一进出通道26形成于帽盖衬底21之内，从帽盖衬底21 不与器件衬底20接触的第二表面21b开始，抵达传感器腔24，从而流体连接到空白空间25和帽盖衬底21外部。例如，可以通过各向异性化学蚀刻和/或深硅蚀刻形成第一进出通道26。
最后以通孔28a的形式提供电气输入/输出连接以实现压力传感器1 和衬底级组件22外部的电连接，所述通孔贯穿器件衬底20，直到抵达背面20b，或者，电气输入/输出连接为连接焊盘28b的形式，所述连接焊盘28b由设置于键合区域23和帽盖衬底21之外的正面20a的一部分承载，从而可以从外部接近，并利用“丝焊”技术实现接触(如在图5和后续图中示意性示出的)。特别地，例如经由金属化区(未示出)将输入/输出电气连接28a、28b连接到膜4的换能元件5。可以利用任何已知技术，例如用导电通孔形成通孔28a，所述导电通孔是如此获得的，通过蚀刻器件衬底20以便形成贯穿衬底整个厚度延伸的通孔槽，并且随后用导电材料，例如用金属材料填充所述通孔槽。使用通孔28a有利于减小所得组件的尺寸。
在使用时，给定压力(其值必须加以确定)的流体通过第一进出通道26贯穿帽盖衬底21，抵达空白空间25，并作用在膜4上，例如导致其形变，该形变由换能元件5探测。
图6示出了用于差压传感器的衬底级组件22。在这种情况下，通过器件衬底20形成第二进出通道30，该第二进出通道从背面20b开始直到埋藏腔3，从而与埋藏腔3流体连接。例如，利用各向异性化学蚀刻从器件衬底20背部开始挖掘，从而制成第二进出通道30。
在使用中，将膜4的外表面(即与埋藏腔3相对)设置成通过穿过帽盖衬底21形成的第一进出通道26与第一压力的流体相通。相反，将膜3的内表面设置成通过第二进出通道30与第二压力的流体相通。通过这种方式，膜3基于第一和第二压力之差而变形，从而实现压力差测量。
图7示出了用于相对压力传感器的衬底级组件22。详细地讲，在器件衬底20之内，除了压力传感器1之外，还在器件衬底20中与专用于压力传感器1的集成的表面部分隔开并不同的表面部分中形成基准压力传感器1′。在对应于基准压力传感器1′的位置在帽盖衬底21中形成另一传感器腔24′，从而确保在基准压力传感器1′的相应膜4′上方存在另一空白空间25′。所述另一空白空间是闭合的，不能从外部进入，因为未提供与其流体相通的进出通道。在这种情况下，键合区域23围绕这两个压力传感器的膜，不叠置于其上，并且形状例如像数字8。在传感器腔 24、24′之间以及相应的空白空间25、25′之间设置帽盖衬底21的分隔部分32。特别地，分隔部分32与下方的键合区域23一起以流体密闭的方式分隔两个空白空间25、25′，从而将它们流体隔离。
在使用中，在所述另一传感器腔24′中，集入具有给定基准压力的流体，而将传感器腔24设置为通过第一进出通道26与给定压力的流体流体相通，从而实施相对压力测量。
图8示出了本发明当前的优选实施例，具体而言，为参考图3所述类型的压力监测器件15的衬底级组件22，该压力监测器件15特别地被配置成监测车辆轮胎的充气压力。详细地讲，在器件衬底20的不同表面部分中集成压力传感器1和加速度计10。同样在这种情况下，以类似于上述的方式，提供对应于加速度计10的所述另一传感器腔24′，以确保所述另一空白空间25′，在该空间之内，惯性质量11可自由移动，以导致相应膜4′的相应形变。此外，提供另一输入/输出电气连接28a′，以确保加速度计10与衬底级组件22外部的电连接，在这种情况下，输入 /输出电气连接28a′同样是例如通孔的形式。有利地，还可以以未图示的方式在器件衬底20之内集成连接到加速度计10和压力传感器1的适当电子电路(或ASIC-专用集成电路)。
在使用中，加速度计10探测由于惯性质量11的位移而赋予监测器件的、作为相应膜4’的形变的函数的加速度。如上所述，帽盖衬底21 的分隔部分32以及设置于自由空间25、25′之间的键合区域23不使在压力下的流体到达所述另一传感器腔24′。
通常，器件衬底20能够集成任意数量的传感器件，在这种情况下提供相应数量的彼此流体隔离的额外自由空间25′，还可能提供相应数量的由帽盖衬底21的额外分隔部分32′隔开的额外传感器腔24′以及相应数量的与相应传感器腔相通的额外进出通道。例如，在图9中，示出了集成到同一个器件衬底20的四个传感器1、1′。显然，每一个图示的传感器都可以是压力传感器，可能是差压传感器或相对压力传感器，或是加速度计(或另一种类型的传感器件)，并且可以提供相应数量的第一和第二进出通道。
根据本发明的另一方面(图10和11)，衬底级组件22可以进一步被包封在封装40中，封装40为地栅阵列(LGA)型、SO、QFN或球栅阵列(BGA)型。详细地讲(图10)，经由粘附层41将衬底级组件22 (特别地，图10示出了器件衬底20集成了压力传感器1和加速度计10 的情况)连接到基底主体42，特别地，基底主体42为界定封装40的基底的多层有机衬底(例如BT-双马来酰亚胺三嗪-层)。粘附层41包括环氧树脂或丙烯酸胶，或双马来酰亚胺(BMI)，或环氧树脂，或丙烯酸，或双马来酰亚胺薄片层。基底主体42的尺寸大于衬底级组件22 的尺寸，因此具有未被该组件覆盖的外周部分。然后，通过适当形状和尺寸的模具，由塑料材料制成的涂层44在侧面覆盖衬底级组件22，塑料材料例如包括树脂。具体而言，涂层44在顶部覆盖基底主体42的外周部分，但不覆盖帽盖衬底21的第二表面21b(即该表面不和器件衬底 20接触)，因此构成封装40的第一外表面40a的一部分。通过这种方式，第一进出通道26保持空闲并暴露于封装40之外(从图11可以明显看出)。此外，通过基底主体42形成的另外的通孔45(例如经由未示出的设置于基底主体42的外周部分的导电路径)连接到衬底级组件 22的连接焊盘28b并连接到由基底主体42的外表面承载的、金属材料制成的外接触焊盘46，该外表面界定封装40的第二外表面40b。对于 LGA封装而言，接触焊盘46构成朝向封装40外部的输入/输出接口。对于BGA封装而言，为实现上述目的取而代之提供导电凸点，例如金属球(未示出)，导电凸点与外接触焊盘46直接接触。有利地，可以用临时保护层覆盖封装40的外表面40a，以便在存储或组装过程中保护集成器件。而且，显然，如果有第二进出通道30(例如对于差压传感器) 的话，那么第二进出通道30也穿过粘附层41和基底主体42延伸，以便抵达封装40的第二外表面40b。
图12示出了封装40的另一实例，该封装40包封了包括器件衬底 20和帽盖衬底21的衬底级组件22，在这种情况下器件衬底20集成来了麦克风传感器16(参见图4，但显然同样的教导加以必要的变更适用于本文所述的所有传感器件，例如适用于压力传感器)，帽盖衬底21 具有第一进出通道26，允许声波通过其向麦克风传感器16的传感器隔片17传播。该封装40还包封了ASIC管芯50，该管芯集成了电耦合到麦克风传感器16的处理电路。经由相应的粘附层51，相对于衬底级组件22在横向上将ASIC管芯50连接到基底主体42，且该管芯50被涂层44围绕并完全覆盖。第一电气连接52(例如电线)将ASIC管芯50 (例如通过丝焊技术)连接到器件衬底20的连接焊盘28b，而第二连接 53将ASIC管芯50连接到通过基底主体42制造的所述另外的通孔45 以及外部接触焊盘46。
如图13(该图再次参考了麦克风传感器，但这并不失其一般性)所示，封装40的可能变型构思在涂层44之内堆叠衬底级组件22和ASIC 管芯50。详细地讲，ASIC管芯50以其第一表面50a连接到基底主体42，器件衬底20经由粘附层41连接到ASIC管芯50的第二表面50b(与第一表面50a相对)，从而在封装40之内堆叠到ASIC管芯上。同样在这种情况下，第一进出通道26保持空闲并暴露于封装40外部，而帽盖衬底21的第二表面21b构成封装40的第一外表面40a的一部分。同样，提供第一和第二连接52、53，它们例如始自未被粘附层41覆盖的ASIC 管芯50的第二表面50b一部分上的相应连接焊盘。
如图14所示，对于上述堆叠布置而言，如果有第二进出通道30的话，那么第二进出通道30可以穿过基底主体42、粘附层41和51以及 ASIC管芯50的整个厚度延伸。对于麦克风传感器16而言，第二进出通道30从后面到达后室18(于是增大了其尺寸)和隔片17。
所述的衬底级组件具有以下优点。
具体而言，该组件的制造工艺在成本和时长方面得到优化，只要它是直接从器件衬底开始执行的，其工艺步骤是用于形成集成传感器的工艺步骤的继续。所得的组件具有极其有限的尺寸，对于只有一个压力传感器的情况而言，通常在1.7mm×1.7mm×0.8mm左右，但可以达到 1.3mm×1.3m×0.8mm左右，对于压力监测器件(集成了压力传感器和加速度计)而言，通常在1.7mm×2.5mm×0.8mm左右，但可以达到 1.3mm×2.5mm×0.8mm。特别地，在后一种情况下，有利的是为压力传感器和加速度计提供单个衬底级组件，所述组件实现了提供于这两个传感器的膜上方的空白空间之间的有效流体隔离。
该衬底级组件可以构成完整的半导体材料制成的器件，只要器件衬底之内包封的集成传感器在背部自动受到器件衬底20的保护，在前面自动受到帽盖衬底21的保护。然而，在不便于具有由半导体材料制成的完整集成器件的所有情况下(例如，在特定的环境条件需要从外部环境提供进一步保护的情况下)，使用封装40可能是有利的。在任何情况下，封装40仍具有在3mm×3mm×1mm左右的小尺寸。
此外，可以容易地拿放和定位封装40以及衬底级组件22，尤其是可以将其有利地用作表面安装器件(SMD)。
所述的制造工艺未构思使用保护凝胶，相反，在使用常规类型的模制封装的情况下需要使用保护凝胶。
最后，显然可以对本文所述和所示的做出修改和变化，而不脱离如所附权利要求界定的本发明的范围。
特别地，可以有利地对帽盖衬底21进行掺杂，以便提高其导电性并为集成在器件衬底20之内的传感器提供静电屏蔽。为了改善这种屏蔽效果(例如在集成衬底级组件的电子器件为移动式电话的情况下这是重要的)，还可以使键合区域23是导电的，从而屏蔽电磁辐射。
还可以利用在器件衬底20上进行外延或电化(电镀)生长而不是向其进行键合来实现帽盖衬底21，以便与器件衬底20集成为一体。在这种情况下，可以利用标准技术，例如蚀刻插于器件衬底和生长的层之间的牺牲层来提供空白空间25。
或者如图15所示，对于麦克风传感器16(或任何其他类型的构思存在后室的传感器)而言，可以由空白空间25制造后室，在帽盖衬底 21中不提供任何进出通道；在这种情况下，通过基底主体42、粘附层 41和ASIC管芯50延伸并与后室18(由于相反的布置，现在具有空白空间25的功能)相通的第二进出通道30允许与封装外部相通。而且(以未示出的方式)，由于帽盖层21中未提供进出通道，因此甚至可以由涂层44来在帽盖层的第二表面21b上覆盖同一帽盖层；在这种情况下，同一ASIC管芯可以具有针对集成传感器的帽盖功能。可以将类似结构用于相对压力传感器，第一空白空间25含有基准压力的第一流体，第二进出通道30允许第二流体进入埋藏腔3。
此外，图16示出了图13的封装变型作为实例，如图16所示，可以在帽盖衬底21中提供多个开口，以提供通向下方空白空间25的多个进出通道26；特别地，可以为各进出通道26构思不同的尺寸、间距和位置。例如，多个进出通道的存在可以降低由于外界环境而对传感器膜造成损伤的风险。显然，这种变型也适用于前面描述的其他实施例，例如适用于压力或加速度计传感器或其组合；而且，显然在衬底级组件包括多个半导体传感器(例如如图9所示)的情况下，可以为帽盖衬底21 提供一个或多个与一个或多个与各传感器相关的空白空间25、25′相通的进出通道26(甚至是不同的尺寸、间距和位置)。
应当明了，即使有超过一个管芯，也可以将衬底级组件22包封在封装40中，以如前所述的堆叠或边靠边的布置集成其他电路或无源部件。
而且，在衬底级组件中，器件衬底可以包封其他类型的微机械器件，例如不具备膜的微机械器件，其顶面上的有效面积必需保持空闲和/或可从组件(或封装)外部触及。在所述的传感器中，有效面积包括悬置于埋藏腔上方的膜。
可以通过直接键合或阳极键合实现器件衬底20和帽盖衬底21之间的连接，从而无需在器件衬底20的正面20a上设计键合区域23。在这种情况下，仅通过传感器腔24决定膜4上方的空白空间，因此必需适当地确定传感器腔24的尺寸。
相反，如图17所示，在键合区域具有足够厚度的情况下，可以不在帽盖衬底21(其保持平坦且未构图)中提供传感器腔24。在这种情况下，仅由键合区域23界定并围绕空白空间25。于是利用作为器件衬底20和(在这种情况下的)平坦、未构图帽盖衬底21之间的间隔物的键合材料(例如玻璃料、聚合物等)实现该腔；该间隔物的厚度可以在 6-80(或甚至100)μm的范围内。
此外，在集成传感器的膜上方，可以提供单个穿通型腔(未示出)，其贯穿帽盖衬底21的整个厚度，因此可以从衬底级组件22外部触及到。
也可以在外部暴露侧(第二表面21b)上对帽盖衬底21构图，例如以便实现具有不同形状(具有更大的朝向外部的截面)的第一进出通道。
虽然图10示出了衬底级组件22通过引线键合和连接焊盘28b而连接到外部的情况，但显然可以利用通孔28a提供类似结构。特别地，在这种情况下，通孔28a贯穿粘附层41并例如经由导电路径连接到其他通孔45。
此外，可以在器件衬底20之内集成其他类型的传感器。例如，可以在其中集成气体传感器，其工作也是基于腔上悬置的膜的存在。对于所述传感器，也必需提供相应的第一进出通道26以使流体能够进入衬底级组件22内。详细地讲，根据希望探测的化学物质用传感材料层覆盖悬置膜4。在组装步骤期间，该膜对于保证与衬底器件20之间的热解耦是重要的。硅帽充当着气体传感器的保护，在存储期间可以用粘性箔或任何其他层压膜覆盖硅帽，以防止灰尘和湿气损伤传感器。有利的做法是，将电气输入/输出连接(例如连接焊盘28b)设置在帽盖衬底21 外部并用涂层44覆盖，从而避免由于第一空白空间25内存在待探测的流体导致任何种类的损伤(尤其是对于湿度传感器而言)。
可以以未详述的已知方式用电容技术而不是压电电阻技术来探测集成传感器的膜4的形变。
惯性质量11可以具有不同于以上描述和展示的形状的形状；在任何情况下，都将其构造成受到施加到集成器件上的加速度影响并因而发生位移。
最后，显然所述压力监测器件可以用于其他应用。例如，在汽车领域中，可以将其用于监测气囊的压力，检查ABS系统的故障压力，或监测油料压力或燃料注入压力。
其他可能的应用在医疗领域或喷墨应用中，在医疗领域中可以将压力传感器用于监测血压。在后一种情况下，可以在帽盖衬底21中提供墨室；第一进出通道26充当喷嘴，在被适当提供的电路(可以实现在悬置膜中)加热时第一进出通道26为空白空间25之内所含的墨水提供出路。特别地，在这个应用中，通向空白空间25的喇叭口形进出通道的存在对于促进墨水排出会是有利的。因此，可以如下构思帽盖衬底21 的制造工艺：湿式第一蚀刻提供具有倾斜侧壁和向外的锥形截面的传感器腔24，干式第二蚀刻提供具有直线性壁和较小截面的第一进出通道 26。

标题	发布/更新时间	阅读量
智能轮胎压力监测系统	2020-05-15	424
汽车轮胎压力监测系统	2020-05-16	29
一种内置式轮胎压力监测系统	2020-05-23	59
汽车轮胎压力监测系统	2020-05-11	819
轮胎压力监测系统及其传感器管理方法	2020-05-26	109
汽车轮胎压力监测系统	2020-05-15	732
用于轮胎压力监测系统的气门嘴	2020-05-22	343
双向通信的轮胎压力监测系统	2020-05-23	46
低电流消耗的轮胎压力监测系统	2020-05-25	655
间接轮胎压力监测系统和方法	2020-05-18	305