TWI742242B - 包括整合式殼體密封的微機械感測器裝置，微機械感測器配置和相應的生產方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供包括整合式殼體密封的微機械感測器裝置、微機械感測器配置及相應的生產方法。包括一整合式殼體密封的微機械感測器裝置配備有：一微機械感測器晶片(C2；C2')，其具有一頂面(OS)及一底面(US)，其中一感測器區域(SB；SB')係設置於該頂面(OS；OS')上或處，該感測器區域能夠接觸一環境介質；及至少一個周邊溝槽(DT；DT')，該至少一個周邊溝槽係設置於該感測器區域(SB；SB')的周邊中，朝向該頂面(OS)敞開，且至少部分地填充有用於密封待裝配於該至少一個周邊溝槽上的一相應殼體區域之一密封介質(DI)。

Description

包括整合式殼體密封的微機械感測器裝置，微機械感測器配置和相應的生產方法

本發明係關於包括整合式殼體密封的微機械感測器裝置、微機械感測器配置及相應的生產方法。

雖然可適用於任何微機械組件，但本發明及由其解決的問題係基於包括壓力感測器之微機械組件來解釋。

舉例而言，諸如壓力感測器之微機械環境感測器在層級1通常建構在所謂的「基於蓋之」殼體中。此意謂感測器晶片(例如，包括具有感測器隔膜的感測器及呈ASIC形式之所需評估電子設備)係藉助於黏著性接合應用在諸如引線框或印刷電路板的基板上。組件彼此之間或與基板的接觸藉由線接合來確保。之後，蓋黏著性地接合至基板上，以便保護感測器組件免於損害。蓋含有開口，以使得環境影響(諸如氣壓、氫含量、水分含量等)可由感測器晶片偵測到。

然而，在此概念之情況下，由於構造模式，未提供抵禦水的足夠保護。此具有此等壓力感測器不能安設在需要水密性之應用(諸如智慧型電 話或可穿戴物)中的效應。

儘管已知水密性壓力感測器，但該等感測器需要具有煙道之特定蓋形狀，此需要相對大的結構空間。系統中之感測器本身由大量凝膠覆蓋，因此，特別是，關於溫度的偏移或敏感度改變或使用期限不能改變。此外，在煙囪上方的感測器之基板係機械地連接至消費者之殼體，因此，外部應力影響(例如，作為處置及溫度的結果)可直接地影響感測器。

DE 10 2010 030 457 A1揭示收容式微機械組件，其中殼體具有至壓力感測器之中空空間的介質通道，該中空空間處於隔膜區域上方。

DE 10 2011 084 582 B3揭示包括感測器晶片的微機械感測器裝置、電路晶片以及鑄模封裝。鑄模封裝具有在感測器晶片上方之空腔，該空腔具有經由通孔的介質通道。

本發明提供如技術方案1之包括整合式殼體密封的微機械感測器裝置、如技術方案12之微機械感測器配置以及如技術方案13之相應的生產方法。

各別附屬申請專利範圍係關於較佳發展。

本發明的優點

本發明之基本概念在於直接在晶片層級提供密封結構。以實例說明，該密封結構可在批次方法中在晶圓級生產。此使小設計之水密性微機械感測器配置可容易地生產。

特別是，在層級2的定製組裝期間的應用支出減少，此係因為密封結構已經產生且於層級1中完全整合。用於收納密封結構之溝槽可另外充當垂直公差補償。

總體而言，與已知的微機械感測器裝置相比，成本降低，此係因為，特別是，不再需要使用複雜的殼體，而僅使用具有對應於密封結構之區域的間隔件區域的殼體。

感測器功能性經改良，此係因為與殼體之機械解耦由於密封溝槽及所含的密封化合物而進行，該機械解耦防止應力傳遞。

根據一另外較佳發展，該感測器晶片具有一空腔，該空腔被該感測器晶片之該底面處的一第一隔膜區域跨越，其中在該感測器晶片之該頂面處的該感測器區域中，一切口以使得該空腔被一第二隔膜區域跨越的一方式形成，且其中該切口至少部分地填充有一保護介質。在此情況下，有可能靠近隔膜區域來配置評估晶片，其通常包括敏感性結構。

在一另外較佳發展中，該感測器晶片具有一空腔，該空腔被該感測器晶片之該頂面處的一第三隔膜區域跨越，且其中一保護膜至少塗覆在該感測器區域上。此使生產簡化，此係因為額外切口可免除。

在一另外較佳發展中，一透氣但不透水的晶格單元係設置於該感測器晶片之該頂面處的該感測器區域中。就此而言，僅用於氣體之介質通道可以簡單方式實現。

在一另外較佳發展中，一第一中空空間位於該晶格單元之下，在該第一中空空間中，該感測器晶片之一區域經由朝向該底面流體可滲透的一懸掛單元懸掛，其中該感測器晶片之該區域具有一空腔，該空腔被該感測器晶片之該底面處的一第四隔膜區域跨越，且其中該感測器晶片之該底面以使得一第二中空空間形成於該第四隔膜區域之下的一方式接合至一評估晶片上，該第二中空空間流體地連接至該第一中空空間。就此而言，可達成隔膜區域之有效應力解耦。

在一另外較佳發展中，該感測器晶片之該底面係藉助於一周邊 微流體緊密接合框架(BR)接合至該評估晶片上。就此而言，隔膜區域僅可自該感測器區域流體地可接近。

在一另外較佳發展中，該感測器晶片之該底面接合至一評估晶片上，該評估晶片較佳具有一個或複數個電鍍通孔。就此而言，感測器信號可經由短路徑自該感測器晶片傳導至該評估晶片。

在一另外較佳發展中，該感測器晶片具有一個或複數個電鍍通孔。就此而言，感測器信號可經由該感測器晶片傳導。

在一另外較佳發展中，該溝槽係設置於該感測器晶片之一基板中。就此而言，可生產極緊湊的感測器裝置。

在一另外較佳發展中，該溝槽係設置於圍繞該感測器晶片橫向地鑄模的一鑄模區域中。就此而言，該晶片之一大區域可用作一感測器區域。

在一另外較佳發展中，該密封介質及/或該保護介質係一橡膠彈性介質，特別是一聚矽氧凝膠。此等介質具有特別良好的彈性性質以及保護及密封性質。

AG‧‧‧懸掛單元

B‧‧‧周邊間隔件區域

BL‧‧‧塊狀區域

BR‧‧‧周邊微流體緊密接合框架

BT‧‧‧下部部分

C1‧‧‧評估晶片

C2‧‧‧微機械感測器晶片

C2'‧‧‧微機械感測器晶片

C2"‧‧‧微機械感測器晶片

DI‧‧‧密封介質

DK1‧‧‧電鍍通孔

DK2‧‧‧電鍍通孔

DK3‧‧‧電鍍通孔

DT‧‧‧周邊溝槽

DT'‧‧‧周邊溝槽

DT‧‧‧蓋部分

FI‧‧‧保護膜

G‧‧‧殼體

HO‧‧‧第一中空空間

K‧‧‧空腔

K'‧‧‧空腔

K"‧‧‧空腔

LO‧‧‧透氣且不透水之網格單元

L1‧‧‧焊料區域/焊料球

L2‧‧‧焊料區域/焊料球

L3‧‧‧焊料區域/焊料球

L4‧‧‧焊料區域/焊料球

M‧‧‧第一隔膜區域

M'‧‧‧第二隔膜區域

M"‧‧‧隔膜區域

ME‧‧‧出入開口

MO‧‧‧鑄模區域

OS‧‧‧頂面

OS'‧‧‧頂面

OS"‧‧‧頂面

SB‧‧‧感測器區域

SB'‧‧‧感測器區域

SB"‧‧‧感測器區域

SU‧‧‧基板

SU'‧‧‧基板

SU"‧‧‧基板

US‧‧‧底面

US'‧‧‧底面

US"‧‧‧底面

V‧‧‧保護介質

VI‧‧‧保護介質

VK‧‧‧黏著性接合區域

W‧‧‧切口

Z‧‧‧第二中空空間

將參看圖式基於具體實例來解釋本發明的其他特徵及優點。

在圖式中：圖1a)、圖1b)展示用於闡明根據本發明之第一具體實例的包括整合式殼體密封的微機械感測器裝置的示意性截面說明，具體而言，圖1a)在晶片層級且圖1b)在安設狀態下；圖2展示用於闡明根據本發明之第二具體實例的包括晶片層級之整合式殼體密封的微機械感測器裝置的示意性截面說明；圖3展示用於闡明根據本發明之第三具體實例的包括晶片層級之整合式殼 體密封的微機械感測器裝置的示意性截面說明；圖4展示用於闡明根據本發明之第四具體實例的包括晶片層級之整合式殼體密封的微機械感測器裝置的示意性截面說明；及圖5展示用於闡明根據本發明之第五具體實例的包括晶片層級之整合式殼體密封的微機械感測器裝置的示意性截面說明。

在圖式中，相同參考符號指定相同或功能上相同之元件。

圖1a)、圖1b)係用於闡明根據本發明之第一具體實例的包括整合式殼體密封的微機械感測器裝置的示意性截面說明，具體而言，圖1a)在晶片層級且圖1b)在安設狀態下。

在圖1a)、圖1b)中，參考符號C2表示例如微機械壓力感測器的微機械感測器晶片，其形成於例如矽基板的基板SU中，該基板具有頂面OS及底面US。一感測器區域SB係設置於該頂面OS上，該感測器區域能夠接觸一環境介質，例如在壓力感測器晶片之情況下，接觸周圍大氣壓空氣。

感測器晶片C2具有周邊溝槽DT，該周邊溝槽形成於基板SU中，朝向頂面OS敞開，且在其周邊中包圍相距一距離的感測器區域SB。溝槽DT填充有例如聚矽氧的密封介質DI，該密封介質用於密封待裝配於溝槽上之殼體G的相應區域(比較圖1b))。

感測器晶片C2具有空腔K，該空腔被感測器晶片C2之底面US處的第一隔膜區域M跨越。以實例說明，壓阻式電阻器(壓力變化藉助於其可偵測到)係形成於第一隔膜區域M中。

在感測器晶片C2之頂面OS處，槽形切口W以使得空腔K被第二隔膜區域M'跨越的一方式形成於感測器區域SB中，該第二隔膜區域定位成與第 一隔膜區域M相對。切口W填充有保護介質V，該保護介質為例如聚矽氧凝膠，該保護介質就其材料組成物而言且就其物理性質而言可不同於密封介質DI。保護介質V保護第二隔膜區域M'及定位於其上之可能結構免於由液體或氣體(特別是，水)引起的損害。

感測器晶片C2之底面US接合至評估晶片C1(亦被稱為ASIC)上，該評估晶片具有電鍍通孔DK1、DK2，電鍍通孔各自在兩側上在焊料區域L1、L2、L3、L4中結束。

以此方式建構為晶片堆疊C1、C2之微機械感測器裝置較佳在晶圓級生產。

為此目的，首先，基板SU具備所需感測器結構。之後，例如藉助於焊接而經由焊料球L3、L4將感測器晶片C2施加在評估晶片C1上。替代的結合方法包括導電黏著性接合或熱壓接合。

感測器晶片C2具有溝槽DT且亦具有切口W，該兩者係例如藉助於KOH蝕刻或反應性離子蝕刻產生。密封介質DI及保護介質V係例如藉由施配、印刷或噴射而具成本效應地施加。

在所示之實例中，密封介質DI及保護介質V之頂面分別與基板的頂面OS齊平。然而，視殼體之類型而定且視使用目的而定，亦可提供輕微的懸垂突出部分或懸垂不足部分，其亦可有利地用於組裝期間的高度均衡。

如圖1b)中所說明，例如就客戶而言，封裝的微機械感測器配置係自包括評估晶片C1及感測器晶片C2的單體化晶片堆疊形成。

在本實例中，為此目的，使用例如塑膠殼體的殼體G，該殼體具有下部部分BT及蓋部分DT，該等部分在黏著性接合區域VK中以例如密封方式彼此連接。晶片堆疊係藉助於焊料球L1、L2經由評估晶片C1焊接至殼體G的下部部分BT上，或以某一其他方式接合。

蓋部分DT具有指向內部的周邊間隔件區域B，其中感測器晶片C2在殼體G內以使得間隔件區域B置放於密封介質DT上的一方式經由評估晶片C1安裝於該下部部分上。用於環境介質之出入開口ME在感測器區域SB上方設置於蓋部分DT中。此設置之結果為環境介質僅可進入感測器區域SB及毗鄰該感測器區域的基板SU之小區域，而不能進入殼體G的其餘部分。利用此安裝配置，通常可承受在直至50巴範圍內的壓力。

圖2係用於闡明根據本發明之第二具體實例的包括晶片層級之整合式殼體密封的微機械感測器裝置的示意性截面說明。

在第二具體實例之情況下，與上述的第一具體實例相比，溝槽DT'並非設置在微機械感測器晶片C2之基板SU中，而是設置在鑄模區域MO中，該鑄模區域圍繞由評估晶片C1及感測器晶片C2組成的晶片堆疊橫向地鑄模。在此情況下，鑄模區域MO亦延伸至評估晶片C1與感測器晶片C2之間的區域中。類似於第一具體實例，密封介質DI經引入至周邊溝槽DT'中，該溝槽於感測器區域SB之周邊中在頂面處位於鑄模區域MO中且朝向頂面OS敞開。

此構造可例如藉由已知製程嵌入式晶圓級BGA(embedded Wafer-Level BGA，eWLB)來實現。溝槽DT'具有與第一例示性具體實例中相同的功能且可例如藉由雷射處理或研磨來實現。焊料球L1、L2及可能的其他焊料球(未說明)可以使得可達成在連接至殼體G之下部部分BT後的機械負載之有利分佈的一方式配置，亦在鑄模區域MO之下。

關於其餘部分，組裝類似於根據圖1b)之第一具體實例來進行，其中將根據溝槽DT'之尺寸標定調適間隔件區域B。

圖3係用於闡明根據本發明之第三具體實例的包括晶片層級之整合式殼體密封的微機械感測器裝置的示意性截面說明。

在第三具體實例之情況下，感測器晶片C2'具有空腔K'，該空腔 被感測器晶片C2'之頂面OS'處的隔膜區域M"跨越。在底面US'處，感測器晶片C2'接合至評估晶片C1上。

在此情況下，微機械感測器晶片C2'之基板SU'較佳具有一個或複數個電鍍通孔DK3(此處示意性地說明為虛線)，藉助於電鍍通孔，來自隔膜區域M"中之壓力偵測裝置(未說明)的信號可經由感測器晶片C2'電性地傳導至評估晶片C1。

如在第一具體實例之情況下，朝向頂部敞開的周邊溝槽係設置在基板SU'之頂面OS'處。為了保護感測器區域SB'，至少在感測器區域SB'上存在保護膜FI，例如聚矽氧膜。在本實例中，該保護膜FI覆蓋整個晶片C2'。該膜亦可在單粒化晶片之前在晶圓級施加。

類似於上述的第一及第二具體實例，由評估晶片C1及感測器晶片C2'組成的晶片堆疊係安裝於殼體G中。施加在密封介質DI上之保護膜FI在此並不具有干擾效應，其限制條件為該保護膜係由具有相應的保護性質之保護介質生產。

圖4係用於闡明根據本發明之第四具體實例的包括晶片層級之整合式殼體密封的微機械感測器裝置的示意性截面說明。

在第四具體實例之情況下，透氣但不透水的晶格單元LO係設置於感測器晶片C2"之頂面OS"處的感測器區域SB"中。

第一中空空間HO位於晶格單元LO之下，在該第一中空空間中，感測器晶片C2"之塊狀區域BL藉助於朝向底面US"流體可滲透的懸掛單元AG靠近底面US"橫向地懸掛。

感測器晶片C2"之塊狀區域BL具有空腔K"，該空腔被感測器晶片C2"之底面US"處的第四隔膜區域M"跨越。感測器晶片C2"之底面US"以使得第二中空空間Z形成於第四隔膜區域M"之下的一方式藉助於周邊微流體緊密接 合框架BR接合至評估晶片C1上，該第二中空空間流體地連接至第一中空空間HO。

以此方式，氣態環境介質經過感測器晶片C2"之塊狀區域BL朝向底面US"橫向地移動，其中流體可滲透的懸掛單元AG具有例如沿著其周邊的孔(未說明)。

在第四具體實例之情況下，感測器晶片C2"具有周邊溝槽DT，該溝槽形成於基板SU"中，朝向頂面OS"敞開，且在其周邊中包圍相距一距離的感測器區域SB"。溝槽DT填充有例如聚矽氧的密封介質DI，該密封介質用於密封待裝配於溝槽上之殼體G的相應區域。

圖5係用於闡明根據本發明之第五具體實例的包括晶片層級之整合式殼體密封的微機械感測器裝置的示意性截面說明。

第五具體實例與第四具體實例的不同之處在於，溝槽DT'並非設置於微機械感測器晶片C2"之基板SU"中，而在鑄模區域MO中，該鑄模區域圍繞由評估晶片C1及感測器晶片C2"組成的晶片堆疊橫向地鑄模。在此情況下，鑄模區域MO亦延伸至評估晶片C1與感測器晶片C2"之間的區域中，但不延伸至在隔膜區域M"之下的第二中空空間Z中。類似於第二具體實例，密封介質DI經引入至周邊溝槽DT'中，該溝槽於感測器區域SB"之周邊中在頂面處位於鑄模區域MO中且朝向頂面OS"敞開。

儘管已基於較佳例示性具體實例描述了本發明，但本發明不限於此。特別是，以上提及的材料及拓樸僅作為實例且不限於所解釋之實例。

根據本發明的包括整合式殼體密封的微機械感測器裝置之尤其較佳其他應用例如亦為化學氣體感測器(諸如金屬氧化物氣體感測器、熱導率感測器、皮拉尼(Pirani)元件)、質量流量感測器(諸如空氣質量計)、微機械隔膜上之拉目達(Lambda)探測器、紅外線感測器裝置等。

C1‧‧‧評估晶片

C2‧‧‧微機械感測器晶片

DI‧‧‧密封介質

DK1‧‧‧電鍍通孔

DK2‧‧‧電鍍通孔

DT‧‧‧周邊溝槽

K‧‧‧空腔

L1‧‧‧焊料區域/焊料球

L2‧‧‧焊料區域/焊料球

L3‧‧‧焊料區域/焊料球

L4‧‧‧焊料區域/焊料球

M‧‧‧第一隔膜區域

M'‧‧‧第二隔膜區域

OS‧‧‧頂面

SB‧‧‧感測器區域

SU‧‧‧基板

US‧‧‧底面

V‧‧‧保護介質

W‧‧‧切口

Claims (12)

1. 一種包括一整合式殼體密封的微機械感測器裝置，其包括：一微機械感測器晶片(C2；C2'；C2")，其具有一頂面(OS；OS'；OS")及一底面(US；US'；US")，其中一感測器區域(SB；SB'；SB")係設置於該頂面(OS；OS'；OS")上或處，該感測器區域能夠接觸一環境介質；及至少一個周邊溝槽(DT)，該至少一個周邊溝槽係設置於該感測器區域(SB；SB'；SB")的周邊中，朝向該頂面(OS；OS'；OS")敞開，且至少部分地填充有用於密封待裝配於該至少一個周邊溝槽上的一相應殼體區域之一密封介質(DI)；其中該周邊溝槽(DT)係設置於該微機械感測器晶片(C2；C2'；C2")之一基板(SU；SU'；SU")中。
2. 如請求項1所述之微機械感測器裝置，其中該微機械感測器晶片(C2)具有一空腔(K)，該空腔被該微機械感測器晶片(C2)之該底面(US)處的一第一隔膜區域(M)跨越，其中在該微機械感測器晶片(C2)之該頂面(OS)處的該感測器區域(SB)中，一切口(W)以使得該空腔(K)被一第二隔膜區域(M')跨越的方式形成，且其中該切口(W)至少部分地填充有一保護介質(V)。
3. 如請求項1所述之微機械感測器裝置，其中該微機械感測器晶片(C2')具有一空腔(K')，該空腔被該微機械感測器晶片(C2')之該頂面(OS')處的一第三隔膜區域(M")跨越，且其中由一保護介質(VI)構成的一保護膜(FI)至少塗覆在該感測器區域(SB')上。
4. 如請求項1所述之微機械感測器裝置，其中一透氣但不透水的晶格單元(LO)係設置於該微機械感測器晶片(C2")之該頂面(OS")處的該感測器區域(SB")中。
5. 如請求項4所述之微機械感測器裝置，其中一第一中空空間(HO)位於該晶格單元(LO)之下，在該第一中空空間中，該微機械感測器晶片(C2")之一區域(BL)經由朝向該底面(US")流體可滲透的一懸掛單元(AG)懸掛，其中該微機械感測器晶片(C2")之該區域(BL)具有一空腔(K")，該空腔被該微機械感測器晶片(C2")之該底面(US")處的一第四隔膜區域(M")跨越，且其中該微機械感測器晶片(C2")之該底面(US")係以使得一第二中空空間(Z)形成於該第四隔膜區域(M")之下的方式接合至一評估晶片(C1)上，該第二中空空間流體地連接至該第一中空空間(HO)。
6. 如請求項5所述之微機械感測器裝置，其中該微機械感測器晶片(C2")之該底面(US")係藉助於一周邊微流體緊密接合框架(BR)接合至該評估晶片(C1)上。
7. 如請求項1至3中任一項所述之微機械感測器裝置，其中該微機械感測器晶片(C2；C2')之該底面(US；US')接合至一評估晶片(C1)上，該評估晶片較佳具有一個或複數個第一電鍍通孔(DK1；DK2)。
8. 如請求項1至3中任一項所述之微機械感測器裝置，其中該微機械感測器晶片(C2')具有一個或複數個第二電鍍通孔(DK3)。
9. 如請求項2或3所述之微機械感測器裝置，其中該密封介質及/或該保護介質係一橡膠彈性介質，特別是一聚矽氧凝膠。
10. 一種微機械感測器配置，其包括如前述請求項1至9中任一項所述之一微機械感測器裝置及一殼體(G)，其中該殼體(G)具有一下部部分(BT)及連接至該下部部分(BT)之一蓋部分(DT)，其中該蓋部分(DT)具有指向內部的一周邊間隔件區域(B)，其中該微機械感測器晶片(C2；C2'；C2")在該殼體(G)內部以該周邊間隔件區域(B)置放於該密封介質(DI)上的方式間接地或直接地安裝至該下部部分(BT)上，且其中用於該環 境介質之一出入開口(ME)在該感測器區域(SB；SB'；SB")上方設置於該蓋部分(DT)中。
11. 一種用於生產包括一整合式殼體密封的一微機械感測器裝置之方法，其包括以下步驟：形成一微機械感測器晶片(C2；C2'；C2")，其具有一頂面(OS；OS")及一底面(US；US'；US")，其中一感測器區域(SB；SB'；SB")係設置於該頂面(OS；OS'；OS")上或處，該感測器區域能夠接觸一環境介質；及形成至少一個周邊溝槽(DT)，該至少一個周邊溝槽設置於該感測器區域(SB；SB'；SB")的周邊中，且朝向該頂面(OS；OS'；OS")敞開，處於該微機械感測器晶片(C2；C2'；C2")之一基板(SU；SU'；SU")中；及用一密封介質(DI)填充該周邊溝槽(DT；DT')，該密封介質用於密封待裝配於該周邊溝槽上的一相應殼體區域。
12. 如請求項11所述之方法，其中該周邊溝槽(DT)係在該微機械感測器晶片(C2；C2'；C2")之一基板(SU；SU'；SU")中蝕刻，且該密封介質至少部分地藉由施配、印刷或噴射來填充。

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