CN111615624A - 应力敏感集成电路管芯的附接 - Google Patents

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Abstract

一种半导体封装，包括：通过管芯的背面上的粘合剂附接到支撑件的管芯。粘合剂仅覆盖管芯的背面的一部分，并且能够在管芯的背面上形成为条形或其他不连续的区域。

Description

应力敏感集成电路管芯的附接
技术领域
本公开涉及集成电路管芯到载体的附接。
背景技术
诸如微机电***(MEMS)传感器的压力传感器具有许多应用。这些传感器能够用于例如汽车、消费类、工业、医疗和其他应用。在MEMS传感器中，例如，能够通过由外部压力引起的膜的挠曲来测量压力。然而，大的挠曲或温差能够在传感器中引起显著的非线性，这可能在各种应用中存在挑战。膜和压力传感器的精确和可重复的制造工艺能够允许在温度和压力的范围内的更精确的压力读数。
尽管一些热效应和相关应力是可预测的，并且因此能够包括在校准设备中，但是传感器管芯的整体应力状态可能被其他影响改变，例如安装传感器的载体的弯曲和/或导致载体的不均匀膨胀的水分吸收。对于超敏感压力传感器，这种改变通常导致不希望的传感器输出漂移。
发明内容
本公开描述了能够容纳例如应力敏感管芯的封装，该应力敏感管芯需要封装在用于可穿戴/消费/移动市场的低配置的封装中，并且能够在不增加堆积高度的情况下受益于应力解耦。通常，该封装包括通过管芯的背面上的粘合剂附接到支撑件的半导体管芯。粘合剂仅覆盖管芯的背面的一部分，并且能够在管芯的背面上形成为例如条形或其他不连续的区域。
例如，在一个方面，本公开描述了一种半导体封装，其包括支撑件和通过管芯的背面上的粘合剂附接到支撑件的管芯。管芯包括集成在CMOS读出电路上的电容式压力传感器。粘合剂仅覆盖管芯的背面的一部分。
一些实施方式包括以下特征的一个或更多个。例如，粘合剂能够在管芯的背面上具有多个不连续的区域。在一些情况下，粘合剂在管芯的背面上具有两个不连续的条形区域。粘合剂的条形区域能够设置于邻接例如管芯的边缘。在一些情况下，例如，在电容式压力传感器包括矩形悬浮张拉膜的情况下，粘合剂的条形区域能够平行于膜的较长侧定向。
本公开能够特别有利于管芯的最大厚度不大于250um和/或封装的产品的总高度不大于0.8mm的实施方式。
在另一个方面，本公开描述了一种半导体封装，其包括支撑件和通过管芯的背面上的粘合剂附接到支撑件的管芯。粘合剂仅覆盖管芯的背面的一部分，并且在管芯的背面上具有多个不连续的(例如，条形的)区域。
在又一另外的方面，本公开描述了一种半导体封装，其包括支撑件和两个或更多个半导体管芯的叠层。叠层包括上部管芯和下部管芯。在一些情况下，下部管芯通过下部管芯的背面上的粘合剂附接到支撑件，使得粘合剂仅覆盖下部管芯的背面的一部分，并且在下部管芯的背面上具有多个不连续的区域。在一些情况下，上部管芯通过上部管芯的背面上的粘合剂附接到下部管芯，使得粘合剂仅覆盖上部管芯的背面的一部分，并且其中，粘合剂在上部管芯的背面上具有多个不连续的区域。
一些实施方式包括以下优点的一个或更多个。在一些情况下，与使用固体粘合剂层相比，图案化粘合剂改善了封装。例如，粘合剂能够充当滚动轴承，以防止弯矩传递到压力传感器。
根据以下详细说明、附图和权利要求，其他方面、特征和优点将显而易见。
附图说明
图1示出了容纳半导体管芯的封装的示例。
图2示出了包括电容式压力传感器的管芯的示例。
图3A示出了粘合剂图案的第一示例。图3B是图3A的布置的俯视图。
图3C示出了粘合剂图案的第二示例。图3D是图3C的布置的俯视图。
图4A和4B示出了管芯的叠层的示例。图4B是图4A的布置的俯视图。
图5A和5B示出了管芯的叠层的示例。图5B是图5A的布置的俯视图。
图5C是图5A的可替代实施方式的俯视图，其中，电容式传感器的膜是正方形。
图6示出了麦克风/压力传感器组合封装的示例。
具体实施方式
如图1所示，器件封装10包括管芯(例如，半导体芯片)12。在所示的示例中，管芯12包括具有集成电容式压力(例如，MEMS)传感器的专用集成电路(ASIC)。封装10包括支撑件14，管芯12附接到该支撑件。支撑件14能够实现为例如单层或多层的(例如，层压的)衬底，其面向封装10的内部的表面可以包括管芯垫16以及用于往返于集成电路管芯12的电连接件20的一个或更多个粘合垫18。管芯12通过仅在管芯12的背面的一部分上存在的粘合剂22(例如，胶水)附接到支撑件(例如，管芯垫)16。因此，在管芯的背面的不存在粘合剂的区域中，在管芯垫16的上表面与管芯12的背面之间有小的间隙。
封装10在其外部下表面上还包括一个或更多个焊盘24。封装10还包括屏蔽管芯12的金属或其他罩26。罩26能够具有提供到环境压力的通道的小的开口28。在一些实施方式中，罩26是完全关闭的，但是支撑件14具有端口以提供到环境压力的通道。
在一些实施方式中，封装10相对较薄(例如，≤0.8mm)，并且包含厚度不大于250um的单个管芯12。在一些情况下，封装的高度小于0.7mm。
图2示出了电容式压力传感器的示例的各种细节，该电容式压力传感器能够集成到管芯12中。如图2所示，半导体器件100包括在集成电路106上方形成的电容式压力传感器108。电容式压力传感器108在腔体112上方包括悬浮张拉膜102。传感器108还包括底部电极104，在一些实施方式中，该底部电极形成在CMOS读出电路的最终钝化层的顶部上。电容式压力传感器108的电极和悬浮膜能够电连接到集成电路106。底部电极104可以是分段的，并且可以包括多个环形环。横向包围腔体112的两个或更多个锚槽114填充有第一导电材料，并且通过氧化物支撑层(例如，氧化硅)126彼此分离。
填充锚槽114的第一导电材料能够包括例如PVD Ti/TiN衬里和CVD钨(W)。腔体112的侧壁至少部分地由内部锚槽114A的导电材料形成。悬浮膜102能够由第二导电材料(例如，钨(W))组成，并且延伸超过外部锚槽114B。因此，第一导电材料114用作悬浮膜102的支撑锚。第一导电材料114和膜102形成在底部电极104上方悬浮的顶部电极的一部分。腔体112将膜102与底部电极104彼此分离。隔离槽130能够将底部电极与用于顶部电极的连接件120分离。半导体器件100还描绘了将顶部电极或膜102连接到集成电路106或其他地方的导电连接件120。半导体器件100还可以包括铝或其他接触垫以提供到另一个器件的连接。各种通孔可以从接触垫向下延伸到底部电极，并且也从底部电极向下延伸到CMOS顶部金属层。
结合图2所示和描述的前述细节仅仅是能够通过粘合剂22附接到封装10中的管芯垫16的管芯12的类型的示例。因此，在本公开中描述的各种发明概念也能够与其他集成电路管芯一起使用。
如上所述，管芯12通过仅在管芯12的背面的一部分上存在的粘合剂22附接到管芯垫16。这能够例如通过将粘合剂22以图案沉积在管芯12的背面的选定区域上来完成。在一些实施方式中，粘合剂22以点的形式设置在管芯12的背面的多个(例如，两个、三个、四个或更多个)区域上。例如，如图3A和3B所示，少量粘合剂202设置在其四个角点204处的管芯12的背面上。在一些情况下，粘合剂点202的直径约为300μm、200μm或更小。管芯的背面的其他区域没有被粘合剂覆盖。粘合剂在管芯12的角点204处的沉积导致管芯12在角点处的悬浮，并且能够减少弯矩在两个方向上向悬浮管芯12的传递。在图3A-3B的示例中，集成压力传感器包括两个膜102A、102B。对于其他实施方式，膜的数量可以不同。
在一些实施方式中，如图3C和3D所示，粘合剂以多个条206的形式设置在管芯12的背面上。粘合剂条204能够设置于邻接例如管芯12的边缘208。在一些情况下，例如对于矩形压力传感器膜102，粘合剂的条204相对于管芯12上的膜102的方向处于特定的方向。例如，在所示示例中，其中压力传感器包括两个膜102A、102B，粘合剂条204平行于矩形膜的较长侧定向。粘合剂的这种图案能够帮助减少在至少一个方向(例如，垂直于粘合剂条204的方向)上的弯矩。由于矩形膜通常在平行于膜的各自较短侧的方向上对应力更加敏感，因此在管芯12的背面上在平行于膜的较长侧的方向上设置粘合剂能够有助于减少应力。在一些实施方式中，粘合剂条的数量可以不同。同样，当压力传感器包括不同数量的膜时，能够使用粘合剂条。
可以使用各种粘合剂。在一些情况下，使用肖氏硬度计硬度等级(肖氏A)低于50的柔性粘合剂。在一些情况下，希望使用低刚度的硅基粘合剂(例如，可从Wacker Chemie AG获得的
Figure BDA0002486280910000051
988/1k粘合剂)。在一些情况下，能够使用具有低杨氏模量的硅基胶和B级胶。粘合剂中的一些是热固化的，并且在一些情况下，在高温(例如，在100℃-200℃的温度范围内)下而不是在室温下固化。在一些情况下，粘合剂能够是聚二甲基硅氧烷或包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。对于一些实施方式，粘合剂能够基于丙烯酸酯化学物或聚氨基甲酸衍生物。聚氨基甲酸衍生物能够是有利的，因为部分固化能够通过暴露于紫外线(UV)辐射，随后通过管芯放置以及最后的热固化来完成。因此，粘合剂沉积物的形状能够更容易地保持(即，在管芯放置和固化期间不会受到流动的不利影响)。这种粘合剂可从例如德国的DELO工业粘合剂(例如，DELO
Figure BDA0002486280910000052
AD345)获得。
在一些实施方式中，能够使用宽范围的分配设备中的任何一种来容易地分配粘合剂。粘合剂能够例如从喷嘴分配。例如，能够例如通过支撑件14的顶部的边缘或支撑件中的凹槽来施加粘合剂，以提供机械限制。对于一些实施方式(例如，非常小的管芯)，应该选择粘合剂使得该粘合剂能够被分配为具有足够的支撑高度的小的胶滴。如果粘合剂的触变性(即，剪切稀化效应)太低，则粘合剂可能太容易流动，从而破坏其所需的形状。在一些情况下，能够施加至少两次硅胶粘合剂以增加粘合剂高度并且避免粘合剂流出。
通过将粘合剂层分成单独的区域，在一些实施方式中能够获得各种优点。在一些情况下，粘合剂层降低变形从衬底14传递到管芯12的能力。同样，空气通道能够设置在粘合剂中以允许水蒸气的快速进出扩散。粘合剂22和衬底14与环境的接触面积有效地增加，从而减少可能作用在粘合剂22和/或衬底14的聚合物上的氧气、水蒸气或其他气体的扩散次数。这些次数的减少可以减少温度相关传感器响应的延迟。
图案化粘合剂22的使用能够导致在该封装的传感器中消除或显著减少源自机械变形或吸湿膨胀的弯矩。此外，前述技术能够特别有利于薄封装(即，≤0.8mm)，该薄封装包含厚度不大于250um的单个管芯。特别地，在此描述的技术能够改善应力解耦，而不增加封装10的整体堆积高度。
在一些情况下，在此描述的技术能够提供提高压力传感器的精度的低成本的解决方案。该技术能够使得在环境空气的不恒定相对湿度的环境中准确使用传感器。这些特征能够增强传感器在与室内导航相关的应用中的使用，例如在从潮湿的外面进入空调购物中心的应用中。即使在这种环境下，由压力传感器计算的气压高度也应该保持稳定。
此外，在此描述的技术能够使得即使在温度不恒定的条件下也可以保持高精度。众所周知，由于热膨胀系数(CTE)的差异，不同的温度可能导致不同程度的板级应力和封装级应力。使用图案化粘合剂的增强的应力解耦水平能够消除或减少这些应力。
尽管在此描述的技术能够特别有利于容纳单个管芯12的封装，该单个管芯包括具有集成电容式压力传感器的ASIC，该技术也能够用于该封装容纳一个层叠在另一个顶上的两个或更多个半导体管芯的解决方案(例如，由于层叠在CMOS读出电路管芯上而产生的传感器)。在一些情况下，如图4A和4B所示，使用施加到下部管芯的背面的粘合剂，以将下部管芯(例如，CMOS读出电路管芯)12B附接到例如支撑件14的管芯垫，使得粘合剂仅覆盖下部管芯12B的背面的一部分(例如，在如图4A-4B所示的管芯的下面的角点处使用粘合剂点202，或使用粘合剂条)。上部管芯(例如，包括应力敏感传感器或换能器的管芯)12A能够例如通过标准管芯附接箔30附接到下部管芯12B。能够例如使用粘合线将电连接件20A设置在上部管芯12A与下部管芯12B之间。
在一些情况下，如图5A和5B所示，使用标准管芯附接箔30将下部管芯或底部管芯(例如，CMOS读出电路管芯)12B附接到支撑件14的管芯垫。然而，能够使用施加到顶部管芯12A的背面的粘合剂22将上部管芯或顶部管芯(例如，包括应力敏感传感器或换能器的管芯)12A附接到底部管芯12B，使得粘合剂仅覆盖上部管芯12A的背面的一部分(例如，在如图5-4B所示的管芯的下面的角点处使用粘合剂点s02，或使用粘合剂条)。尽管图5B的所示的示例示出了具有较短侧和较长侧的矩形膜102，在一些情况下，膜102能够是如图5C所示的正方形。此外，一些实施方式可以包括多于一个膜。
图5A-5B的布置能够用于例如麦克风/压力传感器组合封装，其中，底部管芯12B是用于麦克风的ASIC(例如，CMOS读出电路)，并且顶部管芯12A是包括集成压力传感器的ASIC，该集成压力传感器包括一个或更多个膜102A、102B。图6示出了这样的实施方式，该实施方式包括从集成压力传感器管芯12A和CMOS读出电路管芯12B到支撑件14上的各自的粘合垫18的电连接件20、20A，并且该实施方式还包括从CMOS读出电路管芯12B到麦克风管芯12C的电连接件20B。
结合图3A-3D、4A-4B、5A-5C和6讨论的前述实施方式中的每个能够形成封装的一部分，该封装的一部分容纳例如如图1所示的管芯。
其他实施方式在权利要求的范围内。

Claims (17)

1.一种半导体封装，包括：
支撑件；和
管芯，其通过所述管芯的背面上的粘合剂附接到支撑件，其中，所述管芯包括集成在CMOS读出电路上的电容式压力传感器，其中，所述粘合剂仅覆盖管芯的背面的一部分。
2.根据权利要求1所述的封装，其中，所述粘合剂在管芯的背面上具有多个不连续的区域。
3.根据权利要求2所述的封装，其中，所述粘合剂在管芯的背面上具有两个不连续的条形区域。
4.根据权利要求3所述的封装，其中，所述粘合剂的条形区域设置于邻接管芯的边缘。
5.根据权利要求3所述的封装，其中，所述电容式压力传感器包括矩形悬浮张拉膜，并且其中，所述粘合剂的条形区域平行于膜的较长侧定向。
6.根据权利要求1所述的封装高度，其中，所述管芯的最大厚度不大于250um。
7.根据权利要求6所述的封装，其中，所述封装的最大高度不大于0.8mm。
8.根据权利要求1所述的封装，所述封装在粘合剂中包括空气通道，以允许水蒸气的向外扩散。
9.根据权利要求2所述的封装，其中，所述粘合剂在其角点处在管芯的背面上包括多个不连续的区域。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的封装，其中，所述支撑件包括管芯垫，其中，所述管芯通过粘合剂附接到管芯垫。
11.一种半导体封装，包括：
支撑件；和
管芯，其通过所述管芯的背面上的粘合剂附接到所述支撑件，其中，所述粘合剂仅覆盖管芯的背面的一部分，其中，所述粘合剂在所述管芯的背面上具有多个不连续的条形区域。
12.根据权利要求11所述的封装，其中，所述粘合剂的条形区域设置于邻接管芯的边缘。
13.根据权利要求12所述的封装，其中，所述管芯包括电容式压力传感器，所述电容式压力传感器具有矩形悬浮张拉膜，并且其中，所述粘合剂的条形区域平行于膜的较长侧定向。
14.一种半导体封装，包括：
支撑件；和
两个或更多个半导体管芯的叠层，其中，所述叠层包括上部管芯并且还包括下部管芯，所述下部管芯通过下部管芯的背面上的粘合剂附接到支撑件，其中，所述粘合剂仅覆盖下部管芯的背面的一部分，并且其中，所述粘合剂在下部管芯的背面上具有多个不连续的区域。
15.根据权利要求14所述的封装，其中，所述上部管芯包括电容式压力传感器，并且其中，所述下部管芯包括CMOS读出电路。
16.一种半导体封装，包括：
支撑件；和
两个或更多个半导体管芯的叠层，所述叠层包括附接到支撑件的下部管芯，并且还包括通过所述上部管芯的背面上的粘合剂附接到下部管芯的上部管芯，其中，所述粘合剂仅覆盖上部管芯的背面的一部分，并且其中，所述粘合剂在上部管芯的背面上具有多个不连续的区域。
17.根据权利要求16所述的封装，其中，所述上部管芯包括电容式压力传感器，并且其中，所述下部管芯包括CMOS读出电路。
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