一种MEMS传感器芯片与ASIC芯片的扇出型封装结构及封装方法与流程

一种mems传感器芯片与asic芯片的扇出型封装结构及封装方法技术领域1.本发明属于mems芯片的封装领域，具体是涉及一种mems传感器芯片与asic芯片(专用集成电路)的扇出型封装结构及封装方法。背景技术：2.mems(micro-electro-mechanical systems)是微机电系统的缩写，mems制造技术利用微细加工技术，特别是半导体圆片制造技术，制造出各种微型机械结构，结合专用集成电路(asic)，组成智能化的微传感器、微执行器、微光学器件等mems元器件。mems元器件具有体积小、成本低、可靠性高、抗恶劣环境能力强、功耗低、智能化程度高、易较准、易集成的优点，被广泛应用于以智能手机为代表的消费类电子产品中。以智能手机为例，它用到陀螺仪、加速度计、高度计、麦克风、电子指南针、调谐天线、滤波器等mems元器件。随着mems元器件市场的竞争越来越激烈，以及以智能手表为代表的可穿戴电子产品的大幅成长，客户对mems元器件要求越来越高，体积小、功耗低、性能稳定已成为基本要求。为进一步减小mems系统芯片的体积，降低成本，传感器芯片与专用集成电路芯片的晶圆级封装成为必然趋势。3.更小半导体器件的制造依赖于实现对多个级别上的多个半导体器件之间的水平和垂直电气互连(3-d器件集成)的改进。水平电气互连包括作为扇出型晶片级芯片尺寸封装(fo-wlcsp)或嵌入式晶片级球栅阵列(ewlb)的一部分而形成的重分布层(rdl)，其提供了半导体管芯与封装外部的点之间的电连接。垂直互连是利用导电过硅通孔(through silicon via,tsv)或过孔通孔(through hole via,thv)来实现的。然而，典型地，对tsv和thv的使用涉及相当多的时间和器件，这减少了每小时单位(uph)生产并提高了成本。rdl用作包括具有封装输入/输出(i/o)焊盘的电互连的封装内的电互连的中介层，所述封装输入/输出(i/o)焊盘提供从半导体封装内的半导体管芯到半导体封装外的点的电连接。rdl可以被形成在半导体封装之内的半导体管芯的前表面和后表面二者上并且具有薄晶片和面板处理能力。然而，将多个rdl形成在半导体管芯的前表面和后表面上可能需要与定制接合材料的临时接合(这可能需要更高耐热性)并可以是一种用于针对半导体封装进行电互连从而产生更高制造成本的缓慢且昂贵方法。另外，rdl的薄堆叠包括结构限制和降低的设计灵活性。例如，rdl提供了有限的封装处理机械强度和可靠性。rdl缺少模块性且难以在半导体封装的特定区域中形成。4.目前常见的mems传感器芯片与专用集成电路(asic)芯片的晶圆级封装方式有两种：一种是mems晶圆与专用电路晶圆通过焊锡或者其它方式进行键合，然后再切割。如专利cn1789110b就是将mems晶圆与专用集成电路(asic)晶圆通过焊柱进行键合，键合后进行切割；专利cn101939663b是将专用集成电路圆片与mems结构通过共晶键合形成晶圆级封装。无论mems传感器圆片与专用集成电路(asic)圆片是通过焊锡还是通过共晶键合的方式实现圆片直接键合，在键合过程中，由于热失配，都会产生较大的应力，这会对mems传感器，例如陀螺仪、加速度计、压力计等对应力很敏感的结构，在性能方面产生较大的影响。5.另一种封装方式是将传感器圆片切割成芯片，将一个或多个mems传感器芯片，与专用集成电路(asic)圆片的一侧进行焊接，集成电路圆片里制备硅通孔，如专利cn104603945b公开了在asic内制备硅通孔(tsv)，mems芯片与asic一面通过tsv相连，asic另一面的tsv与asic的信号引出相连并植焊锡球，实现与外界的电连接；专利cn 103221333a的mems传感器芯片与电路控制芯片则是通过接合金属实现两颗芯片的集成，电路控制芯片内制备硅通孔并引出至电路控制芯片的另一面并加工为引线键合区域并植焊锡球。上述两个专利都需要在电路芯片里制备硅通孔(tsv)，通过硅通孔(tsv)，实现一侧mems芯片的信号引出并在电路芯片的另一侧与电路芯片以及外界电路互联。硅通孔需要做深槽硅腐蚀和通孔填充，这一加工过程与cmos工艺完全不兼容且需要占用大量的芯片面积，且硅通孔会引入应力，导致电路芯片的性能低，因此这个方法性价比低，不适用于量产产品。6.专利cn205984951u公开一种双面扇出型结构，是在硅片上开空腔，将芯片通过粘片胶粘在空腔内，芯片正面的引出区域通过金属引出并在引出区域植焊锡球，圆片的另一面开孔，将芯片另一面的金属引线露出，并制备焊锡球，该扇出工艺适用于薄的芯片，由于mems芯片的厚度通常在500～1000μm，在硅片上开深槽会导致圆片翘曲，无法继续加工。7.专利us20210143131a1提供了一种pop(package-on-package)的封装方式，将mems芯片和专用集成电路分别进行封装，然后通过专用集成电路封装的焊锡球与mems芯片封装的金属引线进行焊接，实现两个不同封装的堆叠。其中，专用集成电路封装在封装料内，通过介质层与金属层多层工艺，将电信号通过焊锡球引出，并与载板相连，电信号通过金属引线从封装的一面引出至另一面，并制备焊锡球，mems芯片通过金属引线键合的方式，与焊点连接，焊盘通过引出线引出并加工引线区域。该方式通过两种芯片分别封装并集成的方式，需要兼顾两种不同工艺的要求，工艺难度大，操作困难。技术实现要素：8.本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种mems传感器芯片与asci芯片的扇出型封装结构，将mems传感器芯片和asic芯片分别与中介基板焊接或粘接，实现晶圆级芯片规模封装，并将mems传感器芯片焊接在中介层的表面，在中介层上加工应力隔离结构，隔离应力对mems传感器芯片的影响，提高产品性能。9.为解决上述技术问题，本发明提供了一种mems传感器芯片与asci芯片的扇出型封装结构，由中介基板、mems传感器芯片和asic芯片组成，中介基板的正面有空腔，asic芯片通过装片胶粘在空腔中；中介基板正面制作有第一介质层，asic芯片和第一介质层上压制有干膜，干膜上对应asic芯片的引线键合区处开孔将asic芯片的引线键合区露出，asic芯片的引线键合区上溅射有种子层并在种子层上电镀金属形成金属线，干膜上涂覆有第一rdl层并图形化第一rdl层将金属线引出，金属线与第一焊接球连接；10.中介基板上有通孔，通孔内填充导电材料，导电材料与通孔内壁间有绝缘层隔离，形成导电通孔，导线通孔上有引线引出区，导电通孔的信号通过引线引出区和金属线引出至中介基板的正面；11.中介基板的背面淀积第二介质层，第二介质层上对应导电通孔的区域开孔并溅射金属形成金属键合区，第二介质层的背面涂覆第二rdl层并图形化将金属键合区露出，金属键合区与第二焊接球连接；12.所述的mems传感器芯片通过第一焊接球键合在中介基板正面或通过第二焊接球键合在中介基板背面。13.本发明通过扇出型封装结构，将mems传感器芯片和asic芯片分别与中介基板焊接和粘接，实现晶圆级芯片规模的封装。由于mems传感器芯片对应力比较敏感，因此将传感器芯片焊接在中介基板的表面(正面或背面)，并在中介基板上加工应力隔离结构，从而避免因热失配引起的应力问题。该结构适用于不同尺寸和厚度的mems传感器芯片和asic芯片，提高加工的灵活性，降低加工的复杂程度和难度，可以有效降低成本并用于量产。应力隔离结构可以隔离应力对mems传感器芯片的影响，提高产品的良率和性能。14.中介基板选用硅片，因为硅片的热膨胀系数与asic和mems传感器芯片一致，在硅片上开槽形成空腔，通过粘片的形式安装asic芯片，采用重新分布式工艺(rdl)将asic芯片的引出区域重新排布，该重新排布可以实现与外界直接相连或者与mems传感器芯片相连。在硅片里开硅通孔(tsv)，将电信号从硅片的一侧引出至另一侧，实现了与外界直接电学连接或者与mems传感器芯片相连接，这样就实现硅片的一侧与外界电学连接，而另一侧与mems传感器芯片连接。在硅片与mems传感器芯片相接的一侧的硅通孔旁加工应力隔离槽，应力隔离槽宽度从几个微米到几十微米不等，深度从几微米到几百微米不等，通过应力隔离槽可以将硅片的应力与mems传感器芯片的应力隔离开，可以有效减少热失配产生的应力。15.所述的mems传感器是不与外界环境接触的测量方式，例如加速度计、陀螺仪、图像传感器等。也可以是与外界环境接触的测量方式，例如压力传感器、流量传感器、麦克风等。mems传感器的引线接触区域印刷焊锡球用于与硅片焊接。16.所述的asic芯片减薄至一定的厚度，通过粘片胶粘在硅片的空腔内，并通过电镀铜线将信号引出至硅片表面。17.为解决上述技术问题，本发明还提供了一种mems传感器芯片与asci芯片的扇出型封装方法，包括以下步骤：18.(1)在介质圆片正面涂敷掩膜并蚀刻深槽；19.(2)在深槽内壁生长绝缘层，并在绝缘层上淀积导电材料，将深槽填满，形成导电槽，去除掩膜并将表面磨平；20.(3)在介质圆片正面淀积第一介质层并图形化，露出导电槽；21.(4)在第一介质层上淀积金属并图形化，形成引线引出区；22.(5)蚀刻第一介质层和介质圆片，形成空腔；23.(6)将asic芯片通过粘片胶粘在空腔中；24.(7)在asic芯片和第一介质层上贴干膜，并在引线引出区和asic芯片的引线键合区对应处开孔，露出引线引出区和引线键合区；25.(8)淀积金属作为种子层，涂胶并根据线路排布版图图形化，再电镀金属形成金属线；26.(9)干膜上涂覆有第一rdl层并图形化第一rdl层将金属线引出；27.(10)从背面减薄介质圆片，露出导电槽成为导电通孔；28.(11)在介质圆片的背面淀积第二介质层，并开孔将导电通孔露出，在导电通孔处淀积金属并图形化，形成金属键合区；29.(12)在第二介质层背面制作第二rdl层，并开孔露出金属键合区；30.(13)在mems传感器圆片的引线焊接区上植第二焊接球并切割成mems传感器芯片；31.(14)将mems传感器芯片通过第二焊接球与金属键合区或金属线焊接；32.(15)将制作完成的圆片切割成单颗芯片。33.当mems传感器芯片与金属键合区焊接时，步骤(11)在第二介质层上开孔并在介质圆片背面制作应力隔离槽。34.当mems传感器芯片与金属线焊接时，步骤(9)在第一rdl层上开孔并在介质圆片正面制作应力隔离槽。35.本发明的mems传感器芯片与asic芯片的扇出型封装方法，将mems传感器芯片和asic芯片分别与中介基板焊接和粘接，实现晶圆级芯片规模封装。由于mems传感器芯片对应力比较敏感，故而将传感器芯片焊接在中介基板的表面(正面或者背面)，并在中介基板上加工应力隔离结构，从而避免因热失配引起的应力问题，本方法适用于不同尺寸和厚度的mems传感器芯片和asic芯片，可以提高加工的灵活性，降低加工的复杂程度和难度，可以有效降低成本并用于量产，应力隔离结构可以隔离应力对mems传感器芯片的影响，提高产品的良率和性能。附图说明36.图1是实施例一的mems传感器芯片与asic芯片的扇出封装结构的示意图。37.图2—图16是实施例一的mems传感器芯片与asic芯片的扇出封装方法的流程图。38.图17是实施例二的mems传感器芯片与asic芯片的扇出封装结构的示意图。39.图18—图26是实施例二的mems传感器芯片与asic芯片的扇出封装方法的流程图。40.图27是应力隔离槽的示意图。具体实施方式41.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。42.实施例一43.一种mems传感器芯片与asic芯片的扇出型封装结构，如图1所示，由硅片111、mems传感器芯片300和asic芯片200组成，硅片111的正面有空腔106，asic芯片200通过装片胶201粘在空腔106中，硅片111正面制作有第一介质层104，asic芯片200和第一介质层104上压制一层干膜107，干膜107上对应asic芯片200的引线键合区202处开孔将asic芯片200的引线键合区202露出，asic芯片200的引线键合区202上溅射有种子层并在种子层上电镀铜形成铜线109，干膜107上涂覆涂敷聚酰亚胺形成第一rdl层110并将铜线109引出区域打开，在打开的区域印刷第一焊锡球117，形成asic芯片与外界电连接的通路；44.硅片111上有硅通孔103，硅通孔103内填充导电材料多晶硅，多晶硅与硅通孔103内壁间有氧化硅隔离，硅通孔103与引线引出区105连接，硅通孔103的信号通过引线引出区105和金属线109引出至硅片111的正面；45.硅片111的背面淀积第二介质层112，第二介质层112上对应硅通孔103的区域开孔并溅射金属形成金属键合区113，第二介质层112的背面涂覆聚酰亚胺形成第二rdl层114并图形化将金属键合区113露出，金属键合区113与第二焊接球302连接，并在硅片111上加工应力隔离槽115，应力隔离槽115的作用是避免因热失配引起的应力问题，将mems传感器芯片300的引线焊接区301上印刷的第二焊锡球302与硅片111背面的金属键合区113焊接。46.为了获得图1的扇出型封装结构，图2—图16给出了mems传感器芯片与asic芯片的扇出封装方法的流程，具体为：47.在硅基板100上敷掩膜101并刻蚀深槽102，该深槽102用于硅通孔的加工，如图2所示；在深槽102的内壁生长一层氧化层并在氧化层上淀积掺杂多晶硅，将深槽102填满，去除表面掩膜101并将表面磨平，形成硅通孔103，如图3所示；淀积二氧化硅作为第一介质层104，并图形化，将硅通孔103上方的二氧化硅打开，如图4所示；淀积金属并图形化形成引线引出区105，如图13所示；刻蚀第一介质层104和硅基板100并形成空腔106，该空腔106的深度取决于asic芯片的厚度，空腔106的深度越深对后续加工的影响越大，因此asic芯片厚度越薄越好，如图6所示；将asic芯片200通过粘片胶201粘在空腔106内，如图7所示；在硅基板100和asic芯片200表面贴一层干膜107，并在asic芯片200的引线键合区202和引线引出区105处开孔，如图8所示；在干膜107和裸露在外的引线键合区202、引线引出区105表面淀积一层薄的金属，例如镍、钛、铬等金属，用于后续电镀工艺的种子层108，如图9所示；涂胶并根据线路排布的版图图形化，图形化后电镀金属铜，电镀完成后去胶并去除露在外面的种子层，形成铜线109，如图10所示；涂敷聚酰亚胺并图形化，露出铜线109，形成第一rdl层110，如图11所示；减薄硅基板100背面，将硅通孔103露出，减薄的硅基板100成为硅片111，如图12所示；在硅片111的背面淀积二氧化硅作为第二介质层112，并开孔将硅通孔103露出，露出后淀积金属并图形化，形成金属键合区113，如图13所示；在第二介质层112上开孔并通过刻蚀或激光的方式加工硅槽，作为应力隔离槽115；在第二介质层112上涂覆聚酰亚胺或二氧化硅并图形化形成第二rdl层114，通过图形化将金属键合区113露出，如图14所示；在mems传感器圆片的引线焊接区301上植焊锡球302并切割成单颗mems传感器芯片300，如图15所示；在铜线109露出区域印刷第一焊锡球117，形成asic芯片与外界电连接的通路；将mems传感器芯片300与金属键合区113通过焊锡球302键合，并将圆片切割成单颗芯片，如图16所示。48.实施例二49.一种mems传感器芯片与asic芯片的扇出型封装结构，如图17所示，由硅片131、mems传感器芯片300和asic芯片200组成，硅片131的正面有空腔106，asic芯片200通过装片胶201粘在空腔106中，硅片131正面制作有第一介质层104，asic芯片200和第一介质层104上压制一层干膜107，干膜107上对应asic芯片200的引线键合区202处开孔将asic芯片200的引线键合区202露出，asic芯片200的引线键合区202上溅射种子层并在种子层上电镀铜形成铜线129，干膜107上涂覆涂敷聚酰亚胺形成第一rdl层130并将铜线129引出区域打开；在硅片131上加工应力隔离槽135，应力隔离槽135的作用是避免因热失配引起的应力问题；50.mems传感器芯片300引线焊接区301上印刷的第二焊锡球302与硅片131正面焊接，在mems传感器芯片300与asic芯片200之间形成电学连接；51.硅片131上有硅通孔103，硅通孔103内填充导电材料多晶硅，多晶硅与硅通孔103内壁间有氧化硅隔离，硅通孔103与引线引出区105连接，硅通孔103的信号引通过引线引出区105和金属线129将出至硅片131的正面；52.硅片131的背面淀积第二介质层132，第二介质层132上对应硅通孔103的区域开孔并溅射金属形成金属键合区133，第二介质层132的背面涂覆聚酰亚胺形成第二rdl层134并图形化将金属键合区133露出，露出的金属键合区133上印刷第二锡焊球137。53.为了获得图17的扇出型封装结构，图18—图26给出了mems传感器芯片与asic芯片的扇出封装方法的流程，其中实施例一的图1—图9所示流程方法相同，本实施例以图9所示结构为基础，进行后续操作，具体为：54.涂胶并根据线路排布的版图图形化，图形化后电镀金属铜，电镀完成后去胶并去除露在外面的种子层，形成铜线129，如图18所示；涂敷聚酰亚胺并图形化，露出铜线129，形成第一rdl层130，如图19所示；减薄硅基板100背面，将硅通孔103露出，减薄的硅基板100成为硅片131，如图20所示；在硅片131的背面淀积二氧化硅作为第二介质层132，并开孔将硅通孔103露出，露出后淀积金属并图形化，形成金属键合区133，如图21所示；在第二介质层132上涂覆聚酰亚胺或二氧化硅并图形化形成第二rdl层134，通过图形化将金属键合区133露出，如图22所示；在背面金属键合区133植焊锡球137，如图23所示；在第一介质层130上开孔并通过刻蚀或激光的方式加工硅槽，作为应力隔离槽135，如图24所示；在mems传感器圆片的引线焊接区301上植焊锡球302并切割成单颗mems传感器芯片300，如图25所示；将mems传感器芯片300与硅片131通过焊锡球302键合，并将圆片切割成单颗芯片，如图26所示。55.上述实施例一和实施例二的应力隔离槽115(135)均为硅槽，可以用刻蚀的方法，也可以用激光等其它方法进行加工。为了平衡应力，应力隔离槽的结构为对称结构，因此结构可以采用圆形隔离结构115(135)，如图27(a)所示；或者方形隔离结构115(135)，如图27(b)所示。56.本发明通过扇出型封装方式将mems传感器芯片与asic芯片实现低应力圆片级芯片规模封装，采用扇出型封装结构，由mems传感器芯片、asic芯片和中介基板(硅片)组成，可以灵活的匹配不同尺寸和厚度的mems传感器芯片和asic芯片，因此可以面向不同种类的mems传感器芯片，例如加速度计、陀螺仪这类与外界环境不直接接触的芯片，也可以是与外界环境接触的传感器芯片，例如压力传感器、麦克风等。专用集成电路为对应传感器配套的信号读出电路。硅中介基板作为mems传感器芯片与asic芯片的载板，在硅中介基板上刻蚀一定深度的空腔，将asic芯片通过装片胶粘在空腔内，通过重新布线工艺(re-distribution layer)将asic芯片的引线键合区重新排布，在硅中介基板上做硅通孔，将asic芯片的信号引出，在mems传感器芯片的引线焊接区上植焊锡球，并通过倒装焊的方式与硅中介基板上的金属键合区相连接。为了降低应力，在硅中介基板上做应力隔离槽，减少应力对mems传感器芯片的影响。实现了一种低应力mems传感器芯片与asic芯片的晶圆级芯片规模封装，通过硅中介基板上的重新布线技术，可以不受mems芯片与asic芯片的尺寸和pad布局的限制，将两个或多个芯片灵活组合成不同的产品，缩短产品开发时间，降低研发费用，适用于快速大规模量产，并可以有效的降低芯片和封装成本，同时通过隔离应力有效的减少外界应力对mems传感器芯片的影响，提高了产品良率。57.以上所述仅是本发明的最佳实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明的技术方案进行若干变形或者等同替换，也能达到本发明的技术效果，也应视为属于本发明的保护范围。