用于装配半导体芯片的方法及相应的半导体芯片装置的制作方法

专利名称：用于装配半导体芯片的方法及相应的半导体芯片装置的制作方法
现有技术本发明涉及用于装配半导体芯片的方法及相应的半导体芯片装置。
尽管本发明可应用于任意的半导体芯片装置上，但仅参照具有压力传感器的一个微机械半导体芯片装置来说明本发明及以其作为础的问题。
由DE 102 004 011 203公开了用于装配半导体芯片的方法及相应的半导体装置的方法的各个例子，以下将详细描述其中的三个例子。
图7表示用于装配半导体芯片的方法及相应的半导体装置的第一例的横截面。
图7中标号100表示一个TO8管座，它例如由科伐合金制成。标号5是一个具有压阻的变换元件51的微机械硅压力传感器芯片，这些变换元件被设置在一个膜片55上。为了制造膜片55在相关的硅压力传感器芯片5的背面设置一个空腔58，例如通过各向异性的蚀刻及例如使用KOH或TMAH。变换地，膜片55也可通过沟槽蚀刻来制造。
传感器芯片5可由具有压敏电阻的一个纯电阻桥组成或与一个求值电路组合，该求值电路与压敏电阻一起在一个半导体工序中集成。一个由含钠的玻璃组成的玻璃管座140被阳极化地接合在芯片5的背面，该玻璃管座用于减小由焊剂或粘剂70引起的机械应力，借助该焊剂或粘剂在TO8管座100上装配玻璃管座140。图7中的标号53表示一个未详细表示的集成电路52的键合焊盘，它通过一个压焊丝60与一个电连接装置130相连接，该连接装置又通过一个绝缘层131与TO8管座100绝缘。玻璃管座140具有一个透孔141，该透孔使空腔58通过TO8管座100的透孔101及装配在其上的连接装置120与外部具有的压力P相连通。图7中所示的结构通?；褂胍桓鑫词境龅慕鹗裘泵鼙盏孛芊夂附?。
但这种结构具有其缺点，即在密闭地封闭传感器芯片5时该结构繁琐及经常出现问题，例如由于未密封的焊缝等引起的问题。因为TO8壳体与硅具有不同的温度膨胀系数，因此在温度改变时形成机械应力，它会作为干扰信号被压敏电阻测量出。
图8表示用于装配半导体芯片的方法及相应的半导体装置的第二例的横截面。
该第二例考虑，将传感器芯片5通过一个不具有透孔的玻璃管座140’粘接到一个由陶瓷或塑料作的衬底1上并且为了?；に馐芑肪秤跋煊媚?来作钝化。此外在衬底1上在芯片装置的上方设有一个?；っ?3，该?；っ本哂幸桓鲇糜诖┘拥难沽的透孔15。并且在该例中玻璃管座140’不具有透孔，因为压力P从另一侧来施加。
在使用这种凝胶2时最大压力不利地由凝胶2来确定，因为气体扩散到凝胶2中并在突然的压力下降时在凝胶2中形成气泡，这将破坏凝胶2。
图9表示用于装配半导体芯片的方法及相应的半导体装置的第三例的横截面。
在该例中传感器芯片5’是一个表面微机械的传感器芯片，它例如可根据在DE 100 32 579 A1中所述的方法来制造及具有一个在膜片区域55’上面的组合的空腔58’。
为了装配，传感器芯片5’的键合焊盘53在一个装配区域中借助焊接连接或粘接连接、例如借助小焊珠26被焊接在(未示出的)衬底键合焊盘上，该衬底是一个由塑料制成的预先模制壳体10的一部分，由该预先模制壳体从侧面伸出一个整体成型到壳体中的引出框8。预先模制壳体10具有一个凹槽11，传感器芯片5以倒装芯片技术(Flip-Chip-Technik)悬置地装配在该凹槽旁边。
在传感器芯片5的装配区域中，引出框8的接触区域的最小间距通常大于在传感器芯片5上键合焊盘53的最小间距。但因为在传感器芯片5上仅需要少量的键合焊盘53，例如用于惠斯登测量电桥端子的四个键合焊盘，所以这些键合焊盘可以彼此被尽可能远地布置。
装配区域还具有一个由绝缘的塑料材料作的底填料28，其中位于装配区域与膜片区域55’之间的凹槽11的边缘K可用作装配工序中底填料28的断开边缘。该断开边缘K用于使底填料28不能达到膜片区域55’中或其下面。传感器芯片5’的膜片区域55’由此侧面地伸出在条状装配区域的旁边，以使得压力介质可不受干扰地达到膜片区域55’上。
在膜片区域55’中传感器芯片5’在表面上由一个(未示出的)层、例如氮化物层钝化，它起到可靠的防介质的?；ぷ饔?。在装配区域中传感器芯片5’通过底填料28被?；ひ苑栏?。
最后预先模制壳体10具有一个环形的侧壁区域10a，在它的上侧面设置有一个盖20’，此盖具有用于待施加的压力P的透孔15b。由于事实上传感器芯片5’通过倒装芯片法装配在周围区域的与装配区域相对的一侧上而与预先模制壳体10的表面隔开，可以保证所施加的压力P无问题地传递到膜片区域55上。
此外，盖20’具有一个压力接管21，其中在透孔15b中可装入一个可选用的过滤器，该过滤器可防止颗?；蛞禾橹实酱锎衅鞣庾暗哪诓?。因此例如可防止水的侵入，水在结冰时会挤压传感器芯片5’并由此可损坏它。
在该例中可完全取消根据图7或8的玻璃管座140，140’，它们在制造时导致成本的增高，因为表面微机械的传感器芯片5’。在条状装配区域旁边侧向的伸出能使由硅以及与小焊珠26及底填料28的连接部分的不同温度膨胀系数形成的应力下降。
本发明的优点作为本发明基础的构思在于在一个设有凹槽的衬底上借助倒装芯片装配技术的半导体芯片、尤其是表面微机械(OMM)压差传感器芯片的悬置结构方式，其中通过侧面的悬置来设置半导体芯片的机械去耦合。
根据本发明的具有权利要求1的特征的用于半导体芯片的装配方法及根据权利要求8的相应半导体芯片装置相对公知的解决方案具有其优点，即可实现一种简单的、成本上有利的及应力不敏感的结构。
本发明的主题具有的另一优点是，相对于无第二压力连接的绝对压力传感器，除了一个用于开设一个至空腔的进入开口的附加的短的硅沟槽步骤外不需要其它的工艺步骤，这使根据本发明的方法可在成本上有利地实施。用于开设第二压力入口的蚀刻步骤无需通过整个传感器进行，而仅需通过膜片的一个小的厚度，这导致一个短的蚀刻过程。
膜片空腔到压力连接孔的连接通道可能由介质中颗粒的堵塞可通过大面积的细网孔栅格来防止。根据本发明的传感器类型具有非?？菇橹视跋斓慕峁?，该结构通过底填料来?；さ缍俗?、例如由铝制的电端子。得到仅由硅或氮化硅(钝化层)构成的表面，压力介质可到达其上。不需要用凝胶来钝化芯片电端子(键合焊盘)可制造单晶硅膜片，它的特别的优点是高的机械强度以及其中掺杂的压敏电阻的高K系数。
通过在半导体芯片和衬底上的连接焊剂，由于焊剂的表面应力使半导体芯片定位。当在芯片和衬底上的两个接触面之间的焊剂具有最小的表面时，达到能效最有利的状态。当两个面直接上下布置时可达到该状态。由此压力进入孔可借助该自调整精确地被调整到芯片端子上。由此即使很小的结构也可被精确地定位。
现有的制造过程可大部分被保留，例如用于传感器部分和/或求值电路部分或用于传感器壳体部分的制造半导体工艺可被保留。
可进行在晶片复合物(Wafer-Verbund))中电的预测量，并且在装配到载体上后也可进行带端平衡(Bandendeabgleich)。根据本发明的方法也可实现传感器芯片及求值电路的节省位置的结构。
在从属权利要求中可得到本发明的相应主题的进一步构型及改进。
根据一个优选的进一步构型，在装配区域中设有多个键合焊盘，它们通过焊接或粘接连接被装配在衬底的表面上。
根据另一优选的进一步构型，在装配半导体芯片之前设置穿过衬底至空腔的开口的透孔。
根据另一优选的进一步构型，在衬底的背面上设置第一压力连接装置及在衬底的正面上设置第二压力连接装置，它们被这样地设计，使得在膜片区域的两侧上可施加不同的压力。
根据另一优选的进一步构型，衬底是一个预制造的壳体的一部分。
根据另一优选的进一步构型，壳体是一个由塑料制成的预先模制壳体，在其中成型出一个引出框。
根据另一优选的进一步构型，壳体具有一个环形的侧壁区域，该侧壁区域包围着传感器芯片并且该侧壁区域在传感器芯片的上方通过一个具有透孔的盖封闭。
根据另一优选的进一步构型，空腔具有第一空腔区域，第二空腔区域及第三空腔区域，其中第一空腔区域位于膜片区域的里面，第三空腔区域位于周围区域中，及该第三空腔区域具有一个向着衬底的开口及第二空腔区域是一个通道形式的区域，它使第一及第三空腔区域相连接。
根据另一优选的进一步构型，第二空腔区域具有窄长的形状。
根据另一优选的进一步构型，第一空腔区域具有矩形的，优选为方形的形状。
根据另一优选的进一步构型，第二空腔区域由第一空腔区域的一个角导出。
根据另一优选的进一步构型，在膜片区域中设有一个压电的或压阻的压力捡测装置。
附图本发明的实施例被表示在附图中及在以下的说明中对其详细地描述。
附图表示

图1a，b本发明的用于装配半导体芯片的方法及相应的半导体装置的第一实施形式的侧向以及水平方向的横截面；图2本发明的用于装配半导体芯片的方法及相应的半导体装置的第二实施形式的横截面；图3本发明的用于装配半导体芯片的方法及相应的半导体装置的第三实施形式的横截面；图4本发明的用于装配半导体芯片的方法及相应的半导体装置的第四实施形式的横截面；图5，6本发明的用作压力传感器的半导体芯片的实施形式的横截面；图7用于装配半导体芯片的方法及相应的半导体装置的第一例的横截面；图8用于装配半导体芯片的方法及相应的半导体装置的第二例的横截面；图9用于装配半导体芯片的方法及相应的半导体装置的第三例的横截面；
实施例的说明附图中相同的标号表示相同或功能相同的组成部分。
图1a，b表示本发明的用于装配半导体芯片的方法及相应的半导体装置的第一实施形式的侧向以及水平方向的横截面。
在该例中传感器芯片5”是一个表面微机械传感器芯片，它例如根据在DE 100 32 579 A1中描述的方法来制造并且具有一个组合在一个膜片区域55’上的空腔58’。
为了装配，传感器芯片5”的键合焊盘在一个装配区域MB中借助焊接连接或粘接连接、例如借助一个焊珠26被焊接在衬底1’的(未示出的)键合焊盘上，在这里该衬底是一个印刷电路板或陶瓷及具有一个凹槽11，传感器芯片5”以倒装芯片技术悬置地装配在该凹槽旁边。
装配区域MB还具有一个由绝缘的塑料材料构成的底填料28，其中位于装配区域与膜片区域55’之间的凹槽11的边缘K在装配工序中用作底填料28的断开边缘。该断开边缘K用于使底填料28不能达到膜片区域55’中或其下面。传感器芯片5”的膜片区域55’由此侧面地伸出在条状装配区域的旁边，以使得具有压力P1的压力介质可不受干扰地达到膜片区域55’上。
在膜片区域55’中传感器芯片5”在表面上由一个(未示出的)层、例如氮化物层钝化，它起到可靠的防介质的?；ぷ饔?。在装配区域中传感器芯片5”通过底填料28被?；ひ苑栏?。
与上面结合图9所述的结构不同地，传感器芯片5”具有空腔58’的一个不同结构，该空腔可由图1b中看出。尤其是该空腔58’具有第一空腔区域158’，第二空腔区域258’及第三空腔区域358’。第一空腔区域158’位于膜片区域55’的里面，如由图9中已知的。附加的第三空腔区域385’位于该周围区域中，即这里在装配区域MB中间并包括一个开口58’a，该开口使空腔58’向外对于压力加载可进入。此外在该实施形式中第二空腔区域258’是一个通道形式的区域，它使第一及第三空腔区域158’，358’相连接。
在该实施形式中第一空腔区域158’具有一个方形的形状，其中由第一空腔区域158’的一个角导出第二空腔区域258’。鉴于防止第二空腔区域258’的可能的应力耦合到压敏电阻51中，这是有利的。
在本例中第三通道区域158’是圆形的，及如在图1b中可看到的，它具有栅格形状的开口58’a，其中栅格结构是需要的，它用于防止外部颗粒进入空腔58’或妨碍通道区域。
衬底1’在开口58’a的下面具有一个透孔101’，该透孔允许压力P2通过衬底1’耦合到空腔58’中。并且在结合图9所述的倒装芯片装配中无底填料28达到透孔101’的区域。由此在衬底1’上又形成一个边缘，在该边缘上构成弯月形及底填料28被中断。
根据图1b求值电路6被集成在芯片5”的装配区域MB中。当然也可考虑设置一个分开的求值芯片的方案。
通过该实施形式的所述的结构可实现在膜片区域55’的一侧上通过凹槽11施加第一压力P1及在膜片55’的另一侧上通过透孔101’施加第二压力P2。因此所述的该实施形式尤其适用于差压传感器装置。
以下描述两个实施形式，由它们可得知不同的压力P1，P2如何合乎目的彼此无关地被施加到膜片区域55’的两侧上。
图2表示本发明的用于装配半导体芯片的方法及相应的半导体装置的第二实施形式的横截面。
在图2的实施形式中，在衬底1’上借助粘剂21’a设置了一个盖20”。盖20”具有一个开口15a。
在此情况下压力连接装置具有一个壳体装置3，该壳体装置借助O型密封圈装置4法兰连接在开口15a及开口101’上并且具有相应的压力开口15a’。因此压力P1仅到达膜片区域55’的前侧上及压力P2到达膜片区域55’的后侧上。
图3表示本发明的用于装配半导体芯片的方法及相应的半导体装置的第三实施形式的横截面。
在图3中所示的实施形式中也设置有盖20”，但这里此盖具有一个带有开口15a的压力接管21。在该实施形式中背面设有另一压力接管21’，该另一压力接管通过粘接层21’a被粘接到衬底1’的背面上。在压力接管21’中附加地设有一个可选的过滤器22。
图4表示本发明的用于装配半导体芯片的方法及相应的半导体装置的第四实施形式的横截面。
图4中所示的实施形式是基于结合图9所述的例子。
但这里传感器芯片5”具有改型的空腔58’，对于该空腔已结合图1b作了详细的说明。
预先模制壳体10在其背面具有一个透孔101”，在该透孔上由外部粘接了一个可选的过滤器22’。通过透孔101”压力P2可到达膜片区域55的后侧。
如已结合图9所述地，压力P1可通过接管21以及位于其中的可选的过滤器22到达膜片区域55’的前侧。
图5，6表示本发明的绝对压力传感器或差值压力传感器的实施形式的横截面。
在图5及6中描述了在传感器芯片5”的倒装装配之前栅格形式的开口58’a(参见图1b)的制造。
根据图5在芯片5”的正面上首先施加一个例如由氮化硅构成的钝化层65及在该钝化层的上面施加一个光刻胶层71，它在相关区域中以传统方式利用光刻技术被结构化形成一个栅格75形状。
然后借助该作为掩模的结构化的光刻胶层71进行蚀刻以获得栅格形式的开口58’a。该沟槽蚀刻工序的一大优点是，仅是空腔区域358’上面的钝化层65和硅构成的覆盖层的厚度必须被蚀刻，而不像现有技术那样是硅芯片5”的整个厚度。因为在达到第三空腔区域358’时蚀刻过程未停止，故使位于其下面的硅也被刻去，如在图6中可清楚看到的一样。由于该原则上无妨碍的效应可设定足够长的过蚀刻时间(bertzzeit)，以致可保证在整个晶片上能可靠地开出达到空腔58的相应开口58’a。
尽管以上借助优选实施例对本发明进行描述，但本发明不被限制于其上，而也能以另外的方式实施。
在上面的例子中仅考虑了压敏电阻的传感器结构。但本发明也适合于电容性的或其中使用膜片的其它传感器结构。
膜片的几何结构可任意地设计，但最好为方形、矩形或圆形。
参考标号表1，1’ 衬底2 凝胶100 TO8-管座5，5’，5” 传感器芯片6 求值电路51 压电电阻52 集成电路53 键合焊盘60 压焊丝55，55’ 膜片70 焊接层或粘接层
120 压力连接装置130 电连接装置131 绝缘层140，140’ 玻璃管座141 孔口58，58’ 空腔13?；じ?5，15a，15a’，15b透孔101，101’，101”透孔20，20’，20” 盖26小焊球28 底填料10，10’ 预先模制壳体10a侧壁区域8 引出框11，11’ 凹槽58’a 开口K边缘21，21’ 压力接管22，22’ 过滤器MB装配区域158’第一空腔区域258’第二空腔区域358’第三空腔区域P，P1，P2 压力3 壳体4 O型密封圈
21’a 粘剂65芯片钝化层71光刻胶75栅格
权利要求
1.用于装配半导体芯片的方法，具有以下步骤准备一个具有一个表面的半导体芯片(5”)，该表面具有一个膜片区域(55’)及一个周围区域，其中该周围区域具有一个装配区域(MB)，及其中在该膜片区域(55’)的里面是一个空腔(58’)，该空腔延伸到该装配区域(MB)中并且在那里通入一个开口(58’a)中；设置一个衬底(1’；10)，该衬底具有一个带有一个凹槽(11)的表面；用倒装芯片技术将该半导体芯片(5”)的该装配区域(MB)这样地装配到该衬底(1’；10)的所述表面上，使得该凹槽(11)的一个边缘(K)位于该装配区域(MB)与该膜片区域(55’)之间并且该开(58’a)向着该衬底(1’；10)；用一种底填料(28)对该装配区域(MB)进行底填充，其中该凹槽(11)的边缘(K)用作用于该底填料(28)的断开区域，使得没有底填料(28)达到该膜片区域(55)中；及设置一个穿过该衬底(1’；10)至该空腔(58’)的开(58’a)的透孔(101’；101”)。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于在该装配区域(MB)中设置有多个键合焊盘(53)，它们通过焊接或粘接连接被装配在该衬底(1’；10)的表面上。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于在装配该半导体芯片(5”)之前设置该穿过该衬底(1’；10)至该空腔(58’)的开口(58’a)的透孔(101’；101”)。
4.根据权利要求1，2或3的方法，其特征在于在该衬底(1’；10)的背面上设置一个第一压力连接装置(3，4；21’；22’)及在该衬底(1’；10)的正面设置一个第二压力连接装置(3，4，20”；20”，21；20’，21)，它们被这样地构造，使得在该膜片区域(55’)的两侧上可施加不同的压力(P1，P2)。
5.根据以上权利要求中至少一项的方法，其特征在于该衬底(1’；10)是一个预制造的壳体(10)的一部分。
6.根据以上权利要求中至少一项的方法，其特征在于该壳体(10)是一个由塑料制成的预先模制壳体，在其中成型出一个引出框(8)。
7.根据权利要求5或6的方法，其特征在于该壳体(10)具有一个环形的侧壁区域(10a)，该侧壁区域包围着该传感器芯片(5”)并且该侧壁区域在该传感器芯片(5”)的上方通过一个具有透孔(15a；15b)的盖(20’；20”)封闭。
8.半导体芯片装置，具有一个具有一个表面的半导体芯片(5”)，该表面具有一个膜片区域(55’)及一个周围区域，其中该周围区域具有一个装配区域(MB)，及其中在该膜片区域(55’)的里面是一个空腔(58’)，该空腔延伸到该装配区域(MB)中并在那里通入一个开(58’a)中；一个衬底(1’；10)，该衬底具有一个带有一个凹槽(11)的表面；其中该半导体芯片(5”)的装配区域(MB)用倒装芯片技术被这样地装配到该衬底(1’；10)的表面上，使得该凹槽(11)的一个边缘(K)位于该装配区域(MB)与该膜片区域(55’)之间并且该开口(58’a)向着该衬底(1’；10)；其中用一种底填料(28)对该装配区域(MB)进行底填充，其中该凹槽(11)的所述边缘(K)用作用于该底填料(28)的断开区域，使得没有底填料(28)存在于该膜片区域(55’)中；及其中设置有一个穿过该衬底(1’；10)至该空腔(58’)的开口(58’a)的透孔(101’；101”)。
9.根据权利要求8的半导体芯片装置，其特征在于在该装配区域(MB)中设置有多个键合焊盘(53)，它们通过焊接或粘接连接被装配在该衬底(1’；10)的表面上。
10.根据权利要求8或9的半导体芯片装置，其特征在于在该衬底(1’；10)的背面上设置一个第一压力连接装置(3，4；21’；22’)及在该衬底(1’；10)的正面设置一个第二压力连接装置(3，4，20”；20”，21；20’，21)，它们被这样地构造，使得在该膜片区域(55’)的两侧上可施加不同的压力(P1，P2)。
11.根据权利要求8，9或10的半导体芯片装置，其特征在于该衬底(1’；10)是一个预制造的壳体(10)的一部分。
12.根据以上权利要求8至11中至少一项的半导体芯片装置，其特征在于该壳体(10)是一个由塑料制成的预先模制壳体，在其中成型出一个引出框(8)。
13.根据权利要求11或12的半导体芯片装置，其特征在于该壳体(10)具有一个环形的侧壁区域(10a)，该侧壁区域包围着该传感器芯片(5”)并且该侧壁区域在该传感器芯片(5”)的上方通过一个具有透孔(15a；15b)的盖(20’；20”)封闭。
14.根据以上权利要求8至13中至少一项的半导体芯片装置，其特征在于该空腔(58’)具有一个第一空腔区域(158’)，一个第二空腔区域(258’)及一个第三空腔区域(358’)，其中该第一空腔区域(158’)位于该膜片区域(55’)的里面，该第三空腔区域(358’)位于周围区域中，及该第三空腔区域具有向着该衬底(1’；10)的开口(58’a)，及该第二空腔区域(258’)是一个通道形式的区域，它使该第一及第三空腔区域(158’；358’)相连接。
15.根据权利要求14的半导体芯片装置，其特征在于该第二空腔区域(258’)具有窄长的形状。
16.根据权利要求15的半导体芯片装置，其特征在于该第一空腔区域(158’)具有矩形的、优选为方形的形状。
17.根据权利要求16的半导体芯片装置，其特征在于该第二空腔区域(258’)由该第一空腔区域(158’)的一个角导出。
18.根据以上权利要求8至17中至少一项的半导体芯片装置，其特征在于在该膜片区域(55’)中设有一个压电的或压阻的压力检测装置(51)。
全文摘要
本发明提供了用于装配半导体芯片的方法，具有以下步骤准备一个具有一个表面的半导体芯片(5”)，该表面具有一个膜片区域(55’)及一个周围区域，其中周围区域具有一个装配区域(MB)，及其中在膜片区域(55’)的里面具有一个空腔(58’)，该空腔延伸到装配区域(MB)中及在那里通到一个开(58’a)中；设置一个衬底(1’；10)，该衬底具有一个带有凹槽(11)的表面；用倒装芯片技术将半导体芯片(5”)这样地装配在衬底(1’；10)的表面上，以致凹槽(11)的一个边缘(K)位于装配区域(MB)与膜片区域(55’)之间及开口(58’a)向着衬底(1’；10)；用一种底填料(28)对装配区域(MB)进行底填充，其中凹槽(11)的边缘(K)用作底填料(28)的断开区域，以致底填料(28)不达到膜片区域(MB)中；及通过衬底(1’；10)向着空腔(58’)的开(58’a)设置一个透孔(101’；101”)。该发明还提供了相应的半导体芯片装置。
文档编号G01L9/00GK101044088SQ200580036160
公开日2007年9月26日 申请日期2005年8月24日 优先权日2004年10月22日
发明者胡贝特·本泽尔 申请人:罗伯特·博世有限公司