CN107396239A - 一种水听器及其封装工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水听器，其体积更小，封装工艺难度低，容易制成大规模阵列，灵敏度高，线性度好，具有超高的噪声分辨率，包括传感器芯片和ASIC芯片，ASIC芯片通过倒装焊焊接在传感器芯片的下端，所述传感器芯片包括第一硅晶圆，所述第一硅晶圆的上表面通过刻蚀形成柱状凸起，所述第一硅晶圆的上表面与第二片硅晶圆的下表面真空键合形成空腔，所述第二硅晶圆的上表面上形成自上至下分别为上金属导电层、压电材料层、下金属导电层的复合层，所述ASIC芯片包括AISC晶圆和下基板，所述AISC晶圆的下表面通过焊球与所述下基板的上表面焊接接合，所述AISC晶圆封装在下注塑层中；此外，本发明还提供了一种水听器的封装工艺。
Description
技术领域
本发明涉及水听器技术领域，具体为一种水听器及其封装工艺。
背景技术
水听器，又称水下传声器， 其能够将水下的压力变化而产生声信号转换为电信号，从而能够可靠的得到水下的压力，常被用于声场的测绘、声传感器的检测标定以及超声设备的检测校准和性能评估等声学领域的研究。随着科学技术的不断发展和进步，水听器的应用技术也逐渐发展成熟。
现有技术中，水听器大多为压电陶瓷材料或复合材料制成的水听器。但目前压电陶瓷材料所制成的水听器由于其结构，由于压电陶瓷材料的纵向和横向的声阻抗远高于水介质，这就使得水中大部分声场能量在水和陶瓷接触的界面处发生反射，进而导致水听器整体性能较差，其灵敏度较低。与此同时，在现有技术中，复合材料所制成的水听器，虽然可以通过设置足够大的电容量，以达到较高的灵敏度，但大的电容量导致水听器的尺寸很大，难以微型化，重影响了使用的便携性和适用性。现有技术中缺乏封装工艺难度低，且具有较高的灵敏度的微型水听器。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种水听器，其体积更小，封装工艺难度低，容易制成大规模阵列，灵敏度高，线性度好，具有超高的噪声分辨率，此外，本发明还提供了一种水听器的封装工艺。
其技术方案是这样的：一种水听器，其特征在于：包括传感器芯片和ASIC芯片，所述ASIC芯片通过倒装焊焊接在所述传感器芯片的下端；所述传感器芯片包括第一硅晶圆，所述第一硅晶圆的上表面通过刻蚀形成柱状凸起，所述第一硅晶圆的上表面与第二片硅晶圆的下表面真空键合形成空腔，所述第二硅晶圆的上表面上形成自上至下分别为上金属导电层、压电材料层、下金属导电层的复合层，所述复合层的边沿包裹在钝化层中，所述上金属导电层和所述下金属导电层分别向外延伸形成上延伸部和下延伸部，所述上延伸部和所述下延伸部上分别设有焊盘，所述第一硅晶圆的下表面与上基板的上表面接合，所述第一硅晶圆与所述上基板之间设有连接焊盘，所述焊盘通过导线连接连接焊盘，其还包括塑封层，所述塑封层将所述焊盘、导线封装在内且所述上金属导电层上端设有与环境声学连通的声进入开口，所述上基板的下表面下生长有底部焊盘，所述连接焊盘通过所述上基板内的导电走线连接所述底部焊盘；
所述ASIC芯片包括AISC晶圆和下基板，所述AISC晶圆的下表面通过焊球与所述下基板的上表面焊接接合，所述AISC晶圆封装在下注塑层中，所述焊球分别通过所述下基板内的导电走线连接生长在所述下基板的下表面上的的下部焊盘和下部焊球；所述下部焊球与所述底部焊盘焊接配合。
进一步的，所述上金属导电层和所述下金属导电层分别为Mo层。
进一步的，所述压电材料层别为AlN层。
进一步的，所述ASIC芯片通过下部焊盘连接外部元件。
一种水听器的封装工艺，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：提供第一硅晶圆，对第一硅晶圆进行刻蚀形成柱状凸起；
步骤2：将步骤1中得到的第一硅晶圆的上表面与第二硅晶圆的下表面真空键合形成空腔；
步骤3：将第二硅晶圆的上表面通过SOI工艺形成有自上至下分别为上金属导电层、压电材料层、下金属导电层的复合层，在复合层上包裹钝化层中；
步骤4：在上金属导电层的上延伸部的上表面上设置焊盘，在所述下金属导电层的下延伸部的上表面上设置焊盘；
步骤5：将第一硅晶圆的下表面与上基板焊接接合，并进行导线键合和塑封，封装得到传感器芯片；
步骤6：将ASIC晶圆的下表面与下基板焊接接合，并进行注塑，封装得到ASIC芯片；
步骤7：将步骤6得到的ASIC芯片通过倒装焊焊接在步骤5得到的传感器芯片的下端。
进一步的，在步骤5中，通过导线分别键合焊盘和位于第一硅晶圆与上基板之间的连接焊盘，并将焊盘、导线封装在塑封层内且在上金属导电层上端设有与环境声学连通的声进入开口中，在上基板的下表面下设置底部焊盘，通过上基板中的导电走线连接底部焊盘和连接焊盘。
进一步的，在步骤6中，通过内部焊球将AISC晶圆的下表面与下基板的上表面焊接接合，在下基板的下表面下设置下部焊盘和下部焊球，内部焊球通过下基板的导线走线连接下部焊球。
进一步的，在步骤7中，将底部焊盘与下部焊球焊接接合以连接传感器芯片和ASIC芯片。
进一步的，在步骤2与步骤3之间，对第二硅晶圆的上部进行减薄处理。
本发明的水听器借助半导体制造技术的优势， ASIC芯片与传感器芯片堆叠封装，水听器的体积可以得到降低，同时性能得以增强，同时其封装工艺难度低，可以降低PCB电路板的复杂性，可靠性好，装配前各个芯片可以单独测试，保障了更高的良品率，总的堆叠装配成本可降至最低，ASIC芯片通过倒装焊与传感器芯片焊接连接，可以达到最小、最薄的封装，进一步减小水听器的体积，容易制成大规模阵列，具有更好的电气连接性能；传感器芯片以AlN为压电材料层，ALN具有宽带隙、高声速等优点可以提高水听器的灵敏度，通过ASIC晶圆和硅晶圆的真空键合形成了空腔，形成空气金属反射界面，将声波限制在压电材料内，减少声能向衬底的泄漏，提升水听器的灵敏度，具有线性度好，具有超高的噪声分辨率等优点，可以探测更远距离，更微弱声信号，对于海洋勘探，航道监测，管网监测，水下导航等大规模民用领域具有重要意义；同时，在空腔内设置柱状凸起，可以对传感器芯片进行限位，可以防止传感器芯片与空腔的底面粘连，传感器芯片无法复位造成水听器损坏。
附图说明
图1为本发明的水听器的结构示意图；
图2为本发明的水听器的封装工艺的步骤a到步骤d的流程示意图；
图3为本发明的水听器的封装工艺的步骤e到步骤h的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
见图1，图2，图3，本发明的一种水听器，包括传感器芯片1和ASIC芯片2，ASIC芯片2通过倒装焊焊接在传感器芯片1的下端；传感器芯片1包括第一硅晶圆3，第一硅晶圆3的上表面通过刻蚀形成柱状凸起4，第一硅晶圆3的上表面与第二片硅晶圆5的下表面真空键合形成空腔6，第二硅晶圆5的上表面上形成自上至下分别为上金属导电层7、压电材料层8、下金属导电层9的复合层，上金属导电层7和下金属导电层9分别为Mo层，压电材料层8为AlN层，复合层的边沿包裹在钝化层10中，上金属导电层7和下金属导电层9分别向外延伸形成上延伸部11和下延伸部12，上延伸部11和下延伸部12上分别设有焊盘13，第一硅晶圆3的下表面与上基板14的上表面接合，第一硅晶圆3与上基板14之间设有连接焊盘15，焊盘13通过导线16连接连接焊盘15，其还包括塑封层18，塑封层18将焊盘15、导线16封装在内且上金属导电层7上端设有与环境声学连通的声进入开口19，上基板14的下表面下生长有底部焊盘20，连接焊盘15通过上基板14内的导电走线17连接底部焊盘20；
ASIC芯片2包括AISC晶圆21和下基板22，AISC晶圆21的下表面通过焊球23与下基板22的上表面焊接接合，AISC晶圆21封装在下注塑层24中，焊球23分别通过下基板22内的导电走线17连接生长在下基板22的下表面上的的下部焊盘25和下部焊球26；下部焊球26与底部焊盘20焊接配合。
见图2，图3，本发明的一种水听器的封装工艺，包括以下步骤：
步骤a：提供第一硅晶圆，对第一硅晶圆进行刻蚀形成柱状凸起；
步骤b：将步骤1中得到的第一硅晶圆的上表面与第二硅晶圆的下表面真空键合形成空腔；
步骤c：对第二硅晶圆的上部进行减薄处理；
步骤d：将第二硅晶圆的上表面通过SOI工艺形成有自上至下分别为上金属导电层、压电材料层、下金属导电层的复合层，在复合层上包裹钝化层中，
步骤e：在上金属导电层的上延伸部的上表面上设置焊盘，在下金属导电层的下延伸部的上表面上设置焊盘；
步骤f：将第一硅晶圆的下表面与上基板焊接接合，通过导线分别键合焊盘和位于第一硅晶圆与上基板之间的连接焊盘，并将焊盘、连接焊盘、导线封装在塑封层内且在上金属导电层上端设有与环境声学连通的声进入开口中，在上基板的下表面下设置底部焊盘，通过上基板中的导电走线连接底部焊盘和连接焊盘，封装得到传感器芯片；
步骤g：通过内部焊球将AISC晶圆的下表面与下基板的上表面焊接接合，在下基板的下表面下设置下部焊盘和下部焊球，内部焊球通过下基板的导线走线连接下部焊球，并进行注塑，封装得到ASIC芯片；
步骤h：将步骤f得到的ASIC芯片通过倒装焊焊接在步骤g得到的传感器芯片的下端，将底部焊盘与下部焊球焊接接合。
本发明的水听器借助半导体制造技术的优势， ASIC芯片与传感器芯片堆叠封装，水听器的体积可以得到降低，同时性能得以增强，同时其封装工艺难度底，可以降低PCB电路板的复杂性，可靠性好，装配前各个芯片可以单独测试，保障了更高的良品率，总的堆叠装配成本可降至最低，ASIC芯片通过倒装焊与传感器芯片焊接连接，可以达到最小、最薄的封装，进一步减小水听器的体积，容易制成大规模阵列，具有更好的电气连接性能；传感器芯片以AlN为压电材料层，ALN具有宽带隙、高声速等优点可以提高水听器的灵敏度，通过ASIC晶圆和硅晶圆的真空键合形成了空腔，形成空气金属反射界面，将声波限制在压电材料内，减少声能向衬底的泄漏，提升水听器的灵敏度，具有大带宽，大动态范围及更好的线性度等优点，可以探测更远距离，更微弱声信号，对于海洋勘探，航道监测，管网监测，水下导航等大规模民用领域具有重要意义；同时，在空腔内设置柱状凸起，可以对传感器芯片进行限位，可以防止传感器芯片与空腔的底面粘连，传感器芯片无法复位造成水听器损坏。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种水听器，其特征在于：包括传感器芯片和ASIC芯片，所述ASIC芯片通过倒装焊焊接在所述传感器芯片的下端，
所述传感器芯片包括第一硅晶圆，所述第一硅晶圆的上表面通过刻蚀形成柱状凸起，所述第一硅晶圆的上表面与第二片硅晶圆的下表面真空键合形成空腔，所述第二硅晶圆的上表面上形成自上至下分别为上金属导电层、压电材料层、下金属导电层的复合层，所述复合层的边沿包裹在钝化层中，所述上金属导电层和所述下金属导电层分别向外延伸形成上延伸部和下延伸部，所述上延伸部和所述下延伸部上分别设有焊盘，所述第一硅晶圆的下表面与上基板的上表面接合，所述第一硅晶圆与所述上基板之间设有连接焊盘，所述焊盘通过导线连接连接焊盘，其还包括塑封层，所述塑封层将所述焊盘、导线封装在内且所述上金属导电层上端设有与环境声学连通的声进入开口，所述上基板的下表面下生长有底部焊盘，所述连接焊盘通过所述上基板内的导电走线连接所述底部焊盘；
所述ASIC芯片包括AISC晶圆和下基板，所述AISC晶圆的下表面通过焊球与所述下基板的上表面焊接接合，所述AISC晶圆封装在下注塑层中，所述焊球分别通过所述下基板内的导电走线连接生长在所述下基板的下表面上的的下部焊盘和下部焊球；
所述下部焊球与所述底部焊盘焊接配合。
2.根据权利要求1所述的一种水听器，其特征在于：所述上金属导电层和所述下金属导电层分别为Mo层。
3.根据权利要求1所述的一种水听器，其特征在于：所述压电材料层别为AlN层。
4.根据权利要求1所述的一种水听器，其特征在于：所述ASIC芯片通过下部焊盘连接外部元件。
5.一种水听器的封装工艺，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：提供第一硅晶圆，对第一硅晶圆进行刻蚀形成柱状凸起；
步骤2：将步骤1中得到的第一硅晶圆的上表面与第二硅晶圆的下表面真空键合形成空腔；
步骤3：将第二硅晶圆的上表面通过SOI工艺形成有自上至下分别为上金属导电层、压电材料层、下金属导电层的复合层，在复合层上包裹钝化层中；
步骤4：在上金属导电层的上延伸部的上表面上设置焊盘，在所述下金属导电层的下延伸部的上表面上设置焊盘；
步骤5：将第一硅晶圆的下表面与上基板焊接接合，并进行导线键合和塑封，封装得到传感器芯片；
步骤6：将ASIC晶圆的下表面与下基板焊接接合，并进行注塑，封装得到ASIC芯片；
步骤7：将步骤6得到的ASIC芯片通过倒装焊焊接在步骤5得到的传感器芯片的下端。
6.根据权利要求5所述的一种水听器的封装工艺，其特征在于：在步骤5中，通过导线分别键合焊盘和位于第一硅晶圆与上基板之间的连接焊盘，并将焊盘、导线封装在塑封层内且在上金属导电层上端设有与环境声学连通的声进入开口中，在上基板的下表面下设置底部焊盘，通过上基板中的导电走线连接底部焊盘和连接焊盘。
7.根据权利要求5所述的一种水听器的封装工艺，其特征在于：在步骤6中，通过内部焊球将AISC晶圆的下表面与下基板的上表面焊接接合，在下基板的下表面下设置下部焊盘和下部焊球，内部焊球通过下基板的导线走线连接下部焊球。
8.根据权利要求5所述的一种水听器的封装工艺，其特征在于：在步骤7中，将底部焊盘与下部焊球焊接接合以连接传感器芯片和ASIC芯片。
9.根据权利要求5所述的一种水听器的封装工艺，其特征在于：在步骤2与步骤3之间，对第二硅晶圆的上部进行减薄处理。
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