CN102331325A - 压力传感器封装系统和方法 - Google Patents

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H.托伊斯
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Abstract

本发明涉及压力传感器封装系统和方法。实施例涉及集成电路（IC）传感器和感测系统及方法。在实施例中，一种IC传感器器件包括：至少一个感测元件；在晶片级围绕所述至少一个感测元件布置的构架元件；以及具有由所述构架元件在所述晶片级预先定义的至少一个端口的封装，所述至少一个端口被配置成将所述至少一个感测元件的至少一部分暴露于周围环境。

Description

压力传感器封装系统和方法
技术领域
本发明通常涉及集成电路（IC）封装，且更具体地涉及具有一个或多个压力端口的IC压力传感器封装。
背景技术
集成电路微机电系统（MEMS）器件可能要求专用封装或封装工艺。某些MEMS器件（比如压力传感器）常常需要专用的封装解决方案以容纳（accommodate）一个或多个外部压力端口，因为需要把传感器芯片表面的至少一部分暴露于周围环境而没有模塑料（mold compound）和/或封装壁的常见保护。另一方面，传感器管芯的接合焊盘和接合线在外部介质相容性方面提出严重挑战并且需要充分的保护。这些相反的需要对封装解决方案的设计提出挑战，并且常常导致未标准化的专用解决方案，从而必须对复杂且昂贵的晶片和组装工艺做出改变。
例如，传统的MEMS压力传感器常常具有预先模塑的空腔封装，其中所述空腔在一侧打开或暴露以用于传感器管芯和接合线。带有感测元件的芯片表面面向所述空腔封装的打开部分。可以用填充到所述空腔封装中的凝胶或其他适当材料来覆盖所述传感器管芯和接合线，以保护所述接合焊盘、接合线和感测元件免受外部介质影响。这样的传统封装设计的一个缺点在于，所述凝胶常常不能提供针对侵蚀性（aggressive）介质的充分保护。如前面所提到的那样，这对于敏感的接合焊盘和接合线来说是最关键的。另一个缺点是针对预先模塑的封装的相对高的材料成本，导致更高的产品成本。此外，这种封装类型与下面更详细讨论的相对压力传感器应用不相容。
另一种传统的解决方案是使用标准引线框架并且用特殊成形的模塑工具在模塑工艺期间形成空腔。在这种情况下，在所述模塑工艺之后进行到所形成的空腔中的传感器管芯接合并且线接合。这种方法通常还要求在所述传感器管芯上的保护性凝胶。前面提到的与介质相容性以及相对压力传感器应用的不相容性有关的缺点在这里也适用。
又一种封装解决方案是使用带有预先定义的压力端口的引线框架与特殊成形的模塑工具相组合以例如在所述封装的背面产生压力端口。在这种情况下，所述感测元件面向传感器芯片的背面，以便通过把带有感测元件的传感器管芯附着在封装背面中的压力端口之上而产生压力端口。可以用模塑料来覆盖所述芯片的正面上的接合焊盘和接合线。这种方法的缺点在于与标准封装的封装成本相比更高的封装成本。在晶片工艺中要求特殊且成本密集型MEMS工艺以产生背面开口在传感器管芯上的MEMS结构。在这种情况下，绝对和相对压力感测应用要求不同的晶片和组装工艺，这是不期望的。
发明内容
实施例涉及传感器和感测器件、系统以及方法。在一个实施例中，一种集成电路（IC）传感器器件包括：至少一个感测元件；在晶片级围绕所述至少一个感测元件布置的构架（framing）元件；以及具有由所述构架元件在所述晶片级预先定义的至少一个端口的封装，所述至少一个端口被配置成将所述至少一个感测元件的至少一部分暴露于周围环境。
在另一个实施例中，一种方法包括：在晶片级工艺中在集成电路（IC）传感器上预先定义端口；将所述IC传感器放置在模塑工具中；用模塑料来填充所述模塑工具，其中将所述端口与所述模塑料隔离；以及从所述模塑工具中移除所述IC传感器。
在又一个实施例中，一种微机电系统（MEMS）压力传感器包括：传感器管芯，包括至少一个感测元件，所述至少一个感测元件包括可移动隔膜（membrane）和空腔；以及传感器封装，基本上包围所述传感器管芯并且包括至少一个端口，所述至少一个端口由在晶片级工艺期间形成在所述传感器管芯上的框架定义并且相对于所述至少一个感测元件被布置成使得所述至少一个感测元件暴露于周围环境。
附图说明
考虑到结合附图对本发明的各种实施例的以下详细描述，可以更全面地理解本发明，其中：
图1A是根据实施例的制造期间的绝对压力传感器的横截面图。
图1B是图1A的传感器的顶视图。
图2A是根据实施例的制造期间的绝对压力传感器的横截面图。
图2B是图2A的传感器的顶视图。
图3是根据实施例的制造期间的绝对压力传感器的横截面图。
图4A和4B是根据实施例的模塑工具中的绝对压力传感器的横截面图。
图5A是根据实施例的绝对压力传感器的横截面图。
图5B是图5A的传感器的顶视图。
图6是根据实施例的绝对压力传感器的横截面图。
图7是根据实施例的流程图。
图8A是根据实施例的绝对压力传感器的横截面图。
图8B是图8A的传感器的顶视图。
图9A是根据实施例的绝对压力传感器的横截面图。
图9B是图9A的传感器的顶视图。
图10A是根据实施例的相对压力传感器的横截面图。
图10B是图10A的传感器的顶视图。
图11A是根据实施例的相对压力传感器的横截面图。
图11B是图11A的传感器的顶视图。
图12A是根据实施例的惯性压力传感器的横截面图。
图12B是图12A的传感器的顶视图。
虽然本发明可以有（is amenable to）许多修改和替换形式，但是其细节在附图中通过示例的方式被示出并且将被详细描述。然而应当理解的是，意图不是将本发明限制到所描述的具体实施例。相反，意图是覆盖落在如由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等效方案和替换方案。
具体实施方式
本发明的实施例涉及用于IC传感器的封装和封装方法。具体地，实施例可以提供针对MEMS压力传感器的标准化且低成本的封装解决方案，从而改进介质相容性并且覆盖较宽的传感器应用范围。至少部分通过在组装之前的晶片级工艺中预先定义用于压力感测元件的压力端口而使组装线中的标准化封装及封装方法和工艺成为可能，从而实现标准封装解决方案、模塑工具以及组装线和工艺的使用。
在一个实施例中，与标准封装中的IC类似，所述IC传感器的接合焊盘和接合线被模塑料覆盖并且因此受其保护，同时所述预先定义的压力端口暴露出所述传感器的必要部分以提供可操作性。所述封装的压力端口处的传感器器件通常是暴露于环境的芯片表面的唯一部分。由于所述传感器器件本身对于环境条件通常较不敏感，因此所述压力传感器的介质相容性得到改进。为了进一步改进介质相容性，可以将所述封装概念与附加特征（比如压力端口中的传感器器件上的保护性凝胶）相组合，以例如避免传感器隔膜上的湿气、冻结介质、碎片以及机械冲击。
实施例还涉及相对压力感测，其中可以通过实施在芯片表面和对应的预先定义的压力端口上适当定位的至少两个感测元件来获得两个压力端口。至于具有单个压力端口的绝对压力传感器实施例，该晶片和组装工艺可以是相同的。根据这种方法的相对压力传感器应用的优点在于，封装应力对输出信号的重大影响由于如下事实而被消除：对应于不同压力端口的两个感测元件是按照一种差分信号处理方案来实施的，以便仅仅测量差分压力。由于两个感测元件都暴露于类似的机械应力水平，因此对应的信号偏移在相对压力信号输出中被消除。另一个优点在于，可以用共同的晶片技术和组装线平台来实施较宽的传感器应用范围。
实施例还适用于其他传感器应用。例如，光学传感器也可以在传感器封装中具有端口或孔径并且从而受益于这里所公开的实施例。因此，这里所公开的压力感测实施例不是限制性的。
图1-7描绘了绝对压力传感器100的实施例的制造阶段。参照图1，传感器100包括具有至少一个压力感测器件104的传感器管芯102。每一个压力感测器件104包括空腔106和隔膜108。管芯102包括接合焊盘110以及可选地包括其他电器件，比如晶体管112、电阻器和/或电容器114。在这一阶段，传感器100可以与传统的传感器器件类似或相同。
然而在图2中，传感器100被修改成包括在晶片工艺期间制造的框架116。框架116通过产生保护感测元件104的活性隔膜结构的紧密结构而建立预先定义的压力端口118，如下面更详细讨论的那样。框架116可以包括聚合物或其他适当材料，并且压力端口118在实施例中可以包括聚合物并且（关于纸上附图的取向）具有处于大约100微米（μm）到大约500μm的范围中的垂直尺寸。在实施例中，用于压力端口118的制造工艺可以是用光敏环氧漆（lacquer）的晶片涂敷以及用于图案化所述压力端口结构的后续光刻步骤，但是在其他实施例中可以使用其他工艺。例如，在实施例中，所述压力端口材料包括聚合物并且可以通过光刻来图案化，其中在给定聚合物材料属性的情况下省略蚀刻工艺。在晶片级制备带有框架116的传感器100实现了将标准IC组装线和封装解决方案用于传感器100。
在图3中，传感器100被示出为管芯附着到引线框架120。引线框架120通过线接合122耦合到接合焊盘110。如本领域的技术人员认识到的那样，在其他实施例中可以使用其他耦合装置和机制。
图4描绘了模塑工艺的阶段。在图4A中，传感器100被描绘为处在模塑工具124内。模塑工具124包括用于模塑料的入口126和用于空气的出口128。在其他实施例中，入口126和出口128的位置和配置可以不同。具有框架116和预先定义的压力端口的实施例实现标准而非定制的模塑工具的使用。如图4中可以看见的那样，框架116的顶部在所述模塑工艺期间抵靠模塑工具124的内表面125密封，使得模塑料不能进入预先定义的压力端口118。在图4B中，模塑料130已被填充到模塑工具124中，从而包围并保护传感器100和接合线122同时使压力端口118处的芯片表面暴露。
图5描绘了移除模塑工具124的传感器100。传感器110现在被模塑料130包围或“封装”，其中压力端口118未被覆盖并且未被填充，使得可以将隔膜118暴露于周围环境。
图6描绘了传感器100的另一个实施例。在图6所描绘的实施例中，传感器100包括可选的封装盖132和可选的凝胶134。盖132可以由如本领域的一位技术人员所理解的典型覆盖材料（例如金属）形成，并且例如可以根据传感器100的应用或最终使用而被期望以产生用于将传感器100耦合到管道或其他结构的端口。在实施例中，可选的盖132被粘合或者通过其他方式适当地贴附到传感器100。例如当传感器100的应用尤其是要测量大气压力时可以省略盖132。
可选的凝胶134可以提供对压力感测器件104的保护免受外部介质、机械冲击等影响。传感器100的各种实施例可以包括可选的盖132和可选的凝胶134中的一者、二者或者二者都不包括。此外，具有多个压力感测器件104的传感器100的实施例可以在某些但不是所有压力感测器件104上包括可选的凝胶134。在实施例中，框架116和预先定义的压力端口118实现将框架116用作凝胶134的预先定义的界限。在某些实施例中，框架116可以为凝胶134提供单独的隔室或区域，如图6中所描绘的那样。
图7是上面所讨论的工艺的实施例的流程图。在150处，通过向传感器添加框架，在晶片级定义至少一个压力端口。还参照图2。然而所述端口不需要在每一个实施例中都是压力端口，因为所述工艺例如尤其适用于光学传感器和惯性传感器。在160处，所述传感器管芯附着到引线框架并且通过接合线或其他适当的耦合装置而耦合到所述引线框架。还参照图3。在170处，将传感器放置在标准模塑工具中，并且在180处用模塑料来填充所述模塑工具。还参照图4。在190处，从模塑工具中移除现在封装在模塑料中的传感器。还可以进行可选的后处理，包括将保护性凝胶放置在感测隔膜上和/或添加封装盖。还参照图6。
在实施例中，比如为压力传感器、光学传感器和其他传感器预先定义传感器端口的概念可以是灵活的，并且适应于不同的晶片技术。虽然表面微加工技术可以可应用于图1-6的实施例，但是在其他实施例中可以使用体微加工技术。参照图8，描绘了压力传感器200的另一个实施例。传感器200包括具有顶部晶片203和底部晶片205的传感器管芯202。顶部晶片203定义传感器隔膜部分208和空腔206，其中底部晶片205提供对空腔206的气密密封。顶部晶片203还包括压敏电阻器207和接合焊盘210。与上面讨论的传感器100类似，传感器200包括在制造期间隔离预先定义的压力端口218的框架216，从而实现使用标准的处理和封装方法以及模塑工具。封装在模塑料230中的传感器200还包括引线框架220和接合线222以及可选地包括封装盖232和保护性凝胶234。
传感器200使用压阻效应来感测压力。在实施例中，压敏电阻器207可以测量顶部晶片203的传感器隔膜部分208中的应力或应变。这种类型的传感器例如可以应用于轮胎压力监测系统（TPMS），但是传感器200也可能适于其他应用和使用。图8B是图8A的传感器200的顶视图，其中省略了可选的盖232和凝胶234。
图9中所描绘的传感器200的实施例与图8的实施例类似，但是包括两个芯片。在图9中，传感器200还包括专用集成电路（ASIC）管芯236。ASIC管芯236附着到引线框架220并且通过接合线222耦合到管芯202。如在其他实施例中的那样，盖232和凝胶234是可选的，并且在图9B的视图中省略。
如在这里所讨论的传感器100和200的实施例中可以看见的那样，在MEMS传感器器件的晶片级预先定义的端口的定义及使用实现了标准化的封装工艺和解决方案的使用，从而避免需要特殊的模塑工具并且从而提供较低成本的解决方案而同时不干扰传感器器件的功能或使用。实施例还在晶片技术以及产品和应用概念方面提供了增加的灵活性。虽然传感器100和200通常涉及绝对压力传感器，但是实施例还应用于相对或差分压力感测应用。
参照图10，描绘了相对压力传感器300的实施例。传感器300与图6的传感器100类似，但是被配置用于相对或差分压力感测应用。具体地，如本领域的一位技术人员所理解的那样，传感器300包括足够分离的至少两个预先定义的压力端口318a和318b以及感测器件304a和304b，使得可以确定相对压力。在图10的实施例中，传感器300可以包括可选的盖332，其可以将两个端口318a和318b的接口与封装连接，从而为每一个感测器件304a和304b提供可单独耦合的端口。图10B中的传感器300的顶视图省略了可选的凝胶334和封装盖332。
如在其他实施例中的那样，传感器300包括框架316，其提供一种使用标准封装工艺和组装线的成本有效方式。在相对压力传感器300的情况下，框架316还提供一种形成两个压力端口的简单方式，从而避免了在芯片表面的正面和背面的每一个上形成压力端口的传统方法。除了其他应用和使用，相对或差分压力传感器300例如可以应用于测量过滤器两端的压力降。
参照图11，描绘了相对压力传感器300的另一个实施例。图11的传感器300与图10的传感器300类似，包括至少两个分离的压力端口318a和318b，但是不同在于包括压敏电阻器307，这与图8的传感器200类似。在这里一直使用类似的附图标记来指代各种实施例中的类似特征，比如这里在图8和11中第一数字根据传感器200或传感器300而不同。如在其他实施例中的那样，盖332和凝胶334是可选的并且在图11A中示出，但是从图11B中被省略。
参照图12，描绘了具有预先定义的压力端口的已封装的惯性传感器400的实施例。惯性传感器400包括具有至少一个压力感测器件404的传感器管芯402。如在上面讨论的其他传感器实施例中的那样，惯性传感器400可以包括多个压力感测器件404。每一个压力感测器件404包括空腔406和传感器隔膜408。传感器管芯402还包括多个接合焊盘410，并且在实施例中可以包括可选的电器件，比如晶体管412、电阻器和/或电容器414。框架416被用来在模塑料封装形成阶段期间预先定义压力端口418。
在实施例中，传感器400可以通过用比如保护性凝胶434或其他适当介质之类的材料来填充压力端口418的仅仅一侧而被配置成惯性传感器。因此，凝胶434覆盖仅仅一个感测元件404a并且充当惯性质量，从而在处于惯性负载下的感测元件404a上导致等效的“惯性”压力负载。通过对被覆盖（404a）与未被覆盖（404b）的传感器器件之间的差分信号进行信号处理，可以独立于任何所施加的压力负载来感测所述惯性负载。这是由于以下事实所致：在差分模式下，在被覆盖和未被覆盖的器件上的物理压力负载是相等的，并且因此通过差分信号处理而被消除。因为被覆盖和未被覆盖的感测元件404a和404b上的不同惯性质量，所以只有所述惯性负载导致非零的差分信号。在各种实施例中可以通过修改填充材料434的类型或数量来调节所述惯性质量以及因此传感器400的惯性传感器灵敏度，例如通过使用嵌有铜或金的颗粒的凝胶来提供具有高质量的柔性填充材料。
如本领域的一位技术人员所理解的那样，在一个实施例中，通过利用被覆盖和未被覆盖的传感器器件的相加信号在差分模式和标准模式下进行信号处理，可以在单个管芯上组合压力和惯性传感器特征。这提供针对多种传感器应用和使用的高度灵活性，而降低设计工作量、制造复杂度以及总体器件成本。
因此，实施例涉及用于IC传感器的封装和封装方法。具体地，实施例可以提供针对MEMS压力传感器的标准化的且低成本的封装解决方案，从而改进介质相容性并且覆盖较宽的传感器应用范围。至少部分地通过在组装之前的晶片级工艺中预先定义用于压力感测元件的压力端口，使组装线中的标准化封装及封装方法和工艺成为可能，从而实现标准封装解决方案、模塑工具以及组装线和工艺的使用。在至少一个实施例中，这是通过在晶片级实施将预先定义的压力端口密封到模塑工具从而防止模塑料进入压力端口的框架结构而实现的。
其他实施例涉及其他类型的传感器，包括相对或差分压力传感器、惯性传感器及其组合，比如具有绝对压力传感器和惯性传感器二者的单个传感器管芯。此外，还可以在单个传感器器件中组合多个单一类型的传感器。该灵活性提供可以用共同的晶片技术和组装线平台来实施的较宽传感器应用范围。
在这里公开了系统、器件和方法的各种实施例。这些实施例仅通过示例的方式给出，而不意图限制本发明的范围。此外还应当认识到，可以按照各种方式组合所描述的实施例的各项特征以产生许多附加实施例。此外，虽然描述了用于与所公开的实施例一起使用的各种材料、尺寸、形状、植入位置等等，但是在不超出本发明的范围的情况下可以利用除了所公开的那些之外的其他物。
相关领域内的普通技术人员将认识到，本发明可以包括比上面描述的任何个别实施例中所示出的更少的特征。这里所描述的实施例不想要穷举出本发明的各项特征可能组合的方式。因此，各实施例不是互斥的特征组合；相反，如本领域的普通技术人员所理解的那样，本发明可以包括从不同的个别实施例中选择的不同的个别特征的组合。
上面通过引用文档的任何合并都被限制成使得不合并与这里的明确公开相反的主题。上面通过引用文档的任何合并还被限制成使得在这里通过引用不合并在所述文档中包括的权利要求。上面通过引用文档的任何合并还进一步被限制成使得在这里通过引用不合并在所述文档中提供的任何定义，除非在这里明确包括。
为了解释本发明的权利要求，除非在权利要求中引述了具体术语“用于…的装置”或“用于…的步骤”，否则明确意图不要援引35 U.S.C.的第112节第6段的规定。

Claims (25)

1.一种集成电路（IC）传感器器件，包括：
至少一个感测元件；
在晶片级围绕所述至少一个感测元件布置的构架元件；以及
具有由所述构架元件在所述晶片级预先定义的至少一个端口的封装，所述至少一个端口被配置成将所述至少一个感测元件的至少一部分暴露于周围环境。
2.权利要求1的IC传感器器件，还包括：
基本上被所述封装包围的至少一个接合焊盘；
基本上被所述封装包围的传感器管芯；以及
耦合到所述传感器管芯并且耦合到所述至少一个接合焊盘的引线框架。
3.权利要求2的IC传感器器件，其中所述引线框架通过线接合而耦合到所述至少一个接合焊盘。
4.权利要求2的IC传感器器件，还包括耦合到所述引线框架的专用IC（ASIC）。
5.权利要求1的IC传感器器件，其中所述构架元件包括聚合物。
6.权利要求1的IC传感器器件，其中所述压力端口的深度处在大约100微米到大约500微米的范围中。
7.权利要求1的IC传感器器件，还包括耦合到所述封装的至少一个表面的封装盖。
8.权利要求1的IC传感器器件，还包括在所述至少一个端口中施加在所述至少一个感测元件上的材料层。
9.权利要求8的IC传感器器件，其中所述材料层是凝胶。
10.权利要求1的IC传感器器件，其中所述至少一个感测元件包括隔膜和空腔。
11.权利要求1的IC传感器器件，其中所述至少一个感测元件包括压敏电阻元件。
12.权利要求1的IC传感器器件，包括：
第一构架元件，围绕第一感测元件布置以在所述封装的第一侧定义第一端口；以及
第二构架元件，围绕第二感测元件布置以在所述封装的第一侧定义与第一端口间隔开的第二端口，所述第一和第二感测元件形成差分传感器。
13.权利要求1的IC传感器器件，其中围绕第一和第二感测元件布置所述构架元件，并且其中在所述至少一个端口的一部分中将材料层施加在第一感测元件上以形成惯性传感器。
14.权利要求1的IC传感器器件，其中所述传感器器件包括压力传感器或光学传感器中的一个。
15.一种方法，包括：
在晶片级工艺中，在集成电路（IC）传感器上预先定义端口；
将所述IC传感器放置在模塑工具中；
用模塑料来填充所述模塑工具，其中将所述端口与所述模塑料隔离；以及
从所述模塑工具中移除所述IC传感器。
16.权利要求15的方法，其中预先定义包括：
通过以下操作在所述IC传感器上形成框架：
    用环氧漆来涂敷晶片，以及
    使用光刻来图案化所述框架。
17.权利要求16的方法，其中填充还包括通过所述框架将所述端口与所述模塑料隔离。
18.权利要求15的方法，其中所述模塑工具包括标准模塑工具。
19.权利要求15的方法，还包括以下操作中的至少一个：
在所述模塑料上形成盖；或者
用凝胶来填充所述端口。
20.一种微机电系统（MEMS）压力传感器，包括：
传感器管芯，包括至少一个感测元件，所述至少一个感测元件包括可移动隔膜和空腔；以及
传感器封装，基本上包围所述传感器管芯并且包括至少一个端口，所述至少一个端口由在晶片级工艺期间形成在所述传感器管芯上的框架定义并且相对于所述至少一个感测元件被布置成使得所述至少一个感测元件暴露于周围环境。
21.权利要求20的MEMS压力传感器，还包括耦合到所述传感器管芯的引线框架。
22.权利要求20的MEMS压力传感器，其中所述压力传感器是从由以下各项组成的组中选择的：绝对压力传感器；压阻效应压力传感器；相对压力传感器；以及惯性传感器。
23.权利要求20的MEMS压力传感器，其中所述至少一个端口被形成在所述传感器封装的第一表面上，并且其中所述框架的顶部与所述第一表面在同一平面上。
24.权利要求20的MEMS压力传感器，其中所述传感器封装包括模塑料。
25.权利要求20的MEMS压力传感器，其中所述框架包括聚合物材料。
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