CN103545332B - 传感器模块以及包括传感器模块的装置的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种传感器模块以及包括传感器模块的装置的制造方法。该传感器模块包括封装，所述封装包括：具有第一功能层的第一衬底；具有第二功能层的第二衬底，其中所述第二功能层与所述第一功能层相对；位于至少一个功能层中的至少一个传感器；以及包括用来对准第一和第二功能层的焊点的系统，其中至少一些焊点是虚焊点。
Description
本申请是申请号为200680024629.3（国际申请号：PCT/IB2006/051313）、申请日为2006年4月27日、发明名称为“包括传感器模块的装置”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种包括传感器模块的装置，并且也涉及一种传感器模块及制造该传感器模块和该装置的方法。
背景技术
这样的装置的示例是便携式电脑和诸如移动电话、个人数字助理(personal digital assistants)、数码摄像机和全球定位系统之类的小型掌上电子装置，和诸如航空器、汽车、摩托艇、踏板车(scooters)、机动脚踏两用车(mopeds)和自行车之类的大型运输设备。这样的传感器模块的示例是用于测量磁场、电场和重力场的传感器模块。
现有技术的装置如US6,836,971B1中公知的那样，该专利公开了一种具有传感器模块的系统，所述传感器模块包括第一传感器（倾斜传感器）和第二传感器（磁性传感器）。
根据第一种选择，第一和第二传感器彼此分离地制造。另外，具有包括第一传感器的第一功能层的第一衬底包括位于第一封装内，并且具有包括第二传感器的第二功能层的第二衬底包括位于第二封装内。之后，例如通过将两个封装安装到同一个印刷电路板上来将两个封装彼此连接，这样的工艺步骤会在两个封装的定位和定向中导致一定的公差。因此，由于两个独立的传感器需要两种功能不同的校准，因此第一种选择可能是一种昂贵的选择。需要注意的是装置成本包括制造成本、封装成本以及测试和校准成本，两个独立校准的总成本使得现有技术中的装置相对比较昂贵。
根据第二种选择，第一和第二传感器一起制造。另外，这里还存在几种可能的情况。可以将包括两个独立传感器的两个独立芯片组合在在共同的引线框上，这会在两个芯片定位和定向中导致公差。可选地，CMOS后端集成或后端处理工艺可以用来组合传感器功能。而对特定类型的传感器，例如磁阻传感器，CMOS后端集成是非常困难的，这是由于材料和工艺不兼容导致的。因此，这种选择是另外一种成本昂贵的选择。因为要求较大的功能面积，由于要求较大的原始衬底面积的事实，使用后端处理的可选方法（也就是CMOS后端集成）是另一种昂贵的选择。这种困难且复杂的工艺和具有较大功能面积的较大原始衬底面积使这种现有装置在制造期间相对比较昂贵。
已知的装置是不利的，特别地由于其相对比较昂贵的事实。
发明内容
特别地，本发明的一个目标是提供一种相对低成本的装置，所述装置包括相对低成本的传感器模块。
特别地，本发明另外的目的是提供一种相对低成本的传感器模块，及用于制造相对低成本的传感器模块和相对低成本的装置的方法。
根据本发明的装置包括传感器模块，所述传感器模块包括封装，所述封装包括：
具有第一功能层的第一衬底；
具有第二功能层的第二衬底；
位于至少一个功能层中的至少一个传感器；以及
包括用来对准第一和第二功能层的焊点的系统。
通过提供根据本发明的装置，其具有传感器模块，该传感器模块包括两个独立衬底和至少一个传感器模块，其中每个衬底包括它自身的功能层，所述传感器模块还具有位于至少一个功能层中的至少一个传感器，并通过引入用来对准多个功能层的焊点的系统，从而使两个衬底的结合位于一个封装内，制造了包括相对低成本传感器模块的的相对低成本装置。
例如，焊点除了它们的电连接功能和/或它们的机械连接功能之外，还具有对准功能，通过给出焊点，可以在装置校准的过程中将校准程序进行简化，并且可以将单一的、共同的坐标框架用于传感器模块中的一个或多个传感器。该对准功能是基于可以引入现有的、具有小公差的焊点。
特别地，根据本发明的装置另外有利的是：与使用两个独立封装相比，可以节省一个封装，并且与共同的引线框架结构和后端处理结构相比，可以获得一种成本低廉的解决方法。
位于至少一个功能层中至少一个传感器包括这样一种选择：一个传感器完全位于第一功能层内、一个传感器完全位于第二功能层内、一个传感器部分地位于第一功能层内并且部分地位于第二功能层内、两个传感器一起位于功能层的一个中、以及两个传感器独立地位于不同的功能层内，不排除更多的选择。
传感器模块可以包括一个或多个额外的封装，所述封装可以包括一个或多个额外的衬底，第一和第二衬底的每一个可以包括额外的功能层，第一和第二功能层每一个可以包括额外的传感器，并且焊点除了对准第一和第二功能层外可以具有额外的功能，在不脱离本发明的范围的情况下。
根据本发明的装置的一个实施例，该系统包括第一数量的焊点，用来使功能层彼此通过第一键合元件进行电和机械连接。在这种情况下，例如，第一功能层位于第一衬底之下，第二薄膜位于第二衬底之上，并且一对第一键合元件中的每个焊点位于第一功能层之下和第二功能层之上，采用焊点来连接这对第一键合元件。
根据本发明的装置的一个实施例，其中第一数量的焊点大于第一或第二衬底的转角数量。一般情况下，第一和第二衬底为具有四个转角的正方形或矩形衬底。那么，为了实现机械稳定，需要在第一和第二功能层之间采用四个焊点。通过使用等于五个或更多的第一数量的焊点，换句话说通过引入机械的虚焊点，可以使功能层对准的更精确。
根据本发明的装置的一个实施例，其中第一数量的焊点大于在第一和第二功能层之间交换的不同的第一电信号的数量。通常，在第一和第二功能层之间交换的不同的第一电信号的数量包括接地信号、电源信号和一个或更多电传感信号。那么，为了实现电通信，需要在第一和第二功能层之间使用与第一电信号数量相同数量的焊点。通过使用第一数量大于第一电信号数量的焊点，换句话说，通过引入电的虚焊点，可以实现功能层的更精确对准。
根据本发明的装置的一个实施例，其中所述系统包括第三衬底，该衬底具有第三功能层和第二数量的焊点以及第三数量的焊点，第二数量的焊点用来使第一和第三功能层彼此经由第二键合元件进行电和机械连接，第三数量的焊点用来使第二和第三功能层彼此经由第三键合元件进行电和机械连接。在这种情况下，例如，第一功能层位于第一衬底之下，第二功能层位于第二衬底之下，第三功能层位于第三衬底之上，并且一对第三键合元件位于第二功能层之下和第三功能层之上，采用焊点来连接这对第三键合元件。
根据本发明的装置的一个实施例，其中第二数量的焊点大于第一衬底的转角数量，并且第三数量的焊点大于第二衬底的转角数量。通过引入机械的虚焊点，可以实现功能层的更精确对准。
根据本发明的装置的一个实施例，其中第二数量的焊点大于在第一和第三功能层之间交换的不同的第二电信号的数量，并且第三数量的焊点大于在第二和第三功能层之间交换的不同的第三电信号的数量。通过引入电的虚焊点，可以实现功能层的更精确对准。
根据本发明的装置的实施例，其中至少一个传感器包括磁力计。
根据本发明的装置的实施例，其中至少一个传感器包括至少一维传感器，用来感测沿至少一个方向上的场。
根据本发明的装置的实施例，其中至少一个传感器包括第一传感器和第二传感器，该第一传感器包括磁力计，该第二传感器包括另一个磁力计。
根据本发明的装置的一个实施例，其中至少一个传感器包括第一传感器和第二传感器，该第一传感器包括至少一维传感器，用来感测沿至少一个方向上的场，该第二传感器包括至少一维传感器，用来感测沿至少一个方向上的场。
根据本发明的装置的实施例，其中第一传感器包括磁力计，第二传感器包括加速仪。对于传感器的这种组合，本发明非常有利，也不排除另外的组合。
根据本发明的装置的实施例，其中至少一个传感器包括第一传感器和第二传感器，该第一传感器包括至少二维传感器，用来感测沿至少两个方向上的场，该第二传感器包括至少二维传感器，用来感测沿至少两个方向上的场。对于传感器的这种组合，本发明非常有利，也不排除另外的组合。
根据本发明的装置的实施例，其中至少一个功能层包括电路，该电路用来处理从至少一个传感器产生的电传感信号。第一功能层和/或第二功能层和/或第三功能层可以包括这种电路，以增加功能层的面积利用效率。电传感信号的处理可以包括模拟数字转换和/或温度补偿和/或放大和/或计算，也不排除另外处理方式。
根据本发明的传感器模块的实施例和根据本发明的方法的实施例对应于根据本发明的装置的实施例。
本发明基于以下理解，特别地，基于独立校准和/或困难且复杂的工艺而导致现有技术的装置相对昂贵，并且本发明基于一个基本思想，特别地，传感器模块应该包括具有两个或更多衬底的封装，每个衬底具有功能层，至少一个功能层包括至少一个传感器，通过采用焊点来使功能层对准。
本发明解决了这样的问题，特别地，提供了一种成本低廉且紧凑的装置，该装置包括一种成本低廉且紧凑的传感器模块，特别是与采用两个独立封装相比，节省了一个封装，因此更加具有优势，并且与共同的引线框架结构和后端处理结构相比，可以获得一种成本低廉的解决方法。
本发明的这些方面和其他方面将是很显然的，并参考下面描述的实施例加以详细说明。
附图说明
图1为现有技术传感器模块的第一实施例的截面图；
图2为现有技术传感器模块的第二实施例的截面图；
图3为本发明的传感器模块的第一实施例的截面图；
图4为本发明的传感器模块的第二实施例的截面图；
图5为本发明的装置的第一实施例的示意图；以及
图6为本发明的装置的第二实施例的示意图。
具体实施方式
图1中的截面图表示了现有技术传感器模块的第一实施例，包括具有第一功能层60的第一衬底50和具有第二功能层61的第二衬底51。功能层60、61中的至少一个包括未示出的传感器。两个衬底都位于共同引线框52上。功能层60、61上的键合元件62连接到引线63来与未示出的其他电路电连接，并且键合元件62连接到引线64来实现功能层60、61之间的电连接。
图2中的截面图表示了现有技术传感器模块的第二实施例，包括具有第一功能层71的第一衬底70。通过后端处理工艺，附加层72位于功能层71上。在图2中给出了传感器73的示例，该传感器位于附加层72上。位于功能层71上的键合元件74同时通过附加层72连接到传感器73，这样来实现第一功能层71和传感器73之间的电连接，并且键合元件74连接到引线75来与这里未示出的电路电连接。
为了制造一个符合图1和图2的包括至少一个传感器的传感器模块，或者得到的模块相对较大，或者要采用困难且复杂的工艺。后者的工艺相对昂贵，其结果是，这些现有技术的传感器模块是相对比较昂贵的模块。
根据本发明，提供了一种价格低廉、紧凑的装置，该装置包括一种价格低廉、紧凑的传感器模块。这种价格低廉的传感器模块的两个实施例通过图3和图4表示。
图3的截面图（第一选择）表示了根据本发明的传感器模块的第一实施例，该实施例公开了包括封装3的传感器模块2。该封装3包括具有第一功能层14的第一衬底4。该封装3包括具有第二功能层15的第二衬底5。功能层14、15的其中之一包括未示出的传感器，而另一个功能14、15包括有源硅，所述有源硅在某种程度上提供一个特定用途集成电路（ASIC）功能。第一数量的焊点7、8经由第一键合元件31连接到两个功能层14、15，其他键合元件连接到引线41来与未示出的电路电连接。
公开了一种功能层的单片集成方法，该功能层包括至少一维传感器，用来感测沿至少一个方向上的场，该传感器具有一个特定用途集成电路（ASIC），该特定用途集成电路（ASIC）用作该传感器的信号检验和处理单元。该传感器衬底可以用作传感器模块的相对低成本的支撑衬底。可以将诸如电阻器、电容器或电感器之类的简单分立器件集成到支撑衬底上。这种方法完全适用于基于磁阻效应的集成磁性传感器，即各向异性磁阻（AMR）和巨磁阻（GMR）传感器。可以提供针对传感器的额外的测试垫，用来在制造过程中测试和磁性初始化。特定用途集成电路（ASIC）功能包括信号检验（例如放大，稳定和场补偿，偏移取消）和包含模拟数字转换的信号处理。对于磁性传感器，场补偿和设置/复位跳转技术被经常采用。
图3的截面图（第二选择）表示了根据本发明的传感器模块的第一实施例，该实施例公开了包括封装3的传感器模块2，该封装3包括具有第一功能层14的第一衬底4，功能层14包括传在图3中未示出但是在后面的图5和图6中示出的感器24，。封装3包括具有第二功能层15的第二衬底5，功能层15包括在图3中未示出但是在后面的图5和图6中示出的传感器25。第一数量的焊点7、8经由第一键合元件31连接到两个功能层14、15。其他键合元件连接到引线41来与在图3中未示出但是在图5和图6中示出的电路电连接。
图4的截面图表示了根据本发明的传感器模块的第二实施例，该实施例公开了包括封装3的传感器模块2。该封装3包括具有第一功能层14的第一衬底4，功能层14包括在图4中未示出但是在后面的图5和图6中示出的传感器24。该封装3还包括具有第二功能层15的第二衬底5，功能层15包括图4中未示出但是在后面的图5和图6中示出的传感器25。该封装3还包括具有第三功能层16的第三衬底6。第二数量的焊点9、10经由第二键合元件32连接到第一和第三功能层14、16。第三数量的焊点11、12经由第三键合元件33连接到第二和第三功能层15、16。其他键合元件连接到引线42来与图4中未示出但是在图5和图6中示出的电路电连接。
焊点7-12的采用是比较简单的，并且因此属于价格低廉的技术。此外，还可以使传感器模块进一步小型化。通常，焊点7-12对准第一和第二功能层14、15。更特别地，焊点7、8直接对准第一和第二功能层14、15，焊点9-12经由第三功能层16间接对准第一和第二功能层14、15。通过提供这些焊点7-12，例如除了它们的电连接功能和/或它们的机械连接功能外，还可以提供对准功能，在校准两个传感器时只需进行一次校准。其结果是，根据本发明的传感器模块2价格相对低廉。该对准功能是基于可以引入现有的、具有小公差的多个焊点。
在两个衬底的情况下，提供两个功能层，这两个功能层具有相对的、可焊接的相互连接垫，提供衬底之一，该衬底具有焊点，优选的焊点由高表面张力的焊料构成，例如包括高锡（Sn）成分的焊料。在回流工艺中，在两个衬底之间实现连接，这两个衬底在初始状态时对准不准确。但在回流工艺中，由于表面能要最小化，焊点的自由表面被最小化；只要提供适宜的工艺条件，就会实现衬底之间的精确对准。计算实例表明，当采用一对焊点时，甚至可以达到亚微米（sub-micron）的精确度。而且不但可以实现在XY平面内的平移对准，也可以实现在XY平面内的旋转和在平面之外的旋转对准。
第一数量的焊点7、8优选大于第一衬底4或第二衬底5的转角数量。通常，第一和第二衬底4、5为具有四个转角的正方形或矩形衬底，那么，为了实现机械稳定，需要在第一和第二功能层之间采用四个焊点。通过采用等于五个或更多的第一数量的焊点，即通过引入机械的虚焊点，可以使功能层14、15之间实现更精确的对准。通常，“对称的”焊点图案可以在所有“方向”上提供精确的对准。类似地，第二数量的焊点9、10优选地大于第一衬底4的转角数量，并且第三数量的焊点11、12优选地大于第二衬底5的转角数量。
第一数量的焊点7、8优选地大于在第一和第二功能层14、15之间交换的不同的第一电信号的数量。通常，在第一和第二功能层14、15之间交换的不同的第一电信号的数量包括接地信号、电源信号和一个或更多电传感信号。那么，为了实现电通信，需要在第一和第二功能层14、15之间使用与第一电信号数量相同数量的焊点。通过使用第一数量大于第一电信号数量的焊点，即通过引入电的虚焊点，可以使功能层14、15之间实现更精确的对准。类似地，第二数量的焊点9、10优选地大于在第一和第三功能层14、16之间交换的不同的第二电信号的数量，并且第三数量的焊点11、12优选地大于在第二和第三功能层15、16之间交换的不同的第三电信号的数量。
因此，通过增加焊点的数量，优选地采用“对称的”图案，那么功能层的对准程度可以提高，但是芯片面积的有效利用率会降低，而且成本会提高。因此，需要寻找最优化的数量。该最优化这依赖于对准精确度的需求和/或有效利用的需求和/或成本。
在图4中，第三衬底6是第一和第二衬底4、5的载体。在图3中第一和第二衬底4、5其中之一是另一个的载体。基于本领域公知的焊接工艺，采用倒装芯片技术将两层衬底4、5、6彼此安装到上面。
根据本发明的装置的第一实施例通过图5的示意图表示，该实施例公开了包括传感器模块2的装置1。例如，传感器模块2包括第一传感器24和第二传感器25，第一传感器24通过本领域公知的CMOS或薄膜集成技术在第一功能层14中实现，第二传感器25通过本领域公知的CMOS或薄膜集成技术在第二功能层15中实现。第一传感器24经由第一处理电路26连接到第二处理电路27中，以及第二传感器25直接连接到第二处理电路27中。第二处理电路27进一步连接到人机交互界面电路（man-machine-interface-circuitry）28或人机界面电路（mmi-circuitry）28。第一处理电路26例如包括放大电路和/或补偿电路和/或转换电路，第二处理电路27例如包括运算电路，并不排除更多的电路。
根据本发明的装置的第二实施例通过图6的示意图表示，该实施例公开了与图5相似的包括传感器模块2的装置1，不同的是现在传感器模块2还包括电路26、27。另外，电路26、27例如通过本领域公知的CMOS或薄膜集成技术在第一和/或第二和/或第三功能层14、15、16中实现。
传感器（24，25）中的任何一个可以包括磁场传感器、电场传感器或重力场传感器。该传感器包括一个用来感测场的至少一维传感器。传感器的示例包括磁阻传感器、霍耳效应（Hall-effect）传感器、加速仪、陀螺仪（gyroscopes）等等。
第一传感器24例如包括第一磁力计，第二传感器25例如包括第二磁力计，磁力计通过本领域公知的磁阻元件来实现，不排除更多的组合和实现方式。
第一传感器24例如包括至少一维传感器，用来感测沿至少一个方向上的场并通过本领域公知的磁阻元件来实现，第二传感器例如包括至少一维传感器，用来感测至少一个方向上的场并通过本领域公知的磁阻元件来实现，不排除更多的组合和实现方式。两个传感器彼此成90度（在平面内）功能性对准。
需要说明的是，采用相对少数量的焊点，可以得到的两个传感器的典型的安装精确度为0.1度。因此为了机械稳定或电激活传感器，只需要增加很少的虚焊点。
第一传感器24例如包括第一磁力计，该磁力计通过本领域公知的磁阻元件来实现，第二传感器25例如包括第二磁力计，该磁力计通过本领域公知的霍耳效应元件来实现，不排除更多的组合和实现方式。
第一传感器24例如包括至少一维传感器，用来感测至少一个方向上的场并通过本领域公知的磁阻元件来实现，第二传感器例如包括至少一维传感器，用来感测至少一个方向上的场并通过本领域公知的霍耳效应元件来实现，不排除更多的组合和实现方式。两个传感器彼此成90度（在平面外）功能性对准。
需要说明的是，采用相对少数量的焊点，可以得到的两个传感器的典型的安装精确度为0.1度。因此为了机械稳定或电激活传感器，只需要增加很少的虚焊点。
第一传感器24例如包括磁力计，该磁力计通过本领域公知的磁阻元件来实现，第二传感器25例如包括加速仪，该加速仪通过本领域公知的微机电系统（micro-electromechanical system,MEMS）来实现，不排除更多的组合和实现方式。
第一传感器24例如包括至少二维传感器，用来感测至少两个方向上的场并通过本领域公知的磁阻元件来实现，第二传感器例如包括至少二维传感器，用来感测至少两个方向上的场并通过本领域公知的微机电系统（micro-electromechanical system,MEMS）来实现，不排除更多的组合和实现方式。
需要说明的是，采用相对少数量的焊点，可以得到的两个传感器的典型的安装精确度为0.1度。因此为了机械稳定或电激活传感器，只需要增加很少的虚焊点。实际上，采用本发明的方法的结果是对准的足够精确，所以为了校准和应用，两个传感器的坐标框架能够作为单一的、共同的坐标框架对待。事实上，不必校准两个传感器的坐标框架之间的错位，因此降低了复杂性，结果是可以获得价格低廉且紧凑的传感器模块。
功能层可以包括任何专用的传感器技术，可以包括“薄膜”，在此不限制其方式。以CMOS工艺制造的装置也包括如霍耳传感器。功能层可以包括硅晶片（CMOS前端，即晶体管）的有源部分，也可以包括CMOS后端（如为了兼容性而以CMOS后端类技术制造的许多加速仪）。
需要说明的是上面描述的实施例并不作为对本发明的限制，本领域技术人员能够设计出多种可供选择的实例，都不会偏离本发明权利要求的保护范围。在权利要求中，括号内的任何参考标记都不构成对权利要求的限制。采用动词“包括”及其变形并不排除存在未描述在权利要求中的元件或步骤。元件之前冠词的使用并不排除存在多个这样的元件。在装置权利要求中列举几种方式，这些方式中的几个可以通过一个和相同的硬件项目来实施。某些方法在相互不同的权利要求中描述，这并不表示这些方法的结合不能被优先采用。
Claims (4)
1.一种传感器模块，包括封装，所述封装包括：
具有第一功能层的第一衬底，所述第一功能层设置有至少一个传感器；
具有第二功能层的第二衬底，其中所述第二功能层与所述第一功能层相对，所述第二功能层设置有至少一个传感器；以及
包括用来对准第一和第二功能层的焊点的系统，其中至少一些焊点是虚焊点。
2.根据权利要求1所述的传感器模块，其中所述焊点直接将所述第一功能层和所述第二功能层对准。
3.根据权利要求1所述的传感器模块，其中所述焊点提供XY平面内的平移对准、在XY平面内的旋转对准和在平面之外的旋转对准。
4.一种包括传感器模块的装置的制造方法，所述传感器模块包括封装，所述封装包括：
具有第一功能层的第一衬底，其中，所述第一功能层设置有至少一个传感器；
具有第二功能层的第二衬底，其中所述第二功能层与所述第一功能层相对，所述第二功能层设置有至少一个传感器；以及
包括用来对准第一和第二功能层的焊点的系统，其中至少一些焊点是虚焊点，
所述方法包括：
将所述传感器模块连接到所述装置的步骤。
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