CN104627951A - 微机械传感器设备 - Google Patents

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Abstract

一种微机械传感器设备(100)，其具有：一个未经封装的第一传感器装置(10)；和至少一个未经封装的第二传感器装置(20)，其中，所述传感器装置(10、20)相互在功能上连接，其中，所述传感器装置(10、20)基本上垂直地如此相叠地设置，使得在基面方面较大的传感器装置(10)完全覆盖在基面方面较小的传感器装置(20)。

Description

微机械传感器设备
技术领域
本发明涉及一种微机械传感器设备。本发明还涉及一种用于制造微机械传感器设备的方法。
背景技术
用于测量加速度、转速和磁场的微机械传感器是已知的并且制造用于在汽车和大规模生产的消费者领域中的不同应用。传统地在消费领域中还主要由以三轴加速度传感器、三轴转速传感器和三轴磁场传感器形式的分离的传感器模块示出不同的传感参量，然而具有朝系统集成方向的趋势，也就是说6D元件作为罗盘模块(加速度和磁场的测量)或IMU(英语：惯性测量单元，加速度和转速的测量)的或9D元件(加速度和转速和磁场的测量)的实现。
在现有技术中通常在一个塑料壳体(例如LGA、BGA、QFN)中安装用于不同测量参量的多个芯片作为所谓的系统级封装(SiP)。所述系统具有不同的分离的芯片，它们借助于引线键合连接或通过焊球在功能上连接。
替代地，微机电系统(MEMS)和专用集成电路(ASIC)芯片已经可以垂直集成到晶片层面上。垂直集成在此表示MEMS和在复合体中的ASIC晶片的接合，其中，建立在MEMS功能元件与ASIC之间的电接触。用于垂直集成方法的例子例如在：文献US 7 250 353 B2、US 7 442 570 B2、US2010 0109102 A1、US 2011 0049652 A1、US 2011 0012247 A1、US 20120049299 A1和DE 10 2007 048604A1中描述。
除塑料封装以外，也已知所谓的“裸片”系统，其中，硅芯片直接通过焊球焊接到应用电路板上。因为在这些系统中省去了塑封再封装，这些传感器的突出之处在于特别小的基面(英语：footprints(表面区域))。MEMS惯性传感器的裸片构造是已知的。在这样的常规加速度传感器和转速传感器中，ASIC——其面积显著小于MEMS元件的面积——通过小的焊球与MEMS元件连接。MEMS元件包括再接线层面(英语：再分布层)，该再接线层面实现了灵活的接线并且为了外部接通可以设有大的焊球，所述焊球的高度超过ASIC厚度加上小的焊球的厚度。相应的传感器设备例如在文献US 2012 0119312 A1中描述，其中，一个MEMS元件分别与一个ASIC构件连接，根据参量比例或者MEMS构件或者ASIC构件设有外部触点。
对于磁传感机构应用不同的物理原理和测量方法，例如磁阻层(AMR、GMR)的阻性测量、在软磁材料(磁通门或翻转芯(Flipcore)原理)中电感的测量或霍尔效应的利用。所述技术解决方案中的多个需要施加附加的磁层或磁阻层并且因此提高制造过程的复杂性和成本。尤其常见的是以下方法：在所述方法中直接在CMOS-ASIC上施加磁层或磁阻层。
日益地也使得传感器模块“更智能”，这意味着，进行传感器数据的更强的预处理，以便由此例如计算四元数并且将这些已经预处理的信息向外提供到应用上。对此需要附加的微控制器功能，其中，微控制器原理上可以共同集成或单独应用在传感器ASIC中。
发明内容
本发明的任务在于，提供改进的高度集成的微机械传感器。
根据第一方面，该任务借助微机械传感器设备解决，该微机械传感器设备具有：
一个未经封装的第一传感器装置；和
至少一个未经封装的第二传感器装置，其中，所述传感器装置相互在功能上连接，其中，传感器装置基本上垂直地如此相叠地设置，使得在基面方面较大的传感器装置完全覆盖在基面方面较小的传感器装置。
根据第二方面，该任务借助用于制造微机械传感器设备的方法解决，该方法具有以下步骤：
构造未经封装的第一传感器装置；
构造至少一个未经封装的第二传感器装置；
在功能上连接两个传感器装置；以及
如此相互垂直设置所述两个传感器装置，使得所述两个传感器装置基本上垂直地如此相叠地设置，使得在基面方面较大的传感器装置完全覆盖在基面方面较小的传感器装置。
有利地，根据本发明的传感器设备需要在应用电路板上的小的空间需求。此外基于以下事实可以对于传感器设备实现非常高的集成化程度：裸片方案在没有任何再封装的情况下应用。对于以下情况按照根据本发明的方案多个第二传感器装置连同第一传感器装置可实现为传感器设备：第一传感器装置具有大的面积需求。
根据本发明的设备和根据本发明的方法的优选实施方式是从属权利要求的主题。
根据本发明的传感器设备的一个优选实施方式的突出之处在于，传感器装置借助于第一焊球相互在功能上连接，其中，传感器设备借助于第二焊球向外可接通。通过这种方式实现了倒装芯片方案，借助该方案能够实现传感器设备的可靠和成本有利的电接通。
根据本发明的传感器设备的另一优选实施方式的突出之处在于，第一传感器装置包括MEMS结构和ASIC(专用集成电路)晶片。通过这种方式，按照根据本发明的方案实现一种惯性传感器，分析处理电路固定在该惯性传感器的ASIC晶片上。
根据本发明的传感器设备的另一优选实施方式设定，能够导电的键合连接构造在两个传感器装置之间，其中，电覆镀通孔(Durchkontaktierung)构造在ASIC晶片中，其中，两个传感器装置借助于键合连接和覆镀通孔可相互电接通。通过这种方式以ASIC晶片提供用于MEMS元件的封装。能够导电的键合连接具有两个功能：一方面其提供用于传感器设备的密封性并且另一方面其实现了传感器装置之间的电连接。
根据本发明的传感器设备的另一有利的扩展方案设定，ASIC晶片还具有电再接线装置。通过这种方式提供以下可能性：实现灵活的电连线并且安装焊球，借助于焊球在应用电路板上接通整个传感器设备。
根据本发明的传感器设备的另一优选实施方式设定，第二传感器装置具有来自以下的至少一个：磁传感器、ASIC芯片、无线电模块、微控制器。通过这种方式可以有利地实现多种传感器方案，其可以检测并且处理多个不同的物理测量参量。
根据本发明的传感器设备的另一优选实施方式设定，第一传感器装置是9D传感器。通过这种方式可以在第一传感器装置中有利地已经集成磁传感机构。借助于附加的微型运算器可以有利地进行信号预处理。
根据本发明的传感器设备的另一优选实施方式设定，第一传感器装置具有罩晶片，其中，第二传感器装置设置在罩晶片上，其中，罩晶片具有电覆镀通孔，其中，罩晶片借助于键合连接键合到ASIC晶片上。在该变型中罩晶片承担提供整个传感器设备的密封性或密闭性的功能以及向下引导电触点的功能。
根据传感器设备的另一优选实施方式设定，罩晶片借助于键合连接键合到MEMS结构的微机械功能层上。通过这种方式可以有利地实现用于根据本发明的传感器设备的替代的制造过程。
根据传感器设备的另一优选实施方式设定，罩晶片包括另一ASIC晶片。通过这种方式可以对于传感器设备有利地实现还更大的集成密度。
根据本发明的传感器设备的优选实施方式的突出之处在于，在焊接工艺之后第二焊球的垂直延展大于由第一焊球和第二传感器装置组成的总垂直延展。借助焊球的特定的尺寸大小确定，实现至少一个第二传感器装置在第一传感器装置之下的完全设置以及整个传感器设备在应用电路板上的电接通。
下面以另外的特征和优点根据多个附图详细描述本发明。在此所有所述的或所示的特征自身或以任意组合地构成本发明的主题，而与其在权利要求中的概括或其引用关系无关，以及与其在描述或附图中的表达或表示无关。附图主要考旨在阐明本发明本质的原理。相同或功能相同的元件以相同的参考标记表示。
附图说明
附图中示出：
图1：根据本发明的微机械传感器设备的第一实施方式；
图2：根据本发明的传感器设备的另一实施方式；
图3：根据本发明的传感器设备的另一实施方式；
图4：根据本发明的传感器设备的另一实施方式；以及
图5：根据本发明的方法的实施方式的原理流程。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的微机械传感器设备100的第一实施方式的剖面图。第一传感器装置10具有衬底1，该衬底设置在微机械功能层2上。通过这种方式借助于衬底1和微机械功能层2实现MEMS结构。借助于能够导电的键合连接3，MEMS结构与ASIC晶片4(英语：专用集成电路)导电连接。在ASIC晶片4内构造一个或多个电覆镀通孔5(TSV，英语：硅通孔)，其将电信号从ASIC 4的有效的电路侧引导至ASIC晶片4的背侧上的一个或多个再接线层面6。在此实现了电再接线以及在限定的焊盘上施加焊球30、40的可能性。第一焊球30用于在ASIC晶片4上焊接第二传感器装置20并且因此也能够实现在第一传感器装置10与第二传感器装置20之间的电信号流。
第二传感器装置20可以例如构造为具有磁阻层21的磁传感器，构造为微处理器、功能模块或诸如此类。看得出，整个传感器设备100在ASIC晶片4的下侧上具有焊球40，借助于所述焊球传感器设备100可以电接通到电路板(未示出)上。第二焊球40的高度应在焊接过程之后大于第一焊球连同第二传感器装置20的垂直尺寸。
由此实现了，第二传感器装置20基本上完全设置在第一传感器装置10之下并且可以装配在电路板上，而第二传感器装置20不接触应用电路板。结果，这有利地意味着空间节省和示出的裸片传感器结构的因此非常高的集成密度。对于第二传感器装置20具有比第一传感器装置10显著更小的基面的这种情况可能的是：通过这种方式将多个第二传感器装置20完全放置在第一传感器装置10之下。
图1因此示出了9D传感器的可能的实现方式。对此，首先分离地制造以具有自身电子分析处理电路的集成磁传感器形式的第二传感器装置20和第一传感器装置10作为集成的惯性传感器，优选为6D元件。惯性传感器优选被封装用于保护微机械功能层2并且必要时用于包围一个限定的内压或者——在用于转速传感器和加速度传感器的分离的腔的情况下——两个不同的限定的内压。
一个优选的实现方式在于，如在图1中原理上所示，将ASIC晶片4用作具有MEMS衬底1和微机械功能层2的惯性MEMS元件的封装装置。然而用于惯性传感器的垂直集成或单片集成和封装的其他形式也是可能的，例如如在现有技术中所述的文献中。
焊球30、40设置在一个或多个再接线层面6上的为此设定的焊盘上。除其他因素以外，焊盘的面积决定焊球30、40的大小(直径和高度)。因此尤其可能的是，在适合的过程进行中在单个过程步骤中不仅施加具有大的高度的第二焊球40而且施加具有显著更小高度的第一焊球30。小的第一焊球30实现了以磁传感器形式的集成的第二传感器装置20在惯性ASIC晶片4的背侧上的装配，大的第二焊球40与之相对地用于这样实现的9D传感器在应用电路板(未示出)上的外部电接通。
然而也可能的是，以相继的分开的步骤设置第一焊球30和第二焊球40。尤其首先可以将第一焊球30设置在第二传感器装置20上而将第二焊球40设置在第一传感器装置上，并且随后将第二传感器装置20以第一焊球30焊接到第一传感器装置10上。
优选地，第二传感器装置20的输入端和输出端——它们在外部没有直接接通——通过ASIC晶片4供电或读取并且随后连同惯性测量参量经由接口(例如SPI、I2C，等)向外提供到惯性ASIC晶片4上。
代替6D惯性传感器地，借助根据本发明的方案自然也可以考虑具有很少分析处理参量的传感器，例如纯加速度传感器(1-3D)或纯转速传感器(1-3D)。此外也可能的是，惯性传感器测量附加的物理参量，例如压力、温度、湿度等，通过这种方式因此实现了7D传感器、8D传感器或9D传感器。此外，第二传感器装置20不仅可以包含磁传感器，而且还可以包含测量附加的或替代的物理参量，由此作为结果可实现4D传感器、5D传感器、6D传感器等。
图2示出了根据本发明的传感器设备100的另一实施方式的原理剖面图。在该变型中电覆镀通孔5构造在MEMS衬底1中，其中，电再接线层面6设置在MEMS衬底1的背侧上。第二传感器装置20(例如磁传感器)的倒装芯片装配借助小的第一焊球30在MEMS衬底1的背侧上实现，其中，外部接通通过大的第二焊球40同样在MEMS衬底1的背侧上实现。
通过这种方式，ASIC晶片4不需要电覆镀通孔5，因为所有外部输入端和输出端通过在MEMS衬底1中的电覆镀通孔5引导到第二传感器装置20。微机械功能层2可以通过类似半导体的沉积工艺沉积到MEMS衬底1上，其中，替代地，也可能的是，通过晶片键合方法以及随后的背侧磨削(Rückschleifen)、接通和结构化实施沉积工艺。
在根据本发明的传感器设备100的另一在附图中未示出的变型——该变型基本上相应于图1的实施方式——中，也可能的是，代替磁传感器将微控制器固定在惯性传感器上，其中，微控制器进行信号预处理并且向外提供预处理的数据。由此可以有利地减轻主应用处理器(例如移动电话，未示出)的负担，或者也可以在有效率的应用处理器不可用的应用中提供经预处理的数据。在此也可以考虑，所集成的第一传感器已经是完整的9D模块(或者10D模块、11D模块、12D模块等)。
图3示出了根据本发明的传感器设备100的一个替代的实施方式的原理剖面图，其中，在罩晶片7中构造外部的电覆镀通孔5。在该变型中，将微机械功能层2作为晶片键合(例如在低温键合方法中)在ASIC晶片4上并且进行背侧减薄。随后将接触孔8构造在微机械功能层2与ASIC晶片4之间并且完全或部分地金属(例如以钨)填充。在随后的工艺步骤中，对原本的MEMS功能结构进行开槽并且在此也进行暴露。罩晶片7在该情况下直接键合到ASIC晶片4上。罩晶片7也可以涉及具有有源电路的另一ASIC晶片，由此可以实现传感器设备100的更高的集成密度。
图4示出了图3的实施方式的替代，其中，在该情况下具有电覆镀通孔5的罩晶片7没有键合到ASIC晶片4上而是键合到微机械功能层2上。
借助于根据本发明的方案，通过借助小的焊球的倒装芯片连接能够实现单独的磁传感器芯片在垂直集成的惯性传感器之下的设置和电连接。在电路板上的外部接通通过在惯性传感器的下侧上的更大的焊球实现。根据本发明通过这种方式和方法将两个完整的独立的集成传感器模块相互在功能上连接。
有利地，这样的传感器模块100——其中，第一传感器装置10例如是6D惯性传感器，而第二传感器装置20是3D磁传感器——具有与单个6D惯性传感器相同的基面要求，并且结构高度差也相比于单个6D惯性传感器小或甚至等于零。此外通过未经封装的裸片结构，基面和结构高度显著小于在具有塑料再封装的传感器的情况下的基面和结构高度。
此外有利地，该6D加上3D设置的生产成本低于在9D传感器的情况下的生产成本，该9D传感器包含唯一的ASIC中的所有分析处理功能。在常规实现的9D分析处理ASIC中，ASIC的整个芯片面积一般由最复杂的功能、也就是转速传感的功能主导——将被施加用于磁传感机构的附加的制造成本并且通过这种方式大幅提高该产品的价格。
有利地还可以在很大程度上相互独立地开发、处理并且甚至单独作为单个产品销售6D惯性模块和3D磁传感器。因此借助根据本发明的方案工艺复杂性以及利用可以比在9D单芯片传感器模块的情况下更好。
图5示出了根据本发明的方法的实现方式的原理流程。
在第一步骤S1中实施未经封装的第一传感器装置10的构造。
在第二步骤S2中实施至少一个未经封装的第二传感器装置20的构造。
在第三步骤S3中将两个传感器装置10、20相互在功能上连接。
最后在第四步骤S4中如此实施两个传感器装置10、20的相互垂直的设置，使得两个传感器装置10、20基本上垂直地如此相叠地设置，使得在基面方面较大的传感器装置10完全覆盖在基面方面较小的传感器装置20。
总之，借助本发明将垂直集成的任意的第一传感器和任意的第二传感器通过小的焊球根据特定的几何预给定相互连接，其中，两个集成的传感器之一通过大的焊球在外部接通，其中，在传感器装置中省去每个塑料再封装、陶瓷再封装、金属再封装等(裸片结构)。因此在相对小的工艺复杂性和小的工艺成本的情况下支持高的功能集成，因为两个传感器借助特定功能和制造步骤可以首先分离地开发和制造。
设置的前提在于，两个传感器在其基面方面具有最小区别，该最小区别在更大的传感器上还允许施加外部焊球。此外，在焊接到应用电路板上之后较小传感器的结构高度加上较小焊球的高度必须小于较大焊球的高度。
虽然根据具体的实施例描述本发明，但不言而喻的是，借助本发明能够实现多个不同的之前没有描述的传感器方案。尤其第一传感器装置10与特定传感器类型的对应是任意的，以及第二传感器装置与特定的传感器类型的对应是任意并且可自由选择的。
例如当仅仅第二传感器装置的仅仅唯一的长度尺寸与第一传感器装置的相应长度尺寸不同时，还可以有利地实现根据本发明的方案。
因此，本领域技术人员可以修改或相互组合所述特征，而不偏离本发明的核心。

Claims (13)

1.一种微机械传感器设备(100)，所述微机械传感器设备具有：
一个未经封装的第一传感器装置(10)；和
至少一个未经封装的第二传感器装置(20)，其中，所述传感器装置(10、20)相互在功能上连接，其中，所述传感器装置(10、20)基本上垂直地如此相叠地设置，使得在基面方面较大的传感器装置(10)完全覆盖在基面方面较小的传感器装置(20)。
2.根据权利要求1所述的传感器设备(100)，其特征在于，所述传感器装置(10、20)借助于第一焊球(30)相互在功能上连接，其中，所述传感器设备(100)借助于第二焊球(40)向外可接通。
3.根据权利要求1或2所述的传感器设备(100)，其特征在于，所述第一传感器装置(10)包括微机电系统(MEMS)结构(1、2)和ASIC晶片(4)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器设备(100)，其特征在于，能够导电的键合连接(3)构造在两个传感器装置(10、20)之间，其中，电覆镀通孔(5)构造在所述ASIC晶片(4)中，其中，所述两个传感器装置(10、20)借助于所述键合连接(3)和所述覆镀通孔(5)可相互电接通。
5.根据以上权利要求中任一项所述的传感器设备(100)，其特征在于，所述ASIC晶片(4)还具有电再接线装置(6)。
6.根据以上权利要求中任一项所述的传感器设备(100)，其特征在于，所述第二传感器装置(20)具有来自以下的至少一个：磁传感器、ASIC芯片、无线电模块、微控制器。
7.根据以上权利要求中任一项所述的传感器设备(100)，其特征在于，所述第一传感器装置(10)是9D传感器。
8.根据以上权利要求中任一项所述的传感器设备(100)，其特征在于，所述第一传感器装置(10)具有罩晶片(7)，其中，所述第二传感器装置(20)设置在所述罩晶片(7)上，其中，所述罩晶片(7)具有电覆镀通孔(5)，其中，所述罩晶片(7)借助于所述键合连接(3)键合到所述ASIC晶片(4)上。
9.根据权利要求8所述的传感器设备(100)，其特征在于，所述罩晶片(7)借助于所述键合连接(3)键合到所述MEMS结构(2)的微机械功能层上。
10.根据权利要求8或9所述的传感器设备(100)，其特征在于，所述罩晶片(7)包括另一ASIC晶片。
11.根据权利要求2至10中任一项所述的传感器设备(100)，其特征在于，在焊接工艺之后所述第二焊球(40)的垂直延展大于由所述第一焊球(30)和所述第二传感器装置(20)组成的总垂直延展。
12.一种用于制造微机械传感器设备(100)的方法，所述方法具有以下步骤：
构造未经封装的第一传感器装置(10)；
构造至少一个未经封装的第二传感器装置(20)；
在功能上连接两个传感器装置(10、20)；以及
如此相互垂直设置所述两个传感器装置(10、20)，使得所述两个传感器装置(10、20)基本上垂直地如此相叠地设置，使得在基面方面较大的传感器装置(10)完全覆盖在基面方面较小的传感器装置(20)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一传感器装置(10)构造为具有微机械功能层(2)的MEMS衬底(1)和ASIC晶片(4)，其中，所述第二传感器装置(20)构造为磁传感器和/或ASIC芯片和/或无线电模块和/或微控制器。
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