CN107290096A - 具有膜片的压力感测集成电路器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有膜片的压力感测集成电路器件。一种集成电路(IC)器件包括压力传感器管芯、覆盖着至少管芯的压力感测区的柔性凝胶，以及覆盖着凝胶的柔性膜片。集成电路器件具有用于限定膜片上方的腔体的密封剂和盖子。盖子具有可使器件外部的最近的环境气压能够通过柔性膜片和柔性凝胶由压力感测区感测到的孔口。膜片保护凝胶材料以免受周围材料的潜在破坏。膜片可以是管子的一部分。

Description

具有膜片的压力感测集成电路器件
技术领域
本发明涉及压力传感器集成电路器件，并且更特别地涉及压力感测器件的盖子。
背景技术
能够测量气压的集成电路(IC)可用于许多应用中。一种这样的应用是胎压监测系统(TPMS)。常规的TPMS使用压力感测集成电路来测量轮式车辆的轮胎的气压，其中每个集成电路还包含用于将感测到的气压信息发送给TPMS处理器的发送器。TPMS处理器持续监测每个轮胎内的气压，并且在任意轮胎内的气压超出规定范围时生成信号。
图1是常规的压力感测器件100的顶侧透视图。图2是器件100的底侧透视图，以及图3是器件100的沿着图1中的切割线Y-Y的截面侧视图。器件100是四方扁平无引线(QFN)封装的器件。
器件100包含以例如管芯贴附材料(未示出)贴附于器件100的底面上的金属热焊盘(pad)104的管芯102。金属热焊盘104有时称为管芯焊垫(paddle)。器件100还包含多个引线或触头106和相应的键合丝线108。键合丝线108将引线106连接到管芯102的顶面上的相应的管芯焊盘(未示出)。在器件100中，引线108没有从器件100的外表面延伸出(因此，还有为器件100选定的“四方扁平无引线”封装的“无引线”部分)。
管芯102的顶面具有压力感测区(未示出)。一层柔性凝胶110覆盖于管芯102和键合丝线108之上。凝胶110保护管芯102和键合丝线304免受环境导致的破坏。器件100的顶侧具有带有孔口114的盖子112。盖子112可以是金属的，或者由其他任何合适的材料制成。盖子112典型地标注有可标识器件100及其制造商的信息。
器件100还包含用于形成器件100的侧壁118和底板120的一些部分的密封剂116。底板120是包含焊垫104、引线106及密封剂116的间隙部分的器件100的底面部分。
在盖子112、侧壁118、凝胶110以及底板120的任何裸露部分之间的是腔体122。由于孔口114，在腔体122内的气压与器件100的最近外部124的环境气压相同。孔口114的尺寸被设计为大到足以使压力在外部124与腔体122之间快速变均衡，并且小到足以防止某些碎片及其他物体经由孔口114进入腔体122以及破坏凝胶110、管芯102和/或键合丝线108。管芯102的压力传感器能够通过柔性凝胶110感测腔体122内的气压。器件100可以经由引线106表面安装于印刷电路板(PCB)(未示出)，以连接至TPMS的其他构件，例如，微控制器和/或发送器。
取决于各种因素，例如，凝胶110的组成、存在于腔体122和外部124内的气体，以及这些气体的压力，凝胶110可以受到一种或多种不利影响，例如，在凝胶110内的气泡形成或者凝胶110的硬化。因此，有利的是能够更好地保护凝胶110。
附图说明
本发明的其他方面、特征和优点通过下面的详细描述、权利要求书和附图将会变得更加显而易见。在附图中，相同的附图标记指示相似的或相同的元件。注意，附图中的元件并不一定是按比例绘制的。
图1是常规的封装集成电路压力感测器件的顶侧透视图；
图2是图1的器件的底侧透视图；
图3是图1的器件的截面侧视图；
图4是根据本发明的一种实施例的器件的顶视图；
图5是图4的器件的截面侧视图；
图6是在较高压力下的图5的器件的截面侧视图；
图7是根据本发明的一种实施例的图4的器件的组装步骤的截面侧视图；
图8是图4的器件的后一组装步骤的截面侧视图；
图9是图4的器件的再后一步组装步骤的截面侧视图；以及
图10是根据本发明的一种可替换实施例的器件的截面侧视图。
具体实施方式
本文公开了本发明的详细说明性实施例。但是，本文所公开的特定的结构和功能细节仅仅是为了描述本发明的示例实施例的代表。本发明的实施例可以用许多可替换的形式来实现，并且不应当被理解为仅限制于本文所阐明的实施例。此外，本文所使用的术语只是为了描述特定的实施例，并且并非意在对本发明的示例实施例进行限制。
如同本文所使用的，单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”意指同样包括复数形式，除非上下文另有明确指出。还应当理解，词语“包含”、“含有”、“具有”、“带有”、“包括”和/或“涵盖”表示存在着所说明的特征、步骤或构件，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤或构件。还应当注意，在某些可替换的实施方式中，所指出的功能/动作可以按照与附图所示的顺序不同的顺序出现。
在一种实施例中，柔性膜片被用作在压力感测集成电路器件的柔性凝胶与周围环境之间的屏障。膜片有助于消除或减少某些或所有前面所描述的对凝胶材料的不利影响。
在一种实施例中，压力感测集成电路(IC)器件包含含有压力传感器的管芯、覆盖着压力传感器的柔性凝胶以及覆盖着柔性凝胶的柔性膜片。膜片和柔性凝胶使压力传感器能够感测集成电路器件外部的环境压力。
图4-6示出了本发明的一种实施例，其中图4是根据本发明的一种实施例的器件400的顶部平面图，图5是图4的器件400沿切割线Y-Y的截面侧视图，以及图6是图5的器件400在较高压力下的截面侧视图。图7-9示出了在组装过程中的各个步骤的器件400，其中图7示出了在模制(molding)过程之前的器件400，图8是在模制过程期间的器件400的截面侧视图，以及图9是在模制过程之后且在去除了模制销之后的器件400的截面侧视图。在所示的实施例中，器件400是包含与图1的上述器件100的元件类似的元件的QFN(四方扁平无引线)型封装的器件。但是，本领域技术人员应当理解，器件400可以包括有引线器件、BGA(球栅阵列)器件等。
现在参照图4-6，器件400包含以例如管芯贴附材料(未示出)贴附于引线框的焊垫404上的压力感测管芯402。器件400还包含多个引线406以及用于将引线406连接到管芯402的顶面或活动面上的相应焊盘的相应的键合丝线408。
本领域技术人员应当理解，管芯402的顶面同样具有压力感测区。压力感测管芯402可以包含例如压阻式传感器、电容式传感器和/或微机电系统(MEMS)。柔性凝胶410覆盖着包含压力感测区的管芯402的顶面的第一部分。包含管芯焊盘的管芯402的顶面的剩余部分用模制化合物或密封剂412覆盖。密封剂412同样覆盖着键合丝线408以及引线406的内表面，例如，顶面406a和内表面406b。密封剂412形成器件400的侧壁414和底板416的一些部分。底面416是包含管芯焊垫404、引线406以及密封剂412的间隙部分的器件400的底面部分。
器件400的顶侧具有带有孔口419的盖子418。应当注意，盖子418的顶部可以与密封剂412的顶部齐平，在其之下或者延伸到其之上。
位于盖子418下方的柔性膜片420覆盖着凝胶410的顶部并与其直接接触。在膜片420与盖子418之间的空间形成了腔体422。膜片420是柔性的，并且由可能破坏凝胶410的气体基本上不可透过的材料制成。可以与盖子418成一体或者分离的膜片420可以由例如橡胶、有机硅(silicone)、塑料、金属或热胶带制成。膜片420能够将腔体422内的压力传递给凝胶505，如同下文所描述的。
如图9所示，在一种优选的实施例中，密封剂412被大体塑形为具有外部侧壁414、在密封剂412的顶侧的内凹部424的三层敞开箱体，并且每个层都具有相应的内壁。底层由包围(circumscribe)着大部分或全部凝胶410的内壁425限定。中间层由包围着大部分或全部膜片420和腔体422的内壁426限定。顶层由包围着盖子418的至少一部分的内壁427限定。
膜片420是具有包括中央凸起部428、环形支撑部429和环形壁部430在内的若干部分的单一物体。中央部428位于凝胶410之上并且与其凸顶接触。支撑部429位于环形法兰432之上并且与其接触，该环形法兰432对应于密封剂412的底层的裸露顶面。壁部430接触中间层的内壁426并且从支撑部429垂直延伸到盖子418。支撑部及壁部429和430有助于将中央部428保持于原位。
由于孔口419，在腔体422内的气压与器件400外的环境气压相同。孔口419的尺寸被设计为大到足以使在外部与腔体422之间的压力快速均衡，并且小到足以防止某些碎片及其他物体进入腔体422并破坏器件400的内部构件。压力感测管芯402能够感测通过膜片420和凝胶410传递的在腔体422内的气压。如图6所示，在较高的压力下——相对于图5——膜片420的中央部428变形(即，变扁)并压缩凝胶410，该凝胶410进而以更大的力挤压于管芯402的压力感测区上。
器件400可以使用常规的膜辅助模制(FAM)过程来组装。即，如图7所示，在管芯402贴附于焊垫404以及管芯402以键合丝线408丝线键合于引线406之后，器件被布置于模制外壳440内。膜444贴附于其上的模具销或成形模型(shaping form)442被放下到模制外壳440之内且到管芯402之上。成形模型442限定了上述凹部424的形状。
随后，如图8所示，未固化的模制化合物被注入模制外壳440之内，使得模制化合物填充模制外壳440与成形模型442之间的空间。成形模型442和膜444防止模制化合物412到达管芯402之上的压力感测区。密封剂412然后被固化，并且然后成形模型442和膜444被去除，从而留下了凹部424(图9)。随后，凝胶410被注入(或者以其它方式布置于)凹部424之内，然后膜片420被布置于凹部424之内，并且然后盖子418被添加以形成图4的器件400。注意，如果盖子418和膜片420是一个整体，则仅需要一个步骤来布置盖子(和膜片)。膜444可以在封装期间保护管芯402的压力感测区，并且可以促进成形模型442在密封剂412的固化之后更容易收回。
图10是根据本发明的一种可替换实施例的器件450的截面侧视图。器件450大体上类似于器件400，只是器件450使用与器件400的膜片420不同的膜片452。特别地，不是作为由单一材料制成的单一整体构件，膜片452包含由不同材料形成的两个不同的构件。特别地，膜片452包含(i)由第一材料制成的壁部454和支撑部456，以及(ii)由与第一材料不同的第二材料制成的中央部458。
注意，第一及第二材料可以选自例如金属、塑料、橡胶、有机硅和热胶带。壁部454和支撑部456类似于膜片420的壁部430和支撑部429。注意，中央部458贴附于支撑部456以使中央部在凝胶410顶部上保持于原位。膜片452可以通过例如模制并分别地组装成为单体物体来制造，并然后在凹部424内被插入到位，作为器件400的组装部分。
以上已经描述了其中膜片的壁部与相应的密封剂壁接触的本发明的实施例。但是，本发明并不限制于此。在某些可替换的实施例中，膜片的壁部不与相应的密封剂壁接触。
以上已经描述了其中膜片包含中央部、支撑部和壁部的本发明的实施例。但是，本发明并不限制于此。在可替换的实施例中，膜片仅包含中央部。在其他可替换的实施例中，膜片包含中央部和支撑部。在膜片仅包含中央部的实施例的某些实施方式中，密封剂的中间层的侧壁可以邻接中央部，以给中央部提供支撑并且使中央部保持于原位。在上述可替换实施例的某些实施方式中，中间层的侧壁可以具有有助于将膜片保持于原位的特征部件。
以上已经描述了其中膜片的中央部凸起以与凝胶的凸顶配合的本发明的实施例。但是，本发明并不限制于此。在可替换的实施例中，凝胶的顶部以及膜片的毗连的中央部可以是平面的或凹面的。
以上已经描述了其中在器件的盖子内的孔口小到足以防止大部分碎片进入盖子下方的腔体内的本发明的实施例。但是，本发明并不限制于此。由于膜片提供了另外的保护层，因而在某些可替换的实施例中，孔口可以与由密封剂的底层的内壁包围的区域一样大。在某些其他可替换实施例中，孔口可以与包围密封剂的中间层的内壁的区域一样大。
以上已经描述了其中集成电路器件为QFN封装的本发明的实施例。但是，本发明并不限制于此。集成电路器件可以采用任何合适的封装的形式，并且本发明的可替换实施例以除QFN封装外的封装来封装。
以上已经描述了其中管芯使用键合丝线与器件外部的触头(例如，引线)电连接的本发明的实施例。但是，本发明并不限制于此。任何合适的装置都可以被用来将管芯电连接至器件触头。例如，在某些可替换的实施例中，器件是(i)其底板包含具有通孔、布线层和/或器件触头的基板的且(ii)以导电球与管芯电连接的倒装芯片。管芯可以进一步使用密封剂或不同的底部填充材料贴附于基板。
以上已经描述了其中(i)凝胶、膜片和盖子下腔体在平面图中具有圆形形状以及(ii)盖子在平面图中具有矩形形状的本发明的实施例。但是，本发明并不限制于此。凝胶、膜片、盖子下腔体和盖子可以具有可允许器件起着上述功能的任何合适的形状。
以上已经描述了其中的本发明的实施例器件测量其腔体内和毗连的外部的气压。但是，本发明并不限制于用于测量气压的器件。器件可以用来测量任何气体的压力。注意，在某些可替换的实施例中，膜片的中央部基本上不让除通常见于空气内的气体外的成分透过。在某些可替换的实施例中，器件被用来测量器件的腔体及最近的外部内的液体的压力。注意，在这些可替换的实施例中的某些实施例中，膜片的中央部基本上不让器件正在测量其压力的液体的成分透过。
以上已经描述了其中凝胶仅覆盖着管芯的顶部的一部分的本发明的实施例。但是，本发明并不限制于此。在可替换的实施例中，凝胶可以覆盖管芯的整个顶部。另外，凝胶还可以覆盖器件的键合丝线。
以上已经描述了本发明的一种实施例的一种示例性组装过程。但是，本发明并不限制于此。本领域技术人员应当意识到，可替换的组装方法可以被用来组装根据本发明的实施例的器件。例如，在一种可替换的实施例中，多个器件被组装在一起。特别地，多个管芯被贴附于引线框阵列的相应引线框并与其电连接，以形成经由共用的引线框阵列相互连接的多个器件。然后，在封装步骤中，使用尺寸被设计为可匹配引线框阵列的模制外壳，相应的多个顶部模型和膜被用来使与该多个器件对应的多个开敞的密封剂箱体成形。器件然后可以在完成它们的组装之前进行单体化。作为选择，器件可以在单体化之前添加凝胶，插入膜片，和/或添加盖子。
以上已经描述了具有不同特征的各种实施例。应当指出，除非另有说明或者除非不可能，否则另外的可替换实施例可以结合来自多个上述实施例的特征。
还应当理解，在不脱离随附的权利要求书所表示的本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以对为了解释本发明的特性而已经描述并示出的部分的细节、材料和布局进行各种改变。
本文对“一种实施例”或“一个实施例”的引用意指，结合该实施例来描述的特定特征、结构或特性能够包含于本发明的至少一种实施例中。短语“在一种实施例中”在本说明书的不同地方的出现并不一定全都指的是同一实施例，也不是一定与其他实施例相互排斥的单独的或可替换的实施例。对于术语“实施方式”同样如此。
在包括任何权利要求的本说明书中，词语“每个”可以被用来指代多个之前列举的元件或步骤的一个或多个指定特性。当与无限制的词语“包含”一起使用时，词语“每个”的引用并不排除别的未列举的元件或步骤。因而，应当理解，装置可以具有另外的未列举的元件，并且方法可以具有另外的未列举的步骤，其中另外的未列举的元件或步骤并不具有该一个或多个指定的特性。
引线框是在用于将一个或多个集成电路管芯组装成单一封装的半导体器件的半导体封装中使用的金属引线和其他可能元件(例如，管芯焊垫、能量棒(power bar))的集合。在组装成封装的器件之前，引线框可以具有用于使那些元件保持于原位的支撑结构(例如，矩形金属框)。在组装过程中，可以去除支撑结构。如同本文所使用的，术语“引线框”可以用来指的是组装之前或组装之后的元件集合，不管是否存在那些支撑结构。
尽管在随附的任何关于方法的权利要求中的步骤按照具有相应标号的特定顺序来叙述，但是除非该权利要求的叙述另外暗示着用于实施某些或所有那些步骤的特定顺序，否则那些步骤并不一定意指限制于按照该特定顺序来实施。

Claims (13)

1.一种压力感测集成电路(IC)器件，包括：
压力感测管芯；
至少覆盖所述压力感测管芯的压力感测区的柔性凝胶；以及
覆盖所述柔性凝胶的柔性膜片，其中所述柔性膜片和所述柔性凝胶使压力传感器能够感测所述集成电路器件外部的环境压力。
2.根据权利要求1所述的集成电路器件，还包括：
具有孔口的盖子；以及
所述盖子贴附于其上的多层密封剂，其中凹部被限定于所述盖子下方，其中：
所述管芯被所述密封剂部分地覆盖；
所述凝胶位于所述密封剂的第一层之内；
所述膜片位于所述第一层上方的所述密封剂的第二层之内；并且
所述盖子位于所述第二层上方的所述密封剂的第三层之内。
3.根据权利要求2所述的器件，其中所述膜片包括：
覆盖所述凝胶的凸起的中央部；
与所述密封剂接触的环形壁部；以及
将所述中央部连接至所述壁部的环形支撑部。
4.根据权利要求3所述的器件，其中：
所述中央部由第一材料制成；并且
所述壁部和支撑部由与所述第一材料不同的第二材料制成。
5.根据权利要求3所述的器件，其中：
所述密封剂的所述第一层的顶面形成了在所述凝胶的一部分周围的环形法兰；并且
所述膜片的所述支撑部覆盖所述法兰。
6.根据权利要求2所述的器件，其中：
所述器件还包括具有焊垫和多个引线的引线框；
所述管芯贴附于所述焊垫并且与所述引线电连接；并且
所述密封剂覆盖所述引线以及所述管芯的至少一部分。
7.根据权利要求6所述的器件，其中：
所述管芯具有经由相应的键合丝线与相应的引线电连接的多个管芯焊盘；
所述管芯焊盘和所述键合丝线以所述密封剂覆盖；并且
所述压力感测区没有被所述密封剂覆盖。
8.根据权利要求1所述的器件，其中所述膜片与所述盖子集成一体。
9.一种集成电路器件，包括：
包含管芯焊垫以及包围所述管芯焊垫的多个引线的引线框；
贴附于所述管芯焊垫且与所述引线电连接的压力感测管芯；
覆盖所述引线以及所述引线与所述压力感测管芯之间的电连接的密封剂，其中所述引线框的底面形成所述集成电路器件的底面，并且所述密封剂形成所述器件的侧壁，其中腔体形成于所述侧壁之间且在所述压力感测管芯之上；
覆盖所述压力感测管芯的顶面上的压力感测区的凝胶材料；
在所述侧壁之间延伸且在所述腔体之上的盖子，其中所述盖子具有可允许环境空气进入所述腔体的中央开口使得所述压力感测管芯能够测量环境气压；以及
位于所述中央开口下方且覆盖所述凝胶材料的膜片。
10.根据权利要求9所述的集成电路，其中所述膜片和所述盖子是单一单元。
11.根据权利要求10所述的集成电路，其中所述盖子具有由金属形成的顶部以及由柔性材料形成的膜片部。
12.一种用于组装集成电路(IC)器件的方法，所述方法包括：
将管芯贴附于引线框的焊垫，其中所述管芯包括压力传感器；
将所述管芯电连接至所述引线框的引线；
以密封剂来密封所述管芯和所述引线框的一部分，其中凹部形成于所述压力传感器之上使得至少所述管芯的压力感测区没有被所述密封剂覆盖；
将凝胶布置于所述凹部之内且与所述管芯的所述压力感测区接触；
将膜片插入所述凹部之内且与所述凝胶接触；以及
将具有孔口的盖子布置于所述凹部和所述膜片之上。
13.根据权利要求12所述的方法，其中在所述封装步骤中包括：
将膜覆盖的成形模型布置于所述压力传感器之上以防止所述密封剂覆盖所述压力感测区并且形成所述凹部的形状；
将未固化的密封剂注入含有所述管芯和所述引线框的模制外壳内；
使所述密封剂固化；以及
去除所述膜覆盖的成形模型。
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