CN110473840B - 传感器封装件及制造传感器封装件的方法 - Google Patents

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Abstract

传感器封装件1包括具有传感器元件4的传感器载体2、具有外露腔12的预成型托盘部10，具有传感器元件4的传感器载体2在预成型托盘部10的凹口21中定位成延伸到外露腔12中。引线框6布置成提供传感器封装件1的外部连接，二次成型封装部8布置在引线框6和预成型托盘部10周围并且具有与外露腔12对准的孔12a。

Description

传感器封装件及制造传感器封装件的方法
技术领域
本发明涉及传感器封装件，其包括具有传感器元件的传感器载体。另一方面，本发明涉及制造这种传感器封装件的方法。
背景技术
欧洲专利公开文件EP-A-2 051 298公开了在引线框上构建的集成电路封装件，其在封装件的两个主表面中具有通孔。通孔中定位有传感器元件。传感器元件附接到由封装成型材料保持的环形部分。
发明内容
传感器封装件通常包括用于感测的组件以及用于控制和交互的组件。这些组件中的一些组件可能包含在恶劣环境中操作时需要进行保护的敏感或易碎部分。除了通常由高压、高温或存在(腐蚀性)流体引起的恶劣环境之外，还可能存在出现的突然的外力。如果没有适当封装或密封，这些突然的外力可能因组件无法承受这种超过特定限度的突然的力而损坏组件的功能。本发明旨在提供一种传感器封装件，其包括具有传感器元件的传感器载体，该传感器封装件可在这种恶劣环境中操作。
根据本发明，提供如上限定的传感器封装件，该传感器封装件还包括具有外露腔的预成型托盘部、具有传感器元件的传感器载体、引线框以及二次成型封装部，其中，传感器载体在预成型托盘部的凹口中定位成延伸到外露腔中，引线框布置成提供传感器封装件的外部连接，二次成型封装部布置在引线框和预成型托盘部周围并且具有与外露腔对准的孔。
利用这种布置，只有传感器元件和预成型托盘的成型化合物以及二次成型封装部暴露于恶劣环境。以这种方式，传感器封装件的任何易碎、金属或甚至排气组件都适当地密封成与恶劣环境隔开。
本发明的另一方面涉及制造如上限定的传感器封装件的方法。该方法包括：设置引线框；形成具有外露腔和凹口的预成型托盘部；将具有传感器元件的传感器载体在预成型托盘部的凹口中定位成延伸到外露腔中；通过在引线框和预成型托盘部周围施加二次成型材料并设置与外露腔对准的孔来形成二次成型封装部。
这种方法允许低成本地制造能够在恶劣环境中使用的传感器封装件。两阶段成型方法还确保在感测元件周围进行密封而没有成型化合物的过度溢料或渗出，并防止外露腔被成型化合物填充。
从属权利要求描述了本发明的另外的实施方式。
附图说明
以下将参考附图更详细地讨论本发明，附图中：
图1示出了根据本发明实施方式的传感器封装件的示意性剖视图；
图2示出了根据本发明另一实施方式的在二次成型之前的传感器封装件的立体图；
图3A和3B分别示出了根据本发明再一实施方式的传感器封装件的俯视图和剖视图；
图4A和4B分别示出了根据本发明又一实施方式的传感器封装件的俯视图和剖视图；
图5A和5B分别示出了根据本发明再一实施方式的没有传感器载体和具有传感器载体的预成型托盘部的局部立体图；
图6A和6B分别示出了根据本发明又一实施方式的没有传感器载体和具有传感器载体的预成型托盘部的局部立体图；以及
图7A和7B示出了根据本发明再一实施方式的具有传感器载体的凹口的剖视图。
具体实施方式
本发明的实施方式涉及传感器封装件，该传感器封装件包括具有传感器元件的传感器载体。传感器封装件可包括任何类型的传感器，例如压力传感器、温度传感器、粘度传感器或甚至多参数传感器。传感器可以由任何材料制成，这取决于其所用于的应用。对于本发明的实施方式，传感器封装件非常适合于容纳在操作期间承受非常高的压力(几十甚至几百bar的数量级)的压力传感器。然而，应注意，对利用压力传感器的示例性实施方式的描述并非旨在限制所附权利要求的范围。
本发明实施方式的传感器封装件1和用于制造这种传感器封装件1的方法的实施方式特别适用于需要在恶劣环境(例如，其中传感器封装件1的传感器暴露在流体的高压力(和相关联的高压力梯度)中的恶劣环境，现有传感器封装件的某些部分(例如密封材料、胶等)对由恶劣环境引起的劣化等敏感)中操作的传感器应用。
图1示出了根据本发明第一实施方式的传感器封装件1的截面俯视图。传感器封装件1包括具有传感器元件4的传感器载体2、具有外露腔12的预成型托盘部10。具有传感器元件4的传感器载体2在预成型托盘部10的凹口21中定位成延伸到外露腔12中。引线框6存在并设置成提供传感器封装件1的外部连接。最后，设置二次成型封装部8，二次成型封装部8布置在引线框6和预成型托盘部10周围并且具有与外露腔12对准的孔12a。
传感器封装件1包括具有传感器元件4的传感器载体2。传感器载体2可设计成具有任何几何形状，例如矩形、梯形或圆柱形。如图1所示的实施方式具有具备矩形截面的传感器载体2并且传感器元件4放置在传感器载体2的近端处的上表面上。传感器元件4可附接到传感器载体2或者与传感器载体2集成在一起。引线框6在功能上布置成提供传感器封装件1的外部连接，并且用作传感器封装件1内的组件和元件的支承件或基底。引线框6可具有放置在传感器封装件的任何侧或所有侧上的外部连接布线或连接焊盘。
传感器封装件1包括具有外露腔12的预成型托盘部10。换言之，预成型托盘部10限定其中定位有传感器元件4的外露腔12。预成型托盘部10(和外露腔12)还可设计成各种几何形状，例如，圆形或如图1所示的大致矩形。有利地，传感器元件4放置在外露腔12的中央处。如图1中所示，外露腔12还可以具有弯曲的拐角。
另外，图1的实施方式的剖视图示出了可以存在集成电路16(或者更一般地，处理电子器件)，集成电路16由引线框6支承并且使用电连接件14(例如，布线接合)连接到传感器载体2和引线框6的外部封装连接部。此外，图1的实施方式中还示出了二次成型封装部8，其提供传感器封装件1的主要部分。
图2示出了部分制造的传感器封装件1的立体图，其具有附接至引线框6的预成型托盘部10，但是还未形成二次成型封装部8。具有传感器元件4的传感器载体2在预成型托盘部10的凹口21中定位成延伸到外露腔12中。预成型托盘部10附接到引线框6，使得引线框6用作预成型托盘部10的载体。在将传感器载体2定位在凹口21中之后，电连接件14从传感器载体2的远端的顶表面延伸到集成电路16和/或延伸到引线框6的外部封装连接部。电连接件14例如是使用布线接合而制成的。
传感器元件4和传感器载体2在预成型托盘部10内保持无应力。如果传感器载体2在传感器封装件1中处于例如由于在传感器封装件1的制造期间在传感器载体2的材料内产生的温度梯度而导致的应力状态下，则传感器载体2可能机械变形，这可能影响传感器元件4的功能和/或精度。这还可能影响传感器元件4在传感器封装件1的中央处的精确定位，并且甚至可能对传感器封装件1的操作性能产生负面影响。如果外露腔12设计成具有矩形几何形状，则例如根据传感器载体2(和/或传感器元件4)的宽度和长度来选择外露腔12的宽度和长度。外露腔12可以设计成放置在传感器封装件1的中央处。这种中央定位可对操作使用有利，因为当确定传感器元件4正好定位在外露腔12的中央时，更容易精确地定位(较大的)传感器封装件1。
对于传感器封装件1在高压力感测中的应用，使外露腔12尽可能小是有利的。外露腔12可以设计成具有1mm2或2mm2的数量级的小尺寸，例如，具有1.4mm的宽度和1.8mm的长度。预成型托盘部10和设置在预成型托盘部10中的外露腔12可以可替代地设计成具有圆形形状，这将确保外部施加的压力均匀地分布在传感器元件4周围。
本发明的实施方式特别适用于使用用于测量通常在120至220bar的数量级(以及-40至150摄氏度的温度范围)的爆破压力的压力传感器作为传感器元件4的应用。这些类型的恶劣环境还可能涉及能够承受特定流体(诸如，腐蚀性(例如液压)流体)的要求。这些类型的应用中的压力梯度甚至可以在2000bar/ms的范围内，这提出了对传感器封装件1的构造的稳健性的更高要求。在出现爆破压力或突然的压力波的情况下，本发明实施方式的构造确保这种压力将全部存在于传感器元件4周围。爆破压力将根据传感器载体2与预成型托盘10之间的外露腔12中的空间而在传感器元件4上产生力。如果确保了适当的封装，则突然的压力波将不会对密封在传感器封装件1内的组件产生严重的影响甚至不会产生任何影响。该封装确保只有预成型托盘部10(或更确切地，用于其的成型化合物)和传感器载体2的一部分暴露于(恶劣的)环境，该(恶劣的)环境包括存在的任何(腐蚀性)流体。在这种情况下，由于传感器封装件1的构造，该流体将仅存在于外露腔12内的传感器元件4周围。
二次成型封装部8布置在引线框6和预成型托盘部10周围，并具有与外露腔12对准的孔12a。图3A和图3B示出了执行二次成型之后的传感器封装件1的俯视图和剖视图，其中，二次成型使得二次成型封装部8与预成型托盘部10直接结合。孔12a可例如在使用诸如膜辅助成型(FAM)、金属嵌入技术或软嵌入技术的现有技术之一执行时通过二次成型而形成。孔12a通常设计成仅具有十分之几毫米的深度，例如，0.5mm的深度。利用成型化合物并使用止动模具执行二次成型。形成二次成型封装部8的二次成型工艺确保在操作期间仅传感器载体2的一部分、外露腔12和孔12a暴露于环境。
外露腔12的尺寸受各种参数的影响，该各种参数例如为暴露的传感器元件4的面积、腔深度、传感器载体2与外露腔12的边沿(或预成型托盘部10的内表面)之间的间隔，而且还受例如二次成型工艺所需的密封区域、所需的释放角度等工艺参数的影响。所使用的成型布置将限定二次成型所需的密封区域，即，预成型托盘部10的上表面上的表面边缘在二次成型工艺期间需要进行充分密封而没有材料进入外露腔12中。为了将传感器封装件1从模具中适当地释放出来，模具应相对于孔12a的深度具有适当的释放角度。
在本发明的特定实施方式中，孔12a的截面积大于外露腔12的截面积。在操作期间提供通向传感器元件4的通路的孔12a和外露腔12具有低风险的端口阻塞。截面积的差异将在预成型托盘部10的圆周处提供在二次成型(即，使用例如止动件在二次成型封装部8中形成孔12a的第二阶段成型步骤)期间充分密封外露腔12所必需的(小)边缘。
作为示例，可如下计算传感器封装件1的最小腔尺寸。孔12a的深度可以是十分之几毫米的数量级，例如0.5mm，以及释放角度可以是几度的数量级，例如，7度。暴露的传感器区域(传感器元件4)的尺寸通常可以具有几百微米的数量级，例如，800μm的长度和700μm的宽度。传感器载体2与外露腔12的边沿之间的间隔例如是150μm。二次成型工艺所需的密封区域也可以是几百微米的数量级，例如每边175μm。因所需的释放角度导致的所需距离例如是每边61μm。预成型托盘部10的圆化拐角可以进一步减小外露腔体积的尺寸。圆化拐角可具有例如200μm的半径。然后可以通过将所有距离相加来获得总腔尺寸，从而得到1573μm乘1323μm的最小面积，使得暴露的压力端口面积约为2mm2。如果施加的爆破压力最大为210bar(或21N/mm2)，则施加在传感器封装件1上的力为4.4kgf。
当这种力施加到如图3B的剖视图中所示的实施方式的传感器封装件1时或者当要测量具有高压力梯度的压力时，传感器封装件1的结构，更具体地，传感器载体2与外露腔12之间的空间将确定它如何被转换成传感器载体2上的力。由此，可以确定传感器载体2的最小尺寸。
作为替代，本发明的另一实施方式包括定位在预成型托盘部10的外露腔12的底部上的传感器支承元件3。图4A和4B分别示出根据该实施方式的传感器封装件1的俯视图和剖视图。如图4A和图4B中所示，传感器支承元件3为传感器载体2提供额外的机械支承。这种额外的支承确保传感器载体2和传感器元件4不具有可能导致诸如传感器载体2的结构弯曲的变形的任何应力形成，该变形将不可避免地导致测量误差。传感器支承元件3可以具有任何几何形状，例如矩形或圆柱形。
图5A示出了在放置传感器载体2之前预成型托盘部10的凹口21的立体图。图5B示出了在进行二次成型工艺之前预成型托盘部10的凹口21的相同立体图，其中预成型托盘部10的凹口21内放置有具有传感器元件4的传感器载体2。在本发明的一些实施方式中，预成型托盘部10的凹口21包括至少一个阻挡件22，其布置成向内延伸到凹口21中。阻挡件22可以对称或不对称地放置在凹口21的两侧上，即，邻近和远离外露腔12放置在凹口21的两侧上。阻挡件22也可以仅放置在凹口21的一侧上，即，最靠近外露腔12的一侧。另外，如图5A的实施方式中所示，一个或多个阻挡件22可放置在凹口21的基底上。凹口21可以以选择的方式通过几种方法制造，包括通过各种成型技术或者诸如对预成型托盘10的材料进行物理蚀刻或化学蚀刻的替代方法制造。
阻挡件22将有助于在二次成型工艺期间将传感器载体2保持在凹口21中的预定位置，并确保预成型托盘10(即，凹口21的表面)与传感器载体之间存在空隙，从而允许流动的二次成型材料(在固化之前)在传感器载体2周围流动，以密封外露腔12内的传感器载体2的延伸部分。在二次成型工艺期间，阻挡件22还将在阻挡件22周围引起朝向外露腔12的压降。在阻挡件22与传感器载体2之间具有小尺寸的情况下，这将导致二次成型化合物的填充材料的聚集，并且因此阻挡并阻止填充材料(特别地，还有二次成型化合物中的环氧树脂部分)的任何进一步渗出。
预成型托盘部10的凹口21与传感器载体2之间的空间或间隙被最小化，因为二次成型化合物需要稍微蠕动通过该空间。因此，二次成型化合物必须通过凹口21的壁与传感器载体2之间的侧部间隙和底部间隙进行填充。通常，这些间隙的尺寸设计为仅几微米，并且通过适当地选择二次成型化合物中的填充材料的尺寸范围，成型化合物可以恰好足够地渗出或吹出以形成适当的密封。
在二次成型步骤期间，化合物全部填充在传感器载体2周围。成型化合物通常具有带填充料的环氧树脂。为了设计预成型托盘部10的凹口21与传感器载体2之间的间隙的尺寸，还考虑诸如成型化合物粘度、滞留空气的排气和外露腔12的设计的参数。如前所述，该间隙在传感器载体2与凹口21之间提供二次成型化合物可以流入的空间。这还允许在二次成型工艺期间在外露腔12的方向上产生压降。最后，在二次成型工艺期间，用较大尺寸的填充材料填充阻挡件22与传感器载体2之间的空间，从而防止环氧树脂渗过。在本发明的一些实施方式中，至少一个阻挡件22具有至少1μm的延伸高度h(参见图5A)。因此，即使传感器载体2与凹口21之间的间隙被最小化，也保持足够的间隙以允许二次成型化合物最先流过。
在本发明的另一实施方式中，预成型托盘部10的凹口21包括一个或多个垫片23。如图5A中所示，垫片23可以与凹口21的基底表面上的一个或多个阻挡件22结合。垫片23的高度可以是几微米。垫片23在传感器载体2下方形成足够的空间，该足够的空间允许二次成型化合物以有效的方式全部填充在传感器载体2周围。另外，垫片23还可以用于使传感器载体2相对于凹口21对准。垫片23可以具有任何几何形状，例如如图5A中所示的椭圆形垫片。
在本发明的又一实施方式中，预成型托盘部10的凹口21还包括扩展空间24，扩展空间24相对于至少一个阻挡件22布置成邻近外露腔12。扩展空间24确保在二次成型工艺期间保持防溢料(anti-flash)轮廓。二次成型化合物的填充材料例如具有5-75μm的尺寸分布。较大的颗粒将阻塞凹口21与传感器载体2之间的空间，但较小的颗粒和环氧树脂将继续流到扩展空间24的较低压力环境。因此，扩展空间24最终导致渗出停止，从而没有溢料。当传感器载体2与外露腔24之间的空间小于二次成型化合物的填充材料的最大颗粒尺寸时，这将阻塞通向扩展空间24的路径。因此，仅会发生环氧树脂的渗出。当环氧树脂的暴露区域在二次成型工艺期间扩大时，将导致渗出停止以进一步阻止环氧树脂的流动。
本发明的又一实施方式涉及传感器封装件1，其中传感器载体2在传感器载体2的侧壁27处设置有缺口26。这是形成用于二次成型步骤的扩展空间的替代方式。图6A示出了在两个侧壁上具有缺口26的传感器载体2的立体图。图6B示出了其中具有缺口26的传感器载体2定位在预成型托盘部10的凹口21内的立体图。在诸如蚀刻工艺的制造步骤期间，可以在传感器载体2(通常具有硅材料)的一侧或两侧上形成明确限定的缺口26。缺口26可以限定为小到仅有几微米的尺寸。通过在传感器载体2上形成缺口26，传感器载体2可以更精确地定位在外露腔12内。如果传感器载体2由诸如硅的材料制成，则可以用低至几微米的精度限定硅的蚀刻工艺。
图7A和7B示出了根据本发明另一实施方式的传感器载体2和凹口部分21的剖视图。在本发明的一个实施方式中，凹口21和传感器载体2包括全等的倾斜壁25、27。全等的壁25、27可通过具有带梯形形状的传感器载体2实现。如果传感器载体2由硅制成，则硅的蚀刻平面可用于限定这些明确限定的倾斜壁。可以在成型预成型托盘10的凹口21时使用相同的释放角度。因此，一旦传感器载体2定位在预成型托盘部10的凹口21中，将仅在底侧处存在一个限定区域，这可以在二次成型工艺期间被容易地填充。这还确保将传感器载体2适当地放置在预成型托盘部10内的提高的便利性。
如以上参考图1所描述的，本发明的另一实施方式包括定位在引线框6上的集成电路16以及位于集成电路与传感器载体2之间的电连接件14，其中集成电路16和电连接件14由二次成型封装部8覆盖。集成电路16可以是专用集成电路(ASIC)，或其它类型的处理电路。集成电路16可放置在引线框6上，并且是通过布线接合连接的传感器封装件1的一部分。在这种情况下，二次成型工艺还模制集成电路16，从而保护其免受环境影响。可替代地，仅具有传感器元件4的传感器载体2是传感器封装件的一部分，传感器载体2直接连接到引线框6的外部连接部。于是，可能需要的处理电路16或ASIC可以是传感器封装件外部的单独的IC封装的一部分。可通过使用接合布线制成电连接件。集成电路16可以是各种类型中的任何一种，具有1×1mm至4×4mm的示例性尺寸，这将允许集成电路16与中央定位的传感器元件4一起放置在常规的16引线传感器封装件1中。
在本发明的另一实施方式中，预成型托盘部10的成型化合物的填充材料的尺寸小于二次成型封装部8的成型化合物的填充材料的尺寸。通常用于形成二次成型封装部8的填充材料具有尺寸大于凹口21中的、传感器载体2与一个或多个阻挡件22之间的间隙的颗粒。用于预成型件10的具有较小尺寸的填充材料确保了预成型件10可以具有制造精确成形的凹口21所需的更精确的小尺寸形状。
本发明的另一方面涉及制造传感器封装件1的方法，该方法包括：设置引线框6；形成具有外露腔12和凹口21的预成型托盘部10；将具有传感器元件4的传感器载体2在预成型托盘部10的凹口21中定位成延伸到外露腔12中；通过在引线框6和预成型托盘部10周围施加二次成型材料并设置与外露腔12对准的孔12a来形成二次成型封装部8。制造方法可以以自动化方式进行，其中可以以并行处理的实现方式执行若干步骤。制造方法也可以在矩阵框架中进行，例如，使用32片引线框6、48片引线框6，或者例如在本发明的实施方式的应用SOIC的情况下的16片引线框6。制造传感器封装件1的方法可以用于制造本说明书中描述的任何一个实施方式的传感器封装件1。
在本发明的又一实施方式中，预成型托盘部10是使用第一成型化合物形成的，且二次成型封装部8是使用第二成型化合物形成的，其中第二成型化合物包括尺寸大于第一成型化合物的填充材料的尺寸的填充材料。具有较小尺寸填充材料的第一成型化合物允许预成型件承受高的压力梯度，例如高达2000bar/ms，并且具有较大尺寸填充材料的第二成型化合物允许阻止填充材料渗入到外露腔12中。
上面已经参考如附图中所示的多个示例性实施方式描述了本发明。一些部分或元件的修改和替代性实现方式是可能的并且包括在如所附权利要求中限定的保护范围内。

Claims (13)

1.传感器封装件，所述传感器封装件包括：
传感器载体，具有传感器元件；
预成型托盘部，具有外露腔，具有所述传感器元件的所述传感器载体在所述预成型托盘部的凹口中定位成延伸到所述外露腔中，
引线框，布置成提供所述传感器封装件的外部连接，
二次成型封装部，布置在所述引线框和所述预成型托盘部周围并且具有与所述外露腔对准的孔，
其中，所述预成型托盘部的所述凹口包括至少一个阻挡件，所述阻挡件布置成向内延伸到所述凹口中以将所述传感器载体保持在所述凹口中并确保所述传感器载体与所述凹口之间存在空隙。
2.根据权利要求1所述的传感器封装件，其中，所述至少一个阻挡件具有至少1μm的延伸高度(h)。
3.根据权利要求1所述的传感器封装件，其中，所述预成型托盘部的所述凹口包括一个或多个垫片。
4.根据权利要求1所述的传感器封装件，其中，所述预成型托盘部的所述凹口还包括扩展空间，所述扩展空间布置成相对于所述至少一个阻挡件邻近所述外露腔。
5.根据权利要求1所述的传感器封装件，其中，所述传感器载体在所述传感器载体的侧壁处设置有缺口。
6.根据权利要求1所述的传感器封装件，其中，所述凹口和所述传感器载体包括全等的倾斜壁。
7.根据权利要求1所述的传感器封装件，其中，所述孔的截面积大于所述外露腔的截面积。
8.根据权利要求1所述的传感器封装件，还包括定位在所述预成型托盘部的所述外露腔的底部上的传感器支承元件。
9.根据权利要求1所述的传感器封装件，还包括定位在所述引线框上的集成电路和位于所述集成电路与所述传感器载体之间的电连接件，其中，所述集成电路和所述电连接件由所述二次成型封装部覆盖。
10.根据权利要求1所述的传感器封装件，其中，所述预成型托盘部的成型化合物包括尺寸小于所述二次成型封装部的成型化合物的填充材料的尺寸的填充材料。
11.制造传感器封装件的方法，所述方法包括：
设置引线框；
形成具有外露腔和凹口的预成型托盘部，其中所述预成型托盘部的所述凹口包括至少一个阻挡件，所述阻挡件布置成向内延伸到所述凹口中；
在所述预成型托盘部的所述凹口中将具有传感器元件的传感器载体定位成延伸到所述外露腔中并且通过所述阻挡件确保所述传感器载体与所述凹口之间存在空隙；
通过在所述引线框和所述预成型托盘部周围施加二次成型材料并设置与所述外露腔对准的孔来形成二次成型封装部。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述预成型托盘部是使用第一成型化合物形成的，且所述二次成型封装部是使用第二成型化合物形成的。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二成型化合物包括尺寸大于所述第一成型化合物的填充材料的尺寸的填充材料。
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