CN111217318A - 传感器及其封装组件 - Google Patents
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Abstract
本发明揭露了一种传感器的封装组件，包括：重布线层，其包括相对的第一面和第二面；第一管芯，其电连接至所述重布线层的所述第一面；模塑料，其包括相对的第三面和第四面，所述模塑料的所述第三面与所述重布线层的所述第一面结合；所述模塑料在所述重布线层的所述第一面侧包封所述第一管芯；以及，传感元件，其电连接至所述重布线层。该传感器的封装组件允许更多的元器件封装在一起，并且提供更好的结构支撑或提供封装组件更好的热分布，同时降低了整个封装组件的体积和成本。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术，尤其涉及基于微机电技术的传感器及其封装组件。
背景技术
MEMS(Micro Electro-Mechanical System，微机电系统)传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。MEMS传感器广泛地应用于汽车、便携式消费电子设备乃至医疗领域。
MEMS传感器的封装是MEMS传感器设计与制造中的关键因素，MEMS传感器的封装有着特殊的要求，例如传感器需要感知外界环境的变化以及实现电信号引出的功能，因此需要在传感器的外壳上保留与外界直接相连的通路用以感知光、热、气压、力等物理信息。一个典型的实例是：MEMS压力传感器(Pressure Sensor)，其需要在其外壳设置开口感知外部的介质压力。传统的MEMS封装包括：芯片封装、器件封装以及系统级封装。然而当前市场的需求要求将更多器件和功能集成到越来越小的空间中。现有的封装方案难以满足对较高部件密度设备的需求。
发明内容
本发明的目的在于解决传感器的体积大的问题。按照本发明的实施例的一种传感器封装组件，其包括：
重布线层，其包括相对的第一面和第二面；
第一管芯，其电连接至所述重布线层的所述第一面；
模塑料，其包括相对的第三面和第四面，所述模塑料的所述第三面与所述重布线层的所述第一面结合；所述模塑料在所述重布线层的所述第一面侧包封所述第一管芯；以及，
传感元件，其电连接至所述重布线层。
可选地，所述传感器装置还包括第二管芯和第三管芯，所述第二管芯电连接到所述重布线层的所述第一面，所述模塑料在所述重布线层的所述第一面侧包封所述第二管芯；所述第三管芯电连接至所述重布线层的所述第二面。
可选地，所述封装组件还包括模塑通孔电连接体，所述模塑通孔电连接体贯穿所述模塑料的第三面和第四面并连接至所述重布线层；所述模塑料的第四面上还包括焊盘，所述重布线层通过所述模塑通孔电连接体电连接至所述焊盘。
可选地，所述模塑料还包括连接所述第三面和第四面的侧壁，所述焊盘沿所述模塑料的第四面延伸至所述模塑料的侧壁的外表面。
可选地，所述封装结构还包括罩壳，其安装于所述重布线层的所述第二面上，所述罩壳与所述重布线层的所述第二面之间形成第一空间，所述传感元件位于所述第一空间中；所述罩壳设置有连通所述第一空间与外界的第一透气口。
可选地，所述罩壳粘着于所述重布线层的所述第二面上。
可选地，所述封装组件还包括凝胶状填充物，其至少部分地填充所述第一空间；所述凝胶状填充物覆盖所述传感元件。
可选地，在所述传感元件与所述重布线层的所述第二面之间形成与所述第一空间相互不透气地隔离的第二空间；所述重布线层包括贯穿所述重布线层的第一面和第二面的第二透气口；所述模塑料包括贯穿所述模塑料的第三面和第四面的第三透气口，所述第二透气口与第三透气口相互连通，所述第二空间通过所述第二透气口与第三透气口连通外界。
可选地，所述传感元件为MEMS压力传感元件；所述第一管芯为ASIC。
根据本发明的另一方面，提供了一种传感器，其包括所述的传感器的封装组件和承载衬底，所述传感器的封装组件安装在所述承载衬底上。
从以上可以看出，根据本发明的传感器的封装组件。通过设置重布线层和模塑料，使得允许更多的元器件封装在一起，并且提供更好的结构支撑或/和提供封装组件更好的热分布。同时降低了整个封装组件的体积和成本。
附图说明
本发明的特征、特点、优点和益处通过以下结合附图的详细描述将变得显而易见。
图1示出了根据本发明一个实施例的传感器的封装组件的剖面结构示意图。
图2示出了根据本发明另一个实施例的传感器的封装组件的剖面结构示意图。
图3示出了根据本发明再一个实施例的传感器的封装组件的剖面结构示意图。
图4示出了根据本发明还一个实施例的传感器的封装组件的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面，结合附图详细描述本发明的实施例。
图1示出了根据本发明一个实施例的传感器的封装组件100的剖面结构。如图所示，该传感器的封装组件100包括一个RDL(Redistribution Layer，重布线层)11、传感元件12、模塑料13、罩壳14以及第一管芯15，可选地还包括第二管芯16和第三管芯17。其中，RDL11包括相对的第一面111和第二面112，第一管芯15和第二管芯16电连接至RDL 11的第一面111，第三管芯17电连接至RDL 11的第二面112。模塑料13在RDL 11的第一面111侧包封第一管芯15和第二管芯16。模塑料13包括相对的第三面131和第四面132。模塑料13在RDL 11的第一面111侧包封第一管芯15和第二管芯16时，模塑料13的第三面131与RDL 11的第一面111结合在一起。此外，模塑料13中还可以包括若干个导电柱19，若干个导电柱19由RDL 11的第一面111向第二面112延伸并且贯穿模塑料13。罩壳14安装于RDL 11的第二面上112，罩壳14与RDL 11的第二面112之间形成第一空间18。罩壳14上设置有连通第一空间18与外界的第一透气口141；传感元件12位于第一空间18中并且电连接至RDL 11的第二面112。
RDL 11包括重配线113和介质层114，重配线113可以为一个或者多个。在本实施例中，RDL 11中包括内嵌的重配线113。其例如可以通过以下方式形成：首先形成籽晶层、然后形成金属(例如铜)图案来生成重配线113。可选地，还可以通过沉积(例如溅镀)和蚀刻的工艺来形成重配线113。重配线113的材料可包括但不限于金属材料，诸如铜、钛、镍、金及其组合或合金。重配线113的金属图案随后被嵌入在介质层114中。介质层114可以是任何合适的介质材料，例如氧化物或聚合物(例如聚酰亚胺)。重配线113的暴露部分可用于不同管芯的电连接。RDL 11可通过逐层工艺形成，并且可利用薄膜技术形成。本实施例中，RDL 11具有比传统有机或层合衬底更薄的厚度。例如传统六层有机或层合衬底具有300μm–500μm的厚度。RDL11的厚度可由重配线113和介质层114的数量以及形成方式来决定。本实施例中，重配线113具有3μm-10μm的厚度，而介质层114具有2μm-5μm的厚度。本实施例的RDL 11还允许实现与传统有机或层合衬底相比更窄的线间距宽度(微细间距)和更细的线。本实施例中，RDL 11总共具有小于50μm的厚度，例如30μm-25μm。或更小例如20μm的厚度。本实施例中，RDL 11的第一面111由介质层114形成来用于实现RDL 11的钝化。
参考图1，传感元件12、第一管芯15、第二管芯16和第三管芯17电连接到RDL 11。第一管芯15的类型可取决于具体的应用。例如第一管芯15可以是逻辑部件(例如ASIC)、存储器或其它部件，不同类型的第一管芯15可以被电连接至RDL 11。第二管芯16和第三管芯17可以是无源部件诸如电容器或电感器。本实施例中，第一管芯15和第二管芯16电连接到RDL11的第一面111上和重配线113连接从而电连接到RDL 11。传感元件12和第三管芯17电连接至RDL 11的第二面上112。
电连接可利用多种技术来实现。例如第一管芯15和第二管芯16可利用倒装芯片法(Flip Chip)来实现。具体地，第一管芯15和第二管芯16包括具有接触垫(图中未示出)的侧面和不包括接触垫的相对的另外一个侧面。具有接触垫的侧面还可以包括围绕接触垫的钝化层。第一管芯15和第二管芯16的具有接触垫的侧面电连接到RDL 11的第一面111上。进一步地，第一管芯15和第二管芯16的接触垫利用导电凸块诸如焊接材料电连接到RDL11的重配线的暴露部分。同时，可以利用导电凸块和侧向围绕该导电凸块的非导电膏(NCP)或非导电膜(NCF)将第三管芯17电连接到RDL 11的第二面112上，电连接可利用热压缩从第二面112将导电凸块电连接到RDL 11的重配线的暴露部分来实现。导电凸块由例如金或焊接材料形成。
然后可利用模塑料13将第一管芯15和第二管芯16进行包封。模塑料13由例如热固性交联树脂(例如环氧树脂)、液体或颗粒、片材或膜组成。可以采用合适的技术来实现包封第一管芯15和第二管芯16，例如压缩模塑、液体包封剂注射和层合。本实施例中，模塑料13是填充在RDL 11的第一面111侧并且包封第一管芯15和第二管芯16的连续的均一成分层。如图1所示，模塑料13包括相对的第三面131和第四面132，当模塑料13在RDL 11的第一面111包封第一管芯15和第二管芯16时，模塑料13的第三面131与RDL 11的第一面111接触，第一管芯15和第二管芯16的横向侧被封在模塑料13中。与此同时，在第一管芯15和第二管芯16的远离RDL 11的第一面111的前表面151和161上方也形成模塑料13。本领域技术人员应当理解，并不要求第一管芯15和第二管芯16的前表面都封在模塑料13内。例如在其他一些实施例中，第一管芯15和第二管芯16的横向侧被封在模塑料13中，但在第一管芯15和第二管芯16的前表面上不形成模塑料，即第一管芯15和第二管芯16的前表面暴露。
模塑料13中包括至少一个导电柱19，本实施例中，导电柱19是TMV(Through MoldVia，模塑通孔)电连接体，TMV电连接体贯穿模塑料13的第三面131和第四面132并连接RDL11的第一面111。具体地，TMV电连接体连接到RDL 11的单个或多个重配线实现与RDL 11的电连接。TMV电连接体可以通过任何合适的方式在模塑料13上形成。包括钻孔形成例如激光钻孔。也可以在模塑料13形成的过程中预先设置柱状结构从而在脱模过程中形成。在形成TMV电连接体后，可以对其进行清洁，以便于后续的处理。清洁可包括任何合适的操作，例如：湿法蚀刻、等离子体蚀刻或其组合。TMV电连接体的数量由RDL 11上包括的输入输出(I/O)器件的数量决定。通过设置TMV电连接体可以实现传感器的封装组件100的信号输出至其他电路例如作为传感器的承载衬底的PCB板。如图所示，向TMV电连接体中添加导电的填充物，填充物为导电的堵封材料或是金属例如铜。填充可以通过任何合适的操作来实现确保填充物和RDL 11之间适当的电连接。模塑料13的第四面132上在TMV电连接体处还设置有焊盘20。TMV电连接体连接至焊盘20。
罩壳14安装于RDL 11的第二面122上，本实施例中，罩壳14通过粘合剂粘着于RDL11的第二面112上。可以使用导电粘合剂实现良好的电磁干扰(EMI)屏蔽。罩壳14安装于RDL11的第二面112上，罩壳14与RDL11的第二面112之间形成第一空间18。传感元件12位于第一空间18中并电连接至RDL 11的第二面112。罩壳14还包括有连通第一空间18与外界的第一透气口141。
可以利用多种电连接技术将传感元件12电连接至RDL 11的第二面112，实现传感元件12与RDL 11的电性连接，例如图1中所示的引线键合25、倒装芯片法27或者硅通孔电连接体(Through Silicon Via，TSV)26。
在本实施例的传感器的封装组件100中，传感元件12为MEMS流体压力传感元件，用于测量外部介质例如空气或者液体的压力。第一管芯15为ASIC，ASIC包括嵌入在例如硅、砷化镓、SiC(碳化硅)石墨烯或者任何半导体材料的衬底内和/或上的一个或者多个电路，其被配置为执行特定任务或实现特定功能。具体地，外部介质通过连通第一空间18和外部空间的第一透气孔141进入第一空间18内，传感元件12感测外部介质的压力。而电连接在RDL11上的与传感元件12电性连接的第一管芯15、第二管芯16和第三管芯17将传感元件12感测到的外部介质的压力转化为电信号并经由TMV 19输出。
同时，还可以使用保护构件例如凝胶状填充物21保护传感元件12，从而在恶劣工作环境中保护传感元件12的正常工作。凝胶状填充物21至少部分地填充所述第一空间18并覆盖传感元件12。进一步地，还可以覆盖RDL11的第二面112，甚至可以覆盖电连接在RDL 11第二面112上的第三管芯17。凝胶状填充物21具有电绝缘特性，凝胶状填充物21用于保护传感元件12和第三管芯17避免受到引入的介质污染物的影响，凝胶状填充物21与溶液相比更偏向固体形式的胶状材料，凝胶状填充物21可以使流体压力传感元件12与恶劣的周围环境隔离，同时可以精确向传感元件12传递外部介质施加的压力。
图2示出了根据本发明第二个实施例的传感器的封装组件200的剖面结构。相比较于图1，图2中的传感器的封装组件200在形成模塑料13之后，导电凸块22可附加到模塑料13或在模塑料13上直接形成。如图所示，导电凸块22设置于模塑料13的第四面132上的模塑通孔19处。导电凸块22可使用多种结构，例如是图2中示出的焊球，或者是镀覆的桩。导电凸块22被配置成将传感器的封装组件电连接到其他电路例如承载衬底。
图3示出了根据本发明第三个实施例的传感器的封装组件300的剖面结构。相比较于图1，图3中的传感器的封装组件300中模塑料13的第四面132的TMV电连接体19处还具有焊盘20，焊盘20沿模塑料13的第四面132延伸至模塑料13的侧壁133的外表面，并在第四面132和侧壁133的外表面的过渡区域形成自动光学检查(Automated Optical Inspection，AOI)能够清楚可见的爬锡通道23。
图4示出了根据本发明的第四个实施例的传感器的封装组件400的剖面结构。在本实施例中，传感元件12安装到RDL 11的第二面112上时，传感元件在与重布线层的第二面112相对的一侧形成与第一空间18相互不透气地隔离的第二空间24。RDL 11设置有连通RDL11的第一面111和第二面112的第二透气口115，模塑料13设置有连通模塑料13的第三面131和第四面132的第三透气口134，第二透气口115与第三透气口134互相连通。同时，第二透气口115与第三透气口134连通和第二空间24与外部的介质。本实施例的传感器原件12还可以用于测量和第二空间24中外部介质的压力。进一步地，通过与设置在RDL 11第一面111的第一管芯15的配合，还可以比较位于第一空间18与和第二空间24的外部介质压力。例如比较位于第一空间18与和第二空间24中的外部介质的压力差。
RDL与模塑料的设置可以增大传感器的封装组件的展开面积，从而允许更多组件封装在一起，并且提供更好的结构支撑或提供封装组件更好的散热。同时，RDL与模塑料的耦合还实现了SIP(System in Package)的封装形式。该SIP结构利用RDL以扇出管芯的电气端子并且允许无源器件和/或罩壳的封装在一起，减少了有机衬底等的使用，从而降低了整个封装组件的体积。同时也保护了封装组件以及允许传感器封装组件与外界的接触。
还可以将本发明的传感器封装组件与其它电路例如承载衬底进行下一级封装，从而形成例如MEMS压力/压差传感器。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，作出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明的权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种传感器的封装组件，其特征在于，其包括：
重布线层，其包括相对的第一面和第二面；
第一管芯，其电连接至所述重布线层的所述第一面；
模塑料，其包括相对的第三面和第四面，所述模塑料的所述第三面与所述重布线层的所述第一面结合；所述模塑料在所述重布线层的所述第一面侧包封所述第一管芯；以及，
传感元件，其电连接至所述重布线层。
2.根据权利要求1所述的封装组件，其特征在于，所述传感器装置还包括第二管芯和第三管芯，所述第二管芯电连接到所述重布线层的所述第一面，所述模塑料在所述重布线层的所述第一面侧包封所述第二管芯；所述第三管芯电连接至所述重布线层的所述第二面。
3.根据权利要求1所述的封装组件，其特征在于，所述封装组件还包括模塑通孔电连接体，所述模塑通孔电连接体贯穿所述模塑料的第三面和第四面并连接至所述重布线层；所述模塑料的第四面上还包括焊盘，所述重布线层通过所述模塑通孔电连接体电连接至所述焊盘。
4.据权利要求3所述的封装组件，其特征在于，所述模塑料还包括连接所述第三面和第四面的侧壁，所述焊盘沿所述模塑料的第四面延伸至所述模塑料的侧壁的外表面。
5.根据权利要求1所述的封装组件，其特征在于，所述封装结构还包括罩壳，其安装于所述重布线层的所述第二面上，所述罩壳与所述重布线层的所述第二面之间形成第一空间，所述传感元件位于所述第一空间中；所述罩壳设置有连通所述第一空间与外界的第一透气口。
6.根据权利要求5所述的封装组件，其特征在于，所述罩壳粘着于所述重布线层的所述第二面上。
7.根据权利要求5所述的封装组件，其特征在于，所述封装组件还包括凝胶状填充物，其至少部分地填充所述第一空间；所述凝胶状填充物覆盖所述传感元件。
8.根据权利要求1所述的封装组件，其特征在于，在所述传感元件与所述重布线层的所述第二面之间形成与所述第一空间相互不透气地隔离的第二空间；所述重布线层包括贯穿所述重布线层的第一面和第二面的第二透气口；所述模塑料包括贯穿所述模塑料的第三面和第四面的第三透气口，所述第二透气口与第三透气口相互连通，所述第二空间通过所述第二透气口与第三透气口连通外界。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的封装组件，其特征在于，所述传感元件为MEMS压力传感元件；所述第一管芯为ASIC。
10.一种微机电系统传感器，其特征在于，所述传感器包括根据权利要求1至9中任意一项所述的传感器的封装组件和承载衬底，所述传感器的封装组件安装在所述承载衬底上。
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