CN113365938A - 微机械传感器设备和对应的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种微机械传感器设备和一种对应的制造方法。所述微机械传感器设备配备有：衬底(10)，所述衬底具有前侧(VS)和后侧(RS)；安装在所述衬底(10)的前侧(VS)上的微机械传感器芯片(20)，所述微机械传感器芯片具有传感器区域(SB)；安装在所述衬底(10)的前侧(VS)上的封盖装置(60)，所述封盖装置至少部分地通过ASIC芯片(60)构造。所述封盖装置(60)包围所述微机械传感器芯片(20)，使得在所述微机械传感器芯片(20)的传感器区域(SB)与所述ASIC芯片(60)之间形成朝向所述衬底(10)的前侧(VS)闭合的空腔(K)。在所述封盖装置(60；60a、55；60b；60a、55‘)的上方构造有模塑封装(80)。

Description

微机械传感器设备和对应的制造方法
技术领域
本发明涉及一种微机械传感器设备和一种对应的制造方法。
背景技术
虽然也能够应用任意的微机械结构元件，但是根据微机械压力传感器设备来阐述本发明和其所基于的问题。
DE 10 2011 084 582B3公开了一种微机械压力传感器设备，其具有衬底、安装在衬底上的电路芯片和模塑封装，电路芯片包装在模塑封装中。模塑封装在电路芯片的上方具有凹陷部，在该凹陷部中设置有传感器芯片。模塑封装在凹陷部的底部上具有伸展直至金属化区域的、借助于激光束打开的贯通孔，传感器芯片与衬底的电连接穿过该贯通孔被引导到金属化区域上。
发明内容
本发明提出根据权利要求1所述的微机械传感器设备和根据权利要求11所述的对应的制造方法。
优选的扩展方案是相应的从属权利要求的主题。
本发明所基于的理念在于，将ASIC芯片集成到封盖装置中。因此，ASIC芯片用于保护微机械传感器芯片免受模塑质量影响。根据本发明的构造能够实现对微机械传感器芯片的机械去耦，以免受构造技术和连接技术的影响。微机械传感器芯片的这种压力去耦，能够使包装中的机械应力对传感器信号的影响最小化。
由于消除了在微机械传感器芯片的上方的单独的盖元件的必要性，能够实现最小的总构件尺寸。所述制造能够通过构造与连接过程中的标准过程来完成，例如引线键合、注塑包封/模塑、分离、粘贴连接等等。
这能够进一步降低用于制造微机械传感器(例如压力传感器或者气体传感器)的成本。
根据一种优选的扩展方案，ASIC芯片具有盆状的凹槽，该凹槽具有环绕的环形的边缘区域，该边缘区域间接地或者直接地安装在衬底的前侧上。这能够实现：ASIC芯片形成封盖装置的重要部分。
根据另一种优选的扩展方案，ASIC芯片平坦地构造并且通过环形的间距保持装置安装在衬底的前侧上。这能够实现：将ASIC芯片集成到封盖装置中而无需改型。
根据另一种优选的扩展方案，ASIC芯片部分地覆盖微机械传感器芯片并且具有凹槽，该凹槽具有u形的边缘区域，该边缘区域直接安装在衬底的前侧上，其中，u形的边缘区域的敞开的部分直接安装在微机械传感器芯片上。这能够实现：仅部分地封盖微机械传感器芯片，尤其是当该微机械传感器芯片构造得比ASIC芯片大时。
根据另一种优选的扩展方案，ASIC芯片部分地覆盖微机械传感器芯片并且平坦地构造并且通过u形的间距保持装置直接安装在衬底的前侧上，其中，ASIC芯片在u形的间距保持装置的敞开的部分中直接安装在微机械传感器芯片上。这能够实现：将ASIC芯片集成到封盖装置中而无需改型，并且在此仅部分地封盖微机械传感器芯片。
根据另一种优选的扩展方案，衬底中的贯通开口朝向衬底的后侧形成通向空腔的介质进入开口。因此，能够在不存在模塑质量的区域中实现介质进入。
根据另一种优选的扩展方案，在衬底的后侧上在贯通开口的上方安装有多微孔的膜片。这能够保护灵敏的传感器区域免受异物颗粒的影响。
根据另一种优选的扩展方案，微机械传感器芯片线形地和/或点形地粘贴到衬底的前侧上。因此，能够进一步减小应力影响。
根据另一种优选的扩展方案，微机械传感器芯片是压力传感器芯片。对于压力传感器芯片，根据本发明的包装是特别有效的。
根据另一种优选的扩展方案，衬底是LGA(line grid array)衬底。这提出灵活的电附接可能性。
附图说明
在下文中，根据实施方式参照附图阐述本发明的其他特征和优点。
附图示出：
图1a)-c)至4a)-c)用于阐述根据本发明的第一实施方式的微机械传感器设备和对应的制造方法的示意图；
图5a)-e)用于阐述根据本发明的第一实施方式的微机械传感器设备的ASIC芯片的示意图；
图6a)-c)示出用于阐述根据本发明的第二实施方式的微机械传感器设备和对应的制造方法的示意图；
图7a)、b)示出用于阐述根据本发明的第二实施方式的微机械传感器设备的ASIC芯片的示意图；
图8a)、b)用于阐述根据本发明的第二实施方式的微机械传感器设备的间隔部的示意图；
图9a)-c)和10a)-c用于阐述根据本发明的第三实施方式的微机械传感器设备和对应的制造方法的示意图；
图11a)、b)用于阐述根据本发明的第三实施方式的微机械传感器设备的ASIC芯片的示意图；
图12a)、b)用于阐述根据本发明的第四实施方式的微机械传感器设备的间隔部的示意图；
图13用于阐述根据本发明的第五实施方式的微机械传感器设备和对应的制造方法的示意图。
具体实施方式
在附图中，相同的附图标记表示相同的或者说功能相同的元件。
图1a)-c)至4a)-c)示出用于阐述根据本发明的第一实施方式的微机械传感器设备和对应的制造方法的示意图。
图1a)至4a)是示意性俯视图，图1b)至4b)是沿着图1a)至4a)中的线A-A‘的示意性横截面视图并且图1c)至4c)是沿着图1a)至4a)中的线B-B‘的示意性横截面视图。
在图1a)-1c)中，附图标记10表示具有前侧VS和后侧RS的LGA(线栅格阵列，linegrid array)衬底。在衬底10的前侧VS上施加有金属化的面110，出于简化的原因，该金属化的面仅在图1a)中标示。金属化的面110用于从后侧RS来屏蔽电磁入射，其方式是，在传感器设备运行时，该金属化的面例如设置为限定的电势。首先，提供具有传感器区域SB的微机械压力传感器芯片20，该传感器区域例如通过膜片和压阻式电阻装置形成，如在这里不详细描述的那样，因为在现有技术中已众所周知。
呈压力传感器芯片形式的微机械传感器芯片20首先局部地借助于第一胶粘剂层K1在金属化的面20内粘贴到衬底的前侧VS上。局部的粘贴用于使机械张力通过衬底10对机械传感器芯片20的影响最小化并且能够实现经由至少一个贯通开口120的介质进入，所述贯通开口形成在衬底10中。
局部的粘贴能够线状地(如这里示出的那样)和/或点状地实施。为了防止微机械传感器芯片20在粘贴期间倾斜，微机械传感器芯片20能够在这个过程步骤期间可选地从后侧RS穿过贯通开口120借助于支承引脚(未示出)暂时地保持在与衬底10的对应的间距上。如已经提到的那样，贯通开口120在传感器运行中同时是用于微机械传感器芯片10的压力接口。
附图标记B1表示在衬底10的前侧VS上的第一键合垫组件，该第一键合垫组件与微机械传感器芯片20上的第二键合垫组件B2相对应地布置。第三键合垫组件B3例如布置在衬底10的对置的侧上并且与待施加的ASIC芯片60上的第四键合垫组件B4相对应，如在下文中阐述的那样(参见图3a))。
进一步参考图2a)-c)，第一键合垫组件B1与第二键合垫组件B2通过第一引线键合装置DB1连接。接下来，第二胶粘剂层K2框架形地围绕微机械传感器芯片20施加到衬底10的前侧VS上，该第二胶粘剂层间隔开地包围微机械芯片20。
然后，如图3a)-c)所示，具有盆形的凹槽W的ASIC芯片60粘贴到衬底10的前侧VS上，该盆形的凹槽具有环绕的环形的边缘区域R。在第二胶粘剂层K2硬化之后，借助于第二引线键合装置DB2建立第三键合垫组件B3和与所述第三键合垫组件相对应地设置在ASIC芯片60上的第四键合垫组件B4之间的电连接。
在这个过程步骤之后，在微机械传感器区域20的传感器区域SB与ASIC芯片60之间制造朝向衬底10的前侧VS闭合的空腔K，所述空腔在衬底10的后侧RS处具有呈贯通孔120形式的介质进入开口。
在这种实施方式中，仅通过具有盆状的凹槽W的ASIC芯片60对微机械传感器芯片20进行封盖。
最后参照图4a)-c)，借助模塑质量注塑包封经封盖的芯片堆叠，该芯片堆叠由微机械传感器芯片20和ASIC芯片60组成，以便在芯片堆叠的上方形成模塑封装80。
为了防灰和防水，在衬底10的后侧RS上能够在贯通开口120的上方安装多微孔的膜片121，例如由泡沫聚四氟乙烯(ePTFE)制成的多微孔的膜片。
与微机械传感器芯片20的下侧上的金属化的面110相对应地，在运行中能够通过ASIC芯片60从上侧进行屏蔽，其方式是，该ASIC芯片的接地同样设置为限定的电势。
虽然对该第一实施方式的描述与单个的微机械传感器设备有关，但是也可能的是，在唯一的衬底10上制造多个所述微机械传感器设备，并且在最终的过程步骤中在制造相应的模塑封装之后对所述微机械传感器设备进行分离，例如在锯切过程中。
图5a)-e)示出用于阐述根据本发明的第一实施方式的微机械传感器设备的ASIC芯片的示意图。
图5a)是示意性俯视图，图5b)是沿着图5a中的线A-A‘的示意性横截面视图，图5c)是沿着图5a)中的线B-B‘的示意性横截面视图，图5d)是沿着图5a)中的线C-C‘的示意性横截面视图并且图5e)是沿着图5a)中的线D-D‘的示意性横截面视图。
图5a)-c)详细地示出具有盆状的凹槽W的ASIC芯片60的构造，该盆状的凹槽具有环绕的环形的边缘区域R。这个盆状的凹槽W能够在(未示出的)过程步骤中借助已知的蚀刻方法、例如DRIE蚀刻或者KOH蚀刻来制造，其中，对应地掩蔽边缘区域R。
图6a)-c)示出用于阐述根据本发明的第二实施方式的微机械传感器设备和对应的制造方法的示意图。
图6a)是示意性俯视图，图6b)是沿着图6a)中的线A-A‘的示意性横截面视图并且图6c)是沿着图6a)中的线B-B‘的示意性横截面视图。
根据图6a)-6c)，ASIC芯片60a平坦地构造并且通过在衬底10的前侧VS上的环形的间距保持装置55安装到第二胶粘剂层K2和在间距保持装置55与ASIC芯片60a之间的第三胶粘剂层K3的上方。
在其他方面，第二实施方式对应于上文描述的第一实施方式。
图7a)、b)示出用于阐述根据本发明的第二实施方式的微机械传感器设备的ASIC芯片的示意图。
图7a)是示意性俯视图并且图7b)是沿着图7a)中的线A-A‘的示意性横截面视图.
如图7a)、b)所示，在第二实施方式的情况下，不需要对常见的ASIC芯片60a进行改型。
图8a)、b)示出用于阐述根据本发明的第二实施方式的微机械传感器设备的间隔部(Spacer)的示意图。
图8a)是示意性俯视图并且图8b)是沿着图8a)中的线A-A‘的示意性横截面视图。
如能够从图8a)、b)中得知的那样，间距保持装置55基本上与ASIC芯片60a具有相同的横向尺寸，从而使得第三胶粘剂层K3的粘贴区域得到优化。
这种间距保持装置55能够由硅、陶瓷、玻璃或者由晶片复合结构中的塑料制成，并且当并行地制造多个微机械传感器设备并且随后对其进行分离时，这种间距保持装置能够例如通过晶片接合与ASIC晶片连接。替代地，所述间距保持装置也能够作为单件来制造、提供并且施加到相应的衬底10上。
图9a)-c)和10a)-c)示出用于阐述根据本发明的第三实施方式的微机械传感器设备和对应的制造方法的示意图。
图9a)和10a)是示意性俯视图，图9b)至10b)是沿着图9a)和10a)中的线A-A‘的示意性横截面视图并且图9c)和10c)是沿着图9a)至10a)中的线B-B‘的示意性横截面视图。
根据图9a)-c)和10a)-c)，ASIC芯片60b仅部分地覆盖微机械传感器芯片20，其中，确保空腔K构造在传感器区域SB的上方。
为此，必须这样构型ASIC芯片60b的凹槽W，使得ASIC芯片60b只在三侧上被u形的边缘区域R‘包围。在这种实施方式中，这样施加第二胶粘剂层K2‘，使得u形的边缘区域R‘的敞开的部分直接安装在微机械传感器芯片20上。换言之，第二胶粘剂层K2‘阶梯形地引导到微机械传感器芯片20的上方(剑形粘贴，Schwertklebung)。如在上文描述的实施方式中那样，第二胶粘剂层K2‘的其他侧以与微机械传感器芯片20间隔开的方式这样施加到衬底10上，使得如在上述实施方式中那样产生环形的胶粘剂区域。
因此，传感器区域SB朝向衬底10的前侧VS朝向所有侧密封，这防止模塑质量在形成模塑封装80期间侵入。在这种实施方式中，也能够在施加ASIC芯片60b之后，即与ASIC芯片60b的第二引线键合组件DB2的形成一起，实现微机械传感器芯片20的借助于第一引线键合装置DB1的引线键合，这进一步简化所述过程。
为了实现最小的结构高度，在这种实施方式中和在其他实施方式中，第一和第二引线键合装置DB1、DB2呈“低回路线键合(Low-Loop-Drahtbonds)”的形式实施。
图11a)、b)示出用于阐述根据本发明的第三实施方式的微机械传感器设备的ASIC芯片的示意图。
图11a)是示意性俯视图，图11b)是沿着图11a中的线A-A‘的示意性横截面视图，图11c)是沿着图11a)中的线B-B‘的示意性横截面视图，图11d)是沿着图11a)中的线E-E‘的示意性横截面视图并且图11e)是沿着图11a)中的线F-F‘的示意性横截面视图。
根据图11a)-c)，详细地示出ASIC芯片60b。能够看出u形的边缘区域R‘和u形的边缘区域R‘的敞开的部分，从而形成一侧敞开的盆形的凹槽W‘。
图12a)、b)示出用于阐述根据本发明的第四实施方式的微机械传感器设备的间隔部的示意图。
图12a)是示意性俯视图并且图12b)是沿着图12a)中的线A-A‘的示意性横截面视图。
根据图12a)、b)也可能的是，对根据图9a)-c)和10a)-c)的先前描述的实施方式这样改型，使得使用根据图7a)、b)的平坦的传感器芯片60a，其中，与根据图6a)-c)的实施方式类似，将u形的间距保持装置55‘安装在衬底的前侧VS上，其中，ASIC芯片60a在u形的间距保持装置55‘的敞开的部分中安装在微机械传感器芯片20上。
图13示出用于阐述根据本发明的第五实施方式的微机械传感器设备和对应的制造方法的示意图。
根据图13的示意图与图6c)类似。根据图13，ASIC芯片60c比图6c)中的ASIC芯片60a小。与此对应地，间距保持装置55“以弯成角度的方式形成，以便补偿ASIC芯片60c与微机械传感器芯片20之间的面积差。间距保持装置55“与ASIC芯片60c之间的连接通过胶粘剂层K3‘来实现。
虽然已根据优选的实施例描述本发明，但是本发明不限于此，而是能够以有利的方式进行修改。尤其是，所提到的材料和拓扑学仅是示例性的，并且不限于所阐述的例子。
上述实施例已根据微机械压力传感器芯片进行阐述，但是原则上能够应用于任意的MEMS传感器，例如气体传感器、加速度传感器等等。
虽然在上述实施方式中分别将微机械传感器芯片和ASIC芯片引线键合到衬底上，但是，微机械传感器芯片与ASIC芯片之间的电连接能够直接地或者也能够通过衬底的含有金属的结构来实现。
因此，原则上，本发明能够在所有MEMS传感器设备的情况下使用，在所述MEMS传感器设备中，MEMS传感器电子部件和分析处理电子部件(ASIC芯片)存在于两个离散的芯片上，并且在所述MEMS传感器设备中，ASIC芯片例如与MEMS芯片具有相同的面积尺寸或者比MEMS芯片具有更大的面积尺寸。

Claims (15)

1.微机械传感器设备，所述微机械传感器设备具有：
衬底(10)，所述衬底具有前侧(VS)和后侧(RS)；
安装在所述衬底(10)的前侧(VS)上的微机械传感器芯片(20)，所述微机械传感器芯片具有传感器区域(SB)；
安装在所述衬底(10)的前侧(VS)上的封盖装置(60；60a、55；60b；60a、55‘；60c、55“)，所述封盖装置至少部分地通过ASIC芯片(60；60a；60b；60c)构造；
其中，所述封盖装置(60；60a、55；60b；60a、55‘；60c、55“)包围所述微机械传感器芯片(20)，使得在所述微机械传感器芯片(20)的传感器区域(SB)与所述ASIC芯片(60；60a；60b；60c)之间形成朝向所述衬底(10)的前侧(VS)闭合的空腔(K)；并且
其中，在所述封盖装置(60；60a、55；60b；60a、55‘；60c、55“)的上方构造有模塑封装(80)。
2.根据权利要求1所述的微机械传感器设备，其中，所述ASIC芯片(60)具有盆状的凹槽(W)，所述凹槽具有环绕的环形的边缘区域(R)，所述边缘区域间接地或者直接地安装在所述衬底(10)的所述前侧(VS)上。
3.根据权利要求1所述的微机械传感器设备，其中，所述ASIC芯片(60a；60c)平坦地构造并且通过环形的间距保持装置(55；55“)安装在所述衬底(10)的所述前侧(VS)上。
4.根据权利要求1所述的微机械传感器设备，其中，所述ASIC芯片(60b)部分地覆盖所述微机械传感器芯片(20)并且具有凹槽(W‘)，所述凹槽具有u形的边缘区域(R‘)，所述边缘区域直接安装在所述衬底(10)的所述前侧(VS)上，其中，所述u形的边缘区域(R‘)的敞开的部分直接安装在所述微机械传感器芯片(20)上。
5.根据权利要求1所述的微机械传感器设备，其中，所述ASIC芯片(60a)部分地覆盖所述微机械传感器芯片(20)并且平坦地构造并且通过u形的间距保持装置(55‘)直接安装在所述衬底(10)的前侧(VS)上，其中，所述ASIC芯片(60a)在所述u形的间距保持装置(55‘)的敞开的部分中直接安装在所述微机械传感器芯片(20)上。
6.根据上述权利要求中任一项所述的微机械传感器设备，其中，所述衬底(10)中的贯通开口(120)朝向所述衬底(10)的所述后侧(RS)形成通向所述空腔的介质进入开口。
7.根据权利要求6所述的微机械传感器设备，其中，在所述衬底(10)的所述后侧(RS)上在所述贯通开口(120)的上方安装有多微孔的膜片(121)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的微机械传感器设备，其中，所述微机械传感器芯片(20)线形地和/或点形地粘贴到所述衬底(10)的所述前侧(VS)上。
9.根据上述权利要求中任一项所述的微机械传感器设备，其中，所述微机械传感器芯片(20)是压力传感器芯片。
10.根据上述权利要求中任一项所述的微机械传感器设备，其中，所述衬底(10)是LGA(line grid array)衬底。
11.用于制造微机械传感器设备的方法，所述方法具有下述步骤：
提供衬底(10)，所述衬底具有前侧(VS)和后侧(RS)；
将具有传感器区域(SB)的微机械传感器芯片(20)安装在所述衬底(10)的所述前侧(VS)上；
构造安装在所述衬底(10)的所述前侧(VS)上的封盖装置(60；60a、55；60b；60a、55‘)，所述封盖装置至少部分地通过ASIC芯片(60；60a；60b；60c)构造，其中，所述封盖装置(60；60a、55；60b；60a、55‘)包围所述微机械传感器芯片(20)，使得在所述微机械传感器芯片(20)的传感器区域(SB)与所述ASIC芯片(60；60a；60b；60c)之间形成朝向所述衬底(10)的所述前侧(VS)闭合的空腔(K)；并且
其中，在所述封盖装置(60；60a、55；60b；60a、55‘)的上方构造模塑封装(80)。
12.根据权利要求12所述的方法，其中，所述ASIC芯片(60)具有盆状的凹槽(W)，所述凹槽具有环绕的环形的边缘区域(R)，所述边缘区域间接地或者直接地安装在所述衬底(10)的所述前侧(VS)上。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述ASIC芯片(60a；60c)平坦地构造并且通过环形的间距保持装置(55；55“)安装在所述衬底(10)的前侧(VS)上。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述ASIC芯片(60b)部分地覆盖所述微机械传感器芯片(20)并且具有凹槽(W‘)，所述凹槽具有u形的边缘区域(R‘)，所述边缘区域直接安装在所述衬底(10)的所述前侧(VS)上，其中，所述u形的边缘区域(R‘)的敞开的部分直接安装在所述微机械传感器芯片(20)上。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述ASIC芯片(60a)部分地覆盖所述微机械传感器芯片(20)并且平坦地构造并且通过u形的间距保持装置(55‘)直接安装在所述衬底(10)的所述前侧(VS)上，其中，所述ASIC芯片(60a)在所述u形的间距保持装置(55‘)的敞开的部分中直接安装在所述微机械传感器芯片(20)上。
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