TWI646041B - 微機械感測器裝置 - Google Patents

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Abstract

一種微機械感測器裝置(100)，具有：- 第一裸式感測器單元(10)；及- 至少一第二裸式感測器單元(20)，其中，該等感測器單元(10，20)係功能性相連，其中，該等感測器單元(10，20)以某種方式大體豎向交疊佈置，使得基面較大之感測器單元(10)將基面較小之感測器單元(10)完全遮蓋。

Description

微機械感測器裝置
本發明係有關於一種微機械感測器裝置。本發明亦有關於一種製造微機械感測器裝置的方法。
用於測量加速度、轉速及磁場之微機械感測器已為吾人所知並針對汽車及消費領域中之不同應用而以量產的形式製造出來。在傳統方案中，消費領域中之不同感測變量主要仍由若干分離式的形式為三軸加速度感測器、三軸轉速感測器及三軸磁場感測器的感測器模組揭示，但存在系統整合之趨勢，亦即，實現形式為羅盤模組(加速度及磁場之測量裝置)或IMU(英語：Inertial Measurement Unit，加速度及轉速之測量裝置)的6D元件，或9D元件(加速度、轉速及磁場之測量裝置)。
先前技術中通常有多個針對不同被測變量的晶片以所謂“系統級封裝”(SiP)的形式安裝在一塑膠殼體(例如LGA、BGA、QFN)中。此類系統具有不同的藉由線接合連接或透過焊球功能性連接的分離式晶片。
作為替代方案，MEMS及ASIC晶片可事先受到晶圓級豎向整合。豎向整合係指在複合體中將MEMS與ASIC晶圓組合在一起，其中， 在MEMS功能元件與ASIC之間製造若干電接點。豎向整合法之示例例如參閱：US 7 250 353 B2、US 7 442 570 B2、US 2010 0109102 A1、US 2011 0049652 A1、US 2011 0012247 A1、US 2012 0049299 A1及DE 10 2007 048604 A1。
除塑膠包裝外，所謂“Bare-die”系統亦為人所知，採用該系統時，直接透過若干焊球將矽晶片焊接至應用印刷電路板上。此類系統不採用塑膠外包裝，故此類感測器具有基面(英語：footprint)極小之特徵。MEMS慣性感測器之若干Bare-die結構已為人所知。在此類傳統加速度及轉速感測器中，透過若干較小焊球將面積遠小於MEMS元件之面積的ASIC與該MEMS元件連接。該MEMS元件包括一重佈層(英語：redistribution layer)，其能實現靈活之佈線並可針對外部接觸而配設有若干較大焊球，該等較大焊球之高度大於ASIC厚度與較小焊球厚度之和。US 2012 0119312 A1例如公開過此種感測器裝置，其中，各MEMS元件皆與一ASIC元件連接，以及，MEMS元件或ASIC元件配合有若干外部接點，具體視尺寸比而定。
針對磁感測機構，不同的物理原理及測量方法得到應用，例如磁阻層之電阻性測量裝置(AMR、GMR)、軟磁材料中之電感的測量裝置(磁通門原理或Flipcore原理)或對霍爾效應之利用。此類技術解決方案中的許多都需要增設磁性層或磁阻層，使得製造過程之複雜度及成本增大。將磁性層或磁阻層直接設置在CMOS-ASIC上之方法尤其常用。
感測器模組亦愈發“智能化”，亦即，對感測器資料進行更高程度之預處理，以便例如據此對四元數進行計算，以及將此等經預處理之資訊向外發送至應用程式。為此需要增設微控制器功能，其中，微控制器原則上可整合在感測器ASIC中或為獨立式。
本發明之目的為提出一種有所改進的高度整合的微機械感測器。
根據第一態樣，本發明用以達成上述目的之解決方案為一種微機械感測器裝置，其具有：- 第一裸式感測器單元；及- 至少一第二裸式感測器單元，其中，該等感測器單元係功能性相連，其中，該等感測器單元以某種方式大體豎向交疊佈置，使得基面較大之感測器單元將基面較小之感測器單元完全遮蓋。
根據第二樣態，本發明用以達成上述目的之解決方案為製造微機械感測器裝置的方法，其具有以下步驟：- 構建第一裸式感測器單元；- 構建第二裸式感測器單元；- 為該二感測器單元建立功能性連接；及- 以某種方式將該二感測器單元相互豎直地佈置，使得該二感測器單元以以下方式大體豎向交疊佈置：基面較大之感測器單元將基面較小之感測器單元完全遮蓋。
本發明之感測器裝置較佳需要應用印刷電路板上之較小空間。由於採用Bare-die方案時毋需任何外包裝，還可為該感測器裝置實現極高之整合度。針對該第一感測器單元具有較大空間需求之情形，亦可將多個根據本發明之方案的第二感測器單元與該第一感測器單元構成該感測器裝置。
本發明之裝置及本發明之方法的較佳實施方式參閱附屬項。
本發明之感測器裝置的一種較佳實施方式之特徵在於，該等 感測器單元係透過若干第一焊球功能性相連，其中，該感測器裝置可透過若干第二焊球對外進行接觸。如此便能實現覆晶方案，以便以可靠且低成本之方式實現該感測器裝置的電接觸。
本發明之感測器裝置的另一較佳實施方式之特徵在於，該第一感測器單元包括MEMS構造及ASIC晶圓。如此便能根據本發明之方案實現一慣性感測器，在其ASIC晶圓上緊固有一測定電路。
根據本發明之感測器裝置的另一較佳實施方式，在該二感測器單元之間構建有導電接合連接，其中，在該ASIC晶圓中構建有若干電貫穿接點，其中，該二感測器單元可透過該接合連接及該等貫穿接點相互電接觸。如此便能藉由該ASIC晶圓提供針對該MEMS元件之封裝。該導電接合連接有兩個功能：一方面實現該感測器裝置之密封性，另一方面為該等感測器單元建立電連接。
根據本發明之感測器裝置的另一有利改進方案，該ASIC晶圓還具有電重佈單元。如此便能實現靈活之電佈線及設置該等焊球，以便在該應用印刷電路板上對該整個感測器單元進行接觸。
根據本發明之感測器裝置的另一較佳實施方式，該第二感測器單元具有以下元件中的至少一個：磁感測器、ASIC晶片、無線電模組、微控制器。如此便能有利地實現各種感測器方案，以便對多個不同之物理被測變量進行檢測及處理。
根據本發明之感測器裝置的另一較佳實施方式，該第一感測 器單元為9D感測器。如此一來，在該第一感測器單元中便能有利地事先整合有磁感測機構。例如可藉由另一微型電腦進行信號預處理。
根據本發明之感測器裝置的另一較佳實施方式，該第一感測器單元具有罩形晶圓，其中，該第二感測器單元佈置在該罩形晶圓上，其中，該罩形晶圓具有若干電貫穿接點，其中，該罩形晶圓透過該接合連接接合在該ASIC晶圓上。在此種變體方案中，該罩形晶圓實現該整個感測器裝置之密封性並將該等電接點向下導引。
根據該感測器裝置之另一較佳實施方式，該罩形晶圓透過該接合連接接合在該MEMS構造之微機械功能層上。如此便能有利地為本發明之感測器裝置實現一替代性製造過程。
根據該感測器裝置之另一較佳實施方式，該罩形晶圓具有另一ASIC晶圓。如此便能有利地進一步提高該感測器裝置之積體密度。
本發明之感測器裝置的一種較佳實施方式的特徵在於，焊接過程實施完畢後，該等第二焊球之豎向延伸度大於該等第一焊球與該第二感測器單元之總豎向延伸度。藉由該等焊球的此種特定的定尺寸方案，便能將該至少一第二感測器單元完全佈置在該第一感測器單元下方，以及實現該整個感測器裝置在應用印刷電路板上的電接觸。
下面將結合多個附圖對本發明之其他特徵及優點作詳細說明。凡在說明中述及或在附圖中示出之單項特徵或特徵組合，不論申請專利範圍對其如何歸總或如何回溯引用，亦不論說明書對其如何表述，附圖如何示之，皆屬發明項目。附圖主要用於對本發明之重要原理進行闡釋。相同或功能相同之元件以同一元件符號表示。
1‧‧‧基板，MEMS基板
2‧‧‧微機械功能層
3‧‧‧導電接合連接
4‧‧‧ASIC晶圓
5‧‧‧電貫穿接點
6‧‧‧重佈層，重佈單元
7‧‧‧罩形晶圓
8‧‧‧接觸孔
10‧‧‧第一感測器單元
20‧‧‧第二感測器單元
21‧‧‧磁阻層
30‧‧‧第一焊球
40‧‧‧第二焊球
100‧‧‧感測器裝置
S1‧‧‧第一步驟
S2‧‧‧第二步驟
S3‧‧‧第三步驟
S4‧‧‧第四步驟
圖1為本發明之微機械感測器裝置之第一實施方式；圖2為本發明之感測器裝置之另一實施方式；圖3為本發明之感測器裝置之另一實施方式；圖4為本發明之感測器裝置之另一實施方式；及圖5為本發明之方法的一種實施方式的基本流程。
圖1為本發明之微機械感測器裝置100之第一實施方式的剖視圖。第一感測器單元10具有佈置於微機械功能層2上之基板1。藉此透過基板1及微機械功能層2實現一MEMS構造。該MEMS構造透過導電接合連接3與ASIC晶圓4(英語：application specific integrated circuit)導電連接。在ASIC晶圓4內構建有一或多個電貫穿接點5(TSV，英語：through silicon via)，其將電信號自ASIC 4之有效電路側導向ASIC晶圓4之背面上的一或多個重佈層6。在此進行電重佈，以及可在預定義的襯墊上設置若干焊球30、40。該等第一焊球30用於將第二感測器單元20焊接在ASIC晶圓4上，從而亦在第一感測器單元10與第二感測器單元20之間實現電信號流。
第二感測器單元20例如可構建為包含磁阻層21之磁感測器、微處理器、無線電模組或類似元件。可以看出，整個感測器裝置100在ASIC晶圓4之底面上具有若干第二焊球40，以便在印刷電路板(未繪示)上對感測器裝置100進行電接觸。焊接過程實施完畢後，第二焊球40之高度應大於包含第二感測器單元20之第一焊球30的豎向尺寸。
如此便能將第二感測器單元20大體完全佈置於第一感測器單元10下方並安裝在該印刷電路板上，而不會使得第二感測器單元20觸碰該應用印刷電路板。就結果而言，此點意味著節省空間以及所示Bare-die感測器構造之極高積體密度。針對第二感測器單元20之基面遠小於第一感測器單元10之情形，可藉由此方案將多個第二感測器單元20完全置放在第一感測器單元10下方。
基於上述方案，圖1示出一9D感測器之可行實施方式。為此，首先分別製造一形式為包含自有電測定電路之積體式磁感測器的第二感測器單元20，以及一形式為積體式慣性感測器、較佳為6D元件的第一感測器單元10。該慣性感測器較佳被封裝，以便保護該微機械功能層，以及有時用於將經定義的內壓包圍，或者，在針對轉速感測器及加速度感測器採用若干分離式空穴的情形下將兩個不同的經定義的內壓包圍。
如圖1所示，根據一種較佳實施方式，將ASIC晶圓4用作該包含MEMS基板1及微機械功能層2之慣性MEMS元件的封裝單元。但例如如先前技術中之公開案所示，亦可為該慣性感測器採用其他豎向或單體整合及封裝形式。
焊球30、40係被佈置在一或多個重佈層6上之若干專設襯墊上。除其他因素外，該等襯墊之面積為焊球30、40之尺寸(直徑及高度)的決定性因素。亦即，特定而言在採用適宜之過程控制的情況下，可在一個處理步驟中既設置若干高度較大的第二焊球40，又設置若干高度小得多的第一焊球30。較小之第一焊球30用於將形式為磁感測器的積體式第二感測器單元20安裝在慣性ASIC晶圓4之背面上，而較大之第二焊球40則用 於以此種方式實現之9D感測器在應用印刷電路板(未繪示)上的外部電接觸。
但亦可在若干相繼的處理步驟中分別佈置第一焊球30及第二焊球40。特定而言，可首先將第一焊球30佈置在第二感測器單元20上及將第二焊球40佈置在該第一感測器單元上，隨後將包含第一焊球30之第二感測器單元20焊接至第一感測器單元10上。
第二感測器單元20之未被外部直接接觸的輸入及輸出端較佳係透過ASIC晶圓4被供電或讀取，以及與該等慣性被測變量被一同透過一接口(例如SPI、I2C等)向外發送至該慣性ASIC晶圓4上。
除6D慣性感測器外，根據本發明之方案，當然亦可採用測定變量較少的感測器，例如純粹之加速度感測器(1-3D)或純粹之轉速感測器(1-3D)。該慣性感測器亦可測量附加的物理量，例如壓力、溫度、濕度或諸如此類，亦即，藉此實現一7D、8D或9D感測器。此外，第二感測器單元20可不僅含有磁感測器，還可對附加或替代性的物理量進行測量，從而實現一4D、5D、6D感測器或諸如此類。
圖2為本發明之感測器裝置100之另一實施方式的剖視示意圖。根據該變體方案，電貫穿接點5構建在MEMS基板1中，其中，電重佈層6佈置在MEMS基板1之背面上。第二感測器單元20(例如磁感測器)之覆晶安裝係於包含若干較小的第一焊球30的MEMS基板1之背面上進行，其中，外部接觸係透過同樣位於MEMS基板1之背面上的較大的第二焊球40進行。
故ASIC晶圓4毋需電貫穿接點5，因為所有外部輸入及輸 出端皆透過MEMS基板1中之電貫穿接點5被導引至第二感測器單元20。微機械功能層2可透過若干與半導體類似的沈積過程沈積至MEMS基板1上，其中作為替代方案，亦可透過晶圓接合法及隨後的研磨、接觸及構造化來實施該等沈積過程。
根據本發明之感測器裝置100的另一與圖1所示實施方式大體對應的變體方案(未繪示)，亦可將微控制器而非磁感測器緊固在該慣性感測器上，其中，該微控制器進行信號預處理並將經預處理之資料向外發送。藉此便能有利減小主應用處理器(例如行動電話，未繪示)之負荷，或者亦可在無高性能應用程式處理器可用的應用程式中提供經預處理之資料。在此，該第一積體式感測器亦可為完整的9D模組(或10D、11D、12D模組等)。
圖3為本發明之感測器裝置100的一種替代性實施方式的剖視示意圖，其中，外部電貫穿接點5整合在罩形晶圓7中。根據此種變體方案，(例如用低溫接合法)將微機械功能層2作為一晶圓接合至ASIC晶圓4上並對其進行背面減薄。隨後在微機械功能層2與ASIC晶圓4之間構建若干接觸孔8，並(例如用鎢)對其進行完全或局部的金屬填充。在隨後之處理步驟中，為原本之MEMS功能構造設置溝槽及將其曝露出來。在此情形下，將罩形晶圓7直接接合至ASIC晶圓7上。罩形晶圓7亦可指另一包含有效電路之ASIC晶圓，從而進一步提高感測器裝置100之積體密度。
圖4為圖3所示實施方式之替代方案，其中在此情形下，包含電貫穿接點5之罩形晶圓7並非接合至ASIC晶圓4，而係接合至微機械功能層2上。
採用本發明之方案時，可透過覆晶連接藉由若干較小焊球在豎向積體式慣性感測器之下方對獨立式磁感測器晶片進行佈置及電連接。對該印刷電路板之外部接觸係透過該慣性感測器之底面上的若干較大焊球進行。根據本發明，兩個完整、獨立的積體式感測器模組藉由此種方式功能性相連。
在第一感測器單元10例如為6D慣性感測器且第二感測器單元20為3D磁感測器之情形下，此種感測器模組100較佳具有與該6D慣性感測器本身相同的基面需求，且與該6D慣性感測器本身之結構高度差較小甚或等於零。該裸式Bare-die結構還使得基面及結構高度遠小於包含塑膠外包裝之感測器。
此外，此種6D加3D佈置方案之生產成本較佳低於將所有分析功能皆包含於單獨一個ASIC中的9D感測器。就此種以傳統方案實現的9D分析ASIC而言，最複雜之功能(即主導轉速感測之功能)通常會為ASIC之整個晶片面積增加針對磁感測機構之附加製造成本，從而大幅增大產品成本。
此外，較佳以基本相互獨立之方式對6D慣性模組與3D磁感測器進行研發、處理，甚至將其分別作為獨立產品進行銷售。與9D單晶片感測器模組相比，本發明之方案能更好地減小過程複雜度及降低成本。
圖5為本發明之方法的一種實施方式的基本流程。
在第一步驟S1中，構建第一裸式感測器單元10。
在第二步驟S2中，構建至少一第二裸式感測器單元20。
在第三步驟S3中，為該二感測器單元10、20建立功能性連 接。
最後在第四步驟S4中以某種方式將該二感測器單元10、20相互豎直地佈置，使得該二感測器單元10、20以以下方式大體豎向交疊佈置：基面較大之感測器單元10將基面較小之感測器單元20完全遮蓋。
整體而言，採用本發明時，根據特定之幾何設定透過若干較小焊球將任意豎向積體式第一感測器與任意第二感測器相連，其中，透過若干較大焊球對該二積體式感測器中的一個進行外部接觸，其中，該等感測器單元不採用任何塑膠、陶瓷、金屬外包裝或諸如此類(Bare-die結構)。如此便能在過程複雜度且處理成本較低之情況下實現較高的功能整合度，因為可首先分別對兩個具有特定功能及製造步驟的感測器進行研發及製造。
該佈置方案之前提條件為：該二感測器之基面具有某種最小差別，其容許在該較大感測器上增設若干外部焊球。此外，在焊接至該應用印刷電路板上後，該較小感測器之結構高度與該等較小焊球之高度之和必須小於該等較大焊球之高度。
儘管對本發明之描述係基於若干具體實施例，但本發明當然亦可實現上文未作描述的多種不同的感測器方案。特定言之，第一感測器單元10之特定感測器類型及該第二感測器單元之特定感測器類型皆可任意分配及自由選擇。
舉例而言，在該第二感測器單元之僅一個長度尺寸有別於該第一感測器單元之對應長度尺寸的情況下，便能有利地實現本發明之方案。
因此，在不違背本發明之核心的情況下，本領域技術人員可 對所述特徵進行修改或將其相互組合。

Claims (11)

  1. 一種微機械感測器裝置(100)，具有：第一裸式感測器單元(10)；及至少一第二裸式感測器單元(20)，其中，該等感測器單元(10，20)係功能性相連，其中，該等感測器單元(10，20)以大致豎向交疊佈置，其佈置方式使得基面較大之感測器單元(10)將基面較小之感測器單元(20)完全遮蓋，該等感測器單元(10，20)係透過若干第一焊球(30)功能性相連，其中，該感測器裝置(100)可透過若干第二焊球(40)對外進行接觸，且焊接過程實施完畢後，該等第二焊球(40)之豎向延伸度大於該等第一焊球(30)與該第二感測器單元(20)之總豎向延伸度。
  2. 如申請專利範圍第1項之感測器裝置(100)，其中，該第一感測器裝置(10)包括MEMS構造(1，2)及ASIC晶圓(4)。
  3. 如申請專利範圍第2項之感測器裝置(100)，其中，在該二感測器單元(10，20)之間構建有導電接合連接(3)，其中，在該ASIC晶圓(4)中構建有若干電貫穿接點(5)，其中，該二感測器單元(10，20)可透過該導電接合連接(3)及該等電貫穿接點(5)相互電接觸。
  4. 如申請專利範圍第2項之感測器裝置(100)，其中，該ASIC晶圓(4)還具有電重佈單元(6)。
  5. 如申請專利範圍第1項之感測器裝置(100)，其中，該第二感測器單元(20)具有以下元件中的至少一個：磁感測器、ASIC晶片、無線電模組、微控制器。
  6. 如申請專利範圍第1項之感測器裝置(100)，其中，該第一感測器單元(10)為9D感測器。
  7. 如申請專利範圍第3項之感測器裝置(100)，其中，該第一感測器單元(10)具有一罩形晶圓(7)，其中，該第二感測器單元(20)佈置在該罩形晶圓(7)上，其中，該罩形晶圓(7)具有若干電貫穿接點(5)，其中，該罩形晶圓(7)透過該接合連接(3)接合在該ASIC晶圓(4)上。
  8. 如申請專利範圍第7項之感測器裝置(100)，其中，該罩形晶圓(7)透過該接合連接(3)接合在該MEMS構造之微機械功能層(2)上。
  9. 如申請專利範圍第7項之感測器裝置(100)，其中，該罩形晶圓(7)包括另一ASIC晶圓。
  10. 一種製造微機械感測器裝置(100)的方法，具有以下步驟：構建第一裸式感測器單元(10)；構建至少一第二裸式感測器單元(20)；為該二感測器單元(10，20)建立功能性連接；及以將該二感測器單元(10，20)相互豎直地佈置，其佈置方式使得該二感測器單元(10，20)以以下方式大體豎向交疊佈置：基面較大之感測器單元(10)將基面較小之感測器單元(20)完全遮蓋，且該等感測器單元(10，20)係透過若干第一焊球(30)功能性相連，其中，該感測器裝置(100)可透過若干第二焊球(40)對外進行接觸，且焊接過程實施完畢後，該等第二焊球(40)之豎向延伸度大於該等第一焊球(30)與該第二感測器單元(20)之總豎向延伸度。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中，將該第一感測器單元(10)構建為包含微機械功能層(2)及ASIC晶圓(4)之MEMS基板(1)，其中，將該第二感測器單元(20)構建為磁感測器及/或ASIC晶片及/或無線電模組及/或微控制器。
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