TWI680545B - 具有有內建媒介通道的印刷電路板基板之感測器裝置 - Google Patents

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Brent Hans Larson
席維 仁哈諾亞
Shivesh Langhanoja
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美商Ｔｔ電子公司
Tt Electronics Plc
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Abstract

一種感測器裝置，包含印刷電路板(PCB)基板，具有頂表面、底表面、在頂表面及底表面之間的槽、及穿過頂表面到達槽中的二孔。感測器裝置更包含感測器晶片，設置於PCB基板的頂表面上且於二孔的一者之上。感測器裝置更包含模製化合物，覆蓋感測器晶片及PCB基板的側壁表面及頂表面。

Description

具有有內建媒介通道的印刷電路板基板之感測器裝置
本發明係關於具有有內建媒介通道的印刷電路板基板之感測器裝置。
感測器裝置，例如壓力感測器裝置，廣泛地用於許多應用。例如，壓力感測器裝置可用於監測汽車輪胎的輪胎壓力或用於監測空氣過濾系統的空氣壓力。聲音感測器可用於偵測聲波或聲音。光學感測器可用於偵測光波或光束。於典型的應用，於系統中一或更多感測器裝置通常與其它組件積體。為了減小系統的尺寸及成本，非常想要的是有小形成因子但可靠的封裝中的感測器裝置。唯，這件事仍是非常有挑戰性的。例如，一些現存的壓力感測器裝置具有壓力感測器晶片安裝於基板上且以塑膠蓋覆蓋。環氧樹脂密封物施加於基板及塑膠蓋之間以支持其中的壓力。此方案因為一些原因不能令人完全滿意。例如，使用環氧樹脂密封物會導致較高的製造成本，因為延長的組裝時間及增加的製程複雜度。此外，環氧樹脂密封物可能隨時間而失效。
因此，感測器裝置的封裝的改進是想要的。
及
以下的說明提出許多不同實施方式，或範例，用於實現提出的標的的不同特徵。組件及配置的特定範例於下敘述以簡化本發明。當然這些僅為範例而無意為限制性的。對於敘述的裝置、系統、方法的任意替代及進一步的修改，及本發明的原則的任意進一步的應用，係完全被認為是與發明相關的所屬技術領域的具有通常知識者會一般地思及的。例如，對於一實施方式敘述的特徵、組件及/或步驟可與對於本發明的其它實施方式敘述的特徵、組件及/或步驟結合而形成根據本發明的裝置、系統或方法的再另一實施方式，即使未明示此組合。此外，為了簡化，於一些例子相同的參考標號用於整份圖式以參照相同或相似的部件。
此外，空間相關的單詞，例如「下方」、「之下」、「下(或較低)」、「底」、「之上」、「上(或較高)」、「上方」、「上」、「頂」及類似，於此可用於方便說明以敘述一元件或特徵對於另外的元件或特徵的關係，如於圖所示的。空間相關的單詞有意涵蓋除了圖所描述的方位之外的在使用或操作時裝置的不同的方位。裝置可定向為另一者(旋轉90度或於其它定向)，且於此使用的空間相關描述符可據此相似地解釋。
本發明一般關於感測器裝置及其製造方法。更特定地，本發明關於以於從上方模製而組裝感測器晶片(或感測器晶粒)及其它組件(若有)，以產生小形成因子的封裝。於較佳的實施方式，訊號處理晶片(或訊號處理晶粒)與感測器晶片被從上方模製在一起。根據本發明的實施方式，感測器晶片及其它組件設置於包含內建媒介通道的印刷電路板(PCB)基板的頂表面上。媒介通道包含穿過PCB基板的頂表面的二孔及PCB基板內的埋槽(例如，埋孔)。二孔及埋槽形成讓應用媒介從其通過的通道。感測器晶片設置於二孔的一者之上(例如，正上)，留下它的底表面對於的二孔的另一者是可由其進出的，用於感測的目的。感測器晶片、任意其它組件及PCB基板被從上方模製以產生較小的形成因子的封裝。從上方模製不僅保護多樣的組件，且亦提供對於感測器裝置的機械強度及可靠度。與傳統的感測器裝置封裝方法相較，本發明提供較簡單的製造流程且產生較小且更可靠的感測器裝置封裝。
參照圖1A至1E，於其所示的為感測器裝置100，其根據本發明的一些態樣建構。於簡要綜述，感測器裝置100包含PCB基板102、感測器晶片110、選擇性的訊號處理晶片116及覆蓋多樣的組件的從上方模製化合物124。圖1C至1E顯示PCB基板102的一些相關層的示意平面圖。圖1A為沿著圖1C的A-A線的感測器裝置100的截面圖。圖1B為沿著圖1C的B-B線的感測器裝置100的截面圖。感測器裝置100整體參照圖1A至1E於下進一步敘述。
PCB基板102包含二或更多層，其可被焊接或熔接在一起以形成機械封裝及任意電連接的兩者。於圖1A及1B，二層102a及102b顯示作為基板102的部分。於此實施方式，基板102為雙面PCB(具有金屬層於絕緣材料的頂及底表面)。任意PCB材料(例如，陶瓷、FR-2及FR-4)可用於基板102。
媒介通道105至少部分提供於基板102中。媒介通道105為中空且連續的通道，其被組態為用於應用媒介，例如空氣、流體、或光束，以傳播穿過此處且要由感測器晶片110感測到。媒介通道105具有水平段106及二垂直段107及108。水平段106可形成為埋槽(例如，埋孔)於PCB基板102內。例如，水平段106可形成作為PCB層102a的頂表面中的凹部(圖1A及1B)或作為PCB層102b的底表面中的凹部(圖4A及4B)。水平段106可具有長方形、圓形、或橢圓形的形狀或其它適合的形狀於Y-Z截面中。二垂直段107及108可形成作為在水平段106之上的穿過基板102的層的二孔，且各可具有圓形、橢圓形或多角形的形狀或其它適合的形狀於X-Y截面中(參照圖1C及1D)。媒介通道105可由蝕刻、研磨、鑽鑿或其它適合的製程形成。
此外，媒介通道105的表面設計為對於應用媒介的傳播而言是適當的。例如，當應用媒介為空氣、氣體或流體，媒介通道105的表面可被適當地密封(例如，以電鍍銅或電鍍金)且以抗蝕材料選擇性地處理以允許應用媒介流動經過其間。對於另一範例，當應用媒介為光束，媒介通道105的表面可作成反射性的(例如，鏡面處理)以允許光束經由內部反射到達感測器晶片110的底表面。多樣的其它媒介通道105的組態及形成媒介通道105的製程被認為是落入本發明的範圍中。
感測器晶片110設置於基板102的頂表面102'上且於垂直段108正上。感測器裝置100更包含具有入口113的埠(或"出入口埠"或"管")112。埠112設置於頂表面102'上且於垂直段107上方。於此實施方式，埠112具有圓柱形狀且入口113對準垂直段107。唯，於多樣的實施方式，埠112可具有任意適合的形狀，直的或曲的，且入口113可或可沒有與垂直段107對準。應用媒介(例如，空氣、流體或光)可傳播穿過埠112及媒介通道105以到達感測器晶片110的底表面的感測區。媒介通道105被適當地密封以作為應用媒介的通道。於替代的實施方式，埠112可形成作為模製化合物124的部分，而不是獨立的管，其顯示於將進一步敘述的圖3。
當應用媒介不對PCB基板102腐蝕，媒介通道105可不需要特別的表面處理。例如，當感測器裝置100是對於壓力量測且應用媒介是空氣(或非腐蝕氣體)，基板102中的玻璃纖維材料可足以密封媒介通道105。為了改進媒介通道105的密封，媒介通道105的表面可由銅、電鍍銅、銅合金、電鍍銅合金、金、電鍍金或其它適合的材料覆蓋。
當應用媒介對於基板102、及/或感測器晶片110有腐蝕性，可配置一些抗蝕機制於感測器裝置100中。例如，感測器晶片110的底表面可由保護膜覆蓋。於另一的例子，媒介通道105的表面可塗佈、電鍍、或是形成有抗蝕材料的薄膜。
再參照圖1A及1B，於此實施方式，感測器裝置100更包含第二埠(或管)114設置於感測器晶片110的頂表面上。埠114具有入口115，其中在感測器晶片110的頂表面的感測區被進出。此為感測器晶片110被組態用以執行差異感測功能的實施方式。換句話說，感測器晶片110被組態用以感測施加於它的頂表面(經由埠114)及它的底表面(經由埠112)的差異(例如，空氣壓力)。於一些其它實施方式(例如圖2所示)，感測器晶片110被組態用以執行單側感測功能且埠114因此不包含於感測器裝置100中。於多樣的實施方式，埠114可具有任意適合的形狀，直的或曲的，且入口115可或可沒有與垂直段108對準。此外，埠114亦可形成作為模製化合物124的部分，而不是獨立的管，於一些實施方式，類似圖3的埠112。
感測器裝置100更包含訊號處理晶片116設置於基板102上方，於此實施方式。訊號處理晶片116可為應用特定積體電路(ASIC)、邏輯裝置、處理器、微控制器、或其它適合的電子裝置，其組態用以控制感測器晶片110及/或用以接收及處理由感測器晶片110產生的訊號。
訊號處理晶片116及感測器晶片110可使用依裝置116及110的封裝而定的任意適合的機制，而電及機械的連接於PCB基板102。例如，裝置116及110的各者可具有引腳型的封裝、球柵陣列(BGA)型的封裝、平面網格陣列(LGA)型的封裝或類似。參照圖1C，於此實施方式，基板102的頂表面102'包含訊號處理晶粒附接區126及感測器晶粒附接區128。訊號處理晶片116及感測器晶片110可分別附接於晶粒附接區126及128，使用可為電絕緣或導電的黏著物或帶(未顯示)。晶粒附接區126及128可具有用於附接的晶墊，或可包含用於確保訊號處理晶片116及感測器晶片110的對準及位置的凸塊區。頂表面102'可更包含用於電接合(例如，經由接合導線或直接焊接)訊號處理晶片116及/或感測器晶片110於PCB基板102的接合接觸或凸塊接墊(未顯示)。PCB基板102可使用導電跡線提供於訊號處理晶片116及感測器晶片110之間的電連接。除了或代替經由基板102的電連接，感測器裝置100亦可包含直接連接裝置116及110的接合導線。
感測器裝置100可更包含其它主動或被動組件(未顯示)，例如電阻器或電容器，設置於基板102的頂表面102'上。於另一實施方式，感測器裝置100不包含訊號處理晶片116。例如，感測器裝置100可提供感測器晶片110對系統板的輸出，其提供感測器晶片110及一些訊號處理晶片之間的電連接。
再參照圖1A及1B，感測器裝置100更包含接觸墊120設置於基板102的底表面102"上。接觸墊120經由基板102中的導電通路連接於感測器晶片110、訊號處理晶片116、及/或其它電子組件。於一應用，感測器裝置100可由焊接接觸墊120於系統板上而積體於系統中。有接觸墊120於感測器裝置100的底表面降低感測器裝置100的足跡且節省系統板面積。
感測器裝置100更包含模製化合物124。模製化合物124可為塑膠、環氧樹脂、填充二氧化矽的樹脂、陶瓷、其組合或其它適合的材料。模製化合物124提供感測器裝置100的自然密封且與基板102的側壁表面125及頂表面、感測器晶片110、訊號處理晶片116、及頂表面102'上的任意其它組件機械接觸。模製化合物124不覆蓋接觸墊120。模製化合物124提供對於感測器裝置100的多樣的組件的對操作環境的保護。它亦提供對於感測器裝置100的機械強度。特別是，它提供嵌位力予PCB基板102，因而增加感測器裝置100可操作於的壓力範圍。於如圖1A及1B所示的實施方式，埠112的下部分亦由模製化合物124從上方模製，因而成為感測器裝置100的固定物。相對地，埠114以可移除的方式附接於感測器晶片110的頂部。於多樣的實施方式，埠112及114的各者，獨立地，可固定地安裝(例如，由模製化合物124從上方模製)於感測器裝置100中，或以可移除的方式附接於感測器裝置100(即，它可依需求插入或不插入)。此外，如上討論的，埠112及114的各者可為模製化合物124的部分，例如，由從上方模製製程形成，而不是獨立的物件。
如圖1A至1E所示的包含感測器晶片110、訊號處理晶片116、及頂表面102'上的埠112及114的多樣的組件的設置為例示性的，且無意限制所提的標的。相似地，接觸墊120的數量及設置亦為例示性的且不限制所提的標的。
圖1F至1H描述感測器裝置100的另一範例組態，其根據本發明的實施方式建構。參照圖1F及1G，晶粒附接區126(對應訊號處理晶片116)插入晶粒附接區128(對應感測器晶片110)及垂直段107(對應埠112)。水平段106於晶粒附接區126下跨過。亦即，水平段106在訊號處理晶片116的正下。圖1F至1H所示的組態可使感測器裝置100非常緻密。感測器裝置100的許多其它組態被認為是落入本發明的範圍中。
圖2描述用於執行單側感測功能的裝置100的實施方式。埠114不包含於此感測器裝置100中。圖3描述裝置100的另一實施方式，其中埠112僅為模製化合物124的部分。入口113可使用接腳模製，作為從上方模製製程的部分。圖4A及4B描述感測器裝置100的截面圖，其中媒介通道105形成於層102b中，有水平段106形成作為層102b的底表面中的凹部且垂直段107及108形成作為穿過層102b的孔。層102a的頂表面作為媒介通道105的表面。圖4A及4B的感測器裝置100的其它態樣與圖1A及1B中的相同。
圖5描述形成感測器裝置(例如感測器裝置100)的方法500的流程圖。方法500僅為範例，且無意多加限制於本發明明示記載於申請專利範圍中者。方法500包含操作502、504及506。於實施方式，操作506包含次操作508、510及512。額外的操作可提供於方法500之前、之中及之後，且對於方法的額外的實施方式，所述的一些操作可被取代、消除、或移動繞過。方法500簡要地於下關聯圖1A至4B敘述。
於操作502，方法500提供(或提供有)PCB基板，例如PCB基板102。PCB基板包含內建媒介通道(例如，圖1A至4B的媒介通道105)。媒介通道包含水平段及二垂直段。水平段可設置為PCB基板中的埋孔或埋槽。二垂直段可設置為穿過PCB基板的頂表面且到達水平段中的二孔。PCB基板的頂表面可更包含接合接觸、焊點、及/或晶粒附接區(例如，圖1C或1F中的晶粒附接區126及128)。
於操作504，方法500設置(或附接)多樣的組件於PCB基板的頂表面上。例如，方法500可使用黏著物、環氧樹脂、帶或類似附接感測器晶片(例如，感測器晶片110)於PCB基板的頂表面上。特別是，感測器晶片附接於媒介通道的二垂直段的一者的正上。方法500亦可使用黏著物、環氧樹脂、帶或類似附接訊號處理晶片(例如，訊號處理晶片116)於PCB基板的頂表面上。方法500可附接額外的被動或主動電子組件於PCB基板的頂表面上。方法500亦作成於電子組件及PCB基板之間或電子組件之間的電連接。電連接可以接合導線的形式或直接焊接，於多樣的實施方式。方法500亦可附接一或二埠(或管)，例如圖1A及1B的埠112及114。特別是，若需要，一埠附接於不被感測器晶片覆蓋的媒介通道的二垂直段的另一者正上，且另一埠附接於感測器晶片的正上。或是，方法500可無附接埠的任意者，而是依靠從上方模製製程(於下討論)以形成入口113及/或115(例如，圖3)。
於操作506，方法500以模製化合物(例如，模製化合物124)從上方模製PCB基板、感測器晶片、其它電子組件(若有)、及選擇性的埠。模製化合物可為塑膠、環氧樹脂、填充二氧化矽的樹脂、陶瓷、其組合或其它適合的材料。模製化合物可用作液體聚合物，其之後以熱、壓力、紫外線輻射、環境氣氛、或其它適合的機制固化以形成固體化合物。
於實施方式，方法500形成埠的一者(例如，埠112)作為模製化合物的部分而取代獨立的組件。於此進步一的實施方式，方法500包含次操作508、510及512。於次操作508，方法500插入接腳進入不被感測器晶片覆蓋的媒介通道的垂直段中。接腳具有入口113的形狀及尺寸。於次操作510，方法500以模製化合物執行從上方模製製程，如於上討論的。接腳被從上方模製但有一端被暴露。於次操作512，方法500移除接腳，留下入口113於模製化合物124中，例如於圖3所示。
雖然無意為限制性的，本發明的一或更多實施方式提供許多對於感測器裝置及其製造製程的優點。例如，根據本發明的一些實施方式的感測器裝置包含感測器晶片及多樣的其他主動及被動組件(若有)於PCB基板的頂表面上，且更包含模製化合物覆蓋感測器晶片、多樣的其他主動及被動組件、及PCB基板的側壁表面及頂表面且與其機械接觸。媒介通道提供於PCB基板中，它的表面對於應用媒介適當地密封及處理。模製化合物不僅保護多樣的組件，且亦增加感測器裝置的機械強度。根據本發明的感測器裝置可作成非常緊緻的封裝。
於範例態樣，本發明關於感測器裝置。一種感測器裝置，包含印刷電路板(PCB)基板，具有頂表面、底表面、在頂表面及底表面之間的槽、及穿過頂表面到達槽中的二孔。感測器裝置更包含感測器晶片，設置於PCB基板的頂表面上且於二孔的一者之上，及模製化合物，覆蓋感測器晶片及PCB基板的側壁表面及頂表面。
於範例態樣，本發明關於感測器裝置。感測器裝置包含印刷電路板(PCB)基板，具有頂表面、底表面、在頂表面及底表面之間的埋孔、及二孔，二孔穿過頂表面到達埋孔中，因而形成讓媒介通過於二孔之間的通道。感測器裝置更包含感測器晶片，設置於PCB基板的頂表面上且於二孔的一者之上，模製化合物，覆蓋感測器晶片及PCB基板的側壁及頂表面，及埠，於二孔的另一者上。
於另一範例態樣，本發明關於用於製作感測器裝置的方法。對印刷電路板(PCB)基板執行的方法，PCB基板包含頂表面、底表面、在頂表面及底表面之間的埋槽、及二孔，二孔穿過頂表面到達埋槽中。方法包含設置感測器晶片於PCB基板的頂表面上且於二孔的一者的正上，且以模製化合物從上方模製感測器晶片及PCB基板。
於上總述的許多實施方式的特徵使得所屬技術領域中具有通常知識者可更易理解本發明的態樣。所屬技術領域中具有通常知識者應理解他們可輕易地使用本發明作為設計或修改其它製程及結構的基礎，用於實現於此所述的實施方式的相同的目的及/或達成相同的優點。所屬技術領域中具有通常知識者亦應理解此均等結構不離開本發明的精神及範疇，且他們可作出多樣的改變、替代及變換於此而不離開本發明的精神及範疇。
100‧‧‧感測器裝置
102‧‧‧基板
102’‧‧‧頂表面
102”‧‧‧底表面
102a‧‧‧層
102b‧‧‧層
105‧‧‧媒介通道
106‧‧‧水平段
107‧‧‧垂直段
108‧‧‧垂直段
110‧‧‧感測器晶片
112‧‧‧埠
113‧‧‧入口
114‧‧‧埠
115‧‧‧入口
116‧‧‧訊號處理晶片
120‧‧‧接觸墊
124‧‧‧模製化合物
125‧‧‧側壁表面
126‧‧‧晶粒附接區
128‧‧‧晶粒附接區
500‧‧‧方法
502‧‧‧操作
504‧‧‧操作
506‧‧‧操作
508‧‧‧次操作
510‧‧‧次操作
512‧‧‧次操作
當閱讀伴隨的圖式，從以下的詳細說明可最佳的理解本發明的態樣。強調的是，根據工業的標準實務，多樣的特徵非實際尺寸。實際上，為了討論的清晰，多樣的特徵的尺度可任意增加或減少。
圖1A及1B為具有有內建媒介通道的印刷電路板(PCB)基板的範例感測器裝置的示意截面圖，其根據本發明的一些態樣建構。
圖1C顯示圖1A及1B的PCB基板的頂表面的示意平面圖，根據一些實施方式。圖1A為沿著圖1C的A-A線的圖。圖1B為沿著圖1C的B-B線的圖。
圖1D為圖1A及1B的PCB基板的上層的底表面的示意平面圖，根據一些實施方式。
圖1E為圖1A及1B的PCB基板的下層的頂表面的示意平面圖，根據一些實施方式。
圖1F為圖1A及1B的PCB基板的頂表面的示意平面圖，於替代實施方式。
圖1G為圖1A及1B的PCB基板的上層的底表面的示意平面圖，於替代實施方式。
圖1H為圖1A及1B的PCB基板的下層的頂表面的示意平面圖，於替代實施方式。
圖2為範例感測器裝置的示意截面圖，其根據本發明的一些態樣建構。
圖3為範例感測器裝置的示意截面圖，其根據本發明的一些態樣建構。
圖4A及4B為範例感測器裝置的示意截面圖，其根據本發明的一些態樣建構。
圖5顯示製作感測器裝置的範例方法的流程圖，根據實施方式。

Claims (19)

  1. 一種感測器裝置，包含：印刷電路板(PCB)基板，具有頂表面、底表面、在該頂表面及該底表面之間的槽、及穿過該頂表面到達該槽中的二孔；感測器晶片，設置於該PCB基板的該頂表面上且於該二孔的一者之上；以及模製化合物，覆蓋該感測器晶片及該PCB基板的側壁表面及該頂表面。
  2. 如請求項1的感測器裝置，更包含：埠，設置於該PCB基板的該頂表面上且於該二孔的另一者之上。
  3. 如請求項2的感測器裝置，其中該埠為穿過該模製化合物的孔。
  4. 如請求項2的感測器裝置，其中該埠由該模製化合物固定附接於該PCB基板的該頂表面。
  5. 如請求項2的感測器裝置，更包含：另一埠，設置於該感測器晶片上。
  6. 如請求項1的感測器裝置，更包含：一或更多接觸墊，在該PCB基板的該底表面上，該一或更多接觸墊電連接於該感測器晶片。
  7. 如請求項1的感測器裝置，其中該槽及該二孔的表面包含銅或金。
  8. 如請求項1的感測器裝置，其中該槽及該二孔的表面被密封，讓應用媒介通過經過該二孔及該槽。
  9. 如請求項1的感測器裝置，更包含：訊號處理晶片，設置於該PCB基板的該頂表面上，且由該模製化合物覆蓋。
  10. 一種感測器裝置，包含：印刷電路板(PCB)基板，具有頂表面、底表面、在該頂表面及該底表面之間的埋孔、及二孔，該二孔穿過該頂表面且到達該埋孔中，因而形成讓媒介通過於該二孔之間的通道；感測器晶片，設置於該PCB基板的該頂表面上且於該二孔的一者上；模製化合物，覆蓋該感測器晶片及該PCB基板的側壁及該頂表面；埠，於該二孔的另一者上；以及訊號處理晶片，設置於該PCB基板的該頂表面上，且由該模製化合物覆蓋。
  11. 如請求項10的感測器裝置，其中該埠具有模製化合物作為它的側壁。
  12. 如請求項10的感測器裝置，其中該埠由該模製化合物從上方模製。
  13. 如請求項10的感測器裝置，其中該埠以可移除的方式附接於該PCB基板的該頂表面。
  14. 如請求項10的感測器裝置，其中該通道的表面包含電鍍金或電鍍銅。
  15. 如請求項10的感測器裝置，更包含：一或更多接觸墊於該PCB基板的該底表面上。
  16. 一種對印刷電路板(PCB)基板執行的方法，該PCB基板包含頂表面、底表面、在該頂表面及該底表面之間的埋槽、及二孔，該二孔穿過該頂表面且到達該埋槽中，該方法包含：設置感測器晶片於該PCB基板的該頂表面上且於該二孔的一者的正上；以模製化合物從上方模製該感測器晶片及該PCB基板。
  17. 如請求項16的方法，更包含，在該感測器晶片及該PCB基板的該從上方模製之前：附接埠於在該二孔的另一者的正上的該PCB基板的該頂表面，其中該感測器晶片及該PCB基板的該從上方模製包含從上方模製該埠、該感測器晶片、及該PCB基板。
  18. 如請求項16的方法，更包含，在該感測器晶片及該PCB基板的該從上方模製之前：設置訊號處理晶片於該PCB基板的該頂表面上，其中該感測器晶片及該PCB基板的該從上方模製包含從上方模製該訊號處理晶片、該感測器晶片、及該PCB基板。
  19. 如請求項16的方法，更包含：在該感測器晶片及該PCB基板的該從上方模製之前，插入接腳於該二孔的另一者中；以及在該感測器晶片及該PCB基板的該從上方模製之後，移除該接腳，因而形成穿過該模製化合物且連接於該二孔的另一者的第三孔。
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