TWI798507B - 感測器及其封裝組件 - Google Patents

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莊鑫毅
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Abstract

本發明揭露了一種感測器的封裝組件，其包括：重佈線層，其具有相對的第一面和第二面，以及貫穿所述第一面和第二面的第一通孔；第一晶粒，其電連接至所述重佈線層的所述第一面；感測元件，其電連接至所述重佈線層的所述第一面；蓋體，其位於所述重佈線層與所述感測元件之間，所述蓋體具有貫穿所述蓋體的第二通孔，所述第二通孔連通所述第一通孔；模塑料，其包括相對的第三面和第四面，所述模塑料在所述重佈線層的所述第一面側囊封所述第一晶粒和感測元件；所述模塑料的所述第四面與所述重佈線層的所述第一面結合。該感測器的封裝組件允許更多的器件封裝在一起，提供更好的結構支撐和熱分佈，降低了封裝組件的體積和成本。

Description

感測器及其封裝組件
本發明涉及感測器技術，尤其涉及基於微機電技術的感測器及其封裝組件。
微機電系統(Micro Electro-Mechanical System，MEMS)感測器是採用微電子和微機械加工技術製造出來的感測器。與傳統的感測器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適於批量化生產、易於整合和實現智能化的特點。同時，在微米量級的特徵尺寸使得它可以完成某些傳統機械感測器所不能實現的功能。MEMS感測器廣泛地應用於汽車、便攜式消費電子設備乃至醫療領域。
MEMS感測器的封裝是MEMS感測器設計與製造中的關鍵因素，MEMS感測器的封裝有著特殊的要求，例如感測器需要感知外界環境的變化以及實現電信號引出的功能，因此需要在感測器的外殼上保留與外界直接相連的通路用以感知光、熱、氣壓、力等物理信息。一個典型的實例是：MEMS壓力感測器(Pressure Sensor)，其需要在其外殼設置開口感知外部的介質壓力。傳統的MEMS封裝包括：晶片封裝、元件封裝以及系統級封裝。然而當前市場的需求要求將更多器件和功能整合到越來越小的空間中。現有的封裝方案難以滿足對較高部件密度設備的需求。
本發明的目的在於解決感測器的體積大的問題。按照本發明的實施例的一種感測器的封裝組件，其包括：重佈線層，其具有相對的第一面和第二面，以及貫穿所述第一面和第二面的第一通孔；第一晶粒，其電連接至所述重佈線層的所述第一面；感測元件，其電連接至所述重佈線層的所述第一面；蓋體，其位於所述重佈線層與所述感測元件之間，所述蓋體具有貫穿所述蓋體的第二通孔，所述第二通孔連通所述第一通孔；模塑料，其包括相對的第三面和第四面，所述模塑料在所述重佈線層的所述第一面側囊封所述第一晶粒和感測元件，所述模塑料的所述第四面與所述重佈線層的所述第一面結合。
可選地，所述感測器的封裝組件還具有第二晶粒，所述第二晶粒電連接至所述重佈線層的所述第一面，所述模塑料在所述重佈線層的所述第一面側囊封所述第二晶粒。
可選地，所述封裝組件還包括模塑通孔電連接體，所述模塑通孔電連接體貫穿所述模塑料的第三面和第四面並連接至所述重佈線層，所述模塑料的第四面上還包括襯墊，所述重佈線層通過所述模塑通孔電連接體電連接至所述襯墊。
可選地，所述模塑料還包括連接所述第三面和第四面的側壁，所述襯墊沿所述模塑料的第四面延伸至所述模塑料的側壁的外表面。
可選地，所述蓋體連接至所述感測元件，所述蓋體與所述感測元件之間形成第一空間，所述第一空間通過所述第二通孔和第一通孔連通至外部空間。
可選地，所述蓋體為矽罩，所述感測元件通過實施在所述蓋體上的矽穿孔技術電連接至所述重佈線層的所述第一面。
可選地，所述封裝組件還包括導電凸塊，其設置於所述模塑料的第四面上的所述導電柱處。
可選地，所述感測元件具有遠離所述重佈線層的所述第一面的前表面，所述前表面與所述模塑料的所述第四面齊平，所述感測元件至少部分地暴露於所述模塑料外。
可選地，所述感測元件為MEMS壓力感測元件；所述第一晶粒為ASIC。
根據本發明的另外一方面，還揭露了一種微機電系統感測器，其包括所述的感測器的封裝組件和承載基板，所述感測器的封裝組件安裝至所述承載基板。
從以上可以看出，根據本發明的感測器的封裝組件。通過設置重佈線層和模塑料，使得允許更多的器件封裝在一起，並且提供更好的結構支撐或/和提供封裝組件更好的熱分佈。同時降低了整個封裝組件的體積和成本。
11:重佈線層/RDL
12:感測元件
13:模塑料
14:蓋體
15:導電柱
16:第一晶粒
17:第二晶粒
18:襯墊
19:襯墊
20:襯墊/導電凸塊
21:第一空間
23:爬錫通道
100:封裝組件
111:第一面
112:第二面
113:第一通孔
114:介質層
121:TSV電連接體
122:前表面
131:第三面
132:第四面
133:側壁
141:第二通孔
161:前表面
171:前表面
200:封裝組件
本發明的特徵、特點、優點和益處通過以下結合附圖的詳細描述將變得顯而易見。
[圖1]示出了根據本發明一個實施例的感測器的封裝組件的剖面結構示意圖。
[圖2]示出了根據本發明另一個實施例的感測器的封裝組件的剖面結構示意圖。
下面，結合附圖詳細描述本發明的實施例。
圖1示出了根據本發明一個實施例的感測器的封裝組件100的剖面結構。如圖所示，該感測器的封裝組件100包括重佈線層(Redistribution Layer，RDL)11、感測元件12、模塑料13、蓋體14和第一晶粒16，可選地還包括第二晶粒17。其中，RDL 11包括相對的第一面111、第二面112以及貫穿第一面111和第二面112的第一通孔113。感測元件12、第一晶粒16和第二晶粒17電連接至RDL 11的第一面111。模塑料13在RDL 11的第一面111側囊封感測元件12、第一晶粒16和第二晶粒17。模塑料13包括相對的第三面131和第四面132。模塑料13在RDL 11的第一面111側囊封感測元件12、第一晶粒16和第二晶粒17時，模塑料13的第三面131與RDL 11的第一面111結合在一起。此外，模塑料13中還可以包括若干個導電柱15，若干個導電柱15由RDL 11的第一面111向第二面112延伸並且貫穿模塑料13。蓋體14位於重佈線層11與感測元件12之間，蓋體14部分地與感測元件12連接並在感測元件12與蓋體14間形成第一空間21。蓋體14具有貫穿蓋體14的第二通孔141，第二通孔141連通第一通孔113。第二通孔141和第一通孔113連通第一空間21與位於感測器外的外部介質。
本實施例中，RDL 11具有比傳統有機或層合基板更薄的厚度，RDL 11的厚度可由重配線113和介質層114的數量以及形成方式來決定。例如傳統六層有機或層合基板具有300μm至500μm的厚度。本實施例中，重配線113具有3μm至10μm的厚度，而介質層114具有2μm至5μm的厚度。本實施例的RDL 11還允許實現與傳統有機或層合基板相比更窄的線間距寬度(微細間距)和更細的線。本實施例中，RDL 11總共具有小於50μm的厚度，例如30μm-25μm抑或更小的厚度，例如20μm。RDL 11包括重配線113和介質層114，重配線113可以為一個或者多個。在本實施例中，RDL 11中包括內嵌的重配線113。其例如可以通過以 下方式形成：首先形成晶種層、然後形成金屬(例如銅)圖案來生成重配線113。可選地，還可以通過沉積(例如濺鍍)和蝕刻的製程來形成重配線113。重配線113的材料可包括但不限於金屬材料，諸如銅、鈦、鎳、金及其組合或合金。重配線113的金屬圖案隨後被嵌入在介質層114中。介質層114可以是任何合適的介質材料，例如氧化物或聚合物(例如聚醯亞胺)。重配線113的暴露部分可用於不同晶粒的電連接。RDL 11可通過逐層製程形成，並且可利用薄膜技術形成。本實施例中，RDL 11的第一面111由介質層114形成實現RDL 11的鈍化。
參考圖1，感測元件12、第一晶粒16和第二晶粒17電連接到RDL 11。第一晶粒16的類型可以取決於具體的應用。例如第一晶粒16可以是邏輯部件(例如ASIC)、記憶體或其它部件。第二晶粒17可以是被動部件諸如電容器或電感器。本實施例中，第一晶粒16和第二晶粒17電連接到RDL 11的第一面111上和重配線113連接從而電連接到RDL 11。
同時，感測元件12電連接至RDL 11的第一面111上。電連接可利用多種合適的技術來實現。例如本實施例中，感測元件12通過矽穿孔(Through Silicon Via，TSV)電連接體實現與RDL 11的電連接。具體地，蓋體14位於重佈線層11與感測元件12之間，蓋體14部分地與感測元件12接觸，在與感測元件12接觸的蓋體14的部分中設置有TSV電連接體121，TSV電連接體121貫穿蓋體14。感測元件12通過TSV電連接體121連接到RDL 11的第一面111上的重配線113，實現與RDL 11的電連接。
然後可利用模塑料13將感測元件12、第一晶粒16和第二晶粒17進行囊封。模塑料13由例如熱固性交聯樹脂(例如環氧樹脂)、液體或顆粒、片材或膜組成。可以採用合適的技術來實現囊封感測元件12、第一晶粒16和第二晶粒17，例如壓縮模塑、液體囊封劑注射和層合。本實施例中，模塑料13是填充在RDL 11的第一面111側並且囊封感測元件12、第一晶粒16和第二晶粒17的連續的均一 成分層。如圖1所示，模塑料13包括相對的第三面131和第四面132，當模塑料13在RDL 11的第一面111囊封第一晶粒16和第二晶粒17時，模塑料13的第三面131與RDL 11的第一面111接觸，感測元件12、第一晶粒16和第二晶粒17的橫向側被囊封在模塑料13中。同時，在感測元件12、第一晶粒16和第二晶粒17的遠離RDL 11的第一面111的前表面122、161和171上方也形成模塑料13，即感測元件12、第一晶粒16和第二晶粒17完全被囊封在模塑料13中。本領域技術人員應當理解，並不要求感測元件12、第一晶粒16和第二晶粒17的前表面都封在模塑料13內。在一些實施例中，只要感測元件12、第一晶粒16和第二晶粒17的橫向側被封在模塑料13中，而在感測元件12、第一晶粒16或第二晶粒17的前表面122、161和171上不形成模塑料13。在一些實施例中，感測元件12、第一晶粒16或第二晶粒17前表面122、161和171可以與模塑料13的第四面132齊平。
模塑料13中包括至少一個導電柱15，本實施例中，導電柱15是模塑通孔(Through Mold Via，TMV)電連接體，TMV電連接體貫穿模塑料13的第三面131和第四面132並連接RDL 11的第一面111。具體地，TMV電連接體連接到RDL 11的單個或多個重配線實現與RDL 11的電連接。TMV電連接體可以通過任何合適的方式在模塑料13上形成。包括鑽孔形成例如雷射鑽孔。也可以在模塑料13形成的過程中預先設置柱狀結構從而在脫模過程中形成。在形成TMV電連接體後，可以對其進行清潔，以便於後續的處理。清潔可包括任何合適的操作，例如：濕式蝕刻、等離子體蝕刻或其組合。TMV電連接體的數量由RDL 11上包括的輸入輸出(I/O)器件的數量決定。通過設置TMV可以實現感測器的封裝組件100的信號輸出至其他電路例如作為感測器的封裝組件100的承載基板的PCB板。如圖1所示，向TMV電連接體中添加導電的填充物，填充物為堵封材料或是金屬例如銅。填充可以通過任何合適的操作來實現確保填充物和RDL 11之間適當的電連接。模塑料13的第四面132上在TMV電連接體處還設置有襯墊18。TMV電連 接體連接至襯墊18。
感測器的封裝組件100還包括導電凸塊20。在形成模塑料13之後，導電凸塊20可附加到模塑料13或在模塑料13上直接形成。如圖所示，導電凸塊20設置於模塑料13的第四面132上的TMV電連接體處。導電凸塊20可使用多種結構，例如是圖中示出的焊球或者是鍍覆的樁。導電凸塊20被配置成將感測器的封裝組件100電連接到其他電路例如作為承載基板的PCB上。
在本實施例中，感測元件12為MEMS流體壓力感測元件，用於感測外部介質例如空氣或者液體的壓力。第一晶粒16為ASIC，ASIC包括嵌入在例如矽、砷化鎵、SiC(碳化矽)石墨烯或者任何半導體材料的基板內和/或上的一個或者多個電路，其被配置為執行特定任務或實現特定功能。具體地，外部介質經由第二通孔141和第一通孔113進入第一空間21內，感測元件12感測位於第一空間21內的外部介質的壓力。通過RDL 11與感測元件12電連接的第一晶粒16、第二晶粒17將感測元件12感測到的外部介質的壓力轉化為電信號並經由導電柱15輸出。
封裝組件100在TMV電連接體貫穿模塑料13的第四面132處還具有襯墊18，襯墊18沿模塑料13的第四面132延伸至模塑料13的側壁133的外表面，並在第四面132和側壁133的外表面的過渡區域形成自動光學檢查(Automated Optical Inspection，AOI)能夠清楚可見的爬錫通道23。
圖2示出了根據本發明另一個實施例的感測器的封裝組件200的剖面結構。相比較於圖1，在封裝組件200中，感測元件12、第一晶粒16和第二晶粒17的橫向側被囊封在模塑料13中，並且第一晶粒16和第二晶粒17的遠離RDL 11的第一面111的前表面161和171上方也形成模塑料13，即第一晶粒16和第二晶粒17完全被囊封在模塑料13內。同時，感測元件12遠離RDL 11的第一面111的前表面122則與RDL 11的第四面132齊平，感測元件12至少部分地暴露於模塑料13 外，如此設置有利於感測元件12感測位於感測器外的外部介質的特性。例如外部介質空氣或者液體的壓力。感測器以合適的方式連通外部介質至感測元件12，例如可以在作為感測器的封裝組件200的承載基板的PCB(圖中未示出)上設置通孔，該通孔連通感測元件12與外部介質。進一步地，如圖2所示，由PCB上設置的通孔連通至感測元件12的外部介質，可以是不同於位於第一空間21內的外部介質，由此包含封裝組件200的感測器可以感測外部空間中不同的外部介質的壓力。同時，感測元件12和通過RDL 11與感測元件12電連接的第一晶粒16、第二晶粒17相互配合，可以比較感測元件12感測到的不同外部介質的壓力，例如計算不同的外部介質的壓力差。
通過設置RDL和模塑料，感測器的封裝組件的展開的區域使得允許更多組件封裝在一起，從而提供更好的結構支撐或提供封裝組件更好的散熱。同時，RDL與模塑料的耦合還實現了SIP(System in Package)的封裝形式。該SIP結構利用RDL以扇出晶粒的電性端子並且允許罩殼的封裝，降低了整個封裝組件的體積和成本。
還可以將本發明的感測器封裝組件與其它電路例如承載基板進行下一級封裝，形成例如MEMS壓力/壓差感測器。
對於本領域的技術人員來說，可以根據以上的技術方案和構思，作出各種相應的改變和變形，而所有的這些改變和變形都應該包括在本發明的申請專利範圍請求項的保護範圍之內。
11:重佈線層/RDL
12:感測元件
13:模塑料
14:蓋體
15:導電柱
16:第一晶粒
17:第二晶粒
18:襯墊
19:襯墊
20:襯墊/導電凸塊
21:第一空間
100:封裝組件
111:第一面
112:第二面
113:第一通孔
114:介質層
121:TSV電連接體
122:前表面
131:第三面
132:第四面
133:側壁
141:第二通孔
161:前表面
171:前表面

Claims (10)

  1. 一種感測器的封裝組件，其包括：重佈線層，其具有相對的第一面和第二面，以及貫穿所述第一面和第二面的第一通孔；第一晶粒，其電連接至所述重佈線層的所述第一面；感測元件，其電連接至所述重佈線層的所述第一面；蓋體，其位於所述重佈線層與所述感測元件之間，所述蓋體具有貫穿所述蓋體的第二通孔，所述第二通孔連通所述第一通孔；模塑料，其包括相對的第三面和第四面，所述模塑料在所述重佈線層的所述第一面側囊封所述第一晶粒和感測元件，所述模塑料的所述第四面與所述重佈線層的所述第一面結合。
  2. 根據請求項1所述的封裝組件，其中，所述感測器的封裝組件還具有第二晶粒，所述第二晶粒電連接至所述重佈線層的所述第一面，所述模塑料在所述重佈線層的所述第一面側囊封所述第二晶粒。
  3. 根據請求項1所述的封裝組件，其中，所述封裝組件還包括模塑通孔電連接體，所述模塑通孔電連接體貫穿所述模塑料的第三面和第四面並連接至所述重佈線層，所述模塑料的第四面上還包括襯墊，所述重佈線層通過所述模塑通孔電連接體電連接至所述襯墊。
  4. 根據請求項3所述的封裝組件，其中，所述模塑料還包括連接所述第三面和第四面的側壁，所述襯墊沿所述模塑料的第四面延伸至所述模塑料的側壁的外表面。
  5. 根據請求項1所述的封裝組件，其中，所述蓋體連接至所述感測元件，所述蓋體與所述感測元件之間形成第一空間，所述第一空間通過所述第二通孔和第一通孔連通至外部空間。
  6. 根據請求項5所述的封裝組件，其中，所述蓋體為矽罩，所述蓋體包括貫穿所述蓋體的矽穿孔電連接體，所述感測元件通過所述矽穿孔電連接體電連接至所述重佈線層的所述第一面。
  7. 根據請求項1所述的封裝組件，其中，所述封裝組件還包括導電凸塊，其設置於所述模塑料的第四面上的導電柱處。
  8. 根據請求項1所述的封裝組件，其中，所述感測元件具有遠離所述重佈線層的所述第一面的前表面，所述前表面與所述模塑料的所述第四面齊平，所述感測元件至少部分地暴露於所述模塑料外。
  9. 根據請求項1至8中任一項所述的封裝組件，其中，所述感測元件為MEMS壓力感測元件；所述第一晶粒為ASIC。
  10. 一種微機電系統感測器，其包括：根據請求項1至9中任一項所述的感測器的封裝組件；以及承載基板，所述感測器的封裝組件安裝至所述承載基板。
TW108142673A 2018-11-26 2019-11-25 感測器及其封裝組件 TWI798507B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201821962250.3U CN209396878U (zh) 2018-11-26 2018-11-26 传感器及其封装组件
CN201821962250.3 2018-11-26

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TW202026232A TW202026232A (zh) 2020-07-16
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