表面聲波封裝件及其形成方法

2023-05-26 14:00:41

專利名稱：表面聲波封裝件及其形成方法
表面聲波封裝件及其形成方法
技術領域：
本文的實施例主要涉及傳感器及其封裝方法。同樣的，實施例還涉及 聲敏元件的封裝及，尤其是表面聲波(SAW)傳感器的封裝及形成方法。實 施例還涉及了使用SAW傳感器封裝的傳感器系統，例如SAW扭矩傳感系統， 及形成該系統的方法。
發明背景由傳感器晶片構成的離散傳感器可包含有作用區，該作用區對周圍的 機械，化學和/或電子影響尤其敏感。為了保證這類傳感器的運行特性是穩定 且可靠的，傳感器晶片一般都封裝於密封外殼，從而減少或排除非理想的影響。聲敏元件是關於離散傳感器的一個例子，離散傳感器可對操作環境高 度敏感。聲敏元件被大量用於傳感應用，比如，舉例來說，溫度，壓力，適 度和/或氣體感應設備和系統。由於表面負荷的高靈敏度及低噪聲，起傳感器 作用的聲波(例如，SAW/BAW)設備可提供一個高靈敏檢測裝置，其中低 噪聲是由於其內部的高Q值造成的。聲敏元件的例子包括例如表面聲波(SAW)等設備,其可用於檢測組件 上的扭矩或是拉矩或者是物質的存在，例如化學及生物材料。表面聲波扭矩 感應是一種新興的技術，用於傳動和機殼應用中所使用的自動化，傳輸，導 軌及其他類似方面。SAW設備起到共振器的作用，其振蕩頻率在其受到應 力時改變。設備在無線電頻率運作，可被詢問脈沖無線激發，且通過所測得 的共振頻率響應可計算出扭矩。扭矩可以通過使用合適的封裝和算法^皮感 應，從而根據回復的信號推算傳感性能的值。SAW設備一般通過位於壓電材料上的梳狀叉指換能器，使用光刻技術來製造。SAW設備可能含有延遲線或者共振腔結構。SAW傳感器對機械錶 麵條件尤其敏感。表面聲波的傳播特性，舉例來說，會因與傳感器表面相接 觸的雜質的存在而受到很大影響。因此，SAW傳感器一般全密封封裝。用於封裝SAW傳感器和其他需要密封外殼的離散傳感器的一般模式 的造價高昂，因為在封裝傳感器中需要大量的部件及步驟。注意到之前所述，故存在一種需要，以提供離散傳感器的低成本密封 封裝，尤其是表面聲波傳感器，例如扭矩表面聲波傳感器。因此，此處所迷的實施例直接表述了當前離散傳感器的密封封裝的缺 陷，尤其是對於表面聲波傳感器，並提供一個低成本的密封封裝及其製造的
關聯技術。

發明內容本發明的下述概述被提供，以幫助理解本發明一些獨特的新特性，但 該概述不是一個完整的描述。對本發明各個方面的完整認識可以通過將整個 說明書，權利要求書，圖例，和摘要作為一個整體進而獲得。因而，其一方面提供了改進的傳感器封裝件。另一個方面，其提供了用於離散傳感器的低成本的密封封裝，例如表 面聲波(SAW)傳感器。另一個方面，其提供了低成本的封裝傳感器的方法，例如SAW傳感器。再一個方面，其提供了低成本的封裝傳感器系統，比如SAW扭矩傳
感器系統。如此處所述，本發明之前提到的各方面及其他的目標和優點均可被實 現。傳感器封裝件被作為一種傳感器系統及其製造方法而被揭示。 一方面，傳感器封裝件一般包括基底和一個或多個位於基底表面的傳感元件。傳感器 封裝件還包含--個蓋帽，比如一個玻璃帽，其與基底接合，從而蓋帽和基底 界定了一個容納傳感元件的密封諧振腔。蓋帽包含至少一個導電的通孔或者 導電阱，其電連到諧振腔內的傳感元件，並提供電線接頭到蓋帽的外部，用 於連接外部電路。有利的是，對於離散傳感器，用於製造傳感器封裝件的部件和步驟較 之當前通用的製造密封封裝件的部件和步驟少。因此，壓縮的及低成本的密 封傳感器封裝件可被製造。傳感器封裝件的製造可以通過本領域專業人員所熟知的半導體和集成
電路製造技術的方式執行，進一步降低了生產成本。優選地，傳感器封裝件 通過晶圓級加工技術及之後的辨識抽離的方式，即使用熟知的晶圓劃片方式 與相鄰的組件中分離，而被大量製造。優選地，蓋帽有第一表面和位於第一表面反面、接合基底表面的第二 表面。導電通孔可以在蓋帽的第一和第二表面延伸並可與諧振腔中分離。導電通孔，可由焊錫或其它導電材料形成，可通過導電膜和導電片的 方式，例如金或其它金屬片，其插入到蓋帽的第二表面與基底表面之間並於 導電通孔相連，並電連到傳感元件。優選地， 一個或多個導電通孔在蓋帽的外表面構成了一個或多個焊錫 阱，從而一個或多根金屬線可焊接在焊錫阱內部或是表面。優選地，基底由壓電基板組成且各傳感元件可包含一個電極，比如一 個叉指換能器，從而壓電基板和電極界定了一個表面聲波傳感器。蓋帽可提供電氣和機械連接到傳感器封裝件外部，進而在叉指換能器 上另外提供一個密封區域。因而，可使用較少的部件和步驟來製造表面聲波 傳感器封裝件，從而傳感器可在一個低成本的方式下被封裝。根據另一個方面，表面聲波傳感器系統包含一個帶有表面聲波傳感器的傳感器封裝件。表面聲波傳感器封裝件包含一個壓電材料的基底和一個或 多個位於基底表面的叉指換能器。傳感器封裝件同樣含有接合基底的蓋帽， 從而蓋帽和基底界定了 一個容納叉指換能器的密封諧振腔。蓋帽可含有一個 或者多個導電通孔，其與諧振腔分離並電連到諧振腔內的叉指換能器，從而 導電通孔提供電連到蓋帽外部，用於連接外部電路。蓋帽可有第一表面，位於第一表面反面的第二表面，和至少一個在第 一和第二表面間延伸的導電通孔。 一個或者多個導電通孔可通過在蓋帽的第 二表面和基底表面間插入一個或者多個導電膜或導電片的方式，電連到傳感 元件。每個導電通孔可以有一端位於蓋帽的第二表面，該端相互對齊並連接 到各個導電片。優選地，傳感器系統可包括一根或者多根金屬線，其連接到蓋帽第一 表面的導電通孔區域，用以將傳感器封裝件電連到天線。導電通孔可以是焊 錫通孔或者阱且金屬線可再流焊接到此處。優選地，表面聲波傳感器是一個扭矩或者拉矩傳感器。傳感器封裝件 可連接到部件的表面，從而表面聲波傳感器可測量部件的扭矩或拉矩。傳感 器封裝件和引線鍵合可使用環氧樹脂或其他合適的密封劑在部件表面封裝， 用於電氣及環境保護。優選地，傳感器封裝件使用半導體和/或微機電系統(MEMS)儀器和 製造技術進行製造。另一個方面， 一種形成傳感器封裝件系統的方法被揭示。該方法包括 提供一個在其上帶有一個或多個感應元件的基底，在基底上形成一個或多個 導電片以電連相應的傳感元件，形成一個帶有一個或多個通孔的蓋帽，以各 通孔與各導電片對齊的方式來對齊蓋帽與基底，和接合蓋帽與基底從而基底
和蓋帽界定一個容納感應元件的密封諧振腔，導電片插入蓋帽和基底並密封 通孔一端以界定一個或者多個阱。


所附圖例，其中，例如參考圖例，在整個不同的視點中，數字代表了
同一種或者是功能相近的元素，其組成並成為說明書的一部分，以進一步描 述本發明，並連同本發明的詳細描述一起，用於解釋本發明的原理。圖1說明了符合優選實施例的傳感器封裝件的橫截面視圖。圖2說明了圖1中未包裝的傳感器晶片的透視圖。圖3說明的橫截面視圖，其描述了圖2所示的傳感器晶片基底上的導 電片的構成。圖4說明的橫截面視圖，其描述了圖1中傳感器封裝件的蓋帽的構成。圖5說明的橫截面視圖，其描述了圖3所示的在基底和導電片上的蓋
帽的附著。圖6和圖7說明了包含圖1中傳感器封裝件的扭矩傳感器系統的橫截 面視圖。
具體實施方式根據附圖中的圖1,其說明了依據一個實施例的傳感器封裝件的橫截 面梘圖，傳感器封裝件1 一般含有一個傳感器晶片2和一個接合傳感器晶片 的蓋帽7，從而蓋帽和晶片界定了一個密封諧振腔6，其優選的全密封封裝， 以容納傳感器晶片的傳感元件。蓋帽7包括一對導電通孔或導電阱8,其相 互之間電隔離且與諧振腔6分離。導電通孔8電連到位於諧振腔6中的傳感元件4，並延伸到蓋帽7的 外表面，從而使得連接到傳感元件的信號在密封諧振腔和傳感器封裝件1的 外表面之間通過。如將在下文詳細解釋的，通過簡單導電的連接到暴露在蓋 帽外部的導電通孔內部或者表面，用於在傳感元件4和外部電路之間傳輸信有利的是，用於製造傳感器封裝件所需元件和步驟的數量，較之當前 通用的密封傳感器封裝件要少。因此，壓縮的且低成本的密封傳感器封裝件可被製造。傳感器封裝件的製造可以通過本領域專業人員所熟知的半導體和集 成電路製造技術的方式執行，進一步降低了生產成本。優選地，傳感器封裝 件通過晶圓級加工技術及之後的辨識抽離的方式，即使用熟知的晶圓劃片方 式從相鄰的組件中分離，而被大量製造。如圖2中所示，其說明的是圖1中未包裝傳感器晶片的透視圖，傳感 器晶片2包含由壓電材料製造的基底，例如石英，和置於基底上表面14的 傳感元件4。在所說明的實施例中，傳感元件4包含一對叉指換能器(IDT) 形式的電極4，其置於上表面14，從而形成表面聲波傳感器2,用於感應組 件的扭矩或拉矩。然而，本領域專業人員應當明白除了叉指換能器之外的傳 感元件和除了壓電基板之外的基底亦可被使用，用以提供感應除了扭轉及拉 轉外的其他可選的物理屬性的傳感器晶片。根據圖1和2，蓋帽7由玻璃制的帽7構成，例如Pyrex⑧玻璃。Pyrex 注釋是紐約14831Cornmg玻璃公司的註冊商標。蓋帽7有一個上表面16， 一個在蓋帽底部的凹槽17和一個底層的外表面18,其圍繞著凹槽17，並與 基底3的上表面14密封從而創建一個密封諧振腔6。然而，蓋帽7，可有各 種可選的形式並可由除了玻璃的其他材料製成，比如塑料或者其他絕緣材料 或甚至適於各個導電通孔8間相互電絕緣的半導體材料。導電通孔8由導電粘合材料構成，比如本領域的專業人員所熟知的焊 錫，導電環氧樹脂材料或者其他合適的材料。在這個特定的實施例中，導電 通孔8被置於位於諧振腔任一邊的蓋帽7的邊緣區域上並在上表面16和蓋 帽底層的外表面18間延伸。 一對導電片5插入蓋帽的底層的外表面18和基 底上表面14，從而導電片5與各導電通孔8的最底層端21電連。導電片5 沿著基底的上表面14延伸至諧振腔6，其中，導電片與各自的叉指換能器4 電連，從而電連導電通孔8到各自的叉指換能器。故蓋帽7除了在叉指換能器4上提供封堵層外，還提供電氣和機械的連接到傳感器封裝件1的外表面。因而可使用較少的部件和步驟就能製造傳 感器封裝件l，從而傳感器可以在低成本下封裝。製造傳感器封裝件的方法會根據參考圖例進行描迷，尤其是圖1和圖 3到5，其描述了根據一個實施例的一般的封裝方法。關於圖3,其描述了圖2中傳感器晶片上的導電通孔的構成， 一般的 方法包括在叉指換能器4兩邊的基底3的上表面14上形成一對導電片5。導 電片5的形成可以通過金屬沉積的方式實現，比如金，或者其他的基底上的 導電元素，通過一種所熟知的沉積技術，比如物理或是化學的氣相沉積。導 電片5在基底上形成，從而與各叉指換能器4電連並延伸到基底的各對稜19。如圖4中所示，其說明了描述圖1中傳感器封裝件的蓋帽的構成的橫 截面視圖， 一個蓋帽7，其優選是一個玻璃帽，配備有一個上表面16, —個 在蓋帽底部的中心凹槽17和一個底層的外表面18，圍繞著凹槽17。蓋帽7 上形成有一對通孔9，相互隔離且給定尺寸以容納其中的導電粘合材料。在 蓋帽的製造過程中，例如當蓋帽處於潮溼且易彎曲的狀態時，通孔9通過激 光鑽孔或者其他的本領域的專業人員所熟知的蝕刻法來形成。通孔9可置於 中心凹槽17的任一邊且與中心凹槽17隔離並在上表面16與底層的外表面 18間延伸。在接合蓋帽7到基底3的上表面14上之前，蓋帽^皮保持與基底成一直 線，從而通孔9與各導電片5相對齊。底層的外表面18,其被用作密封面， 接著被密封到基底上表面14和導電片5的外表面密封區域上，從而建立了 一個密封諧振腔6，其優選全密封，如圖5所示。凹槽17給定尺寸，從而傳 感器的作用區，即叉指換能器4及導電片5與叉指換能器間的任一 電氣互聯， 被植入且在腔6中密封，蓋帽的密封面18位於導電片5上，從而導電片被 夾於密封面18與基底的上表面14的外緣部分和各通孔9的密封底端20之 間，以界定用於容納導電粘合材料的阱。為了保證諧振腔充分密封，優選全密封，蓋帽的密封面18或基底3可壓制定型以適應導電片5的厚度。可選的，導電片5，連同墊片5與叉指換
能器4之間的任意電氣互聯，可被定型以嵌入基底(未顯示)從而墊片5的 上表面和其他與上表面14的相關互聯，形成一個充分平坦的表面，其可密 封接合到對應的蓋帽的密封平面18上。蓋帽7和基底3可通過諸多方法密封到一起。比如，玻璃蓋帽可使用 熱電(TE)接合工序密封到基底，其中蓋帽被加熱到高溫，並安置在與基底 相接觸的位置，基底優選半導體基底，接著在一個預定的時段內提供電壓穿 過密封界面。這些參數視玻璃蓋帽和基底的型號而定。舉例來說，如果蓋帽 是由耐熱玻璃製造，蓋帽被加熱到大約500攝氏度且1500伏的電壓被提供 到蓋帽和基底之間的結合點，持續時間約為一分鐘，從而將蓋帽7熱電連到 基底3。若必要時，熱電接合工序可使用微電製造技術實現。同樣的，如有 必要，接合過程可在真空中進行，從而在諧振腔內形成一個真空狀態。可選的，通過將合適的環氧樹脂或者其他粘合劑塗到蓋帽密封面18和 /或相應基底的密封區域，並使蓋帽和基底相互接觸，可使得蓋帽與基底密封 接合。若必要時，在蓋帽的密封面和相應的基底密封區域之間可使用密封環。接著，通孔9被填充或覆蓋上導電粘合材料，在本例中使用焊錫，從 而界定如圖1中所示的導電阱或者通孔8。導電通孔8的底端21與各導電片 5電連，因而電連叉指換能器。位於蓋帽上表面16的導電通孔8的頂端22 被用作傳感器封裝件外部的機械和電氣接入點。優選的，此方法通過使用常規的半導體和微機電系統(MEMS)儀器 和製造技術在晶圓級施行。晶圓級組件通過使用已知的晶圓對準器或抓取與 放置裝置來完成，比如當前那些用於製造矽集成電路的儀器。那些定位器將 晶圓置於製造基底3，傳感器元件4和導電片5的位置，相對於製造蓋帽7 的晶圓上，從而蓋帽可維持在與相應基底一直線的位置。接著各個組件的蓋 帽和基底在焊接室中被接合到一起且焊錫沉積在形成導電通孔8的阱中。此後，傳感器封裝件1使用已知的切割或鋸切技術進行辨識抽離，從而將傳感器封裝件從鄰近的組件或者其他儀器中分離。絕緣線可以是連接到 導電通孔的金屬線，其通過已知的回流焊技術回流焊焊錫阱或焊錫通孔。作 為 一種更可靠的機械和電氣連接，前端可在回流焊的過程中插入到通孔中並
接合在其中。在所述的實施例中，傳感器晶片2是一個帶有壓電基板3並在基底表 面形成有叉指換能器4的表面聲波扭矩傳感器。然而，此方法也可用於其他 類型傳感器晶片的封裝。現在關於圖6，其說明了根據一個實施例的扭矩傳感器封裝件系統的 橫截面視圖，扭矩傳感器封裝件系統100由一個傳感器封裝件101組成，其 與圖1中所示的第一個實施例的傳感器封裝件1相同，且傳感器封裝件101 通過使用一個合適的粘合劑接合軸的表面111，其扭矩通過傳感器封裝件的 表面聲波傳感器102測量。用於在表面聲波傳感器102中的叉指換能器104 和外部天線(未顯示)之間傳送信號的絕緣引線112是金屬線，其使用焊錫 或其他導電粘合材料接合導電通孔或阱108。導電通孔或阱被用作錫爐，其 中附著引線末端。如圖7所示，其說明了與圖6相同的橫截面視圖，除了在 封裝傳感器封裝件101後，封裝劑130塗在整個傳感器封裝件101和封裝封 裝件周圍的部分軸表面111區域上，從而在環境上保護封裝封裝件101並電 氣的密封引線和導電通孔108之間的電氣連接。因此絕緣線112提供電氣接 入給已封裝的傳感器封裝件的外部。在這個特定的實施例中，導電通孔108的形成和/或隨後絕緣引線的接 合可在傳感器封裝件101接合到組件之後或之前完成。如上述詳細揭示的描述並不能認為是全面的或者用以限制本發明的範 圍的。在不背離如下權利要求的情況下根據以上所述可以進行修改和變動。 舉例來說，本領域的專業人會明白，傳感器封裝件，如此處說明性的實施例 中所述，可具有任意數量的導電通孔及相應的傳感元件。同樣本領域的專業 人員會明白傳感器封裝件可帶有其他類型的傳感器晶片，比如溫度，速度和位置的傳感器晶片。本發明的使用可涉及各種不同性能的部件，這點是可以 預料的。通過此處附加的權利要求來界定本發明範圍的目的是對各種的同等 物給予全面的認定。此處詳細描述的實施例和例子是用於更好的揭示本發明及其特定的應 用並幫助本領域的專業人員製造和使用本發明。然而，本領域的專業人員， 應當認識到提供之前的描述和例子僅僅是為了描述和舉例的目的。本領域的 專業人員可對本發明進行修改和變動，附加的權利要求的目的也包括了這些
》務改和變動。
權利要求
本發明實施例中的權利要求所專有的產權和權利如下界定。所述發明的
權利要求
1. 一種傳感器封裝件裝置，包括一基底；至少一傳感元件，位於所述基底的表面；且一蓋帽接合所述基底，從而所述蓋帽和所述基底界定了一密封諧振腔以容納所述至少一感應元件，所述蓋帽帶有至少一電連到所述諧振腔中所述至少一感應元件的導電通孔或導電阱，其被置於所述蓋帽以提供電連到其外部用於連接外部電路。
1. 一種傳感器封裝件裝置，包括 一基底；至少一傳感元件，位於所述基底的表面；且一蓋帽接合所述基底，從而所述蓋帽和所述基底界定了 一密封諧振腔以容 納所述至少一感應元件，所述蓋帽帶有至少一電連到所述諧振腔中所述至 少 一感應元件的導電通孔或導電阱，其被置於所述蓋帽以提供電連到其外 部用於連接外部電路。
2. 如權利要求l中的裝置，其中所述蓋帽包含一第一表面和一第二表面，其 位於所述第一表面的反面，所述第二表面接合所述基底表面且其中所述至 少 一導電通孔與所述諧振腔分離並在所述蓋帽的第 一和第二表面之間延伸。
3. 如權利要求2中的裝置，其中所述至少一導電通孔通過在所述蓋帽的第二 表面和所述基底表面之間插入至少一導電片，而電連到所述至少一感應元 件，所述至少一導電通孔與所述至少一導電片相連。
4. 如權利要求3中的裝置，其中所述至少一導電通孔在所述蓋帽的外部形成 一焊錫阱，從而金屬線可焊接到所述焊錫阱表面或是內部。
5. 如權利要求]中的裝置，其中所述基底包含一壓電基板和其中所述至少一 感應元件包括一電極，所述壓電基板和至少一電極界定了 一表面聲波傳感器。
6. —種表面聲波傳感器系統，包括 一傳感器封裝件，包括一壓電材料的基底；至少一叉指換能器，位於所述基底的表面；和一蓋帽，接合所述基底，從而所述蓋帽和所述基底界定了一容納所述至少 一叉指換能器密封諧振腔，所述蓋帽帶有至少一導電通孔，其與所述諧振 腔分離，所述至少 一導電通孔電連到所述諧振腔中的所述叉指換能器且一皮 置於所述蓋帽中，從而提供電連到其外部用於連接外部電路。
7. 如權利要求6中的系統，其中所述蓋帽含有一第一表面， 一第二表面，其 位於所述第一表面的反面，而其中所述至少一導電通孔在所述第一和第二 表面之間延伸。
8. 如權利要求7中的系統，其中通過在所述蓋帽的第二表面和所述基底表面 之間插入至少一導電膜或導電片的方式，將所述至少一導電通孔電連到所 述至少一感應元件，每個導電通孔都有一端位於所述蓋帽的所述第二表 面，以連接每個導電片。
9. 一種形成傳感器封裝件系統的方法，包括 提供一在其上帶有至少 一傳感器元件的基底； 在所述基底上形成至少一導電片以電連相應的傳感元件； 形成一帶有至少一個通孔的蓋帽；將所述蓋帽和所述基底對齊，所述至少一個通孔與對應的導電片對齊；且將所述蓋帽附於所述基底，從而基底和所述蓋帽界定一容納至少一感應元 件的密封諧振腔，每個導電片插入所述蓋帽和所述基底並密封各通孔的一 端，從而界定一個或多個阱。
10. 如權利要求9中的方法，進一步包括用導電材料填充或覆蓋所述至少一個 通孔，從而界定一個或多個導電阱，所述至少一個導電阱電連到所述至少 一傳感元件並提供電連到所述蓋帽外部用於連接外部電路。
全文摘要
一個傳感器封裝件一般包括一個基底和一個或多個位於基底的表面的傳感元件。一個蓋帽，比如玻璃蓋帽，與基底接合，從而蓋帽和基底界定了一個容納傳感元件的密封諧振腔。蓋帽有至少一個導電通孔或導電阱以電連到諧振腔中的傳感元件，導電通孔或導電阱被置於蓋帽中，從而提供電連到蓋帽的外部用於連接外部電路。基底可以是壓電基板且各傳感元件可包含一個叉指換能器，從而基底和叉指換能器界定一個表面聲波傳感器。用於感應扭矩的表面聲波傳感器封裝件包含傳感器封裝件和引線，引線接合導電通孔以將傳感器封裝件附於天線。
文檔編號G01K11/00GK101421591SQ200780013042
公開日2009年4月29日 申請日期2007年2月9日 優先權日2006年2月13日
發明者L·J·博納特, R·J·哈斯肯, S·J·梅吉 申請人:霍尼韋爾國際公司