半導體傳感器器件的封裝及其方法
2023-07-24 07:13:56 1
半導體傳感器器件的封裝及其方法
【專利摘要】本發明涉及半導體傳感器器件的封裝及其方法。一種壓力傳感器（100），包括具有腔（200）的第一外殼（102）。所述壓力傳感器還包括附接於所述腔的底部的壓力感測器件（106）。所述壓力傳感器還包括位於所述壓力感測器件之上的凝膠層（208）。所述壓力傳感器還包括與所述凝膠接觸以減少所述凝膠的移動的障體（110、302、502、702、1002）。
【專利說明】半導體傳感器器件的封裝及其方法
【技術領域】
[0001]本公開通常涉及半導體器件，更具體地說，涉及半導體傳感器器件的封裝。
【背景技術】
[0002]在封裝過程中，使用凝膠材料，特別是矽凝膠以用於微機電系統(MEMS)、傳感器以及致動器的封裝。凝膠常常必須具有非常低的模量以使MEMS、傳感器或致動器元件上的熱機械應力最小化。終端產品的應用環境可能需要抗機械應力。例如，胎壓偵測系統(TPMS)受高的旋轉速率和旋轉帶來的應力的影響。離心應力會導致期望用於低熱機械應力的非常軟的凝膠移動，或使其從施加的原始區域流出並且固化，這就有可能降低TPMS的可靠性。因此，使用具有比從最小化熱機械應力的角度來看所期望的模量高的模量的凝膠，以在離心測試期間或應用環境中抵制移動或流動。較高模量的凝膠可以給封裝中的導線接合帶來應力，這會導致在溫度周期測試和操作環境中的導線斷裂。此外，增加的模量會影響凝膠與其相接觸的MEMS、傳感器或致動器元件的性能。因此，當選擇用於具有導線接合的包封的器件中的凝膠的時候，要考慮兩個衝突的標準。
【發明內容】
[0003]根據本公開一個方面，提供了一種壓力傳感器(100)，包括:具有腔(200)的第一外殼(102);附接於所述腔的底部的壓力感測器件(106);位於所述壓力感測器件之上的凝膠層(208);以及與所述凝膠接觸以減少所述凝膠的移動的障體(110、302、502、702、1002)。
[0004]根據本公開另一方面，提供了一種壓力傳感器(100)，包括:具有腔(9200)的第一外殼；附接於所述腔的底部的壓力感測器件(106);位於所述壓力感測器件之上並位於所述腔內的低模量凝膠層(208);以及緩和裝置，用於緩和在所述壓力傳感器的加速期間所述凝膠的移動。
[0005]根據本公開再一方面，提供了一種方法，包括:在腔(200)內形成壓力感測器件
(106);在所述壓力感測器件之上形成凝膠層(208)，以及使所述凝膠與障體接觸，所述障體包括下列中的一個:位於所述凝膠的頂面上的結構(110、302、502)以及延伸在所述凝膠的頂面下方的結構(702、1002)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006]本公開的實施例通過舉例的方式說明，並且其不受附圖限制，在附圖中相同的參考符號表示類似的元素。附圖中的元素出於簡單清晰的目的示出，而不必按比例繪製。
[0007]圖1是根據本公開的傳感器器件的一個實施例的俯視圖。
[0008]圖2是圖1的傳感器器件的截面圖。
[0009]圖3是根據本公開的傳感器器件的另一個實施例的俯視圖。
[0010]圖4是圖3的傳感器器件的截面圖。
[0011]圖5是根據本公開的傳感器器件的另一個實施例的俯視圖。[0012]圖6是圖5的傳感器器件的截面圖。
[0013]圖7是根據本公開的傳感器器件的另一個實施例的俯視圖。
[0014]圖8是圖7的傳感器器件的截面圖。
[0015]圖9是根據本公開的傳感器器件的另一個實施例的截面圖。
[0016]圖10是根據本公開的傳感器器件的另一個實施例的俯視圖。
[0017]圖11是圖10的傳感器器件的截面圖。
【具體實施方式】
[0018]公開了器件和方法的若干實施例，其包括在MEMS、傳感器或致動器產品的組件的包封階段期間以低模量凝膠的結構特徵。在包括了組件之間的導線接合的腔中使用非常低模量的凝膠，允許導線在應力測試期間或在操作環境中基本上以很小的對阻力或對導線的應力穿過凝膠。該(一個或多個)結構特徵減少了凝膠的移動，並且可以採取以下形式:極細的網格織物、隨機矩陣纖維墊、預製膜、柱、障體和/或其它結構。該結構特徵可以被集成到在器件的外殼中的蓋或腔中，或者，在該腔被用低模量凝膠包封劑部分填充之前或之後被放置在外殼腔中。
[0019]圖1是根據本公開的傳感器器件100的一個實施例的俯視圖。傳感器器件100包括四方扁平無引線(QFN)封裝外殼102、控制器104、壓力感測器件106、運動傳感器108以及織物110。圖2是示出了圖1的傳感器器件100的進一步細節的截面圖，包括具有氣孔204的蓋202、包括氣隙206和用於凝膠208的區域的腔200、金屬基底210、具有圍繞金屬基底210的腿218的模製基底212、以及在外殼102的下外緣處的導電引線220、221。
[0020]壓力感測器件106和控制器106通過相應的晶片附接材料216、214附接於模製基底212。在外殼102的腔200的側邊緣的頂部處形成第一和第二臺階222、224。氣隙206將蓋202與織物110和凝膠208分離開。蓋202通過蓋附接材料226附接到臺階222的頂面。導線接合228形成於控制器104和壓力感測器件106之間。注意，蓋202未在圖1的俯視圖中示出，但是在圖1的俯視圖中示出了織物110。織物110的大小可以被確定為基本上覆蓋凝膠208頂部處的腔200的頂面，其中凝膠208浸潤並接合到織物110。
[0021]氣孔204和氣隙206允許壓力感測器件106感測外殼102外的壓力變化。織物110在固化凝膠之前被放置在凝膠208的頂部上以助於減少凝膠208的移動，同時仍然允許壓力感測器件106感測壓力變化，這是由於織物110是足夠柔性的以至於基本上不緩和壓力感測元件106上的壓力以及壓力變化的影響。減少凝膠208的移動不但有助於防止導線接合228免受氣隙206中的腐蝕環境的影響，而且也可以有助於防止來自壓力感測元件106的錯誤讀取。由於凝膠208可以具有低的模量，因此織物110也可以有助於防止凝膠208移動到氣隙206中、堵塞氣孔204、以及通過氣孔204逸出。
[0022]織物110可以由玻璃纖維、金屬、塑料(例如，聚丙烯、尼龍、其它形式的熱固性和熱塑性聚合物)、或其它合適的材料的編織絲製成，其允許織物110至少部分浸沒在凝膠208表面。材料，包括織物、織物的表面化學性質、以及網孔大小，將影響織物110上凝膠的浸潤。選擇這些特性以允許凝膠徹底浸潤織物110的至少一面，但是不允許織物110深深地沉入到凝膠中。如果織物110確實深深沉入到凝膠中，則織物110可能接觸導線接合或器件表面，並且織物在機械應力時段期間限制凝膠的移動的能力將被降低，特別是對於在凝膠固化之後位於織物110上方的凝膠。可以通過減小織物110中絲之間的開口的尺寸，也可以通過減小絲的直徑，或改變絲的表面化學以減小表面能來降低凝膠的浸潤，來增加織物浮力。可以使用有助於防止或阻止凝膠208的移動但仍允許以所需的靈敏度水平感測壓力變化的織物110的任何配置。
[0023]替代地，織物110可以是浮在凝膠208的表面上的預製固體膜。這樣膜可以由塑料材料製成，該塑料材料足夠柔性以允許壓力以所需的靈敏度水平上轉化，但又足夠剛性以阻止凝膠的移動。
[0024]圖3是根據本公開的傳感器器件300的另一個實施例的俯視圖。圖4是圖3的傳感器器件300的截面圖，其示出了氣隙206和凝膠208之間的非編織織物302。非編織織物302包括一個或多個材料束(strand),其通過化學、機械、熱或溶劑處理接合在一起以形成多孔材料。注意，在圖3的俯視圖中未示出蓋204，但是在圖3的俯視圖中示出了織物302。
[0025]織物302的材料可以由玻璃纖維、金屬、塑料(例如，聚丙烯、尼龍、其它形式的熱固性和熱塑性聚合物)、或其它合適的材料製成，其允許織物302至少部分浸沒在凝膠208表面。適合用作織物302的材料的一個例子可以在位於Cantonment, Florida的Cerex
Advanced Fabrics, Inc.製造的商標名為CEREX?:織物下商業獲得。也可以使用其它
合適的材料。材料，包括織物、織物的表面化學性質、以及織物302中的開口的尺寸，將影響凝膠在織物302上的浸潤。選擇這些特性以允許凝膠徹底浸潤織物的至少一面，但是不允許織物302深深地沉入到凝膠中。如果織物302確實深入到凝膠中，則織物302可能接觸導線接合或器件表面，並且織物302在機械應力階段期間限制凝膠的移動的能力將被降低，特別是對於在凝膠固化之後位於織物302上方的凝膠。可以通過減小織物302中絲之間的開口的尺寸，並且也可以通過減小絲的直徑，或改變絲的表面化學性質來減小表面能以降低凝膠的浸潤，來增加織物302的浮力。可以使用有助於防止或阻止凝膠208的移動的織物302的任何配置。織物302的大小可以被確定為基本上覆蓋凝膠208頂部處的腔200的頂面。
[0026]圖5是根據本公開的傳感器器件500的另一個實施例的俯視圖。圖6是圖5的傳感器器件的截面圖，其示出了氣隙206和凝膠208之間的表面層502。表面層502包括短切纖維和/或微粒(這兩者都是微料的多種形式)，其懸浮在凝膠中，形成具有比凝膠層208的模量高的模量表面層502。表面層502被配置以保留在凝膠208頂部或凝膠208頂部附近。注意，在圖5的俯視圖中未示出蓋204，但是在圖5的俯視圖中示出了表面層502。
[0027]用於表面層502的纖維和/或微粒材料可以由玻璃纖維、金屬、塑料(例如，聚丙烯、尼龍、其它形式的熱固性和熱塑性聚合物)、矽石(silica)微粒或其它合適的材料製成，其在被以合適的加載水平設置在凝膠208的表面層502中時，允許表面層502具有能夠在機械應力的時段期間阻止凝膠的移動的模量以及厚度。也可以使用其它合適的材料。可以使用有助於防止或阻止凝膠208的移動的任何表面層502的配置。表面層502的大小可以被確定為基本上覆蓋凝膠208頂部處的腔200的頂面。
[0028]圖7是根據本公開的傳感器器件700的另一個實施例的俯視圖。圖8是圖7的傳感器器件700的截面圖。傳感器器件700包括用於外殼102的蓋704，其具有柱(也被稱為障體)702的陣列，所述柱縱長地延伸到外殼102的腔208中。柱702足夠長以至少部分沒入凝膠208中，並且可以根據外殼102中組件的高度而具有變化的長度。例如，如果控制器104的高度大於傳感器器件106的高度，則控制器104之上的柱702的長度可以小於壓力感測器器件106之上的柱702的長度。可以使用任何合適數量的柱702，並且可以通過使用例如鑄造、注模成型或機械加工的製作工藝將其與蓋704集成在一起。蓋704和柱702可以由金屬、工程塑料(例如，熱塑性聚合物)、液晶聚合物、環氧樹脂、或其它合適的材料製成。柱702可以具有圓形、方形、矩形或任何其它合適形狀和尺寸，這些形狀和尺寸使得柱702能夠作為障體以助於防止或阻止凝膠208的移動。注意，在圖7的俯視圖中未示出蓋704，但是圖8確實示出了二維的柱702的布置的例子。
[0029]圖9是根據本公開的傳感器器件900的另一個實施例的截面圖,其中用於外殼102的蓋部分904、906包括與圖7中示出的柱702相似的柱902。蓋部分904、906具有不同的截面厚度908、910，所述厚度取決於組件的高度，例如相應的柱902下方的壓力感測器件106和控制器104的高度。在所示出的例子中，壓力感測器件106之上的蓋部分904的厚度910小於控制器104之上的蓋部分906的厚度908。由於壓力的變化施加在凝膠208的表面上，具有厚度910的蓋部分904允許蓋部分904和凝膠208的頂面之間的氣隙206的空間，以允許壓力感測器件106感測氣壓變化，這是由於壓力的變化施加在凝膠208的表面上。蓋的部分904下的柱902的長度可以改變。柱902部分沒入蓋部分904下的凝膠208中，以助於防止或阻止凝膠208的移動。蓋部分906的厚度908被選擇為使得蓋部分906的下部沒入凝膠208中或至少接觸凝膠208的表面，以助於減少腔200中所需的凝膠208的量，以及助於阻止或防止凝膠208的移動。蓋部分906也可以包括柱902，其作為障體，以進一步助於防止凝膠208的移動。注意，用於外殼102的蓋可以具有具有不同的截面厚度的兩個以上的部分。例如，位於運動傳感器108 (圖1)之上的蓋的部分(未不出)可以與蓋部分904的厚度910或蓋部分906的厚度908相同或不同。
[0030]圖10是根據本公開的傳感器器件1000的另一個實施例的俯視圖。圖11是圖10的傳感器1000的截面圖。傳感器1000包括用於外殼102的蓋1006,其具有同心的弧形障體1002，該障體形成一系列的縱長地延伸到外殼102的腔208中的壁。障壁中的間隙1004可以被放置在障體1002之間，並且相對於在內部與外部障壁中的間隙可以交錯放置，以允許空氣通過障體1002之間的間隙在障壁之間流動，但是仍然阻止了凝膠208的移動，防止凝膠208移位到其中凝膠208不覆蓋壓力感測器器件106頂部、導線接合228以及意圖被凝膠包封的其它組件表面的程度。障體1002足夠長以至於至少部分沒入凝膠208中，並且可以根據外殼中組件和互連元件的高度，例如導線接合228的高度，而具有變化的長度。蓋1006可以在固化凝膠208之前通過粘結劑226接合到外殼102，或者，由於凝膠208可以具有低的模量，因此蓋1006可以在固化凝膠之後接合。可以使用任何合適數量的障體1002，並且可以通過使用例如注模成型或鑄造的製作工藝，將其與蓋1006集成在一起。蓋1006和障體1002可以由金屬、工程塑料(例如，熱塑性聚合物)、液晶聚合物、環氧樹脂、其它形式的熱固性聚合物或其它合適的材料製成。注意，在圖10的俯視圖中未示出蓋1006，但是圖10確實示出了二維的障體1002的布局的例子。應理解，障體1002也可以以不按弧形布置的模式排列，例如線性或矩形陣列，並且障體陣列的弧形的、線性的、矩形的和其它形式可以被組合以形成各種不同的障體配置。
[0031]至此應理解，在一些實施例中，壓力傳感器包括具有腔的第一外殼、附接於所述腔的底部的壓力感測器件、位於所述壓力感測器件之上的凝膠層、以及與所述凝膠相接觸以減少所述凝膠的移動的障體。
[0032]在另一方面中，所述障體包括在所述凝膠層的頂面上的織物。
[0033]在另一方面中，所述織物包括柔性編織材料。
[0034]在另一方面中，所述織物包括柔性非編織材料。
[0035]在另一方面中，所述障體包括在所述凝膠層上的高模量表面層。
[0036]在另一方面中，所述高模量表面層包括凝膠和微粒，其導致所述高模量表面層具有比所述凝膠層高的模量。
[0037]在另一方面中，所述障體包括位於所述腔之上的蓋，所述蓋間隔開在所述凝膠層上方，所述蓋具有開口，並且所述障體還包括從所述蓋延伸到所述凝膠中的柱。
[0038]在另一方面中，所述障體包括蓋。所述蓋位於所述腔的之上，並且具有延伸到所述凝膠層的頂面的至少一部分的部分，並且所述蓋具有開口。
[0039]在另一方面中，所述蓋的所述部分具有進一步延伸到所述凝膠中的柱。
[0040]在另一方面中，所述障體包括具有開口的蓋和多個障壁。每個障壁都圍繞所述開口。每個障壁都從所述蓋處延伸，並且對於每個障壁，都存在使空氣從所述壁的與所述開口相反的一側移至所述開口的通路。
[0041]在其他實施例中，壓力傳感器包括具有腔的第一外殼、附接於所述腔的底部的壓力感測器件、位於所述壓力感測器件之上並且位於所述腔中的低模量凝膠層、以及用於緩和所述凝膠移動的緩和裝置。
[0042]在另一方面中，所述壓力傳感器包括具有開口的蓋。所述緩和裝置包括下列之一:位於所述凝膠的頂面上的織物，以及位於所述凝膠的所述頂面上的緩和層，所述緩和層包括凝膠和微料以使得所述緩和層具有比低模量凝膠層高的模量。
[0043]在另一方面中，所述緩和裝置包括具有開口的蓋。所述蓋位於所述腔之上，並且與所述凝膠層的頂面間隔開。所述緩和裝置具有從所述蓋到所述凝膠層的延伸裝置以用於接觸所述凝膠層。
[0044]在另一方面中，所述延伸裝置具有接觸所述凝膠層的所述頂面的至少一部分的表面。
[0045]在另一方面中，所述延伸裝置有從所述蓋延伸以延伸到所述凝膠層中的多個柱。
[0046]在另一方面中，所述延伸裝置有多個障壁。每個所述障壁都圍繞所述開口，並且被配置為允許空氣通過所述開口和所述障壁的與所述開口相反的一側的流通。
[0047]在其它實施例中，一種方法包括在腔中形成壓力感測器件，在所述壓力感測器件之上形成凝膠層，以及使所述凝膠與障體接觸，所述障體包括下列之一:位於所述凝膠的頂面上的結構，以及延伸在所述凝膠頂面下方的結構。
[0048]在另一方面中，所述使所述凝膠接觸的步驟包括:形成具有開口的蓋並且從所述蓋處延伸所述結構。
[0049]在另一方面中，所述方法還包括:在所述腔之上形成蓋，其中所述開口位於所述壓力感測器件之上。
[0050]在另一方面中，所述接觸步驟包括:在所述凝膠的頂面上形成下列之一:織物，以及緩和層，所述緩和層包括凝膠和微粒以使得所述緩和層具有比低模量凝膠層高的模量。
[0051]此外，在說明書和權利要求中的術語「前」、「後」、「頂」、「底」、「之上」、「下面」等等，如果有的話，是用於描述性的目的，並且並不必然用於描述永久性的相對位置。應理解，如此使用的術語在適當的情況下是可以互換的，從而這裡所描述的實施例例如能夠在這裡所示出或以其它方式描述的其它取向操作。
[0052]雖然在此參照具體實施例描述了本公開，但是可以進行各種修改以及改變而在不脫離如以下權利要求所述的本公開的範圍。因此，說明書以及附圖被認為是說明性而不是限制性的，並且意圖將所有這些修改包含在本公開的範圍內。在此就具體實施例所描述的任何益處、優點或問題的解決方案不應被解釋為任何或所有權利要求的關鍵的、必需的、或本質性的特徵或元素。
[0053]此外，這裡所用的一(「a」或「an」)被定義為一個或多個。另外，在權利要求中諸如「至少一個」以及「一個或多個」的引語的使用不應被理解為暗示了通過一(不定冠詞「a」或「an」)引入的其它權利要求元素將任何包含這種引入的權利要求元素的任何特定權利要求限定到僅僅包括一個這樣的權利要求元素的公開，即使當同一權利要求包括介紹性短語「一個或多個」或「至少一個」以及一(不定冠詞，例如「a」或「an」)時也是如此。對於定冠詞(所述)的使用也是如此。
[0054]除非另有說明，諸如「第一」以及「第二」的術語被用於任意區分這些術語所描述的元素。因此，這些術語並不必然表示這些元素在時間上的或其它的優先次序。
【權利要求】
1.一種壓力傳感器(100)，包括: 具有腔(200)的第一外殼(102)； 附接於所述腔的底部的壓力感測器件(106)； 位於所述壓力感測器件之上的凝膠層(208);以及 與所述凝膠接觸以減少所述凝膠的移動的障體(110、302、502、702、1002 )。
2.根據權利要求1所述的壓力傳感器，其中所述障體包括在所述凝膠層的頂面上的織物(110)。
3.根據權利要求2所述的壓力傳感器，其中所述織物包括柔性編織材料(100)。
4.根據權利要求2所述的壓力傳感器，其中所述織物包括柔性非編織材料(302)。
5.根據權利要求1所述的壓力傳感器，其中所述障體包括在所述凝膠層上的高模量表面層(502)。
6.根據權利要求5所述的壓力傳感器，其中所述高模量表面層包括凝膠和微料，所述微料使得所述高模量表面層具有比所述凝膠層高的模量。
7.根據權利要求1所述的壓力傳感器，其中: 所述障體包括位於所述腔之上的蓋(904)； 所述蓋在所述凝膠層上方間隔開； 所述蓋具有開口(204);並且 所述障體還包括從所述蓋延伸到所述凝膠中的柱。
8.根據權利要求1所述的壓力傳感器，所述障體包括蓋，其中: 所述蓋位於所述腔的之上； 所述蓋具有延伸到至少所述凝膠層的頂面的多數部分的部分；並且 所述蓋具有開口。
9.根據權利要求8所述的壓力傳感器，其中所述蓋的所述部分具有進一步延伸到所述凝膠中的柱。
10.根據權利要求1所述的壓力傳感器，其中所述障體包括具有開口的蓋，其中: 所述障體還包括多個圍繞的障壁； 每個圍繞的障壁(1002)都圍繞所述開口 ； 每個圍繞的障壁都從所述蓋延伸；並且 對於每個圍繞的障壁，都存在用於空氣從所述壁的與所述開口相反的一側到所述開口的通路。
11.一種壓力傳感器(100),包括: 具有腔(9200)的第一外殼； 附接於所述腔的底部的壓力感測器件(106)； 位於所述壓力感測器件之上並位於所述腔內的低模量凝膠層(208)；以及 緩和裝置，用於緩和在所述壓力傳感器的加速期間所述凝膠的移動。
12.根據權利要求11所述的壓力傳感器，還包括具有開口的蓋，其中所述緩和裝置包括下列中的一種: 位於所述凝膠的頂面上的織物，以及位於所述凝膠的所述頂面上的緩和層，其包括凝膠和微料以使得所述緩和層具有比低模量所述凝膠層高的模量。
13.根據權利要求11所述的壓力傳感器，其中: 所述緩和裝置包括具有開口的蓋(904): 所述蓋位於所述腔之上； 所述蓋與所述凝膠層的頂面間隔開；並且 所述緩和裝置(110、302、502、702 )具有從所述蓋到所述凝膠層的延伸裝置以用於接觸所述凝膠層。
14.根據權利要求13所述的壓力傳感器，其中所述延伸裝置具有與所述凝膠層的所述頂面的多數部分接觸的表面。
15.根據權利要求13所述的壓力傳感器，其中所述延伸裝置具有從所述蓋延伸到所述凝膠層中的多個柱(702)。
16.根據權利要求13所述的壓力傳感器，其中: 所述延伸裝置具有多個圍繞的障壁； 每個所述圍繞的障壁(1002)都圍繞所述開口 ； 每個所述圍繞的障壁都被配置以允 許在所述開口和所述圍繞的障壁的與所述開口相反的一側之間的空氣流通。
17.一種方法，包括: 在腔(200)內形成壓力感測器件(106)； 在所述壓力感測器件之上形成凝膠層(208)，以及 使所述凝膠與障體接觸，所述障體包括下列中的一個:位於所述凝膠的頂面上的結構(110、302、502 )以及延伸在所述凝膠的頂面下方的結構(702、1002 )。
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述使所述凝膠接觸的步驟包括:形成具有開口(204)的蓋(904)並且使所述結構從所述蓋延伸。
19.根據權利要求17所述的方法，還包括:在所述腔之上形成蓋，其中所述開口位於所述壓力感測器件之上。
20.根據權利要求19所述的方法，其中所述接觸步驟包括:在所述凝膠的頂面上形成下列中的一個:織物，以及緩和層，所述緩和層(502)包括凝膠和微料以使得所述緩和層具有比低模量所述凝膠層高的模量。
【文檔編號】B81C1/00GK103776580SQ201310488957
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年10月18日 優先權日:2012年10月22日
【發明者】L·M·希金斯三世 申請人:飛思卡爾半導體公司