CN107527874B - 腔式压力传感器器件 - Google Patents

Abstract

一种腔式压力传感器器件，其使用具有被引线指围绕的旗标的引线框来组装。压力传感器管芯安装到旗标上并且电连接到引线。在包封之前，预形成的凝胶材料块被放置在管芯上的传感器区之上。执行包封并且模塑复合物覆盖压力传感器管芯和接合线。可以移除覆盖凝胶块的模塑复合物。此外，可以在凝胶块的上部周围形成沟槽，以使得凝胶块的横向侧壁至少部分地暴露。

Description

腔式压力传感器器件

技术领域

本申请一般地涉及半导体传感器器件，并且更具体地，涉及腔式压力传感器器件及其组装方法。

背景技术

诸如压力传感器的半导体传感器器件是众所周知的。这样的器件使用半导体压力传感器管芯。这些管芯易受封装期间的机械损伤和使用中的环境损伤的影响，并且因此，它们必须被小心地封装。进一步地，压力传感器管芯(诸如压阻换能器(PRT)和参数化布局单元(P单元))不允许全包封，因为那样会阻碍它们的功能。

典型的腔式压力传感器件是通过将压力传感管芯放置在引线框上的预模塑的外壳中来组装。用接合线将管芯电连接到器件引线(和/或其它器件)。通过外壳在管芯之上形成腔，并且用有机硅凝胶填充腔来保护管芯。然而，可能在塑料模塑材料与引线框之间的界面处存在微间隙。进一步地，当传感器器件暴露于高压和减压时，可能会在凝胶内形成空气泡，其可能与接合线互连以及管芯的MEMS结构相互作用，引起器件读取错误。

由于预模塑封装腔的尺寸通常较大，并且用于填充腔的凝胶较贵，能够减少用于填充腔的凝胶材料的体积将会是有利的。减少气泡形成的机会也将是有利的。

附图说明

本公开的实施例通过示例来进行例示，并且不被附图所限制，其中相似的参考标记指示相似的元件。图中的元件被简单地且清晰地例示，并且没必要按比例绘制。例如，为了清晰，层和区的厚度可能被夸大。

图1A-1C是根据本发明的压力传感器件的各种优选实施例的截面侧视图；

图2是根据本发明的实施例组装压力传感器器件的方法的流程图；以及

图3A-3E是例示根据本发明的实施例组装压力传感器器件的方法的步骤的截面侧视图。

具体实施方式

在此公开了本公开的详细的例示性实施例。然而，在此公开的具体结构性和功能性的细节仅仅是代表性的，为了描述本公开的示例实施例的目的。本公开的实施例可以以多种可替换的形式来体现，并且不应该被理解为仅限于本文所述的实施例。进一步地，在此使用的术语目的仅是描述特定实施例，并且不意在限制本公开的示例实施例。

如此处使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”意在也包括复数形式，除非上下文明确另有指示。进一步将理解的是，术语“包括”、“包括有”、“包含”、“包含有”和/或“具有”、“有”指定所述特征、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、步骤或组件的存在或添加。还应该注意的是，在一些可替换的实施方式中，可以以与图中记载的不同的顺序发生提到的功能/动作。例如，取决于涉及到的功能/动作，连续示出的两个图可以实际大体同时执行，或者有时可以以相反的顺序执行。

在一个实施例中，本发明提供了一种半导体传感器器件，该器件包括具有多个引线和被引线围绕的至少第一管芯旗标(flag)的引线框，以及附接到该旗标的压力传感器管芯。第一接合线将压力传感器管芯和引线框引线中的第一引线电连接。预模塑的凝胶材料块设置在压力传感器管芯的有源区(active region)上并将其覆盖。模塑复合物包封压力传感器管芯、第一接合线以及凝胶块的至少一部分。在一个实施例中，凝胶块的上表面与模塑复合物的顶面齐平，并且凝胶块的上表面暴露于传感器器件之外的环境大气压力。在另一个实施例中，凝胶块的上表面位于模塑复合物的顶面之下。在又另一个实施例中，在凝胶块周围形成沟槽，以使得凝胶块的横向侧壁至少部分地暴露。

本发明还提供了用于组装半导体传感器器件的方法，该方法包括以下步骤：将压力传感器管芯附接到引线框的旗标，以及用第一接合线将压力传感器管芯电连接到引线框的第一引线。预模塑的凝胶材料块放置在压力传感器管芯的有源区之上，并且然后，用模塑复合物覆盖压力传感器管芯、第一接合线和凝胶块的至少一部分。在一个实施例中，凝胶块的上表面与模塑复合物的顶面齐平且被暴露。在另一个实施例中，凝胶块的上表面位于模塑复合物的顶面之下。在又另一个实施例中，在凝胶块周围形成沟槽，以使得凝胶块的横向侧壁至少部分地暴露。

本发明允许在不必使用预模塑的引线框的情形下形成压力传感器器件。在模塑过程期间，不需要模具销用于在压力传感器管芯之上形成腔。进一步地，仅需要预定(并且受限)量的凝胶材料来组装器件。

现在参照图1A，示出了根据本发明的实施例的半导体压力传感器器件10的截面侧视图。半导体传感器器件10包括具有多个引线12和被引线12围绕的至少第一管芯旗标14的引线框。引线框是用在半导体器件组装中众所周知的类型并且通常由冲压的铜片或铜箔形成。引线框或其部分可以是裸铜或者诸如镀锡来防止腐蚀。旗标14可以在平行但低于引线12的平面的平面中(即，下设旗标)，但这不是本发明的要求。因此，也可以使用旗标和引线共面的引线框。器件10可以是四方扁平无引线(QFN)类型器件，其中引线12与器件的横向侧面齐平，或者四方扁平封装(QFP)，其中引线12从横向侧面突出(如示)。然而，也可以是其它设计，例如其中引线12朝下弯曲，从而它们在器件10的底侧上具有暴露的表面。

用管芯附接材料(诸如粘合剂或粘合带，两者都在本领域已知)将压力传感器管芯16附接到旗标14，并且管芯16被附接为其有源表面背离旗标14。压力传感器管芯(亦称P单元)16被设计来感测环境大气压力。第一接合线18将压力传感器管芯16与引线框引线12的第一引线电连接。正如本领域众所周知的，接合线18由诸如铝、金、或铜的导电性材料形成，并且可以有涂层或无涂层，并且使用商用的引线接合设备附接。

立方状预模塑或者预形成的凝胶材料块20设置在压力传感器管芯16的有源区上并将其覆盖。凝胶块包括低模量材料，诸如二甲基有机硅橡胶、甲基乙烯基有机硅橡胶以及甲基苯基有机硅橡胶。凝胶块20的区域小于压力传感器管芯16的区域。预模塑的凝胶材料块20是经常用在半导体封装工业中的典型低模量材料的类型。与管芯16的表面接触的放置的凝胶材料块20的下表面是平坦的或者跟随管芯16的表面形貌。凝胶材料块20尺寸设计为比管芯16的敏感区域(例如，压力传感器的膜片)稍大。凝胶材料块20的其它侧面通常是平坦的，但是可以是更便于经历预模塑过程并提供更好的可靠性性能的任意形状。

如图3A中例示的，凝胶材料块20是可以用于形成凝胶块20的一种形状。形成凝胶块20的过程是典型的模塑过程，其中将所需量的凝胶材料喷射到具有所需形状的模塑工具中，接着是一致或者独立的固化过程。凝胶块20的厚度可以范围从大约0.1mm到大约5mm，这提供了充足的机械损伤保护(即，保护管芯)和对压力改变的敏感度。在凝胶块20固化后，使用典型的管芯接合过程将凝胶块20接合到管芯16的表面。可以向凝胶块20的底面或管芯16的表面施加粘合剂层。粘合剂可以包括通常用在半导体封装中的粘合剂材料。压敏凝胶材料20使得环境大气压力能够到达压力传感器管芯16的有源区，同时保护管芯16免受组装期间的机械损伤和使用中的环境损伤(例如，污染和/或腐蚀)。

如图所示，模塑复合物22将压力传感器管芯16、第一接合线18以及凝胶块20的至少一部分进行包封。在图1A所示的实施例中，在凝胶材料块20周围形成沟槽24。沟槽24从模塑复合物22的顶面朝向压力传感器管芯16的有源区延伸，以使得凝胶块20的下部与模塑复合物22毗邻而凝胶块20的上部与模塑复合物22隔开，至少部分地暴露凝胶块20的横向侧面。在此实施例中，凝胶块20的上表面位于模塑复合物22的上表面之下，并且模塑复合物22的层覆盖凝胶块20的顶面，其中模塑复合物22的顶或外暴露表面位于这样平面中，即，凝胶块20上方的模塑复合物与器件10的其余顶面之上的模塑复合物共面。

图1B示出了器件40的可替换的实施例，其中凝胶块20的上表面与模塑复合物22的顶面齐平，并且凝胶块20的上表面暴露于传感器器件10之外的环境大气压力。即，在凝胶块20的顶面之上没有模塑复合物层。

图1C示出了器件50的另一个可替换的实施例，其中凝胶块20的上表面与沟槽24的下表面齐平。

传感器器件10、40、50可以进一步包括至少一个附加的半导体集成电路管芯，该至少一个附加的半导体集成电路管芯附接到旗标并且由接合线电连接到引线并由接合线电连接到压力传感器管芯，其中附加的半导体管芯和接合线被模塑复合物22所覆盖。例如，如图1A、1B和1C所示，器件10、40、50可以包括附接到旗标14、与压力传感器管芯16相邻的控制管芯26，以及诸如加速度计的另一个传感器管芯28可以附接到控制管芯26的上表面。传统的，电绝缘管芯附接粘合剂可以用来将控制管芯26附接到旗标14并将另一传感器管芯28附接到控制管芯26。本领域技术人员将会理解，例如管芯附接带的合适的可替换的装置可以用来附接这些管芯中的一些或所有。取决于特定实施方式，加速度传感器管芯(亦称G单元)28设计来在一个、两个或所有三个轴上感测重力或加速度。通过例如控制两个传感器管芯16和28的操作和处理由两个传感器管芯16和28生成的信号，控制管芯26用作用于P单元16和G单元28的主控制单元(MCU)。压力传感器管芯16、控制管芯26以及加速度传感器管芯28是半导体传感器器件的众所周知的组件，并因此它们的细节描述对于本公开的完整理解不是必要的。还应该注意的是，在可替换的设计中，可以用合适的倒装芯片、焊料凸点(solder-bump)技术取代导线接合或作为添加来将G单元28电连接到控制管芯26。

用第二接合线30将控制管芯26和附加的传感器管芯28电连接到引线12，并且可以用第三接合线32将控制管芯26连接到压力传感器管芯16。用模塑复合物22覆盖控制管芯26、附加的传感器管芯28、第二接合线30以及第三接合线32。

现在参照图2和图3A-3E，示出了根据本发明的实施例组装压力传感器器件的方法的流程图60(图2)以及正被组装的器件的例示(图3A-3E)。在第一步骤62(图2)中，形成了凝胶材料块20(图3A)。凝胶材料块20由诸如硅基凝胶的压敏凝胶材料形成。合适的压敏凝胶材料的示例可从密歇根的Dow Corning Corporation of Midland获得。通过以下方式形成凝胶材料块20：用传统的点胶机的管嘴将凝胶材料分配入模具，并且之后使用炉(加热)和/或紫外照射使凝胶材料固化。例如，取决于正形成的凝胶块的尺寸，可以在150到175℃持续120到240分钟来使凝胶材料固化。在一个实施例中，合适的凝胶块是立方状且具有1.5x1.5x1mm的大小。

在步骤62，如图3B中所示，压力传感器管芯16和控制管芯26被附接到引线框的旗标14(管芯附接)并且依情况而定使用接合线30和32以及商用的引线接合设备电连接到引线框的引线12且它们彼此电连接。诸如G单元28的附加的传感器管芯可以附接到控制管芯26的顶面，并且用接合线30电连接到引线12。将管芯附接到引线框旗标和使用接合线将管芯电连接到引线(以及彼此)的步骤在本领域是已知的。

在步骤64，如图3C所示，预形成的凝胶块20放置在压力传感器管芯16的有源表面之上，并且如前讨论，可以使用管芯附接粘合剂将其附接到管芯16的表面。

在步骤68，来自步骤64的组装经历模塑过程，其中模塑复合物22在管芯16、26和28，接合线30和32，凝胶块20，引线框旗标14以及引线12的部分(或全部)之上形成，如图3D中例示的。如本领域已知的，模塑复合物22可以是塑料、环氧树脂、二氧化硅填充的树脂、陶瓷、无卤材料等或它们的组合，只要它能够提供管芯和引线接合的机械保护而不干扰压力传感器的操作。在此实施例中，凝胶块20的顶部也被模塑复合物22覆盖。

在步骤70，如图3E所示，诸如通过干法或湿法刻蚀或背面磨削移除模塑复合物22的层来使凝胶块20的顶面暴露，以释放凝胶块20上的模塑应力。在其它实施例中，诸如沟槽24(图1A-1C)的沟槽在模塑复合物22中、在凝胶块20的上部周围形成。如前讨论的，凝胶块20的顶部可以被模塑复合物22覆盖或者暴露于空气。凝胶块20的顶面也可以与封装顶面齐平或者位于传感器器件的顶面之下。

最后，在步骤72，执行传统的修饰和形成过程。虽然在图3C-3E中示出的组装的引线框(引线12和旗标14)的底面覆盖有模塑复合物22，但本领域技术人员将会理解，这些底面可以是暴露的。

传感器器件10、40、50可以比可比拟的传感器器件花费更少成本来制造，因为只需要预定量的凝胶材料并且因为不需要预模塑的引线框。该器件还不需要盖子。此外，在引线接合周期的单次通过中(或在单个引线接合过程步骤中)，压力传感器管芯16和控制管芯26可以电连接到引线12，并且G单元28可以电连接到控制管芯和/或引线12。

尽管未在图中描绘，事实上，使用具有二维阵列的引线框的引线框片来同时地形成多个传感器器件，并且然后对阵列中的所有引线框执行管芯接合和引线接合步骤。类似地，使用MAP(模塑阵列过程)也同时地用模塑复合物包封所有的器件。在模塑和暴露凝胶块之后，多个传感器器件例如在涉及锯或者激光的切割过程被分离，来形成传感器器件的独立实体。

如此处使用的，如在“第一管芯安装到引线框”中的术语“安装到”覆盖以下情况：其中第一管芯直接地安装到引线框而没有其它中间管芯(像在图3B中，压力传感器16安装到引线框那样)，以及第一管芯直接地安装到另一管芯，该另一管芯自身直接安装到引线框(像通过控制管芯26将G单元28安装到引线框那样)。注意“安装到”也覆盖在第一管芯和引线框之存在两个或者更多个中间管芯的情况。

尽管附图示出了传感器器件10、40、50具有G单元，但本领域技术人员将会理解，在可替换的实施例中，G单元28及其相应的接合线可以被省略。进一步地，尽管附图示出了其中使用接合线提供的电互连将G单元安装到控制管芯的实施例，但本领域技术人员将会理解，这种管芯之间的电互连可以可替换地或附加地由适当的倒装芯片组装技术来提供。根据这些技术，通过附接到半导体管芯中的一个的倒装芯片凸点使两个半导体管芯电互连。倒装芯片凸点可以包括焊接凸点、金球、模塑钉或者它们的组合。可以使用诸如蒸发、电镀、印刷、喷射、钉凸点和直接放置的已知技术在半导体管芯上形成或放置凸点。半导体管芯是倒装的，并且凸点与其它管芯的相应接触衬垫对齐。

到此应当理解，已经提供了封装的半导体传感器器件和形成封装的半导体传感器器件的方法。传感器可以用于各种应用，诸如轮胎压力监测系统(TPMS)。根据本发明，预形成的凝胶块放置在传感器管芯的传感器区域的上方，并且沟槽在凝胶块的上部周围形成。本发明使用比传统的器件更少的凝胶材料，并且因此提供低成本的解决方案。此外，本发明减少气泡形成的机会。

尽管在说明书和权利要求中使用诸如“前”、“后”、“顶”、“底”、“上”、“之上”、“下”等的相对词语来描述本发明，但这些词语用于描述性目的并且对于描述永久性的相对位置不是必需的。可以理解，这样使用的词语在适当的情境下是可互换的，以使得在此描述的公开的实施例例如能够在除本文例示或以其它方式描述的之外的其它取向中操作。

除非另有说明，词语例如“第一”和“第二”被用于任意地区分这些词语描述的元件。因此，这些词语不需要认为是指示这些元件的时间或其它优先。进一步地，在权利要求中使用引导性短语例如“至少一个”和“一个或多个”，不应当被解释为暗示通过不定冠词“一”或“一个”引导另一权利要求元件将包含如此引导的权利要求元件的任何具体权利要求限制为仅包括一个这样的元件的发明，甚至当同一权利要求包括引导性短语“一个或多个”或“至少一个”以及例如“一”或“一个”的不定冠词时也是如此。这对于定冠词的使用也是同样适用。

尽管在此引用具体实施例来描述本公开，但可以做出各种修改和改变而不脱离由以下权利要求阐述的本发明的范围。相应地，说明书和附图应认为是例示性的而不是限制的意义，并且所有这种修改意在包括在本发明的范围内。本文关于具体实施例描述的任何优势、优点或问题的解决方案并不意在解释为任何或所有权利要求的关键、必需或必要特征或元件。

应当理解，本文阐述的示例性方法的步骤不一定需要以描述的顺序执行，并且这种方法的步骤的顺序应当理解为仅是示例性的。同样地，可以在这种方法中包括附加的步骤，而在与本发明的各种实施例一致的方法中，可以省略或组合一些步骤。

尽管用相应的标号以特定序列在以下方法权利要求中记载了元件(如果有的话)，但是除非权利要求记载以其它方式暗示用于实现这些元件中的一些或所有的特定序列，否则这些元件不必旨在限于以该特定序列来实施。

本文中对“一个实施例”或“实施例”的引用意指与实施例有关的描述的特定特征、结构或特性可以包括在本发明的至少一个实施例中。说明书各处出现的短语“在一个实施例中”并不一定都引用同样的实施例，分立或可替换的实施例也不一定与其它实施例相互排除。这同样适用于词语“实施方式”。

Claims (13)

1.一种半导体传感器器件，包括：

引线框，具有多个引线和被所述引线围绕的至少第一管芯旗标；

附接到所述旗标的压力传感器管芯；

第一接合线，将所述压力传感器管芯与所述引线框引线的第一引线电连接；

预模塑的凝胶材料块，设置在所述压力传感器管芯的有源区上并将其覆盖，所述凝胶材料块的区域小于所述压力传感器管芯的区域，以及所述凝胶材料块的尺寸大于所述压力传感器管芯的敏感区域的尺寸；以及

模塑复合物，包封所述压力传感器管芯、所述第一接合线以及所述凝胶材料块的至少一部分，其中在所述凝胶材料块上部周围形成有沟槽，其中所述沟槽使所述凝胶块至少部分地暴露于所述传感器器件之外的环境大气压力。

2.根据权利要求1所述的传感器器件，其中所述沟槽从所述模塑复合物的顶面朝向所述压力传感器管芯的所述有源区延伸，以使所述凝胶材料块的下部与所述模塑复合物毗邻，而所述凝胶材料块的上部与所述模塑复合物隔开，以使所述凝胶材料块的横向侧壁至少部分地暴露。

3.根据权利要求1所述的传感器器件，其中所述凝胶材料块的上表面位于所述模塑复合物的所述上表面之下。

4.根据权利要求3所述的传感器器件，其中所述模塑复合物的层覆盖所述凝胶材料块的所述上表面，并且所述模塑复合物的所述层的顶面与所述模塑复合物的所述顶面位于一个平面。

5.根据权利要求1所述的传感器器件，其中所述凝胶材料块的上表面与所述沟槽的下表面齐平。

6.根据权利要求1所述的传感器器件，进一步包括至少一个附加的半导体集成电路管芯，所述半导体集成电路管芯附接到所述旗标并且由第二接合线电连接到所述引线以及由第三接合线电连接到所述压力传感器管芯，并且其中所述附加的半导体管芯、所述第二接合线和所述第三接合线被所述模塑复合物覆盖。

7.根据权利要求1所述的传感器器件，其中所述凝胶材料块包括低模量材料，所述低模量材料选自二甲基有机硅橡胶、甲基乙烯基有机硅橡胶以及甲基苯基有机硅橡胶组成的组。

8.一种用于组装半导体传感器器件的方法，所述方法包括：

将压力传感器管芯附接到引线框的旗标；

用第一接合线将所述压力传感器管芯电连接到所述引线框的第一引线；

将预模塑的凝胶材料块放置在所述压力传感器管芯的有源区之上，所述凝胶材料块的区域小于所述压力传感器管芯的区域，以及所述凝胶材料块的尺寸大于所述压力传感器管芯的敏感区域的尺寸；

用模塑复合物包封所述压力传感器管芯和所述第一接合线，其中所述模塑复合物至少部分地覆盖所述凝胶材料块；以及

在所述凝胶材料块上部周围形成沟槽，以使所述凝胶材料块至少部分地被暴露。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述在所述凝胶材料块周围形成沟槽进一步包括：从所述模塑复合物的顶面朝向所述压力传感器管芯的所述有源区延伸，以使所述凝胶材料块的下部与所述模塑复合物毗邻，而所述凝胶材料块的上部与所述模塑复合物隔开，以至少部分地暴露所述凝胶材料块的横向侧壁。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述凝胶材料块的上表面位于所述模塑复合物的顶面之下。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述模塑复合物的层覆盖所述凝胶材料块的所述上表面。

12.根据权利要求8所述的方法，其中所述凝胶材料块的上表面与所述沟槽的下表面齐平。

13.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：

使用转移模塑过程和与所述凝胶材料块的形状匹配的专用模腔形成所述凝胶材料块；并且

使用粘合剂将所述凝胶材料块附接到所述压力传感器管芯的所述有源区。