具有集成的密封的压力传感器封装 |
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| 申请号 | CN201410499924.0 | 申请日 | 2014-09-26 | 公开(公告)号 | CN104517914B | 公开(公告)日 | 2017-08-08 |
| 申请人 | 英飞凌科技股份有限公司; | 发明人 | H.托伊斯; M.沃佩尔; H.维乔尔克; | ||||
| 摘要 | 公开了具有集成的密封的压 力 传感器 封装。一种 压力传感器 封装，包括：引线；以及 半导体 管芯，与所述引线间隔开，并且包括被部署在所述管芯的第一侧部处的 端子 和隔膜。所述管芯被配置为响应于跨所述隔膜的压力差而改变电参数。所述封装还包括：电导体，将所述端子连接到所述引线；模制化合物，包封所述电导体、所述管芯和所述引线的一部分；在所述模制化合物中的腔体，暴露所述隔膜；以及密封环，被部署在具有所述腔体的所述模制化合物的侧部上。所述密封环围绕所述腔体，并且具有比所述模制化合物更低的 弹性模量 。替换地，所述密封环可以是从具有所述腔体的所述模制化合物的所述侧部突出并且围绕所述腔体的所述模制化合物的脊。还提供一种封装制造方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种压力传感器封装，包括： |
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| 说明书全文 | 具有集成的密封的压力传感器封装技术领域背景技术[0002] 压力传感器半导体管芯包括用于感测压力的隔膜。感测到的压力被转换为电参数（诸如电阻率的改变）。压力传感器管芯典型地被包封在模制化合物中，以保护至管芯的连 接和管芯自身免遭腐蚀以及其它不利效应。模制化合物在室温时典型地具有大于1GPa的弹 性模量，并且因此是相对坚硬的。常规的被模制的压力传感器封装在压力传感器管芯的隔 膜上的模制化合物中具有窗口或腔体，从而隔膜保持不被模制化合物覆盖。 [0003] 对于压力传感器应用而言，在被模制的压力传感器封装与模块外壳（诸如用于汽车的侧部气囊模块）之间提供机械耦接。要求柔性密封以确保完全并且持续不断的压力被 重定向到压力传感器管芯的隔膜。柔性密封不应当对压力传感器封装并且因此不应当对压 力传感器管芯应用任何额外的作用力，否则压力传感器管芯的电功能可能被损害。常规地， 在压力传感器封装被放置在模块外壳（例如，诸如用于侧部气囊模块的外壳）内之后实现这 样的柔性密封。要求模块集成商的显著努力以在被模制的压力传感器封装与模块外壳之间 形成恰当的密封。 发明内容 [0004] 根据压力传感器封装的实施例，所述封装包括：引线；以及半导体管芯，与所述引线间隔开。所述管芯包括被部署在所述管芯的第一侧部处的端子和隔膜。所述管芯被配置 为：响应于跨所述隔膜的压力差而改变电参数。所述压力传感器封装还包括：电导体，将所 述端子连接到所述引线；模制化合物，包封所述电导体、所述管芯和所述引线的一部分；在 所述模制化合物中的腔体，暴露所述隔膜；以及密封环，被部署在具有所述腔体的所述模制 化合物的侧部上。所述密封环围绕所述腔体，并且具有比所述模制化合物更低的弹性模量。 [0005] 根据压力传感器封装的另一实施例，所述封装包括：引线；以及半导体管芯，与所述引线间隔开。所述管芯包括被部署在所述管芯的第一侧部处的端子和隔膜。所述管芯被 配置为：响应于跨所述隔膜的压力差而改变电参数。所述压力传感器封装还包括：电导体， 将所述端子连接到所述引线；模制化合物，包封所述电导体、所述管芯和所述引线的一部 分；以及在所述模制化合物中的腔体，暴露所述隔膜。所述模制化合物具有从具有所述腔体 的所述模制化合物的侧部突出的脊。所述脊围绕所述腔体以形成密封环。 [0006] 根据制造压力传感器封装的方法的实施例，所述方法包括：提供彼此间隔开的半导体管芯和引线，所述管芯包括在所述管芯的第一侧部处所部署的端子和隔膜，所述端子 通过电导体连接到所述引线，所述管芯被配置为：响应于跨所述隔膜的压力差而改变电参 数；利用模制化合物包封所述电导体，所述管芯和所述引线的一部分；在所述模制化合物中 形成暴露所述隔膜的腔体；以及在具有所述腔体的所述模制化合物的侧部上形成密封环， 所述密封环围绕所述腔体并且具有比所述模制化合物更低的弹性模量。 附图说明[0008] 附图的要素未必相对于彼此成比例。同样的参考标号指明对应的类似部分。可以组合各个所图解的实施例的特征，除非它们彼此排斥。在附图中描绘了实施例并且在接下 来的描述中详述实施例。 [0009] 图1至图11的每一个图解具有集成的密封环的被模制的压力传感器封装的不同实施例的截面图。 [0010] 图12图解具有集成的密封环的被模制的压力传感器封装的实施例的自顶向下平面图。 [0011] 图13图解具有集成的密封环的被模制的压力传感器封装的另一实施例的自顶向下平面图。 [0012] 包括图14A至图14E的图14图解制造具有集成的密封环的被模制的压力传感器封装的方法的实施例在膜辅助的模制处理的不同阶段期间的相应截面图。 [0013] 图15图解在使用分配处理来形成集成的密封环期间的被模制的压力传感器封装的实施例的自顶向下平面图。 [0014] 图16图解具有集成的密封环的被模制的压力传感器封装的又一实施例的截面图。 具体实施方式[0015] 在此所描述的实施例为压力传感器封装提供密封环，所述密封环被集成（即封装的一部分）为具有比包封封装的压力传感器管芯和引线的模制化合物更低的弹性模量的材 料的分离环，或者被集成为模制化合物的脊。在任一情况下，密封环是压力传感器封装的集 成部分，并且围绕模制化合物中的腔体，通过所述腔体暴露压力传感器管芯的隔膜。在随后 更高级别组装（例如作为用于汽车的侧部气囊模块的一部分）期间，具有集成的密封环的压 力传感器封装可以被放置在应用模块的外壳和由密封环在压力传感器封装与外壳之间所 提供的恰当密封内。密封环确保完全和持续不断的压力被重定向到压力传感器管芯的隔 膜。 [0016] 图1图解包括压力传感器半导体管芯100和集成的密封环102的压力传感器封装的实施例的截面图。管芯100包括：隔膜104，被部署在管芯100的顶部侧101处。管芯100被配置 为响应于跨隔膜104的压力差而改变电参数（诸如电阻率）。例如，利用硅传感器管芯测量压 力是基于压阻效应。这被利用在其中机械应力导致电阻率的改变的硅隔膜中。机械应力得 自于跨隔膜的压力差。隔膜中的所植入的电阻器的网络可以被用于将电阻率的改变变换为 与所应用的压力差成比例的电信号。取决于应用，传感器可以被用作裸露管芯，或被键合到 用于机械约束的玻璃，或用于提供基准真空。 [0017] 压力传感器管芯100还包括与顶部侧101相对的底部侧103、在顶部侧101与底部侧103之间延伸的横向边沿105以及在管芯100的顶部侧101处的至少一个端子106。管芯100被 包封在模制化合物108中以保护管芯100和管芯端子106免遭腐蚀和其它不利效应。在隔膜 104之上的模制化合物108中提供腔体110，以确保模制化合物108不干扰隔膜104的操作。可 以使用任何合适的标准处理（诸如膜辅助的模制，其中，插入物（未示出）被定位在注入模中 的隔膜104之上）在模制化合物108中形成腔体110。插入物在模制之后被去除，在模制化合 物108中得到腔体110。半导体封装中所使用的并且在室温时具有大于1GPa的弹性模量的任 何标准模制化合物可以被用于包封压力传感器管芯100以及提供给管芯100的端子106的电 连接。 [0018] 可以通过键合布线、键合条带、金属夹片或任何其它类型的合适的电导体112来实现至管芯端子106的电连接。每个电导体112的一端被连接到管芯100的端子106，并且相对 端被连接到封装的对应引线114。可以通过焊接、粘接、超声波键合等来形成这些连接。引线 114与压力传感器管芯100间隔开，并且被模制化合物108部分地包封，从而引线114从模制 化合物108突出，以提供至压力传感器管芯100的外部电连接的点。 [0019] 压力传感器管芯100可以被附接到支撑衬底116（诸如引线框架的管芯焊盘或陶瓷材料）。支撑衬底116的背侧117可以被暴露以提供至压力传感器管芯100的热和/或电路径。 例如，在垂直管芯100的情况下，电流流过管芯100的前侧101与背侧103之间的半导体材料。 支撑衬底116在此情况下可以是导电的（例如铜块）以提供至管芯100的背侧103的电路径。 在横向管芯100的情况下，电流流过在前侧101处的各端子106之间的在管芯100的前侧101 附近的半导体材料。支撑衬底116在此情况下可以是导热的（例如陶瓷）以提供至管芯100的 背侧103的热路径。 [0020] 在每种情况下，被集成为压力传感器封装的一部分的密封环102被部署在具有腔体110的模制化合物的侧部上。密封环102围绕腔体110，从而在压力传感器封装与其中部署 封装的应用模块的外壳118之间形成可靠的密封。通过密封环102的方式在压力传感器封装 与外壳118之间提供恰当的密封，这确保完全和持续不断的压力被重定向到压力传感器管 芯100的隔膜104，如图1中被标记为‘P’的虚线所表示的那样。应用外壳118可以包括电路板 120，压力传感器封装被安装至所述电路板120。 [0021] 密封环102的尺寸取决于其中要使用压力传感器封装的应用。在一个实施例中，密封环102具有范围在0.5 mm至1 mm之间的高度（H）以及范围在0.5 mm至2 mm之间的最大厚 度（T）。 [0022] 密封环102具有比模制化合物108更低的弹性模量。在一个实施例中，模制化合物108具有在室温时范围在10GPa至100GPa之间的弹性模量，并且密封环102具有在室温时范 围在0.5MPa至1GPa之间的弹性模量。例如，密封环102可以包括硅酮或热塑性弹性体。硅酮 是具有很多种形式和用途的惰性合成化合物。典型地热阻性的和类似橡胶的硅酮是连同 碳、氢、氧和有时其它元素一起包括硅的聚合物。热塑性弹性体（有时被提及为热塑性橡胶） 是由具有热塑性性质和弹性性质这两者的材料构成的一类共聚物或聚合物（通常为塑料和 橡胶）的物理混合物。虽然大多数弹性体是热固的，但热塑性相比之下相对地容易用在制造 中，例如通过注入模制。热塑性弹性体示出典型的橡胶材料和塑料材料这两者的优点。热固 弹性体与热塑性弹性体之间的主要差别是它们的结构中的交联键合的类型。交联是贡献于 给予高弹性性质的关键结构因素。热固聚合物中的交联是在硫化处理期间创建的共价键。 另一方面，热塑性弹性体聚合物中的交联是更弱的偶极或氢键，或发生在材料的相位之一 中。可以至少从具有密封环102的模制化合物108的侧部去除蜡，以增加模制化合物108与密 封环102之间的粘附。 [0023] 在图1所示的实施例中，密封环102具有：第一端121，接触模制化合物108；以及第二端123，与第一端121相对，并且与模制化合物108间隔开，其中第一端121比第二端123更 厚。进一步根据图1所示的实施例，密封环102具有三角形截面形状。 [0024] 图2图解具有集成的密封环102的压力传感器封装的另一实施例。根据该实施例，密封环102具有梯形截面形状。 [0025] 图3图解具有集成的密封环102的压力传感器封装的另一实施例。根据该实施例，密封环102具有弯曲的外表面122。 [0026] 图4图解具有集成的密封环102的压力传感器封装的另一实施例。根据该实施例，压力传感器封装还包括：附加密封环124，被部署在与另外的密封环102相同的模制化合物 108的侧部上。附加密封环124围绕模制化合物108中的腔体110，并且还围绕另外的密封环 102，并且具有比模制化合物108更低的弹性模量。密封环102、124两者都具有图4中的三角 形截面形状，但可以具有另外的截面形状（诸如梯形、半圆形、方形等）。密封环102、124可以具有与图4所示的相同的截面形状或不同的截面图形状。 [0027] 图5图解具有集成的密封环102的压力传感器封装的另一实施例。根据该实施例，沟槽126被形成在具有腔体110的模制化合物108的侧部中。可以通过用于利用模制化合物 108来包封半导体管芯100、端子106和引线112的模制处理来进行调整以适应沟槽126的形 状。在模制处理之后，利用密封材料（诸如硅酮或热塑性弹性体）来填充沟槽126。密封材料 从具有腔体110的模制化合物108的侧部向外延伸。密封材料被固化以形成具有沟槽126中 所部署的区域128的密封环102，该区域128将密封环102锚定在模制化合物108内。沟槽126 可以具有图5所示的锥形侧壁127，以更好地将密封环102锚定在模制化合物108内。 [0028] 图6图解与图5所示的实施例类似的压力传感器封装的实施例，然而，集成的密封环102具有圆形截面区，并且模制化合物108中所形成的沟槽126的侧壁127和底部被对应地 弯曲。这种布置在密封环102与模制化合物108之间提供球接头（ball joint）类型的锚定机 构。 [0029] 图7图解具有集成的密封环102的压力传感器封装的另一实施例。根据该实施例，密封环102完全覆盖具有腔体110的模制化合物108的侧部。根据该实施例，密封环102也被 锚定在模制化合物108内，如在此先前所描述的那样。 [0030] 图8图解与图7所示的实施例类似的压力传感器封装的实施例，然而，密封环102还覆盖模制化合物108的侧壁129。 [0031] 图9图解与图8所示的实施例类似的压力传感器封装的实施例，然而，密封环102还覆盖模制化合物108的与具有腔体110的侧部相对的侧部131。根据该实施例，除了沿着腔体 侧壁133之外，密封环102还覆盖整个模制化合物108。 [0032] 图10图解具有集成的密封环102的压力传感器封装的另一实施例。根据该实施例，附加腔体130被形成在模制化合物108的与另外的腔体110相对的侧部131处的模制化合物 108中。进一步根据该实施例，附加密封环132被部署在具有附加腔体130的模制化合物108 的侧部131上。附加密封环132围绕附加腔体130，并且具有比模制化合物108更低的弹性模 量。例如，附加密封环132可以包括硅酮或热塑性弹性体。 [0033] 图11图解具有集成的密封环102的压力传感器封装的另一实施例。根据该实施例，压力传感器管芯100还包括：附加隔膜134，被部署在管芯100的顶部侧101处，并且与另外的 隔膜104间隔开。压力传感器封装还包括：在具有另外的腔体110的模制化合物108的侧部处 的模制化合物108中的附加腔体136。附加腔体136通过模制化合物108的区域138横向地与 另外的腔体110间隔开，并且暴露附加隔膜134。进一步根据该实施例，附加密封环140被部 署在具有两个腔体110、136的模制化合物108的侧部上。附加密封环140围绕附加腔体136， 并且具有比模制化合物108更低的弹性模量。 [0034] 图12图解根据实施例的压力传感器封装的自顶向下平面图。根据该实施例，密封环102围绕模制化合物108中的腔体110，并且具有方形形状。 [0035] 图13图解根据另一实施例的压力传感器封装的自顶向下平面图。根据该实施例，密封环102围绕模制化合物108中的腔体110，并且具有圆形形状。密封环102可以具有其它 形状（例如诸如矩形）。 [0036] 包括图14A至图14E的图14图解制造图1所示的压力传感器封装的方法的实施例。根据该实施例，使用膜辅助的模制（FAM）。FAM是对转印模制处理的变形。FAM使用由一系列 辊202馈送到模制工具的模204的一个或两个塑料膜200，如图14A所示。在引线框架或衬底 （即要被封入的产品）被加载到模204中之前，膜200沿着模204中所放置的（包括任何残胶 （cull）、流道（runner）和腔体的）第一插入物206的内表面向下吸附，如图14B所示。第一插入物206将腔体限定为被形成在模制化合物中。该处理后随标准转印模制处理。 [0037] 首先通过热和压力使模制材料208液化，然后强制模制材料208进入到闭合的模204中，并且在附加的热和压力下使模制化合物208保持在模204，直到所有材料凝固（即固 化）。图14C示出在模制处理期间的封装。在打开模204之后，卸载被模制的封装。接着，去除 真空，并且跨模204的一个长度而传送膜200。去除第一插入物206，并且由被加载到模204中 的第二插入物210替代第一插入物206，如图14D所示。第二插入物210将密封环限定为形成 在具有腔体的模制化合物的侧部上。第二插入物210可以被构造为进行调整以适应多个密 封环，如在此先前所描述的那样。被模制的封装然后被加载到模204中，如图14E所示，并且 强制密封材料（为了容易图解而未示出）（诸如硅酮或热塑性弹性体）进入到模204中。密封 材料填充成按第二插入物210的形状，并且被固化。在固化密封环材料之后，从模204去除整 个封装。工具的底部部分可以配备有一个或更多个插入物，以在封装的底部侧部处形成一 个或更多个腔体和对应的密封环，也如在此先前所描述的那样。可以通过使用FAM工具中适 当地设计的插入物来进行调整以适应任何期望的腔体和密封环尺寸和形状。 [0038] 图15图解制造图1所示的压力传感器封装的方法的另一实施例。根据该实施例，首先例如使用在此先前所描述的FAM技术来对封装进行模制。封装然后被加载到包括分配器 300的分配工具中。为了容易图解，图15示出分配器300的基本表示。在模制化合物108已经 固化之后，在分配器300的精确控制之下，在具有腔体110的模制化合物108的侧部上分配密 封材料302（诸如硅酮或热塑性弹性体）。密封材料302然后被固化以形成密封环。根据该实 施例，可以在模制化合物的一个或两个侧部上形成多于一个的密封环，如在此先前所描述 的那样。此外，分配器300可以在模制化合物108的侧壁129上分配密封材料，也如在此先前 所描述的那样。 [0039] 图16图解具有集成的密封环的压力传感器封装的又一实施例。根据该实施例，模制化合物108具有脊400，脊400从具有腔体110的模制化合物108的侧部突出。脊400围绕腔 体110，并且形成密封环。根据图16所示的实施例，脊400具有三角形截面形状，该截面形状 随着脊400的高度（H）而变化，从而脊400的厚度（T）越靠近管芯100越大，并且越远离管芯 100越小。脊400可以具有任意合适的尺寸和形状以形成密封环，例如在此先前所描述的任 意尺寸和形状。可以通过用于在如在此先前所描述的FAM模制工具中使用的插入物的适当 的设计来实现脊400的尺寸和形状。 [0040] 空间有关的术语（例如“在……之下”、“之下”、“下”、“在……上”、“上”等）用于容易进行描述以解释一个要素相对于第二要素的定位。除了与各图中所描绘的不同的定向之外，这些术语意图还涵盖装置的不同定向。此外，诸如“第一”和“第二”等的术语也用于描述各个要素、区域、区段等，并且也并非意图进行限制。同样的术语贯穿描述提及同样的要素。 [0041] 如在此使用的那样，术语“具有”、“包含”、“包括”和“含有”等是指示所声明的要素或特征的存在性的开放式术语，而非排除附加的要素或特征。数量词“一个”、“某个”以及代词“这个”意图包括复数以及单数，除非上下文另外清楚指示。 |
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