专利名称：具有用于施加偏置磁场的模塑封装的传感器模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器相关领域。
背景技术：
某些》兹性速度传感器被配置为可测量;兹性齿4&的速度。典型 地，这种速度传感器包括具有多个磁性传感器元件(例如霍尔传感 器元件或巨磁阻(GMR)传感器元件)的集成电路。永磁铁为传感 器元件提供偏置磁场。随着齿轮的转动，轮齿经过传感器前并产生 小的场变化，该场变化由集成电路检测。；险测出的场包含关于齿轮 的角位置和角速度的信息。
GMR传感器在19世纪80年代首次制成。它们是因为其电阻 只十外部万兹场方^立的高灵壽文'性而著名的。GMR岁丈应发生在沿》兹场的
一条轴线的有限范围内。此范围称为各向异性范围。在各向异性范 围内，该传感器具有高灵敏性(电阻改变对磁场改变)。在某些应 用中，例如用于测量磁性齿轮速度的具有反向偏》兹的磁性速度传感 器，反偏磁相对于传感器的GMR元件的小错位或倾斜能够使GMR 元件的工作点进入饱和区域。反偏石兹使传感器的工作点/人各向异性 范围的中心附近的最优点向饱和区域偏移。结果，没有信号产生或 者产生的信号质量降低，从而降低了传感器性能。对于在不同原理 下工作的辐射测量^f专感器(gradiometric )，因为传感器元件^立于两 个不同的位置，所以此偏移问题变得更严重。
发明内容
一个实施例提供了制造传感器模块的方法。该方法包括提供包 括不兹灵敏传感器元件的基底。传感器元件和基底由被配置为向传感
器元件施加偏置^t场的至少一种才莫塑料(mold material)封装。
说明中包括了附图，以提供对实施例的进一步理解，并且这些 附图并入此i兑明书并构成其一部分。附图示出了本发明的实施例， 并与该描述一起用于解释本发明的原理。随着参考随后的详细描述 而对本发明的更好理解，可以更容易地体会到本发明的其它实施例 和本发明的许多期望的优点。附图中的元件相对彼此不必等比例。 同样的参考数字代表相应的类似部分。
图1是示出了用于感测磁性齿轮速度的现有技术速度传感器的的图。
图2A是示出了具有提供偏置磁场的永磁铁的磁性传感器的图。
图2B是示出了磁性传感器芯片(图2A中所示)的一部分以
及偏置》兹场的分量的图。
图3是示出了具有永磁铁的磁性传感器的图，永磁铁内形成有 凹槽或空腔，以一是供偏置》兹场。
图4是示出了图3中所示永磁铁的可替换形状的图。
图5是示出了具有永万兹铁和^兹场引导元件的磁性传感器的图。图6A-6D是示出了根据一个实施例的传感器模块的剖视图和 制成传感器模块的方法的图。
图7是示出了根据一个实施例的传感器模块的剖视图和由该传 感器模块所产生的偏置磁场的图。
图8是示出了根据另一实施例的传感器模块的剖视图的图。
图9是示出了根据一个实施例的具有两个模塑结构的传感器模
块的剖视图的图。
图10是示出了4艮据一个实施例的具有多个》兹灵4文传感器元件 的传感器模块的剖视图的图。
具体实施例方式
在下面的详细描述中，参考构成本文一部分的附图，在附图中 通过图示示出了可以实施本发明的特定实施例。在这点上，例如"顶 部"、"底部"、"前面"、"背面"、"前沿"、"尾部"等方向性术语是 参照所描述附图的方向来使用的。因为本发明的实施例的各部分能 够被设置为多个不同的方向，所以这些方向性术语是用于说明而绝 不是限定。应当理解，可以4吏用其它实施例，且在不背离本发明的 范围内可以进^f亍结构或逻辑上的改变。因此，下面的详细i^明不是 为了限定，并且本发明的范围由所附权利要求来限定。
图1是示出了用于感测磁性齿轮114速度的现有技术速度传感 器102的图。速度传感器102包括^皮保护罩104所包围的永》兹4失106 和》兹性传感器集成电3各110。》兹性传感器集成电^各110包4舌多个》兹 灵每文元件108，例如霍尔传感器元件或GMR传感器元件。永^兹4失 106向元件108提供偏置磁场。在示出的实施例中，偏置》兹场垂直于集成电^各110的平面和》兹灵4丈元件108的平面(例如，沿Z方向)。 元件108与磁齿轮114通过气隙距离112间隔开。随着轮114沿箭 头116所示的方向旋转，轮114的齿经过传感器102的前方并产生 小的场变化，这由集成电^各110所枱r测。4企测出的场包含关于4仑114 的角位置和角速度的信息。场的波形4妄近正弦曲线并且其幅值由于 气隙112而剧烈减小。
图2A是示出了具有提供偏置磁场的永磁铁206的磁性传感器 200的图。万兹性传感器200包括石兹性传感器芯片202和永》兹铁206。 磁性传感器芯片202包括设置在其顶表面上的磁灵敏传感器元件 204。永》兹铁206被设置在传感器芯片202的底表面附近。由永》兹 4失206产生的偏置》兹场由》兹通量线208表示。
图2A中还示出了一组正交的X-Y-Z轴。X轴和Y轴平行于传 感器元件204的平面。Z轴垂直于传感器元件204的平面。典型地， GMR传感器^L对于万兹场的一个分量灵壽文(例如，X分量或Y分量)。 期望永磁铁206产生垂直于传感器平面的磁场(即，在传感器元件 204的位置处具有Z分量的i兹场但是没有X和Y分量的^兹场)。由 》兹《失206产生的场一皮调制(例如，由经过的f兹齿4仑)以产生X场或 Y场4言号。由于GMR元件的特性，该4言号纟皮4争4灸成为电阻变^f匕。
图2B是示出了》兹性传感器芯片202 (图2A中所示)的一部分 以及偏置万兹场的分量的图解。芯片202的图2B所示部分处的偏置 》兹场由矢量(H) 220表示。如图2B中所示，位于所示位置处的偏 置》兹场不完全垂直于芯片202和传感器元4牛204的平面(即，垂直 于X-Y平面)，而矢量220包括垂直分量(Hz)224和水平分量(Hx) 222。
如上所述，在某些应用中期望具有基本均匀的偏置》兹场，其垂 直或基本垂直于传感器元件的平面(即，沿Z方向)，而具有4艮小的水平分量或没有水平分量(Lateral components )。某些》兹性传感 器对水平分量非常灵敏，并且如果偏置磁场中的水平分量太大，这 些传感器可能快速地进入饱和。用于限制偏置磁场的水平分量的技 术包括^改变7么石兹4失的形状和/或4吏用额外的元4牛来成形(shape或者
说调整)或引导由永磁铁产生的磁场。在下面将参考图3-5进一步 详细描述这些纟支术。
图3是示出了具有永》兹铁306A的石兹性传感器300的图，永磁 铁内形成有凹槽或空腔以提供偏置磁场。磁性传感器300包括磁性 传感器芯片302和永》兹4失306A。》兹性传感器芯片302包括i殳置在 其顶表面上的万兹灵壽丈传感器元件304。永;兹铁306A设置在传感器 芯片302的底表面附近。由永i兹铁306A产生的偏置^F兹场由》兹通量 线308表示。如图3中所示，在永》兹《失306A的顶表面上形成V型 的凹槽或空腔，这有助于改善垂直性并限制传感器元件304位置处 的偏置》兹场的任何水平分量。
图4是示出了图3中所示的永磁铁306A的可替换形状的图解。 如图4中所示，永》兹4失306B包括在其顶表面中形成的正方形或U 型空腔。永磁铁的这种成形有助于改善垂直度并且限制传感器元件 304位置处的偏置磁场的任何水平分量。
使用特定形状的永磁铁有一些缺点。在形成特定形状时会产生 附加成本。传感器元件通常安装在半导体壳体中，并且传感器元件 和永^f兹铁之间的距离受壳体限制。此外，此方法的有效性极大地依 赖于永磁铁和传感器元件的相对位置。小的位置误差将会31起偏置
^兹场7]C平分量的增加。
图5是示出了具有永》兹4失506和不兹场引导元件505的不兹性传感 器500的图。箱f性传感器500包括》兹性传感器芯片502、 f兹场引导 元件505和永磁铁506。此磁性传感器芯片502包括设置在其顶表面上的磁灵敏传感器元件504。永磁铁506和引导元件505设置在 传感器芯片502的底表面附近。永磁铁506产生用于传感器芯片502 的偏置^兹场。偏置》兹场由引导元件505成形(shaped或者说调整) 或引导。如图5中所示，V型凹槽或空腔已经形成在引导元件505 的顶表面中。可替换地，可在引导元件505中形成例如图4中所示 的正方形或U型凹槽或空腔。通过引入引导元件505而作的改变所 产生的偏置磁场由磁通量线508所表示。引导元件505有助于改善 垂直性并且限制传感器元件504 4立置处的偏置万兹场的<壬4可7&平分 量。
使用特定形状的磁场引导元件有 一 些缺点。在形成所期望形状 的引导元件时会产生附加成本。传感器元件通常安装在半导体壳体 中，并且传感器元件和永》兹4失之间的距离受壳体限制。此外，此方 法的有效性极大地依赖于永磁铁、引导元件和传感器元件的相对位 置。小的位置误差将会引起偏置磁场水平分量的增加。
图6A-6D是示出了根据一个实施例的传感器模块的剖视图和 制造传感器模块的方法。如图6A中所示，在基底602的顶表面上 形成万兹灵4文传感器元件604和多个电4妄触部606A和606B。在一个 实施例中，基底602是半导体基底，例如半导体晶片或半导体芯片 (die)。在另一个实施例中，基底602是其它类型的基底。在一个 实施例中，传感器元件604是GMR元件或霍尔元件。在另一个实 施例中，传感器元件604是其它类型的传感器元件。在一个实施例 中，传感器元件604是旋转阀(spin valve)GMR传感器元件，并且包 括具有固定磁化方向的基准层和可以才艮据外部的平面内磁场而使 其磁化(magnetization)转动的传感器层。在一个实施例中，基底 602包括评估(evaluation)集成电路(未示出)，用于处理由传感 器元件604生成的信号。如图6B中所示，在传感器元件604上形成非,兹性结构610。 在一个实施例中，结构610是聚合物，例如SU8，其可以使用常规 的光刻法来图案化。SU8是负性光刻胶或者称为负性光致抗蚀剂材 料。未固化的SU8可以是液态或干膜形式。液态SU8可以通过例 如S走涂和喷涂来涂;f隻在基底上。干SU8膜可以层积在基底上。SU8
通常使用uv和热固化步骤来进行固化。
在一个实施例中，在传感器元件604上沉积聚合物层，并且随 后对聚合物层进行刻蚀以产生图6B中示出的结构610。在一个实 施例中，结构610具有圓锥形状，其横截面面积随其与传感器元件 604的距离的增加而减小。在另一个实施例中，结构610具有凸起 (convex )形状。
如图6C中所示，在芯片载体614上i殳置基底602，并且电互 连612A和612B分别连4妄至4妻触部606A和606B。电互连612A和 612B也连接至芯片载体614。在一个实施例中，芯片载体614是引 线框且互连612A和612B是接合线。在另一个实施例中，芯片载体 614是印刷电路板(PCB)或其它的芯片载体，并且互连612A和 612B是焊接元件(例如，在倒装芯片结构中)或其它类型的互连。
如图6D中所示，在图6C中示出的器件上方形成》兹性才莫塑结 构616，从而封装了基底602、接触部606A和606B、传感器元件 604、结构610、和接合线(bond wire) 612A和612B,并从而形成 了磁性传感器模块620。在一个实施例中，模塑结构616使用喷射 造型工艺来形成。在另一个实施例中，模塑结构616使用压缩模塑 造型工艺来形成。在一个实施例中，才莫塑结构616 (mold structure) 包括填充有磁性颗粒(例如，微磁铁)或配置为被磁化的颗粒的热 固性聚合物。大多数磁性材料可以被研磨成适合与聚合物模塑料混 合的粉末。在一个实施例中，对传感器才莫块620施加外部》兹场以不兹化模塑结构616中的颗粒，并因此将模塑结构616构造成产生用于 传感器元4牛604的偏置^兹场。
图7是示出了根据一个实施例的传感器模块620的剖视图和由 传感器模块620产生的偏置磁场的图解。模塑结构616产生偏置磁 场。在一个实施例中，结构610 ^t构造为》兹场引导元件，其成形 (shape或者说调节)或引导由模塑结构616所产生的偏置磁场。 由于结构616而》务改的偏置》兹场由i兹通量线622表示。结构610有 助于改善垂直性并限制传感器元件604位置处的偏置f兹场的水平分
量。在一个实施例中，传感器模块620被构造成测量》兹性齿轮的齿
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口v ^j^/5c 。
图8是示出了根据另 一实施例的传感器模块800的剖视图的图 解。在示出的实施例中，除了在芯片载体614的底表面上还形成有 模塑结构802之外，传感器模块800与传感器模块620 (图7 )相 同。在一个实施例中，才莫塑结构616和802在同一时间利用同一种 模塑料来形成，并且形成了连续的封装结构。在一个实施例中，模 塑结构802是》兹性的，并且和结构616 —起对传感器元件604施加 偏置磁场。在另一个实施例中，模塑结构802是非磁性模塑料。
图9是示出了根据 一 个实施例的传感器模块卯0的剖视图的图 解，该传感器模块具有两个模塑结构卯2和904。在一个实施例中， 才莫塑结构904是》兹性才莫塑结构(例如，具有》兹性颗粒的热固性聚合 物)，其4是供用于传感器元件604的偏置》兹场并且其以与才莫塑结构 616基本相同的方式(该方式参考图6D描述)形成。然而，并不 像才莫塑结构616封装基底602、接触606A和606B、传感器元件604、 结构610以及接合线612A-612B那样，模塑结构卯4仅封装传感器 元件604和结构610。在一个实施例中，才莫塑结构902是非石兹性热 固性聚合物，其以与模塑结构616基本相同的方式形成(该方式参 考图6D描述)。在示出的实施例中，模塑结构卯2封装模塑结构904、基底602、 <接触部606A和606B、传感器元件604、结构610 和4妄合线612A-612B。
图IO是示出了根据一个实施例的传感器模块1000的剖视图的 图解，该传感器模块具有多个磁灵敏传感器元件。如图IO中所示， 在基底1002的顶表面上形成》兹灵每丈传感器元件1004A和1004B、 以及多个电4妄触部1006A和1006B。在一个实施例中，基底1002 是半导体基底，例如半导体晶片或半导体芯片。在另一个实施例中， 基底1002是其它类型的基底。在一个实施例中，传感器元件1004A 和1004B是GMR元件或霍尔元件。在另一个实施例中，传感器元 '"f牛1004A牙口 i 0G4B是其*H类型的'个t<感為^H/i牛。
在传感器元件1004A和1004B上分别形成非》兹性结构1010A 和IOIOB。在一个实施例中，结构1010A和1010B中的每一个都是 聚合物，例如SU8。在一个实施例中，在4专感器元4牛1004A和1004B 上沉积聚合物层，然后刻蚀该聚合物层以产生如图10中所示的结 构1010A和IOIOB。在一个实施例中，结构1010A和1010B中的 每一个都可以具有圆锥形状，而其横截面面积随着其与传感器元件 1004A或1004B的-巨离增加而减小。在另一个实施例中，结构1010A 和1010B中的每一个都具有呈凸起(convex)的形状。
基底1002i殳置在芯片载体1014上，且电互连1012A和1012B 分别连冲妻至4妄触部1006A和1006B。电互连1012A和1012B也连 接至芯片栽体1014。在一个实施例中，芯片载体1014是引线框， 而互连1012A和1012B是4妻合线。在另一个实施例中，芯片载体 1014是印刷电i 各—反(PCB)或其它的芯片载体，而互连1012A和 1012B是焊接元件(例如，以倒装芯片结构)或其它类型的互连。
磁性模塑结构1016形成在器件周围，从而封装基底1002、接 触1006A和1006B、传感器元件1004A和1004B、结构1010A和IOIOB、 4妻合线1012A和1012B，以及芯片载体1014。在一个实施 例中，^^莫塑结构1016使用喷射造型工艺来形成。在另一个实施例 中，才莫塑结构1016使用压缩才莫塑造型工艺来形成。在一个实施例 中，模塑结构1016包括填充有磁性颗粒(例如，微磁铁)或被配 置为要被磁化的颗粒的热固性聚合物。在一个实施例中，对传感器 冲莫块1000施加外部》兹场，以》兹化才莫塑结构1016中的颗粒，并因此 将模塑结构1016构造成产生用于传感器元件1004A和1004B的偏 置磁场。
本发明的实施例提供了 一种用于提供偏置磁场的改进的且比
A "^fr念2 、,4r —姿击或乂厶A/t在2 ，4r +姿 ；亡在忍，:k +姿，>fe 7 A 乂A r法^i ti c r: 乂U /trp /八/乂水^^/4N l乂I w v A T '八z/水, ;trj" /八zv水/;x ,八/p^ m什j"z;s ta | /'乂 "
凹槽或空腔，或使用特性形状的引导元件。在一个实施例中，偏置 磁场由磁性传感器模块的封装材料(例如，磁化的模塑化合物)来产 生，并且消除了传感器和磁铁之间的不对准或偏差所带来的问题。
虽然在本文已经说明和描述了特定的实施例，但本领域普通4支 术人员可以意识到，在不月充离本发明的范围内，可以用多种选4奪和 /或等同实施例代替示出并描述的特定实施例。本申请的目的在于覆 盖本文中讨论的特定实施例的任何修改或改变。因此，本发明旨在 仅由权利要求及其等同物来限定。
权利要求
1. 一种制造传感器模块的方法，所述方法包括提供基底，所述基底包括磁灵敏的传感器元件；以及利用至少一种模塑料来封装所述传感器元件和所述基底，所述至少一种模塑料被构造成对所述传感器元件施加偏置磁场。
2. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括在封装之前，在所述传感器元件上方施加非；兹性结构；并且其中，所述至少一种模塑料封装所述传感器元件、所述 非》兹性结构和所述基底。
3. 根据权利要求2所述的方法， 呈圓^i的形状。
4. 根据权利要求2所述的方法， 呈凸起的形状。
5. 根据权利要求2所述的方法， 物材料。
6. 根据权利要求2所述的方法， 抗蚀剂材料。
7. 根据权利要求1所述的方法， 传感器元件的平面。其中，所述非^磁性结构具有基本 其中，所述非磁性结构具有基本 其中，所述非磁性结构包括聚合 其中，所述非^t性结构包括光致 其中，所述偏置》兹场垂直于所述
8. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述模塑料包括多个磁性颗粒。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中，封装由喷射造型工艺或压缩模塑工艺进行。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述传感器元件是巨磁电 阻(GMR)元件。
11. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述传感器元件是霍尔元件。
12. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括对所述基底施加至少一个电互连。
13. 4艮据4又利要求12所述的方法，其中，所述至少一个电互连包 括至少一条接合线，并且其中，所述至少一种模塑料封装所述 至少一条接合线。
14. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述基底包括半导体芯片。
15. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述基底包括多个磁灵敏 传感器元件，并且其中，所述方法还包括在封装之前，在所述传感器元件中的每一个上方施加非 》兹性结构；并且其中，所述至少一种模塑料封装所述多个传感器元件、 所述非》兹性结构以及所述基底。
16. 根据权利要求1所述的方法，还包括将所述基底施加在载体结构上。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述载体结构是引线框。
18. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述至少一种模塑料封 装所述传感器元件、所述基底和所述栽体结构。
19. 一种传感器模块，包括基底，包括》兹灵每t元件；以及至少一个模塑结构，封装所述磁灵敏元件和所述基底， 所述至少 一 个4莫塑结构纟皮构造成对所述》兹灵壽文元件施加偏置磁场。
20. 根据权利要求19所述的传感器模块，进一步包括非磁性结构，位于所述》兹灵敏元件上方；并且其中，所述至少一个才莫塑结构封装所述》兹灵壽文元件、所 述非磁性结构和所述基底。
21. 根据权利要求20所述的传感器模块，其中，所述非磁性结构 具有基本呈圓锥的形状和基本呈凸起的形状中的其中 一种形状。
22. —种传感器模块，包括半导体基底，包括磁灵敏元件；聚合物结构，设置在所述磁灵敏元件上方；以及具有磁性颗粒的模塑料，用于封装所述聚合物结构、所 述》兹灵敏元件和所述基底，所述#莫塑料;故构造成对所述》兹灵壽丈 元^f牛施加偏置》兹场。
全文摘要
本发明涉及一种具有用于施加偏置磁场的模塑封装的传感器模块。还涉及一种制造传感器模块的方法，包括提供包括磁灵敏传感器元件的基底。传感器元件和基底被至少一种模塑料封装，该模塑料被构造成对传感器元件施加偏置磁场。
文档编号G01P3/44GK101545914SQ20091013031
公开日2009年9月30日 申请日期2009年3月26日 优先权日2008年3月27日
发明者赫尔穆特·维奇尔克, 霍斯特·托伊斯 申请人:英飞凌科技股份有限公司