专利名称：用于三轴磁性传感器的单个封装设计的制作方法
技术领域：
本发明一般而言涉及用于制造传感器封装的方法以及由这些方法 生产的封装。更具体而言，本发明涉及三轴传感器封装的设计和制造，以最小化印刷电路板(PCB)上封装的垂直高度。
技术背景地球磁场强度约为0.5至0.6高斯，并具有总是指向磁北 (magnetic north)的平行于地球表面的分量。该场可以4吏用偶极模 型来近似——场总是指向北，但是该场相对于地球表面的角度从赤道 的水平变化为在北半球的亚水平(即，"向下，，朝向地)和在南半球的 超水平(即，"向上"朝向空气)。在所有情形中，地球场的水平方向 指向磁北且用于确定指南针方向。磁性传感器已经被广泛使用2000多年，主要用于感测地球磁场以 用于寻找方向或导航。目前，磁性传感器仍然是主要的导航装置且已 经发展出其他用途。因此，可以在医疗、实验室和电子仪器；气象浮 标；虚拟现实系统；以及各种其他系统中发现磁性传感器。当代消费和商业电子设备设计一般涉及将许多相异功能合并到单 个装置中以及研发出具有越来越小尺寸的装置。小的装置以及结合了 许多功能的装置要求其内部元件尽可能小。期望将寻路和导航技术结 合到这种紧凑装置中则要求必备的2维和3维传感器例如磁性传感器 和/或静态传感器沿Z轴的高度最小(即，PCB平面之外)。沿Z轴安装 垂直传感器对于半导体组装产业而言是一种挑战，特别是对于具有空 间限制的应用。目前的方法无法安装垂直(Z轴)传感器以用于具有有 限空间且成本敏感、大体积、标准PCB工艺的应用。因此，存在将三轴传感器以低剖面的方式安装在例如蜂窝手机和 其他消费及商业应用中的需求。这种需求应通过成本敏感、大体积、 且容易适于一般PCB组装工艺的应用来满足。
发明内容
依据本发明一个方面，提供了一种传感器封装，该传感器封装包括分别安装到刚性衬底顶面或者备选地安装到印刷电路板(PCB)的X 轴传感器电路元件、Y轴传感器电路元件、或者备选地组合的X/Y轴传 感器电路元件、以及Z轴传感器电路元件。该衬底优选尺寸为3mmx 3mm，具有16个输入/输出U/0)焊盘。这些焊盘按多种设计来布置， 包括无引线芯片载具(LCC)设计和球栅阵列(BGA)设计。X轴和Y 轴，或者X/Y轴传感器安装到衬底的顶面。为了最小化封装的高度， 沟道设于该衬底的顶面内以容纳Z轴传感器元件。该沟道具有与Z轴传感器厚度相对应的宽度。所有三个传感器具有用于电连接到该衬底的输入/输出(I/O)焊 盘。该X轴和Y轴以及X/Y轴传感器上的I/O焊盘布置于面向衬底的 传感器一侧上，且与置于衬底顶面上的相应I/O焊盘协作，其中该相 应I/O焊盘为焊料填充通孔(via)的形式。在该Z轴传感器元件上， 1/0焊盘均沿传感器的一个边缘布置成阵列，并与置于沟道顶部边缘的 衬底上的I/O焊盘、焊料填充的通孔协作。 一旦传感器均已经安装到 该衬底，则该封装被包封。在包封之后，该封装的总高度小于1. 2mm。依据本发明第二方面，提供了一种用于安装Z轴传感器电路元件 的方法。该Z轴传感器电路元件将其所有I/O焊盘沿该传感器的一个 边缘布置成垂直阵列。该I/O焊盘沿Z轴传感器的边缘形成，且焊料 凸点(bump)置于该焊盘上。该方法包括从刚性衬底切割出沟道，该 沟道具有与该Z轴传感器的厚度对应的宽度，并具有足够长的深度， 使得Z轴传感器与X轴及Y轴传感器相比不会延伸越过衬底顶面更远。 在沟道形成时，通孔形成于沟道的顶部边缘。这些通孔随后被焊料填 充。Z轴传感器布置成使得其可以测量沿Z轴的磁场，且随后插入到该沟道中，凸点焊盘停留在衬底表面上并因此接触焊料填充的通孔。随 后，标准回流(reflow)工艺可以用于在Z轴传感器和该刚性衬底之 间形成电连接。该封装随后被包封，且封装的总高度小于1. 2mm。
图1为包括附着到刚性衬底的X轴传感器、Y轴传感器和Z轴传感器的传感器封装的示意图。图2为传感器封装示意图，演示了与3个传感器中各个传感器上 I/O焊盘对准的衬底上I/O焊盘的配置。图3为传感器封装的示意图，演示了 3个传感器的配置及Z轴传 感器上1/0焊盘的对准。图4A为图3所示传感器封装的俯视示意图，演示了 1/0焊盘的配置。图4B为图3所示传感器封装的侧视示意图，演示了衬底内切割出 的沟道。图4C为图3所示传感器封装的侧视示意图，演示了衬底上的传感 器的配置。图4D为图3所示传感器封装的侧视示意图，演示了封装的包封。图5为图3所示传感器封装的备选实施例的示意图，演示了与2 个传感器中各个传感器上I/O焊盘对准的衬底上I/O焊盘的配置。图6为图5所示传感器封装的示意图，演示了2个传感器的配置 及Z轴传感器上I/O焊盘的对准。图7A为图6所示传感器封装的俯视示意图，演示了 1/0焊盘的配置。图7B为图6所示传感器封装的侧视示意图，演示了衬底内切割出 的沟道。图7C为图6所示传感器封装的侧视示意图，演示了衬底上的传感 器的配置。图7D为图6所示传感器封装的侧视示意图，演示了封装的包封。 图8为图6所示传感器封装的剖面视图，演示了焊料填充的通孔 的配置。图9为无引线芯片载具(LCC) 1/0衬底的示意图，演示了沟道的配置。图IO为球栅阵列(BGA) 1/0衬底的示意图，演示了沟道的配置。
具体实施方式
参考图1，示出了一般使用参考数字IO表示的本发明的三轴传感 器封装的构造。该三轴传感器包括刚性衬底12，传感器电路元件(即， 传感器)20、 30、 40安装到该刚性衬底12的顶面14。这些传感器可 以备选地安装在印刷电路板(PCB)上。该衬底优选尺寸为3mmx 3mm，
具有16个输入/输出U/0)焊盘。这些焊盘可以布置成各种设计，包 括如图9所示的无引线芯片载具(LCC)设计，以及如图10所示的球 栅阵列(BGA)设计。X轴传感器电路元件20对沿X轴的磁力敏感，Y 轴传感器电路元件30对沿Y轴的磁力敏感。
通过标准倒装芯片回流传感器附着工艺，传感器20和30均安装 到衬底12。 一般而言，传感器还可以使用其他标准板上芯片(chip-on-board)技术安装到衬底，这些技术包括引线键合和载带自动键合 (TAB)。 X轴和Y轴传感器具有未示出的输入/输出(I/O)焊盘，这 些输入/输出(I/O )焊盘电连接到位于衬底12上的相应I/O焊盘60、 62，且为焊料填充的通孔的形式，如图2最佳地示出。
该传感器封装还包含对沿Z轴的磁力敏感的Z轴传感器电路元件 40。 Z轴传感器置于形成于衬底12顶面14上的沟道50内。沟道50 的宽度对应于Z轴传感器4 0的厚度，沟道深度的大小为使得Z轴传感 器40与X轴和Y轴传感器的顶面相比不会垂直延伸更远，如图4C和 4D所示。Z轴传感器40还具有包括焊料凸点68的I/O焊盘66，这些 1/0焊盘66仅沿传感器的一个边缘布置成垂直阵列。如图3最佳地看 出，焊盘66与在形成沟道50时在衬底12内形成的相应的焊料填充的 通孔64电连接。焊料填充的通孔64完全延伸穿过衬底12，如图8所 示。使传感器焊料凸点68接触通孔64，则可以使用标准回流工艺与X 轴和Y轴传感器一起制作Z轴传感器40连接。
参考图3和4， 一旦传感器均已经牢固地安装到衬底，则该封装 被包封层70包封，如图4D最佳地示出。包封是一种批工艺，其中装 置的面板被包封材料覆盖或填充、固化，并切割成单个装置。该工艺 在常规封装技术中是标准工艺。在包封之后，封装的总高度小于 1. 2mm。
图5-7示出了本发明的备选实施例，其中组合的X/Y轴传感器 电路元件120被用来替代分离的X轴和Y轴传感器。组合传感器120 使用I/O焊盘160安装在衬底112上。Z轴传感器140按照上述结合Z 轴传感器40所述相同的方式插入到衬底112内的沟道150内。如图所 示，传感器140的I/O焊盘166与焊料填充的通孔164连接。参考图9和10，示出了传感器封装IO，和10"的备选设计。图9 示出了无引线芯片栽具(LCC) 12，上用于Z轴传感器的沟道50'的
配置。该LCC沿其外部周围具有用于连接到PCB的I/O焊盘80。 X轴 和Y轴传感器置于位于衬底顶面上的单个封装(未示出)内，各个传 感器具有用于与衬底顶面上相应I/O焊盘电连接的I/O焊盘(未示 出)。在LCC设计中，衬底顶面上的相应1/0焊盘为焊料填充的通孔的 形式，这些焊料填充的通孔延伸到衬底底面并接触底面上的金属焊盘 (未示出)。通孔随后接触金属焊盘，金属焊盘反过来接触外部周围上 的I/O焊盘80。随后可以建立与置于衬底外部周围上的I/O焊盘80 的电连接。LCC焊盘在成品配置中露出。图IO示出了球栅阵列(BGA) 12"上用于Z轴传感器的沟道50"。 该BGA具有形式为置于衬底顶面上的焊料球90形式的1/0焊盘，用于 附着到X轴和Y轴传感器。X轴和Y轴传感器置于位于衬底顶面上的单 个封装(未示出)内。BGA焊盘90在产品配置中被包封。还提供了一种用于安装Z轴传感器电路元件的方法。如上所述，Z 轴传感器电路元件将其所有I/O焊盘沿传感器的一个边缘布置成垂直 阵列。这些焊盘为沿Z轴传感器边缘的焊料凸点。该方法包括从刚性 衬底或者备选的PCB中切割出沟道，该沟道具有与Z轴传感器厚度对 应的宽度，且具有足够长的深度，使得Z轴传感器与X轴和Y轴传感 器相比不延伸越过衬底顶面更远。在沟道形成时，通孔形成于沟道的 顶部边缘。这些通孔随后被焊料填充。Z轴传感器置于衬底内的沟道 内，使得该Z轴传感器可以测量沿Z轴的磁场。Z轴传感器随后插入到 沟道内，凸点焊盘停留在衬底表面上并因此接触焊料填充的通孔。随 后涂敷焊膏以将焊盘保持在恰当位置，且随后可以使用标准回流工艺 在Z轴传感器和刚性衬底之间形成电连接。该封装被包封，且封装的 总高度小于1. 2mm。对于所有上述实施例，传感器电路元件上的I/O焊盘优选地使用 选自下述组的方法来安装在衬底上引线键合、倒装芯片、焊料凸点、 柱凸点(stud bumping )、导电环氧树脂、以及例如载带自动键合(TAB ) 的柔性互连键合技术。备选地，X轴传感器电路元件可包括位于第一面 上的I/0焊盘，用于电连接到Y轴传感器电路元件，且I/0焊盘优选 地使用选自下述组的方法来安装在衬底上引线键合、倒装芯片、焊 料凸点、柱凸点、导电环氧树脂、以及例如载带自动键合(TAB)的柔 性互连键合技术。因此，X轴传感器电路元件可以电连接到Y轴传感
电路元件。在另外其他实施例中，传感器电路元件为固态传感器，而在其他 实施例中，传感器电路元件为磁性传感器。在另外其他实施例中，传 感器电路元件为倾斜传感器。在另外其他实施例中， 一个或多个该传 感器电路元件可以为一种类型的传感器，例如磁性或倾斜传感器，且 一个或多个其他传感器电路元件可以为不同类型的传感器，例如可以 提供垂直支持边缘的固态芯片。在另外其他实施例中， 一个或多个该 传感器电路元件可以为任意类型的传感器，例如磁性或倾斜传感器， 且一个或多个其他传感器电路元件可以为任意固态芯片，无论其是否 为真实传感器，只要其包括可以为该传感器电路元件提供支持的传感 器电路元件界面边缘即可。在特定实施例中，z轴传感器电路元件通过选自下述组的方法而 电连接到衬底引线键合、倒装芯片、焊料凸点、柱凸点、导电环氧 树脂、以及例如载带自动键合(TAB)的柔性互连键合技术。尽管本发明的特定特征和实施例已经在此得到详细描述，但是应 该理解，本发明包括落在所附权利要求书范围和精神内的所有变化和 改进。
权利要求
1.一种传感器封装，包括刚性衬底，所述刚性衬底具有顶面，所述顶面包括沟道；X轴传感器，置于所述刚性衬底的顶面上用于感测沿X轴的磁场，所述X轴传感器包括输入/输出焊盘；Y轴传感器，置于所述刚性衬底的顶面上用于感测沿Y轴的磁场，所述Y轴传感器包括输入/输出焊盘；Z轴传感器，置于所述刚性衬底的顶面中的所述沟道内，用于感测沿Z轴的磁场，所述Z轴传感器包括输入/输出焊盘；以及相应的输入/输出焊盘，置于所述刚性衬底的顶面上，用于电连接到各个传感器上的对应输入/输出焊盘。
2. 如权利要求1所述的传感器封装，还包括围绕所述封装的包封层， 包括该包封层的所述封装的高度小于1. 2mm。
3. 如权利要求1所述的传感器封装，其中所述Z轴传感器上的所述 输入/输出焊盘沿所述传感器的一个边缘布置成垂直阵列，且电连接所述 刚性衬底上的相应输入/输出焊盘。
4. 如权利要求3所述的传感器封装，其中所述Z轴传感器上的输入 /输出焊盘通过焊料凸点电连接到所述刚性衬底。
5. 如权利要求4所述的传感器封装，其中所述刚性衬底上的输入/ 输出焊盘包括置于所述沟道顶部边缘的焊料填充的通孔。
6. 如权利要求1所述的传感器封装，其中所述沟道具有一宽度，且 所述宽度对应于所述Z轴传感器的厚度。
7. 如权利要求1所述的传感器封装，其中所述刚性衬底上的输入/ 输出焊盘按照无引线芯片载具设计布置于外部周围上。
8. 如权利要求1所述的传感器封装，其中所述刚性衬底上的输入/ 输出焊盘按照球栅阵列设计在所述衬底顶面的中心布置成格栅。
9. 如权利要求1所述的传感器封装，其中所述刚性衬底为印刷电路板。
全文摘要
本发明提供了一种传感器封装(10)，包括分别安装到刚性衬底(12)顶面(14)的X轴传感器电路元件(20)、Y轴传感器电路元件和Z轴传感器电路元件(40)。为了最小化该封装的高度，在衬底的顶面切割出沟道(50)以容纳Z轴传感器电路元件(40)。在Z轴传感器电路元件上，输入/输出(I/O)焊盘(66)都沿传感器的一个边缘布置成阵列，以与置于沟道(50)的顶部边缘(14)的衬底(12)上的I/O焊盘或焊料填充的通孔(64)导电协作。一旦传感器(20，30，40)均安装到衬底，则该封装被包封，且总高度小于1.2mm。
文档编号G01C17/28GK101120263SQ200580048146
公开日2008年2月6日 申请日期2005年12月15日 优先权日2004年12月22日
发明者H·万, M·博林格 申请人:霍尼韦尔国际公司