一种多自由度微传感器模块及其封装的制作方法

一种多自由度微传感器模块及其封装的制作方法
【专利摘要】一种多自由度微传感器模块及其封装，包括：多自由度MEMS加速度计、多自由度MEMS陀螺仪、多自由度MEMS磁传感器、MEMS压力传感器、GPS/北斗导航芯片、ASIC集成电路，其特征在于所述的多自由度MEMS加速度计、多自由度MEMS陀螺仪、多自由度MEMS磁传感器、MEMS压力传感器、GPS/北斗导航芯片、ASIC集成电路通过基于基板的封装技术进行封装集成或通过系统级封装技术进行封装集成为一体化模块。本发明还提供了该模块的多种封装方式。本发明的优点是不仅能为设备提供多自由度的物理量检测，更能极大地降低多种传感器的设计和封装成本，提高传感器的可靠性，使多功能传感器的应用领域更广泛。
【专利说明】一种多自由度微传感器模块及其封装
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测量模块，特别涉及一种多自由度微传感器模块。
【背景技术】
[0002]多自由度MEMS (微电子机械系统)加速度计可以测量物体在三个方向上的加速度量，多自由度MEMS陀螺仪可以测量物体多个方向上的角速度量、多自由度MEMS磁传感器可以测量物体多个方向的磁通量、MEMS压力传感器可以测量某点的压力量、GPS/北斗导航芯片可以进行定位。现在每个单个的传感器都已经在消费、汽车等领域有了很大的应用，但目前尚没有将这多种传感器进行封装集成为一个多自由度的微传感器模块的设计及制造方法。
[0003]而多自由度集成封装的微传感器模块，不仅能为设备提供多自由度的物理量检测，更能极大地降低多种传感器的设计和封装成本，提高传感器的可靠性，使多功能传感器能够应用于导航、汽车、手持电子器件、游戏以及机器人等领域。

【发明内容】

[0004]本发明的目的是针对已有技术中存在的缺陷，提供一种多自由度微传感器模块。
[0005]本发明通过基于基板的封装技术或系统级封装技术，将多自由度MEMS加速度计、多自由度MEMS陀螺仪、多自由度MEMS磁传感器、MEMS压力传感器、GPS/北斗导航芯片通过封装进行集成。从而在很小的封装体积内低成本地实现多自由度、多参数的测量，而且方便安装与使用。
[0006]本发明的多自由度微传感器模块包括:多自由度MEMS加速度计、多自由度MEMS陀螺仪、多自由度MEMS磁传感器、MEMS压力传感器、GPS/北斗导航芯片、ASIC集成电路，其特征在于所述的多自由度MEMS加速度计、多自由度MEMS陀螺仪、多自由度MEMS磁传感器、MEMS压力传感器、GPS/北斗导航芯片、ASIC集成电路通过基于基板的封装技术进行封装集成或通过系统级封装(简称SiP)技术进行封装集成为一体化模块。
[0007]所述传感器为裸片或紧凑型封装件或基于CMOS工艺的具有多通道的传感器信号调理能力的裸片或紧凑型封装集成件，所述专用传感器芯片被制作在封帽中。
[0008]本发明还提供了多自由度微传感器模块的多种封装方法。
[0009]多自由度微传感器模块的基板封装:将多自由度MEMS加速度计、多自由度MEMS陀螺仪、多自由度MEMS磁传感器、MEMS压力传感器、GPS/北斗导航芯片平面放置在基板一侧或两侧或者隐埋在基板中央的某一层上。
[0010]所述基板为陶瓷基板或环氧玻璃布层压板(FR4基板)或硅基板或柔性基板或直接敷铜陶瓷(简称DBC)基板或直接电镀陶瓷(简称DPC)基板或印刷电路板(简称PCB基板)，印刷电路板(简称PCB基板)、环氧玻璃布层压板(简称FR4基板)的材料为覆铜板和铝基板。[0011 ] 所述PCB基板、FR4基板，在基板的中间线处设有一腔体，腔体处于应力低区域，应力低区域比基板表面应力低1/3?2/3。[0012]所述印刷电路板用卷对卷制程技术，采用挠性覆铜板，通过贴膜、曝光、湿洗流程，在挠性覆铜板形成电路，所述挠性覆铜板上附着一层保护挠性覆铜板及键合材料的厚度为50 μ m~100 μ m的薄层材料。
[0013]将多种传感器集成在陶瓷基板上，用于封装的传感器芯片为单个或多个传感器芯片堆叠集成后再封装在陶瓷基板上，陶瓷基板表面和内部设有布线层，所述陶瓷基板上设有凹槽，一个或者多个传感器被封装在凹槽之中，用盖帽与陶瓷基板键合起来将传感器封装在腔体内部，所述凹槽内填充满保护材料或按传感器轮廓涂覆一薄层保护材料。
[0014]将多种传感器传感器隐埋在基板中央的某一层上(隐埋式封装)，传感器芯片与基板连接方式为倒装焊或引线键合方式，隐埋的传感器上方根据传感器的轮廓保形涂覆一层薄层保护材料，隐埋传感器的空腔内完全填满保护材料或不填充任何保护介质，隐埋传感器的空腔上方盖有保护盖板，盖板上的键合环区域为带有缓冲腔的双墙结构，该双墙结构用于单个传感器或多个传感器集成的真空封装，或用于整个传感器模块的真空封装。
[0015]多自由度微传感器模块的系统级封装方式:将多自由度MEMS加速度计、多自由度MEMS陀螺仪、多自由度MEMS磁传感器、MEMS压力传感器、GPS/北斗导航芯片以及ASIC集成电路利用中介层(interposer)进行垂直堆叠、垂直加平面堆叠方式进行封装。
[0016]所述中介层由玻璃材料制作，中介层制作方法为深孔刻蚀、制作绝缘层、制作阻挡层、制作种子层、深孔填充金属材料，或采用深孔刻蚀、铜柱阵列制作、铜柱装配。其内部连接方式为铜柱直接连接或铜柱上加有铅或无铅焊料进行连接，所述中介层，其上面的通孔的直径要比铜柱的直径要大，以保证足够的装配公差，以及在使用和可靠性测试中铜柱与侧壁不碰撞，铜柱装配后的通孔由低模量的材料(包括硅胶)进行填充或不填充。
[0017]在系统级封装(SiP)方式中将多自由度MEMS加速度计、多自由度MEMS陀螺仪、多自由度MEMS磁传感器、MEMS压力传感器以及ASIC集成电路采用阵列式引线框架封装方式，在框架上组成阵列分布，各传感器和集成电路通过金凸点焊球与框架连接，所述金凸点焊球采用引线键合技术进行植球制作，所述引线框架为普通的引线框架或是经冲压具有低应力的引线框架。
[0018]多自由度微传感器模块的的圆片级塑料封装方式:圆片级塑料封装技术(plasticwafer lever package)，在晶圆级封装平台将多自由度MEMS加速度计、多自由度MEMS陀螺仪、多自由度MEMS磁传感器、MEMS压力传感器、ASIC集成电路通过粘附剂键合到晶圆上，晶圆采用微细玻璃球高掺杂塑料通过低温加工，用塑料将微细玻璃球粘合在一起制作成的晶圆其热膨胀系数可以达到7-9ppm，微细玻璃球高掺杂塑料晶圆，用传统IC工艺在表面制作电路实现平面互连或通过激光打孔工艺实现垂直互连。
[0019]多自由度微传感器模块的真空封装方式中将多自由度MEMS加速度计、多自由度MEMS陀螺仪垂直堆叠或者水平堆叠在基板上与盖帽键合进行真空封装，在真空封装结构之外采用盖帽与基板进键合进行真空封装，再与MEMS压力传感器、多自由度MEMS磁传感器进行系统级封装集成，该双真空封装结构可以用于单个传感器的封装，也可以用于多个传感器的封装。
[0020]多自由度微传感器模块的真空封装方式中用于盖帽和基板进行键合形成真空腔的盖帽上的键合环区域采用带有缓冲腔的双墙结构。该双墙结构既可以用于单个传感器或者多个传感器集成的真空封装，也可以用于整个传感器模块的真空封装。[0021]封装方式中还包含触点阵列封装(LGA)、球栅阵列封装(BGA)、基板侧面加工有用于信号互连的金属面。
[0022]本发明的优点是通过封装技术，实现了多种传感器的高度集成，以很小的体积实现了多自由度的物理量检测，更能极大地降低多种传感器的设计和封装成本，提高传感器的可靠性。同时极大得降低了模块设计、系统设计的成本，为系统的多功能化、小型化提供条件。使多功能传感器能够更广泛应用于导航、汽车、手持电子器件、游戏以及机器人等领域。
【专利附图】

【附图说明】
[0023]图1多自由度微传感器芯片基于基板的集成方式结构示意图；
[0024]图2基板上的引线框架不意图；
[0025]图3基板的集成方式下专用集成电路与多自由度微传感芯片集成后再进行封装结构示意图；
[0026]图4多自由度微传感器芯片基于系统级封装的结构示意图；
[0027]图5多自由度微传感器芯片基于系统级封装的集成方式结构示意图；
[0028]图6将专用集成电路制作与封帽内的封装结构示意图；
[0029]图7系统级封装技术所采用的中介层的制作方法流程示意图(一)；
[0030]图8系统级封装技术所采用的中介层的制作方法流程示意图(二)；
[0031 ] 图9硅通孔(TSV)结构示意图；
[0032]图10硅通孔(TSV)结构示意图；
[0033]图11隐埋式封装方法的结构示意图(一)；
[0034]图12隐埋式封装方法的结构示意图(二)；
[0035]图13隐埋式封装方法的结构示意图(三)；
[0036]图14隐埋式封装方法的结构示意图(四)；
[0037]图15隐埋式封装方法的结构示意图(五)；
[0038]图16真空封装方法(双墙)的结构示意图；
[0039]图17真空封装方法(双真空)的结构示意图；
[0040]图18基于挠性覆铜基板的集成封装形式的结构示意图；
[0041]图19采用圆片级塑料封装技术进行封装的结构示意图。
[0042]图中:1多自由度MEMS陀螺仪、Ia甲芯片、Ib乙芯片、2多自由度MEMS加速度计、3MEMS压力传感器、4多自由度MEMS磁传感器、5封帽、5a封帽、5b封帽、5c保护盖板、6GPS/北斗导航芯片、7基板、7a基板、7b挠性覆铜板、8焊料、9焊点、9a焊球、9b焊球、10ASIC集成电路、11、12填充物、12a保护材料、14中介层、15通孔、15a铜柱、16低模量的材料、17引线、17a柔性电路、18保护材料、19薄层保护材料、20传感器芯片。
【具体实施方式】
[0043]下面结合附图进一步说明本发明的实施例:
[0044]实施例一
[0045]参见图1，本发明的多自由度微传感器模块由多自由度MEMS陀螺仪1、多自由度MEMS加速度计2、MEMS压力传感器3、多自由度MEMS磁传感器4、GPS/北斗导航芯片6、ASIC集成电路10组成。这四种MEMS传感器及专用集成电路通过焊料8与带互连的基板7进行平面阵列集成，并由焊点9将信号引出。为了提升可靠性，本实施例所述的传感器模块可以采用封帽5进行保护。将ASIC集成电路做在封帽中与传感器芯片集成。传感器既可以是裸片，也可以是紧凑型封装件。或者某种传感芯片进行单芯片集成，也可以是基于CMOS工艺的具有多通道的传感器信号调理能力的裸片或紧凑型封装集成件。
[0046]本实施例的ASIC集成电路和MEMS传感器芯片，既可以像图1所示那样被安放在基板的表面，也可以将其放在基板中间的某一层上，或者平面放置在基板的两侧。基板可以选用陶瓷基板、FR4基板、硅基板、柔性基板、DBC (直接敷铜陶瓷)基板、DPC (直接电镀陶瓷)基板、铝基板。也可选用印刷电路板(PCB板)、FR4材料基板，其中印刷电路板(PCB板)、FR4材料基板的基板材料可以是覆铜板和招基板。
[0047]本实施例所述带互连功能的基板上有阵列式引线框架，如图2所示，17a为引线框架，7a为基板，各传感器和集成电路通过金凸点焊球9a与框架连接。金凸点焊球的制作方法是引线键合技术进行植球从而获得的。本实施例中所述的引线框架，可以是一般的引线框架，也可以是通过冲压引线框架，获得具有低应力的引线框架。
[0048]封装时用真空封装方法:用于和基板进行键合形成真空腔的盖帽上的键合环区域采用带有缓冲腔的双墙结构。该双墙结构既可以用于单个传感器或者多个传感器集成的真空封装，也可以用于整个传感器模块的真空封装。本实施例利用双墙结构进行封装如图16所示多自由度MEMS陀螺仪1、多自由度MEMS加速度计2、MEMS压力传感器3、多自由度MEMS磁传感器4组成。这四种MEMS传感器通过焊料8与基板7进行平面阵列集成，由封帽5进行保护，封帽5具有双墙结构，整个传感器模块的由焊点9将信号引出。
[0049]实施例二
[0050]与实施例一相同，所不同的是实施例一中所提到的多自由度MEMS陀螺仪1、多自由度MEMS加速度计2、MEMS压力传感器3、多自由度MEMS磁传感器4、GPS/北斗导航芯片6分别于ASIC集成电路集成，然后在基板上进行集成，如图3所示。而本实施例其集成方法如图6所示，将ASIC集成电路芯片10制作在MEMS传感器的封帽中。
[0051]实施例三
[0052]和实施例一相同，所不同的是集成方案如图4所示通过系统级封装。将多自由度MEMS陀螺仪1，多自由度MEMS加速度计2、MEMS压力传感器3、多自由度MEMS磁传感器4、GPS/北斗导航芯片6，这5种传感器通过系统级封装集成于带互连的基板7上，并通过封帽5a、封帽5b保护。15为通孔，使MEMS压力传感器与外界大气相通。也可以通过双真空方法进行封装，如图17所示，先将多自由度MEMS陀螺仪1、多自由度MEMS加速度计2进行堆叠，在堆叠的结构之外有2层封帽，这两层封帽内部均为真空。然后再与MEMS压力传感器
3、多自由度MEMS磁传感器4进行系统级封装集成，封帽5带有通孔15，使压力传感器3与外界大气互通。
[0053]真空封装双真空方法可以是将多自由度MEMS加速度计2、多自由度MEMS陀螺仪垂直堆叠或者水平堆叠在基板上与盖帽键合进行真空封装，在真空封装结构之外采用盖帽与基板进键合进行真空封装，再与MEMS压力传感器、多自由度MEMS磁传感器进行系统级封装集成，该双真空封装结构可以用于单个传感器的封装，也可以用于多个传感器的封装。[0054]实施例四
[0055]和实施例一相同，所不同的是多自由度MEMS陀螺仪1、多自由度MEMS加速度计2、多自由度MEMS磁传感器4、GPS/北斗导航芯片6通过系统级封装与封帽5内，并通过硅通孔TSV与中介层14下的ASIC集成电路10互连，同时，MEMS压力传感器3也与ASIC集成电路10互连。ASIC集成电路10通过填充物12进行保护。参见图5。
[0056]本实施例所采用的中介层(i n t er P ο s er ),其制作方法流程为:深孔刻蚀、制作绝缘层、制作阻挡层、制作种子层、深孔填充金属材料，如图7所示。所制作的中介层，其内部连接方式可以是铜柱直接连 接，如图9所示，通过铜柱15a穿过中介层14，连接上下的甲芯片Ia与乙芯片lb。中介层14上的通孔的直径要比铜柱15a的直径要大，以保证足够的装配公差，以及在使用和可靠性测试中铜柱15a与中介层14上的通孔侧壁不碰撞。
[0057]实施例五
[0058]与实施例四相同，所不同的是:中介层14的制作方法采用如下方法流程:深孔刻蚀、铜柱阵列制作、铜柱装配，如图8所示。所采用中介层14的制作材料可以是玻璃。如图10所示，铜柱15a装配后的中介层14上的通孔采用低模量的材料(包括硅胶)16进行填充。
[0059]实施例六
[0060]与实施例一相同，所不同的是采用隐埋式的封装方法，且采用陶瓷叠层封装技术，将用于封装的多种传感器集成在陶瓷基板上，陶瓷基板表面和内部有布线层。隐埋式封装方法如图11所示，传感器芯片20通过倒装经焊料8与基板7连接，隐埋在基板7中间的某一层上。
[0061]实施例七
[0062]与实施例六相同，所不同的是采用引线键合的方式进行连接。如图12所示，传感器芯片20与基板7通过引线17键合进行互连。
[0063]实施例八
[0064]与实施例六相同，所不同的是如图13描述的，在MEMS传感器芯片和专用集成电路芯片的表面，可以保形地涂覆一层保护材料18对其进行保护。也可以采用如图14所示的方式，在隐埋传感器的空腔内将保护材料12a填满整个腔体。
[0065]实施例九
[0066]与实施例六相同，所不同的是如图15描述的MEMS传感器芯片和专用集成电路芯片表面的保护材料并不是必须的，但这必须在基板表面覆盖一层保护盖板5c以封闭腔体，以保护空腔内的传感器。
[0067]实施例十
[0068]与实施例二相同，所不同的是采用卷对卷(roll-to-roll)技术，将各传感器封装在挠性覆铜板7b上。如图18所示，将多自由度MEMS陀螺仪1、多自由度MEMS加速度计2、MEMS压力传感器3、多自由度MEMS磁传感器4、GPS/北斗导航芯片6通过焊球9b键合与挠性覆铜板7b上的柔性电路17a互连，19为薄层保护材料，保护材料19的厚度为50-?00 μ m。用于保护挠性覆铜板及键合材料，并且这层材料可以回流。
[0069]实施例^^一
[0070]与实施例一相同，所不同的是，传感器芯片20采用圆片级塑料封装技术进行封装，如图19所示。将传感器芯片20利用粘附剂键合在塑料晶圆7c上，并通过引线17与晶圆上的引线框架17a相连，并通过盖帽5c对传感器芯片20进行保护。塑料晶圆7c的材料，是通过低温加工，用塑料将微细玻璃球粘合在一起制作成的晶圆，其热膨胀系数可以达到 7_9ppm0
【权利要求】
1.一种多自由度微传感器模块，包括:多自由度MEMS加速度计、多自由度MEMS陀螺仪、多自由度MEMS磁传感器、MEMS压力传感器、GPS/北斗导航芯片、ASIC集成电路，其特征在于将多自由度MEMS加速度计、多自由度MEMS陀螺仪、多自由度MEMS磁传感器、MEMS压力传感器、GPS/北斗导航芯片、ASIC集成电路通过基于基板的封装技术进行封装集成或通过系统级封装技术进行封装集成为一体化模块。
2.根据权利要求1所述的多自由度微传感器模块，其特征在于所述传感器为裸片或紧凑型封装件或基于CMOS工艺的具有多通道的传感器信号调理能力的裸片或紧凑型封装集成件，所述传感器芯片被制作在封帽中。
3.如权利要求1所述的多自由度微传感器模块的基板封装，其特征在于多自由度MEMS加速度计、多自由度MEMS陀螺仪、多自由度MEMS磁传感器、MEMS压力传感器、GPS/北斗导航芯片平面放置在基板一侧或两侧或者隐埋在基板中央的某一层上。
4.根据权利要求3所述的多自由度微传感器模块的基板封装，其特征在于所述基板为陶瓷基板或环氧玻璃布层压板或硅基板或柔性基板或直接敷铜陶瓷基板或直接电镀陶瓷基板或印刷电路板、环氧玻璃布层压板(FR4基板)的材料为覆铜板和铝基板。
5.根据权利要求4所述的多自由度微传感器模块的基板封装，其特征在于所述印刷电路板、环氧玻璃布层压板，在基板的中间线处设有一腔体，腔体处于应力低区域，应力低区域比基板表面应力低1/3~2/3。
6.根据权利要求4所述的多自由度微传感器模块的基板封装，其特征在于所述印刷电路板用卷对卷 制程技术，采用挠性覆铜板，通过贴膜、曝光、湿洗流程，在挠性覆铜板形成电路，所述挠性覆铜板上附着一层保护挠性覆铜板及键合材料的厚度为50μπm-1000μπ?的薄层材料。
7.根权利要求3或4中所述的多自由度微传感器模块的基板封装，其特征在于将多种传感器集成在陶瓷基板上，用于封装的传感器芯片为单个或多个传感器芯片堆叠集成后再封装在陶瓷基板上，陶瓷基板表面和内部设有布线层，所述陶瓷基板上设有凹槽，一个或者多个传感器被封装在凹槽之中，用盖帽与陶瓷基板键合起来将传感器封装在腔体内部，所述凹槽内填充满保护材料或按传感器轮廓涂覆一薄层保护材料。
8.如据权利要求3中所述的多自由度微传感器模块的基板封装，其特征在于所述将多种传感器隐埋在基板中央的某一层上，传感器芯片与基板连接方式为倒装焊或引线键合方式，隐埋的传感器的保护方式为在上方根据传感器的轮廓保形涂覆一层薄层保护材料，或者隐埋传感器的空腔内完全填满保护材料或不填充任何保护介质，或者隐埋传感器的空腔上方设置保护盖板，盖板上的键合环区域为带有缓冲腔的双墙结构，该双墙结构用于单个传感器或多个传感器集成的真空封装，或用于整个传感器模块的真空封装。
9.如权利要求1中所述的多自由度微传感器模块的系统级封装，其特征在于多自由度MEMS加速度计、多自由度MEMS陀螺仪、多自由度MEMS磁传感器、MEMS压力传感器、GPS/北斗导航芯片以及ASIC集成电路利用中介层进行垂直堆叠、垂直加平面堆叠方式进行封装。
10.根据权利要求9中所述的多自由度微传感器模块中的系统级封装，其特征在于所述中介层由玻璃材料制作，其内部连接方式为铜柱直接连接或铜柱上加有铅或无铅焊料进行连接，中介层上面的通孔的直径要比铜柱的直径要大，以保证足够的装配公差，以及在使用和可靠性测试中铜柱与侧壁不碰撞，铜柱装配后的通孔由低模量的材料(包括硅胶)进行填充或不填充。
11.根据权利要求9中所述的多自由度微传感器模块的系统级封装，其特征在于将多自由度MEMS加速度计、多自由度MEMS陀螺仪、多自由度MEMS磁传感器、MEMS压力传感器以及专用集成电路采用阵列式引线框架封装方式，在框架上组成阵列分布，各传感器和集成电路通过金凸点焊球与框架连接，所述金凸点焊球采用引线键合技术进行植球制作，所述引线框架为普通的引线框架或是经冲压具有低应力的引线框架。
12.如权利要求1所述的多自由度微传感器模块的圆片级塑料封装，其特征在于晶圆作为晶圆级封装平台，将多自由度MEMS加速度计、多自由度MEMS陀螺仪、多自由度MEMS磁传感器、MEMS压力传感器以及模块必要的ASIC集成电路通过粘附剂键合到晶圆上，晶圆采用微细玻璃球高掺杂塑料，通过低温加工，用塑料将微细玻璃球粘合在一起制作成的晶圆，其热膨胀系数可以达到7-9ppm。其塑料晶圆可以通过传统IC工艺在表面制作电路实现平面互连，也可以通过激光打孔工艺实现垂直互连。
13.如权利要求1所述的多自由度微传感器模块的真空封装，其特征在于将多自由度MEMS加速度计、多自由度MEMS陀螺仪垂直堆叠或者水平堆叠在基板上与盖帽键合进行真空封装，在真空封装结构之外采用盖帽与基板进键合进行真空封装，再与MEMS压力传感器、多自由度MEMS磁传感器进行系统级封装集成，该双真空封装结构可以用于单个传感器的封装，也可以用于多个传感器的封装。
14.如权利要求13所述的多自由度微传感器模块的真空封装，其特征在于和基板进行键合形成真空腔的盖帽上的键合环区域采用带有缓冲腔的双墙结构，该双墙结构既可以用于单个传感器或者多个传感器集成的真空封装，也可以用于整个传感器模块的真空封装。
【文档编号】G01D21/02GK103968886SQ201310044773
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年2月4日 优先权日:2013年2月4日
【发明者】刘胜, 罗璋, 曹钢, 徐春林, 胡畅, 王小平 申请人:刘胜