微機(jī)械傳感器設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微機(jī)械傳感器設(shè)備。本發(fā)明還涉及一種用于制造微機(jī)械傳感器設(shè)備的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]用于測(cè)量加速度、轉(zhuǎn)速和磁場(chǎng)的微機(jī)械傳感器是已知的并且制造用于在汽車和大規(guī)模生產(chǎn)的消費(fèi)者領(lǐng)域中的不同應(yīng)用。傳統(tǒng)地在消費(fèi)領(lǐng)域中還主要由以三軸加速度傳感器、三軸轉(zhuǎn)速傳感器和三軸磁場(chǎng)傳感器形式的分離的傳感器模塊示出不同的傳感參量，然而具有朝系統(tǒng)集成方向的趨勢(shì)，也就是說(shuō)6D元件作為羅盤(pán)模塊(加速度和磁場(chǎng)的測(cè)量)或IMU (英語(yǔ):慣性測(cè)量單元，加速度和轉(zhuǎn)速的測(cè)量)的或9D元件(加速度和轉(zhuǎn)速和磁場(chǎng)的測(cè)量)的實(shí)現(xiàn)。
[0003]在現(xiàn)有技術(shù)中通常在一個(gè)塑料殼體(例如LGA、BGA、QFN)中安裝用于不同測(cè)量參量的多個(gè)芯片作為所謂的系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)。所述系統(tǒng)具有不同的分離的芯片，它們借助于引線鍵合連接或通過(guò)焊球在功能上連接。
[0004]替代地，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和專用集成電路(ASIC)芯片已經(jīng)可以垂直集成到晶片層面上。垂直集成在此表示MEMS和在復(fù)合體中的ASIC晶片的接合，其中，建立在MEMS功能元件與ASIC之間的電接觸。用于垂直集成方法的例子例如在:文獻(xiàn)US 7 250 353 B2、US 7 442 570 B2、US2010 0109102 AU US 2011 0049652 AU US 2011 0012247 AU US20120049299 Al 和 DE 10 2007 048604A1 中描述。
[0005]除塑料封裝以外，也已知所謂的“裸片”系統(tǒng)，其中，硅芯片直接通過(guò)焊球焊接到應(yīng)用電路板上。因?yàn)樵谶@些系統(tǒng)中省去了塑封再封裝，這些傳感器的突出之處在于特別小的基面(英語(yǔ)-footprints (表面區(qū)域))。MEMS慣性傳感器的裸片構(gòu)造是已知的。在這樣的常規(guī)加速度傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器中，ASIC—一其面積顯著小于MEMS元件的面積一一通過(guò)小的焊球與MEMS元件連接。MEMS元件包括再接線層面(英語(yǔ):再分布層)，該再接線層面實(shí)現(xiàn)了靈活的接線并且為了外部接通可以設(shè)有大的焊球，所述焊球的高度超過(guò)ASIC厚度加上小的焊球的厚度。相應(yīng)的傳感器設(shè)備例如在文獻(xiàn)US 2012 0119312 Al中描述，其中，一個(gè)MEMS元件分別與一個(gè)ASIC構(gòu)件連接，根據(jù)參量比例或者M(jìn)EMS構(gòu)件或者ASIC構(gòu)件設(shè)有外部觸點(diǎn)。
[0006]對(duì)于磁傳感機(jī)構(gòu)應(yīng)用不同的物理原理和測(cè)量方法，例如磁阻層(AMR、GMR)的阻性測(cè)量、在軟磁材料(磁通門(mén)或翻轉(zhuǎn)芯(Flipcore)原理)中電感的測(cè)量或霍爾效應(yīng)的利用。所述技術(shù)解決方案中的多個(gè)需要施加附加的磁層或磁阻層并且因此提高制造過(guò)程的復(fù)雜性和成本。尤其常見(jiàn)的是以下方法:在所述方法中直接在CM0S-ASIC上施加磁層或磁阻層。
[0007]日益地也使得傳感器模塊“更智能”，這意味著，進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的更強(qiáng)的預(yù)處理，以便由此例如計(jì)算四元數(shù)并且將這些已經(jīng)預(yù)處理的信息向外提供到應(yīng)用上。對(duì)此需要附加的微控制器功能，其中，微控制器原理上可以共同集成或單獨(dú)應(yīng)用在傳感器ASIC中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的任務(wù)在于，提供改進(jìn)的高度集成的微機(jī)械傳感器。
[0009]根據(jù)第一方面，該任務(wù)借助微機(jī)械傳感器設(shè)備解決，該微機(jī)械傳感器設(shè)備具有:
[0010]一個(gè)未經(jīng)封裝的第一傳感器裝置；和
[0011]至少一個(gè)未經(jīng)封裝的第二傳感器裝置，其中，所述傳感器裝置相互在功能上連接，其中，傳感器裝置基本上垂直地如此相疊地設(shè)置，使得在基面方面較大的傳感器裝置完全覆蓋在基面方面較小的傳感器裝置。
[0012]根據(jù)第二方面，該任務(wù)借助用于制造微機(jī)械傳感器設(shè)備的方法解決，該方法具有以下步驟:
[0013]構(gòu)造未經(jīng)封裝的第一傳感器裝置；
[0014]構(gòu)造至少一個(gè)未經(jīng)封裝的第二傳感器裝置；
[0015]在功能上連接兩個(gè)傳感器裝置；以及
[0016]如此相互垂直設(shè)置所述兩個(gè)傳感器裝置，使得所述兩個(gè)傳感器裝置基本上垂直地如此相疊地設(shè)置，使得在基面方面較大的傳感器裝置完全覆蓋在基面方面較小的傳感器裝置。
[0017]有利地，根據(jù)本發(fā)明的傳感器設(shè)備需要在應(yīng)用電路板上的小的空間需求。此外基于以下事實(shí)可以對(duì)于傳感器設(shè)備實(shí)現(xiàn)非常高的集成化程度:裸片方案在沒(méi)有任何再封裝的情況下應(yīng)用。對(duì)于以下情況按照根據(jù)本發(fā)明的方案多個(gè)第二傳感器裝置連同第一傳感器裝置可實(shí)現(xiàn)為傳感器設(shè)備:第一傳感器裝置具有大的面積需求。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備和根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)選實(shí)施方式是從屬權(quán)利要求的主題。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的傳感器設(shè)備的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的突出之處在于，傳感器裝置借助于第一焊球相互在功能上連接，其中，傳感器設(shè)備借助于第二焊球向外可接通。通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)了倒裝芯片方案，借助該方案能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器設(shè)備的可靠和成本有利的電接通。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的傳感器設(shè)備的另一優(yōu)選實(shí)施方式的突出之處在于，第一傳感器裝置包括MEMS結(jié)構(gòu)和ASIC(專用集成電路)晶片。通過(guò)這種方式，按照根據(jù)本發(fā)明的方案實(shí)現(xiàn)一種慣性傳感器，分析處理電路固定在該慣性傳感器的ASIC晶片上。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的傳感器設(shè)備的另一優(yōu)選實(shí)施方式設(shè)定，能夠?qū)щ姷逆I合連接構(gòu)造在兩個(gè)傳感器裝置之間，其中，電覆鍍通孔(Durchkontaktierung)構(gòu)造在ASIC晶片中，其中，兩個(gè)傳感器裝置借助于鍵合連接和覆鍍通孔可相互電接通。通過(guò)這種方式以ASIC晶片提供用于MEMS元件的封裝。能夠?qū)щ姷逆I合連接具有兩個(gè)功能:一方面其提供用于傳感器設(shè)備的密封性并且另一方面其實(shí)現(xiàn)了傳感器裝置之間的電連接。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的傳感器設(shè)備的另一有利的擴(kuò)展方案設(shè)定，ASIC晶片還具有電再接線裝置。通過(guò)這種方式提供以下可能性:實(shí)現(xiàn)靈活的電連線并且安裝焊球，借助于焊球在應(yīng)用電路板上接通整個(gè)傳感器設(shè)備。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的傳感器設(shè)備的另一優(yōu)選實(shí)施方式設(shè)定，第二傳感器裝置具有來(lái)自以下的至少一個(gè):磁傳感器、ASIC芯片、無(wú)線電模塊、微控制器。通過(guò)這種方式可以有利地實(shí)現(xiàn)多種傳感器方案，其可以檢測(cè)并且處理多個(gè)不同的物理測(cè)量參量。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的傳感器設(shè)備的另一優(yōu)選實(shí)施方式設(shè)定，第一傳感器裝置是9D傳感器。通過(guò)這種方式可以在第一傳感器裝置中有利地已經(jīng)集成磁傳感機(jī)構(gòu)。借助于附加的微型運(yùn)算器可以有利地進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的傳感器設(shè)備的另一優(yōu)選實(shí)施方式設(shè)定，第一傳感器裝置具有罩晶片，其中，第二傳感器裝置設(shè)置在罩晶片上，其中，罩晶片具有電覆鍍通孔，其中，罩晶片借助于鍵合連接鍵合到ASIC晶片上。在該變型中罩晶片承擔(dān)提供整個(gè)傳感器設(shè)備的密封性或密閉性的功能以及向下引導(dǎo)電觸點(diǎn)的功能。
[0026]根據(jù)傳感器設(shè)備的另一優(yōu)選實(shí)施方式設(shè)定，罩晶片借助于鍵合連接鍵合到MEMS結(jié)構(gòu)的微機(jī)械功能層上。通過(guò)這種方式可以有利地實(shí)現(xiàn)用于根據(jù)本發(fā)明的傳感器設(shè)備的替代的制造過(guò)程。
[0027]根據(jù)傳感器設(shè)備的另一優(yōu)選實(shí)施方式設(shè)定，罩晶片包括另一 ASIC晶片。通過(guò)這種方式可以對(duì)于傳感器設(shè)備有利地實(shí)現(xiàn)還更大的集成密度。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的傳感器設(shè)備的優(yōu)選實(shí)施方式的突出之處在于，在焊接工藝之后第二焊球的垂直延展大于由第一焊球和第二傳感器裝置組成的總垂直延展。借助焊球的特定的尺寸大小確定，實(shí)現(xiàn)至少一個(gè)第二傳感器裝置在第一傳感器裝置之下的完全設(shè)置以及整個(gè)傳感器設(shè)備在應(yīng)用電路板上的電接通。
[0029]下面以另外的特征和優(yōu)點(diǎn)根據(jù)多個(gè)附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。在此所有所述的或所示的特征自身或以任意組合地構(gòu)成本發(fā)明的主題，而與其在權(quán)利要求中的概括或其引用關(guān)系無(wú)關(guān)，以及與其在描述或附圖中的表達(dá)或表示無(wú)關(guān)。附圖主要考旨在闡明本發(fā)明本質(zhì)的原理。相同或功能相同的元件以相同的參考標(biāo)記表示。
【附圖說(shuō)明】
[0030]附圖中示出:
[0031]圖1:根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械傳感器設(shè)備的第一實(shí)施方式；
[0032]圖2:根據(jù)本發(fā)明的傳感器設(shè)備的另一實(shí)施方式；
[0033]圖3:根據(jù)本發(fā)明的傳感器設(shè)備的另一實(shí)施方式；
[0034]圖4:根據(jù)本發(fā)明的傳感器設(shè)備的另一實(shí)施方式；以及
[0035]圖5:根據(jù)本發(fā)明的方法的實(shí)施方式的原理流程。
【具體實(shí)施方式】
[0036]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械傳感器設(shè)備100的第一實(shí)施方式的剖面圖。第一傳感器裝置10具有襯底1，該襯底設(shè)置在微機(jī)械功能層2上。通過(guò)這種方式借助于襯底I和微機(jī)械功能層2實(shí)現(xiàn)MEMS結(jié)構(gòu)。借助于能夠?qū)щ姷逆I合連接3，MEMS結(jié)構(gòu)與ASIC晶片4(英語(yǔ):專用集成電路)導(dǎo)電連接。在ASIC晶片4內(nèi)構(gòu)造一個(gè)或多個(gè)電覆鍍通孔5 (TSV，英語(yǔ):硅通孔)，其將電信號(hào)從ASIC 4的有效的電路側(cè)引導(dǎo)至ASIC晶片4的背側(cè)上的一個(gè)或多個(gè)再接線層面6。在此實(shí)現(xiàn)了電再接線以及在限定的焊盤(pán)上施加焊球30、40的可能性。第一焊球30用于在ASIC晶片4上焊接第二傳感器裝置20并且因此也能夠?qū)崿F(xiàn)在第一傳感器裝置10與第二傳感器裝置20之間的電信號(hào)流。
[0037]第二傳感器裝置20可以例如構(gòu)造為具有磁阻層21的磁傳感器，構(gòu)造為微處理器、功能模塊或諸如此類?？吹贸觯麄€(gè)傳感器設(shè)備100在ASIC晶片4的下側(cè)上具有焊球40，借助于所述焊球傳感器設(shè)備100可以電接通到電路板(未示出)上。第二焊球40的高度應(yīng)在焊接過(guò)程之后大于第一焊球連同第二傳感器裝置20的垂直尺寸。
[0038]由此實(shí)現(xiàn)了，第二傳感器裝置20基本上完全設(shè)置在第一傳感器裝置10之下并且可以裝配在電路板上，而第二傳感器裝置20不接觸應(yīng)用電路板。結(jié)果，這有利地意味著空間節(jié)省和示出的裸片傳感器結(jié)構(gòu)的因此非常高的集成密度。對(duì)于第二傳感器裝置20具有比第一傳感器裝置10顯著更小的基面的這種情況可能的是:通過(guò)這種方式將多個(gè)第二傳感器裝置20完全放置在第一傳感器裝置10之下。
[0039]圖1因此示出了 9D傳感器的可能的實(shí)現(xiàn)方式。對(duì)此，首先分離地制造以具有自身電子分析處理電路的集成磁傳感器形式的第二傳感器裝置20和第一傳感器裝置10作為集成的慣性傳感器，優(yōu)選為6D元件。慣性傳感器優(yōu)選被封裝用于保護(hù)微機(jī)械功能層2并且必要時(shí)用于包圍一個(gè)限定的內(nèi)壓或者一一在用于轉(zhuǎn)速傳感器和加速度傳感器的分離的腔的情況下一一兩個(gè)不同的限定的內(nèi)壓。
[0040]一個(gè)優(yōu)選的實(shí)現(xiàn)方式在于，如在圖1中原理上所示，將ASIC晶片4用作具有MEMS襯底I和微機(jī)械功能層2的慣性MEMS元件的封裝裝置。然而用于慣性傳感器的垂直集成或單片集成和封裝的其他形式也是可能的，例如如在現(xiàn)有技術(shù)中所述的文獻(xiàn)中。
[0041]焊球30、40設(shè)置在一個(gè)或多個(gè)再接線層面6上的為此設(shè)定的焊盤(pán)上。除其他因素以外，焊盤(pán)的面積決定焊球30、40的大小(直徑和高度)。因此尤其可能的是，在適合的過(guò)程進(jìn)行中在單個(gè)過(guò)程步驟中不僅施加具有大的高度的第二焊球40而且施加具有顯著更小高度的第一焊