一種用于胎壓傳感器的新型系統(tǒng)級封裝技術(shù)

胡建忠，褚華斌

（廣東省粵晶高科股份有限公司，廣州 510663）

1 引言

TPMS（汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)）、安全氣囊和防抱死制動系統(tǒng)是汽車三大安全保障系統(tǒng)。TPMS能實現(xiàn)胎壓異常的報警提示功能，大大保障了出行安全。目前在美國，TPMS是要被強(qiáng)制性安裝的。歐盟正通過立法，計劃從2012年11月開始TPMS將成為強(qiáng)制性的標(biāo)配安全系統(tǒng)。隨著對汽車出行安全的日益重視，中國和其他國家也將很快地逐步將TPMS納入強(qiáng)制性的配備系統(tǒng)。TPMS系統(tǒng)模塊的核心是TPMS IC（胎壓傳感器），它是一個集合MCU、RFIC、MEMS壓力感應(yīng)器等多芯片的復(fù)合IC，采用先進(jìn)的SiP（系統(tǒng)級封裝）技術(shù)封裝成單個器件，具有自動監(jiān)測胎壓、模數(shù)信號轉(zhuǎn)換、信號處理、數(shù)據(jù)無線發(fā)射和自動啟動、休眠與自動喚醒等功能。目前只有國外英飛凌、飛思卡爾和通用電氣等少數(shù)公司具備量產(chǎn)封裝技術(shù)，并申請了大量的專利以保護(hù)其采用的SiP技術(shù)方案，給后來者形成了專利技術(shù)壁壘[1]。廣東省粵晶高科股份有限公司經(jīng)過多年的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化實踐探索，在TPMS IC封裝方面取得了較大的突破，提出了一種新型系統(tǒng)級封裝技術(shù)方案，具有集成度高、設(shè)計彈性大、工藝流程簡單合理和可測試性方案靈活等優(yōu)點，并具有較高的可靠耐用性。

2 TPMS工作原理及TPMS IC封裝特點

TPMS系統(tǒng)方案包括胎壓監(jiān)測信號發(fā)射模塊和信號接收顯示模塊。信號接收顯示模塊位于駕駛室內(nèi)部，而胎壓監(jiān)測信號發(fā)射模塊被安裝在輪胎內(nèi)部輪轂的氣門嘴上。發(fā)射器實時監(jiān)測和處理輪胎的壓力、溫度等數(shù)據(jù)，并通過無線方式發(fā)射到接收器，在顯示器上顯示各種數(shù)據(jù)變化或以蜂鳴報警等形式提醒駕車者注意胎壓異常和行車安全。發(fā)射器由發(fā)射天線、胎壓傳感器及其外圍電路組成。由于位于輪胎內(nèi)部輪轂上，要求發(fā)射器模塊重量輕和外形小，使其不致影響高速旋轉(zhuǎn)車輪的動平衡。另外，輪胎內(nèi)部的高溫、高氣壓、潮濕和高加速度應(yīng)力對發(fā)射器的耐用可靠性提出了較高的期望，又由于發(fā)射器模塊電路一般采用灌封整體保護(hù)，使得延長電池的一次性使用壽命變得尤為重要。所有這些要求，自然就轉(zhuǎn)化作為發(fā)射器核心的TPMS IC需要具備的封裝要求與特點。對于TPMS IC，唯有采用SiP技術(shù)，實現(xiàn)多芯片的集成化，減少芯片間電路互連，以滿足重量輕、外形小、低功耗和高可靠性等封裝要求。

3 新型系統(tǒng)級封裝技術(shù)

TPMS IC包含MCU、RFIC、MEMS壓力傳感器等多個芯片。一般MCU、RFIC需要與外界環(huán)境隔絕的密閉保護(hù)性封裝，而MEMS壓力傳感器封裝既要能保護(hù)芯片，電氣引腳被隔離，又要能傳遞外界環(huán)境氣壓，需要非隔絕的軟封裝。所以，提出一種新型的系統(tǒng)級封裝技術(shù)，其剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

其主要封裝技術(shù)特點和新穎性如下。

3.1 引入電路板中介層

硅片中介層（Si Interposer）在3D芯片級封裝中發(fā)揮著極其重要的角色，通過硅穿孔（TSV）技術(shù)實現(xiàn)堆疊芯片的絕緣與互連再分布。類似的，針對TPMS IC的MCU和RFIC雙芯片組合，創(chuàng)新性地在引線框架上插入電路板中介層，再分別堆疊MCU和RFIC，有利于實現(xiàn)芯片間電路互連再分布，減小了單純使用引線框架封裝設(shè)計的難度，同時還可以利用薄膜技術(shù)埋置部分電阻和電容，簡化了外圍電路設(shè)計。圖2是TPMS IC電路板中介層的設(shè)計圖，可見其大大增加了芯片間互連和外圍電路元件的設(shè)計彈性。

圖1 TPMS IC SiP封裝截面結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 中介層電路板設(shè)計圖

3.2 預(yù)成型部分模制封裝

針對MCU、RFIC與MEMS壓力傳感器對封裝的不同要求，采用了預(yù)先成型模制部分芯片的方法。采用上方開腔的敞口模封，先將MCU、RFIC隔絕密閉封裝，再將MEMS壓力傳感器置于開腔內(nèi)進(jìn)行封裝保護(hù)。由于采用預(yù)成型部分模制封裝技術(shù)，根據(jù)實際制造工藝條件和流程，可選擇在放置傳感器之前進(jìn)行MCU和RFIC芯片的測試工藝，加強(qiáng)產(chǎn)品品質(zhì)的管控，提高良品率。一般SiP都是多芯片混合封裝，給芯片功能測試和器件故障分析帶來很大的挑戰(zhàn)，目前這些挑戰(zhàn)也是半導(dǎo)體工業(yè)界正面臨亟待解決的問題。而預(yù)先成型部分模制封裝技術(shù)是一個切實可行的解決辦法，有利于包含多芯片的TPMS IC的性能指標(biāo)測試和故障分析模式的建立。

3.3 MEMS壓力傳感器的封裝應(yīng)力管理

對于壓力和慣性MEMS傳感器封裝，其重要的挑戰(zhàn)之一是封裝應(yīng)力管理，即要減少外覆封裝材料的接觸應(yīng)力及其在傳感器服役過程中此接觸應(yīng)力的變化對傳感器檢測外界環(huán)境氣壓的疊加帶來誤判的影響。采用敞口模封、灌裝低應(yīng)力彈性凝膠和傳感器校準(zhǔn)測試相結(jié)合的方法，有效地避免封裝應(yīng)力對MEMS壓力傳感器的影響，提高了胎壓檢測準(zhǔn)確度和產(chǎn)品服役的可靠性。

4 結(jié)束語

綜合以上研究，一種用于TPMS IC的新型SiP技術(shù)的主要特征包括：一是封裝體內(nèi)部引入電路板中介層，二是采用預(yù)成型模制部分芯片的方法，三是實現(xiàn)了MEMS壓力傳感器的低封裝應(yīng)力管理，有利于提高產(chǎn)品的性能指標(biāo)、生產(chǎn)良率和可靠性。另一方面，引入電路板中介層、敞口模封和預(yù)成型部分模制等新穎技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用，打破了國外大型半導(dǎo)體公司對TPMS IC產(chǎn)品封裝制造專利技術(shù)的封鎖，對于國內(nèi)半導(dǎo)體高檔核心新產(chǎn)品的創(chuàng)新與自主開發(fā)起到積極的影響。

[1] KIM Woojin, DANCASTER John, LOGAN John, et al.Surface mount package and method for forming multichip microsensor device[P].