一種用于胎壓傳感器的新型系統級封裝技術

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（汽車胎壓監測系統）、安全氣囊和防抱死制動系統是汽車三大安全保障系統。TPMS能實現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將成為強制性的標配安全系統。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納入強制性的配備系統。TPMS系統模塊的核心是TPMS IC（胎壓傳感器），它是一個集合MCU、RFIC、MEMS壓力感應器等多芯片的復合IC，采用先進的SiP（系統級封裝）技術封裝成單個器件，具有自動監測胎壓、模數信號轉換、信號處理、數據無線發射和自動啟動、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公司具備量產封裝技術，并申請了大量的專利以保護其采用的SiP技術方案，給后來者形成了專利技術壁壘[1]。廣東省粵晶高科股份有限公司經過多年的研發和產業化實踐探索，在TPMS IC封裝方面取得了較大的突破，提出了一種新型系統級封裝技術方案，具有集成度高、設計彈性大、工藝流程簡單合理和可測試性方案靈活等優點，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系統方案包括胎壓監測信號發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部，而胎壓監測信號發射模塊被安裝在輪胎內部輪轂的氣門嘴上。發射器實時監測和處理輪胎的壓力、溫度等數據，并通過無線方式發射到接收器，在顯示器上顯示各種數據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。發射器由發射天線、胎壓傳感器及其外圍電路組成。由于位于輪胎內部輪轂上，要求發射器模塊重量輕和外形小，使其不致影響高速旋轉車輪的動平衡。另外，輪胎內部的高溫、高氣壓、潮濕和高加速度應力對發射器的耐用可靠性提出了較高的期望，又由于發射器模塊電路一般采用灌封整體保護，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，自然就轉化作為發射器核心的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，實現多芯片的集成化，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 新型系統級封裝技術

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

其主要封裝技術特點和新穎性如下。

3.1 引入電路板中介層

硅片中介層（Si Interposer）在3D芯片級封裝中發揮著極其重要的角色，通過硅穿孔（TSV）技術實現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，有利于實現芯片間電路互連再分布，減小了單純使用引線框架封裝設計的難度，同時還可以利用薄膜技術埋置部分電阻和電容，簡化了外圍電路設計。圖2是TPMS IC電路板中介層的設計圖，可見其大大增加了芯片間互連和外圍電路元件的設計彈性。

圖1 TPMS IC SiP封裝截面結構示意圖

圖2 中介層電路板設計圖

3.2 預成型部分模制封裝

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進行封裝保護。由于采用預成型部分模制封裝技術，根據實際制造工藝條件和流程，可選擇在放置傳感器之前進行MCU和RFIC芯片的測試工藝，加強產品品質的管控，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，目前這些挑戰也是半導體工業界正面臨亟待解決的問題。而預先成型部分模制封裝技術是一個切實可行的解決辦法，有利于包含多芯片的TPMS IC的性能指標測試和故障分析模式的建立。

3.3 MEMS壓力傳感器的封裝應力管理

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

4 結束語

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

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