一种用于胎压传感器的新型系统级封装技术

胡建忠，褚华斌

（广东省粤晶高科股份有限公司，广州 510663）

1 引言

TPMS（汽车胎压监测系统）、安全气囊和防抱死制动系统是汽车三大安全保障系统。TPMS能实现胎压异常的报警提示功能，大大保障了出行安全。目前在美国，TPMS是要被强制性安装的。欧盟正通过立法，计划从2012年11月开始TPMS将成为强制性的标配安全系统。随着对汽车出行安全的日益重视，中国和其他国家也将很快地逐步将TPMS纳入强制性的配备系统。TPMS系统模块的核心是TPMS IC（胎压传感器），它是一个集合MCU、RFIC、MEMS压力感应器等多芯片的复合IC，采用先进的SiP（系统级封装）技术封装成单个器件，具有自动监测胎压、模数信号转换、信号处理、数据无线发射和自动启动、休眠与自动唤醒等功能。目前只有国外英飞凌、飞思卡尔和通用电气等少数公司具备量产封装技术，并申请了大量的专利以保护其采用的SiP技术方案，给后来者形成了专利技术壁垒[1]。广东省粤晶高科股份有限公司经过多年的研发和产业化实践探索，在TPMS IC封装方面取得了较大的突破，提出了一种新型系统级封装技术方案，具有集成度高、设计弹性大、工艺流程简单合理和可测试性方案灵活等优点，并具有较高的可靠耐用性。

2 TPMS工作原理及TPMS IC封装特点

TPMS系统方案包括胎压监测信号发射模块和信号接收显示模块。信号接收显示模块位于驾驶室内部，而胎压监测信号发射模块被安装在轮胎内部轮毂的气门嘴上。发射器实时监测和处理轮胎的压力、温度等数据，并通过无线方式发射到接收器，在显示器上显示各种数据变化或以蜂鸣报警等形式提醒驾车者注意胎压异常和行车安全。发射器由发射天线、胎压传感器及其外围电路组成。由于位于轮胎内部轮毂上，要求发射器模块重量轻和外形小，使其不致影响高速旋转车轮的动平衡。另外，轮胎内部的高温、高气压、潮湿和高加速度应力对发射器的耐用可靠性提出了较高的期望，又由于发射器模块电路一般采用灌封整体保护，使得延长电池的一次性使用寿命变得尤为重要。所有这些要求，自然就转化作为发射器核心的TPMS IC需要具备的封装要求与特点。对于TPMS IC，唯有采用SiP技术，实现多芯片的集成化，减少芯片间电路互连，以满足重量轻、外形小、低功耗和高可靠性等封装要求。

3 新型系统级封装技术

TPMS IC包含MCU、RFIC、MEMS压力传感器等多个芯片。一般MCU、RFIC需要与外界环境隔绝的密闭保护性封装，而MEMS压力传感器封装既要能保护芯片，电气引脚被隔离，又要能传递外界环境气压，需要非隔绝的软封装。所以，提出一种新型的系统级封装技术，其剖面结构示意图如图1。

其主要封装技术特点和新颖性如下。

3.1 引入电路板中介层

硅片中介层（Si Interposer）在3D芯片级封装中发挥着极其重要的角色，通过硅穿孔（TSV）技术实现堆叠芯片的绝缘与互连再分布。类似的，针对TPMS IC的MCU和RFIC双芯片组合，创新性地在引线框架上插入电路板中介层，再分别堆叠MCU和RFIC，有利于实现芯片间电路互连再分布，减小了单纯使用引线框架封装设计的难度，同时还可以利用薄膜技术埋置部分电阻和电容，简化了外围电路设计。图2是TPMS IC电路板中介层的设计图，可见其大大增加了芯片间互连和外围电路元件的设计弹性。

图1 TPMS IC SiP封装截面结构示意图

图2 中介层电路板设计图

3.2 预成型部分模制封装

针对MCU、RFIC与MEMS压力传感器对封装的不同要求，采用了预先成型模制部分芯片的方法。采用上方开腔的敞口模封，先将MCU、RFIC隔绝密闭封装，再将MEMS压力传感器置于开腔内进行封装保护。由于采用预成型部分模制封装技术，根据实际制造工艺条件和流程，可选择在放置传感器之前进行MCU和RFIC芯片的测试工艺，加强产品品质的管控，提高良品率。一般SiP都是多芯片混合封装，给芯片功能测试和器件故障分析带来很大的挑战，目前这些挑战也是半导体工业界正面临亟待解决的问题。而预先成型部分模制封装技术是一个切实可行的解决办法，有利于包含多芯片的TPMS IC的性能指标测试和故障分析模式的建立。

3.3 MEMS压力传感器的封装应力管理

对于压力和惯性MEMS传感器封装，其重要的挑战之一是封装应力管理，即要减少外覆封装材料的接触应力及其在传感器服役过程中此接触应力的变化对传感器检测外界环境气压的叠加带来误判的影响。采用敞口模封、灌装低应力弹性凝胶和传感器校准测试相结合的方法，有效地避免封装应力对MEMS压力传感器的影响，提高了胎压检测准确度和产品服役的可靠性。

4 结束语

综合以上研究，一种用于TPMS IC的新型SiP技术的主要特征包括：一是封装体内部引入电路板中介层，二是采用预成型模制部分芯片的方法，三是实现了MEMS压力传感器的低封装应力管理，有利于提高产品的性能指标、生产良率和可靠性。另一方面，引入电路板中介层、敞口模封和预成型部分模制等新颖技术的结合运用，打破了国外大型半导体公司对TPMS IC产品封装制造专利技术的封锁，对于国内半导体高档核心新产品的创新与自主开发起到积极的影响。

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