CN107036740A - 一种微传感器封装结构及其制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微传感器封装结构及其制作工艺，本发明中压力传感器与电路处理芯片集成封装，并通过包覆层实现包覆，较为容易形成标准化封装，可以批量校准，省去外加调理电路的工序；且压力传感器的压力敏感膜直接通过封装底板及衬底上的通孔与待测流体接触，省去了传统介质隔离技术中采用如灌油等一系列复杂工艺，在压力传感器的封装体积及封装成本上有明显的优势，能够有效地解决低成本直接检测液体压力与气体压力的难题。

Description

一种微传感器封装结构及其制作工艺

技术领域

本发明涉及微机电***领域，尤其涉及一种微传感器封装结构及其制作工艺。

背景技术

压力传感器封装技术是实现压力传感器应用的核心技术，目前工业应用中，由于应用环境的严格要求，压力传感器封装通常会采用金属膜片的介质隔离封装技术，即将压力传感器通过直接粘接或者玻璃过渡粘接的方式封接在金属膜片内部，为了使压力传感器的压力敏感膜与被测介质分离，在压力传感器与金属膜片之间充满硅油，外界压力通过金属膜片及硅油传递到压力传感器的压力敏感膜上以达到测试的目的。然而，此种封装方式具有工艺复杂、成本昂贵、体积大及稳定性差等缺点。

有鉴于此，有必要提供一种全新的微传感器封装结构及其制作工艺以解决上述问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术存在的技术问题之一，为实现上述发明目的，本发明提供了一种微传感器封装结构，其具体设计方式如下。

一种微传感器封装结构，其包括：

封装底板，所述封装底板在厚度方向上设置有贯通所述封装底板的第一通孔；

罩壳，所述罩壳周边密封的设置于所述封装底板上且与所述封装底板之间围设形成容纳腔室；及

设置于容纳腔室内部的传感器模组，所述传感器模组包括与所述封装底板连接的衬底以及设置于所述衬底上的压力传感器、电路处理芯片；

其中，所述衬底在厚度方向上设置有贯通所述衬底且与所述第一通孔连通的第二通孔，所述压力传感器设置于所述第二通孔远离所述封装底板的端口处，所述压力传感器中用于感应压力的压力敏感膜与所述第二通孔相对设置；所述传感器模组还包括设置于所述衬底上的包覆层，所述包覆层至少包覆所述压力传感器与所述衬底之间的连接界面。

进一步，所述包覆层还对所述电路处理芯片形成包覆。

进一步，所述传感器模组还具有连接所述压力传感器、电路处理芯片及所述衬底的引线，所述引线嵌设于所述包覆层内部。

进一步，所述压力传感器为硅压阻式压力传感器。

进一步，所述硅压阻式压力传感器为硅压阻式绝压传感器，所述硅压阻式绝压传感器被所述包覆层完全包覆，或，仅所述硅压阻式绝压传感器与所述衬底之间的连接界面被所述包覆层包覆。

进一步，所述硅压阻式压力传感器为硅压阻式差压传感器，所述包覆层对所述硅压阻式差压传感器与所述衬底之间的连接界面形成包覆，所述压力敏感膜的一表面暴露于所述容纳腔室内。

进一步，所述包覆层为树脂、橡胶、硅胶等易于成型且绝缘的材质。

进一步，所述第一通孔与所述第二通孔均为金属化通孔。

进一步，所述容纳腔室内部设置为真空状态或填充有一定气压的惰性气体。

为了实现以上微传感器封装结构的制作，本发明还提供了一种微传感器封装结构的制作工艺，其包括以下步骤：

S1、传感器模组初步组装，将压力传感器、电路处理芯片固定于衬底同一侧面并完成电性连接，其中，所述衬底在厚度方向上设置有贯通所述衬底的第二通孔，所述压力传感器设置于所述第二通孔位置处，且所述压力传感器中用于感应压力的压力敏感膜与所述第二通孔相对设置；

S2、传感器模组成型，将固定有压力传感器、电路处理芯片的衬底置于模具中，往模具中注入树脂、橡胶、硅胶或其它绝缘材料，在所述衬底具有压力传感器、电路处理芯片的侧面形成包覆层，固化后取出即为传感器模组，其中，所述包覆层至少包覆所述压力传感器与所述衬底之间的连接界面；

S3、封装完成，将所得到的传感器模组与预先准备的罩壳通过回流焊或其它固定方式固定于封装底板上，其中，所述封装底板在厚度方向上设置有贯通所述封装底板的第一通孔，完成封装后，所述第一通孔与第二通孔连通，所述罩壳周边密封的设置于所述封装底板上且与所述封装底板之间围设形成容纳腔室，所述传感器模组容于容纳腔室内部。

本发明的有益效果是：

1.压力传感器与电路处理芯片集成封装，并通过包覆层实现包覆，较为容易形成标准化封装，可以批量校准，省去外加调理电路的工序，制造成本低廉。

2.压力传感器的压力敏感膜直接通过封装底板及衬底上的通孔与待测流体接触，省去了传统介质隔离技术中采用如灌油等一系列复杂工艺，在压力传感器的封装体积及封装成本上有明显的优势，能够有效地解决低成本直接检测液体压力与气体压力的难题。

3.罩壳的设计可以对封装结构内部的元器件形成保护，其密封的设置形式，可以保证封装结构内部具有较为稳定的气压氛围，使得压力传感器具有较为准确的测量结果。

附图说明

图1所示为微传感器封装结构的第一种实施例截面示意图；

图2所示为第一种实施例中传感器模组的截面示意图；

图3所示为微传感器封装结构的第二种实施例截面示意图；

图4所示为第二种实施例中传感器模组的截面示意图。

图中，1为封装底板，2为罩壳，3为容纳腔室，4为传感器模组，5为第一粘结剂，6为第二粘结剂；

10为第一通孔，11为外接焊盘，41为衬底，42为压力传感器，43为电路处理芯片，44为包覆层，45为引线，46为第三粘结剂，47为第四粘结剂；

410为第二通孔，420为压力敏感膜，421为硅压阻式绝压传感器的背腔，422为第三通道。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述，请参照图1至图4所示，其为本发明的一些较佳实施方式。

实施例一

参考图1、图2所示，其展示的是本发明的第一种实施例，本实施例中的微传感器封装结构包括封装底板1、罩壳2及设置于封装底板1、罩壳2所围设形成容纳腔室3内部的传感器模组4。封装底板1在厚度方向上设置有贯通封装底板1的第一通孔10，罩壳2周边密封的设置于封装底板1上，传感器模组4包括与封装底板1连接的衬底41以及设置于衬底41上的压力传感器42、电路处理芯片43。

更具体的，参考图1、图2所示，衬底41在厚度方向上设置有贯通衬底41的第二通孔410，第二通孔410与第一通孔10连通，压力传感器42设置于第二通孔410远离封装底板1的端口处，压力传感器42中用于感应压力的压力敏感膜420与第二通孔410相对设置；传感器模组4还包括设置于衬底41上的包覆层44，包覆层44至少包覆压力传感器42与衬底41之间的连接界面。

更为具体的，本实施例中，包覆层44还对电路处理芯片43形成包覆，如图2所示，包覆层44完全覆盖电路处理芯片43，以对电路处理芯片43形成保护。在本实施例中，传感器模组4还具有连接压力传感器42、电路处理芯片43及衬底41的引线45，引线45用于实现元器件之间的电性连接，引线45嵌设于包覆层44内部，即由于包覆层44的设置，引线45不易被损坏，从而使得传感器模组4具有更长的使用寿命。当然，应当理解的是，在其它的一些实施例中，元器件之间的连接可以不存在引线45，压力传感器42、电路处理芯片43均通过设置于其各自底部的引脚直接与衬底41上相应焊盘实现电性连接，具体在此不作展开。

本实施例中，压力传感器42为硅压阻式压力传感器，更为具体的，压力传感器42为硅压阻式绝压传感器，参考图2所示，硅压阻式绝压传感器被包覆层44完全包覆。在其它一些具有硅压阻式绝压传感器的传感器模组4中，包覆层44也可以不完全覆盖压力传感器42，其仅对压力传感器42与衬底41之间的连接界面形成包覆。

本发明所涉及的微传感器封装结构主要用于液体压力与气体压力的测量，例如测量压缩空气、冷媒、机油等流体压力，使用过程中，被测液体或气体依次经过第一通孔10及第二通孔410后与压力敏感膜420直接接触，压力敏感膜420感应压力后，压力信号经电路处理芯片43处理后输出。在具体设计过程中，封装底板1上设置有外接焊盘11，压力信号最终由外接焊盘11引出封装结构。

基于以上测量过程，当被测液体或气体具有较大的压强时，包覆层44的包覆可以防止压力传感器42从衬底41上脱落；包覆层44为树脂、橡胶、硅胶等易于成型且绝缘的材质，树脂、橡胶、硅胶密封保护性好。

另外，本实施例中所选择的压力传感器42为硅压阻式绝压传感器，压力传感器42紧邻压力敏感膜420的背后设置有背腔421，背腔421一般设置为真空状态，从而实现绝对压力的测量；在具体压力传感器42的设计过程中，其压力敏感膜420的前侧（被测液体或气体进入的一侧）还可以设置有与第二通道410连通的第三通道422，被测的液体或气体经过第三通道422后方与压力敏感膜420接触；在另一些设计中，压力传感器42也可以不存在第三通道422。

需要说明的是，本发明中所涉及封装底板1及衬底41均采用PCB板，PCB板内部设置有电路结构（可以参考现有设计），封装底板1及衬底41内部的电路配合压力传感器42、电路处理芯片43以共同实现压力信号的最终输出，在具体设计过程中，封装底板1内部还设置有保护电路，用以保护传感器模组4。

作为本实施例的一种优选实施方式，罩壳2选择用金属材质制成，即罩壳2为金属罩壳，金属罩壳起到屏蔽保护作用，避免了外界变频及其它电磁场对内部电路的干扰。

在以上实施例的具体实施过程中，构成微传感器封装结构的相邻元器件之间还设置有粘结剂，具体而言，罩壳3与封装底板1之间通过第一粘接剂5实现连接，其中第一粘接剂5为焊锡或其它可以起到密封连接作用的粘结剂；传感器模组4通过第二粘结剂6固定于封装底板1上，第二粘结剂6一般为焊锡等具有导电性能的粘结剂；压力传感器42通过第三粘结剂46固定于衬底41上，第三粘结剂46为环氧树脂、焊锡等，树脂、焊锡牢固可靠，介质兼容性强；电路处理芯片43通过第四粘结剂47固定于衬底41上，第四粘结剂47为固晶胶等用于芯片粘结的粘结剂。

考虑到微传感器封装结构的应用环境不确定性，其测量的液体或气体可能具备一定的腐蚀性，腐蚀性的的液体或气体会对第一通孔10、第二通孔410形成损害，为了减少和避免这种情况，通常在具体的实施过程中，第一通孔10与第二通孔410均为金属化通孔，即通孔的周壁通过一定的工艺实现金属化。

在本实施例中，容纳腔室3内部可设置为真空状态或填充有一定气压的惰性气体，从而实现对容纳腔室3内部传感器模块4的保护，由于罩壳2的周边与封装底板11之间为密封设置，容纳腔室3内可以长期保持相同气压氛围，从而使传感器组件具有较为稳定的测量能力。

实施例二

参考图3、图4所示，本实施方式所展示的微传感器封装结构与实施方式一所展示的微传感器封装结构的主要区别在于：本实施方式中的压力传感器为硅压阻式差压传感器，本实施例中，包覆层44对硅压阻式差压传感器与衬底41之间的连接界面形成包覆，压力敏感膜420的一表面暴露于容纳腔室3内。通常容纳腔室3内部密封有某一确定压强的惰性气体（如氦气、氮气等），其具体压强可根据具体需求进行设计。在具体应用过程中，压力敏感膜420两侧压力差即为压力传感器42所承受的压力，电路处理芯片43通过一定的逻辑运算后即可输出实际所测压力。

实施例三

为了实现以上实施例中微传感器封装结构，本实施例具体提供了微传感器封装结构的制作工艺，其包括以下步骤：

S1、传感器模组初步组装，将压力传感器42、电路处理芯片43固定于衬底41同一侧面并完成电性连接，其中，衬底41在厚度方向上设置有贯通衬底41的第二通孔410，压力传感器42设置于第二通孔410位置处，且压力传感器42中用于感应压力的压力敏感膜420与第二通孔410相对设置；

S2、传感器模组成型，将固定有压力传感器42、电路处理芯片43的衬底41置于模具中，往模具中注入树脂、橡胶、硅胶或其它绝缘材料，在衬底41具有压力传感器42、电路处理芯片43的侧面形成包覆层44，固化后取出即为传感器模组，其中，包覆层44至少包覆压力传感器42与衬底41之间的连接界面；

S3、封装完成，将所得到的传感器模组与预先准备的罩壳2通过回流焊或其它固定方式固定于预先准备的封装底板1上，其中，封装底板1在厚度方向上设置有贯通封装底板1的第一通孔10，完成封装后，第一通孔10与第二通孔410连通，罩壳2周边密封的设置于封装底板1上且与封装底板1之间围设形成容纳腔室3，传感器模组4容于容纳腔室3内部。

其中，步骤S1中“完成电性连接”指的是通过焊脚（图中未示出）或引线45实现压力传感器42、电路处理芯片43之间以及与衬底41内部电路的连通；“压力敏感膜420与第二通孔410相对设置”指的是压力敏感膜420设置于第二通孔410的出口位置或附近，被测液体或气体通过第二通孔410后可以接触压力敏感膜420表面；另外，本实施例中用于传感器模组成型的“模具”为内部设置有一定形状的空腔，空腔的形态决定传感器模组4的包覆层44具体形状及尺寸。

另外，本发明中，容纳腔室3内部设置为真空状态或填充有一定气压的惰性气体是在步骤S3中完成。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微传感器封装结构，其包括：

封装底板（1），所述封装底板（1）在厚度方向上设置有贯通所述封装底板（1）的第一通孔（10）；

罩壳（2），所述罩壳（2）周边密封的设置于所述封装底板（1）上且与所述封装底板（1）之间围设形成容纳腔室（3）；及

设置于容纳腔室（3）内部的传感器模组（4），所述传感器模组（4）包括与所述封装底板（1）连接的衬底（41）以及设置于所述衬底（41）上的压力传感器（42）、电路处理芯片（43）；

其特征在于，所述衬底（41）在厚度方向上设置有贯通所述衬底（41）且与所述第一通孔（10）连通的第二通孔（410），所述压力传感器（42）设置于所述第二通孔（410）远离所述封装底板（1）的端口处，所述压力传感器（42）中用于感应压力的压力敏感膜（420）与所述第二通孔（410）相对设置；所述传感器模组（4）还包括设置于所述衬底（41）上的包覆层（44），所述包覆层（44）至少包覆所述压力传感器（42）与所述衬底（41）之间的连接界面。

2.根据权利要求1所述的微传感器封装结构，其特征在于，所述包覆层（44）还对所述电路处理芯片（43）形成包覆。

3.根据权利要求2所述的微传感器封装结构，其特征在于，所述传感器模组（4）还具有连接所述压力传感器（42）、电路处理芯片（43）及所述衬底（41）的引线（45），所述引线（45）嵌设于所述包覆层（44）内部。

4.根据权利要求1、2或3所述的微传感器封装结构，其特征在于，所述压力传感器（42）为硅压阻式压力传感器。

5.根据权利要求4所述的微传感器封装结构，其特征在于，所述硅压阻式压力传感器为硅压阻式绝压传感器，所述硅压阻式绝压传感器被所述包覆层（44）完全包覆，或，仅所述硅压阻式绝压传感器与所述衬底（41）之间的连接界面被所述包覆层（44）包覆。

6.根据权利要求4所述的微传感器封装结构，其特征在于，所述硅压阻式压力传感器为硅压阻式差压传感器，所述包覆层（44）对所述硅压阻式差压传感器与所述衬底（41）之间的连接界面形成包覆，所述压力敏感膜（420）的一表面暴露于所述容纳腔室（3）内。

7.根据权利要求1、2或3所述的微传感器封装结构，其特征在于，所述包覆层（44）为树脂、橡胶、硅胶等易于成型且绝缘的材质。

8.根据权利要求1、2或3所述的微传感器封装结构，其特征在于，所述第一通孔（10）与所述第二通孔（410）均为金属化通孔。

9.根据权利要求1、2或3所述的微传感器封装结构，其特征在于，所述容纳腔室（3）内部设置为真空状态或填充有一定气压的惰性气体。

10.一种微传感器封装结构的制作工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1、传感器模组初步组装，将压力传感器（42）、电路处理芯片（43）固定于衬底（41）同一侧面并完成电性连接，其中，所述衬底（41）在厚度方向上设置有贯通所述衬底（41）的第二通孔（410），所述压力传感器（42）设置于所述第二通孔（410）位置处，且所述压力传感器（42）中用于感应压力的压力敏感膜（420）与所述第二通孔（410）相对设置；

S2、传感器模组成型，将固定有压力传感器（42）、电路处理芯片（43）的衬底（41）置于模具中，往模具中注入树脂、橡胶、硅胶或其它绝缘材料，在所述衬底（41）具有压力传感器（42）、电路处理芯片（43）的侧面形成包覆层（44），固化后取出即为传感器模组，其中，所述包覆层（44）至少包覆所述压力传感器（42）与所述衬底（41）之间的连接界面；

S3、封装完成，将所得到的传感器模组与预先准备的罩壳（2）通过回流焊或其它固定方式固定于封装底板（1）上，其中，所述封装底板（1）在厚度方向上设置有贯通所述封装底板（1）的第一通孔（10），完成封装后，所述第一通孔（10）与第二通孔（410）连通，所述罩壳（2）周边密封的设置于所述封装底板（1）上且与所述封装底板（1）之间围设形成容纳腔室（3），所述传感器模组（4）容于容纳腔室（3）内部。