传感器封装结构及方法与流程

1.本技术涉及传感器封装技术领域，特别是涉及一种传感器封装结构及方法。


背景技术：

2.随着传感器技术的发展，微机电系统(mems,micro-electro-mechanical system)压力传感器的应用越来越广泛，mems压力传感器在应用时需要搭配一个对应的专用集成电路(asic，application specific integrated circuit)进行传感器信号的调理。为了保证传感器的高精度，和高稳定性，需要保护其不受外界环境的干扰，以及避免mems压力传感器和专用集成电路之间互相干扰，因此，需要对mems压力传感器和专用集成电路进行封装。
3.传统技术中，线路基板是一个平面，在线路基板上先完成专用集成电路的贴片焊接，然后注入塑封料填充，待塑封料固化后，再在线路基板上封装mems压力传感器，其封装流程复杂。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够包括两个隔开的封装区域，从而能够直接在两个封装区域内封装mems压力传感器和专用集成电路，简化封装流程的传感器封装结构及方法。
5.一种传感器封装结构，包括：陶瓷基板，所述陶瓷基板包括底板以及一体成型在所述底板上的侧墙，其中，所述底板与所述侧墙围合至少形成第一空腔和第二空腔；第一封装芯片，容置于所述第一空腔；第二封装芯片，与所述第一封装芯片间隔设置，且容置于所述第二空腔；保护层，覆盖在所述第一封装芯片、第二封装芯片上。
6.在其中一个实施例中，传感器封装结构还包括：盖板，覆盖于所述侧墙上，与所述侧墙、底板围合形成封闭的所述空腔。
7.在其中一个实施例中，所述侧墙上开设凹陷部，所述凹陷部与所述盖板抵接。
8.在其中一个实施例中，所述第二封装芯片为压力传感器芯片，其中，所述盖板上还开设有与所述第二封装芯片对应设置的气孔，所述气孔用于连通所述第二空腔与外部自由空间。
9.在其中一个实施例中，所述第一封装芯片和所述第二封装芯片分别通过回流焊工艺焊接在所述底板上。
10.在其中一个实施例中，所述第一封装芯片和所述第二封装芯片分别通过共晶焊工艺焊接在所述底板上。
11.在其中一个实施例中，传感器封装结构还包括金线，所述第一封装芯片和所述第二封装芯片分别通过所述金线与所述底板电连接。
12.在其中一个实施例中，所述保护层为保护胶，其中，所述第二空腔内填充的保护胶的材料为软性硅胶，用于传导外界压力。
13.一种传感器封装方法，所述方法用于制备传感器封装结构，所述方法包括：
14.制备陶瓷基板，其中，所述陶瓷基板包括底板以及一体成型在所述底板上的侧墙，所述底板与所述侧墙围合至少形成第一空腔和第二空腔；
15.在所述第一空腔内固定第一封装芯片；
16.在所述第二空腔内固定第二封装芯片；
17.在所述第一封装芯片、第二封装芯片上覆盖保护层。
18.在其中一个实施例中，所述制备陶瓷基板，包括：
19.获取所述陶瓷基板的模具；
20.将陶瓷浆料涂抹在所述模具上，经冷却后所述陶瓷浆料在所述模具上形成陶瓷底板；
21.采用冲压工艺，从所述模具上剥离所述陶瓷底板；
22.在所述陶瓷底板上印制预设导体层；
23.在所述陶瓷底板上压合侧墙形成所述陶瓷基板；
24.将所述陶瓷基板烧结成型固化。
25.上述传感器封装结构及方法，封装结构采用陶瓷基板，由于陶瓷基板的热膨胀系数与芯片材料的热膨胀系数相接近，因此能够显著降低封装应力，提高芯片的性能。并且陶瓷基板的底板和侧墙是一体成型并且都使用的是陶瓷材料，从而进一步提高了封装结构的稳定性。另外，由于底板和侧墙已经围合成了两个间隔的空腔，从而在对芯片进行封装时，能够直接将芯片封装在两个封装区域里，无需等待第一个芯片塑封固化后，再开始封装第二个芯片，从而采用本技术中的封装结构能够简化封装流程。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为一个实施例中传感器封装结构的结构示意图；
28.图2为另一个实施例中传感器封装结构的结构示意图；
29.图3为一个实施例中传感器封装方法的流程示意图；
30.图4为一个实施例中陶瓷基板的制备方法的流程示意图。
31.附图标记说明：10-陶瓷基板，11-第一空腔，12-第二空腔，13-底板，14-侧墙，20-第一封装芯片，30-第二封装芯片，40-保护层，50-盖板，51-凹陷部，52-气孔，100-外力方向，60-金线。
具体实施方式
32.为了便于理解本技术，下面将参照相关附图对本技术进行更全面的描述。附图中给出了本技术的实施例。但是，本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本技术的公开内容更加透彻全面。
33.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具
体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
34.可以理解，本技术所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。
35.空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
36.需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
37.在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
38.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种传感器封装结构，包括：陶瓷基板10、第一封装芯片20、第二封装芯片30、保护层40。其中：
39.陶瓷基板10，陶瓷基板10包括底板13以及一体成型在底板13上的侧墙14，其中，底板13与侧墙14围合至少形成第一空腔11和第二空腔12。
40.具体地，传感器芯片封装在封装结构中后，在使用时，由于环境温度的变化，会产生额外的封装应力，而封装应力会影响传感器芯片的线性度、灵敏度等性能，使得传感器芯片出现温漂、零点漂移的情况。封装应力主要是由于封装结构的基板材料与传感器芯片的材料之间的热膨胀系数不同而产生的，因此，为了减小封装应力，提高传感器芯片的性能，需要选用与传感器芯片材料的热膨胀系数接近的材料制作封装结构。而陶瓷材料的热膨胀系数与传感器芯片的材料硅的热膨胀系数相近，因此在环境温度变化时，会产生较低的封装应力，从而能够减小对传感器芯片的影响，提高传感器芯片的精度。陶瓷材料还具有机械应力强，形状稳定，强度高，导热率高，热循环性能较好，可靠性高等优点，并且使用的温度范围在-55℃-850℃，能够满足传感器芯片的各种工况。
41.第一封装芯片20，容置于第一空腔11。
42.第二封装芯片30，与第一封装芯片20间隔设置，且容置于第二空腔12。
43.具体地，第一封装芯片20和第二封装芯片30都通过粘接的方式，粘连在陶瓷基板10的底板13上。
44.示例性地，第一封装芯片20和第二封装芯片30都通过表面贴片的方式固定在底板13上。表面贴片是一种将无引脚或短引线表面组装元器件安装在印制电路板的表面或其它基板的表面上，通过再流焊或浸焊等方法加以焊接组装的电路装连技术。
45.示例性地，第一封装芯片20和第二封装芯片30分别通过回流焊工艺焊接在底板13
上。回流焊工艺是通过专用设备，将空气或氮气加热到足够高的温度后吹向已经贴好元件的线路板，让元件两侧的焊料融化后与主板粘结。
46.示例性地，第一封装芯片20和第二封装芯片30分别通过共晶焊工艺焊接在底板13上。共晶焊工艺是在相对温度较低的环境下，用两种以上的金属(比如金锡、金银之类的)达到共晶物熔合的现象，这样，将共晶从固态直接转换成液态，无需经过塑性处理阶段，从而将芯片与底板13的接触面采用这种方式进行连接。
47.保护层40，覆盖在第一封装芯片20、第二封装芯片30上。
48.具体地，采用保护层40将第一封装芯片20和第二封装芯片30覆盖，能够使得第一封装芯片20和第二封装芯片30不受外部环境的干扰，对芯片进行保护，提高了芯片的精度，并且提高了封装结构的可靠性。
49.优选地，第一封装芯片20上覆盖的保护层的材料为环氧树脂，第二封装芯片30上覆盖的保护层的材料为软性硅胶，其中，第二封装芯片30上覆盖的保护层在传感器工作过程中传导外界的压力，本实施例对第一封装芯片20上覆盖的保护层和第二封装芯片30上覆盖的保护层的具体形式不做特殊限制，可选地，第一封装芯片20上覆盖的保护层可以为环氧树脂，第二封装芯片30上覆盖的保护层可以为紫外光固化型硅胶或者热固化型硅胶。
50.在本实施例中，封装结构采用陶瓷基板10，由于陶瓷基板10的热膨胀系数与芯片材料的热膨胀系数相接近，因此能够显著降低封装应力，提高芯片的性能。并且陶瓷基板10的底板13和侧墙14是一体成型并且都使用的是陶瓷材料，从而进一步提高了封装结构的稳定性。另外，由于底板13和侧墙14已经围合成了两个间隔的空腔，从而在对芯片进行封装时，能够直接将芯片封装在两个封装区域里，无需等待第一个芯片塑封固化后，再开始封装第二个芯片，从而采用本技术中的封装结构能够简化封装流程。
51.示例性地，现有技术中，包括两种封装方案，其中第一种封装方案是制框架封装方案，先预制塑封框架，形成腔体，在腔体内进行asic芯片和mems压力传感器贴片焊接，在腔体内灌保护胶保护asic芯片和mems压力传感器。第二种封装方案是围坝封装方案，先完成asic芯片贴片焊接，在封装asic芯片时需要增加围坝以留出mems压力传感器封装的腔体，围坝区域内不被塑封料填充，之后在腔体内完成mems压力传感器贴片焊接。上述第一种方式制造工艺流程相对简单，但由于所有的芯片和焊接线都是通过保护胶保护，可靠性相对比较薄弱，尤其针对那些复杂的封装，比如多芯片封装，或者多焊接线封装，很难达到高可靠性的要求，无法胜任汽车级安全相关应用。上述第二种方式虽然可靠性相对预制框架方案要有所改善，但是封装工序相对比较复杂，封装的工艺控制要求也比第一种方式要高，比如需要增加围坝这个工序。
52.在一个实施例中，整个陶瓷基板10的底板13和侧墙14都是一体成型的。这样，整体性更好，可靠性更高，并且在将芯片封装进去时，由于底板13和侧墙14已经围合成了两个间隔的空腔，从而在对芯片进行封装时，能够直接将芯片封装在两个封装区域里，无需等待第一个芯片塑封固化后，再开始封装第二个芯片，封装工艺流程简单。
53.在本实施例中，由于整个陶瓷基板10的底板13和侧墙14都是一体成型的。从而整个封装结构的整体性更好。
54.在一个实施例中，如图2所示，传感器封装结构还包括：盖板50。
55.盖板50，覆盖于侧墙14上，与侧墙14、底板13围合形成封闭的空腔。
56.具体地，盖板50与侧墙14之间粘接连接，侧墙14能够为盖板50提供机械支撑，并且通过粘接来进一步保证了空腔的密闭，能够避免出现盖板50掉落以及四周漏气的情况。
57.在本实施例中，通过设置盖板50，能够形成密闭的空腔，将第一封装芯片20和第二封装芯片30密封在空腔内，从而防止外界干扰，为芯片提供了密闭的工作环境，提高了芯片的精度。
58.在一个实施例中，如图2所示，侧墙14上开设有凹陷部51，凹陷部51与盖板50抵接。
59.示例性地，如图2所示，凹陷部51远离盖板50的一侧凸出，能够抵挡外力方向100上的外力，从而避免盖板50受到外力脱落。
60.在本实施例中，通过设置凹陷部51，凹陷部51与盖板50嵌合连接，能够把盖板50卡紧，从而防止盖板50四周漏气，提高了封装结构的密封性。并且设置凹陷部51，在盖板50外部的凸出部分能够保护盖板50，抵挡外力，避免出现盖板50受到外力脱落的情况发生。进一步提高了封装结构的气密性和可靠性。
61.在一个实施例中，如图2所示，第二封装芯片30为压力传感器芯片，其中，盖板50上还开设有与第二封装芯片30对应设置的气孔52，气孔52用于连通第二空腔与外部自由空间。
62.具体地，在盖板50上与压力传感器芯片对应的位置开设有气孔52，能够传递外界压力，从而使得压力传感器芯片能够感受到外界压力的变化，实现对压力的测量。气孔52连接有气门嘴，外界压力仅能通过气门嘴传递到压力传感器处，从而保证了压力传感器测量的精度，若其余地方漏气，则会导致压力传递失真。由于陶瓷基板10与压力传感器的热膨胀系数相近，因此在温度变化时，陶瓷基板10不会给压力传感器带来额外的压力偏差，保证了压力传感器的压力传感精度。
63.示例性地，第一封装芯片20和第二封装芯片30分别为asic芯片和mems压力传感器芯片。其中，asic芯片是一种为专门目的而应用户需求或特定电子系统的需求而设计的集成电路芯片，具有体积小、功耗低、可靠性高、性能高、保密性强、成本低等优点，能够搭配mems压力传感器芯片使用。mems压力传感器芯片是一种薄膜元件，在受到压力时发生形变，通过测量mems压力传感器芯片的形变能够测量压力。
64.示例性地，mems压力传感器芯片可以应用于电池包压力检测、轮胎压力检测、刹车压力检测、变速箱压力检测、进气压力检测等。
65.在本实施例中，通过在盖板50上开设有气孔52，使得外界的压力能够传递至压力传感器处，从而压力传感器能检测到外部压力数值，便于用户根据压力数值进行对应的操作。
66.在一个实施例中，如图2所示，传感器封装结构还包括金线60，第一封装芯片20和第二封装芯片30分别通过金线60与底板13电连接。
67.具体地，在陶瓷基板10的底板13中印制嵌入有预设的电路，第一封装芯片20和第二封装芯片30通过金线60与底板13电连接，从而能够进行电信号的传递。
68.在本实施例中，第一封装芯片20和第二封装芯片30分别通过金线60与底板13电连接，从而能够进行电信号的传递，并且采用金线60，由于金线60具有良好的导电性和可延展性，能够保证在传感器封装结构工作时的应力作用下发生延展而不被应力扯断，采用金线60提高了传感器封装结构的可靠性。
69.在一个实施例中，保护层40为保护胶，其中，第二空腔内填充的保护胶的材料为软性硅胶，用于传导外界压力。
70.具体地，保护胶用于封装芯片，并且压力传感器上覆盖的保护胶为软性保护胶，从而能够传导外界的压力。而asic芯片上覆盖的保护胶通常为塑封胶。
71.在本实施例中，通过保护胶将第一封装芯片和第二封装芯片进行封装，从而使得第一封装芯片和第二封装芯片不受外部环境的干扰，对芯片进行保护，提高了芯片的精度，并且提高了封装结构的可靠性。
72.在一个实施例中，如图3所示，提供了一种传感器封装方法，方法用于制备上述的传感器封装结构，方法包括：
73.步骤s300，制备陶瓷基板。
74.具体地，陶瓷基板包括底板以及一体成型在底板上的侧墙，底板与侧墙围合至少形成第一空腔和第二空腔。
75.具体地，采用专用模具，制备上述结构的陶瓷基板。
76.步骤s320，在第一空腔内固定第一封装芯片。
77.具体地，由于陶瓷基板的结构已经包括间隔开来的第一空腔和第二空腔，因此，直接在第一空腔内固定第一封装芯片即可。可采用贴片焊晶打线的方式，先通过焊晶，将芯片固定在底板上，再打金线，将底板和芯片连接起来，然后采用涂布机，在空腔内填充保护胶，将芯片和金线保护起来，形成塑封体。
78.步骤s340，在第二空腔内固定第二封装芯片。
79.具体地，由于陶瓷基板的结构已经包括间隔开来的第一空腔和第二空腔，因此，两个空腔互不干扰，无需等待第一空腔内的保护胶注塑固化，即可直接在第二空腔内固定第二封装芯片。
80.步骤s360，在第一封装芯片、第二封装芯片上覆盖保护层。
81.具体地，在第一封装芯片和第二封装芯片都固定在底板上之后，再在第一封装芯片和第二封装芯片上填充保护胶，将芯片和金线保护起来，形成塑封体。
82.具体地，在填充完保护胶之后，再覆盖上盖板，完成封装流程。还可以在盖板外侧刻字打印所需的信息。
83.在本实施例中，由于陶瓷基板是一体成型的具有两个空腔的结构，因此在封装两个芯片时，无需等待第一个芯片注塑固化后再去封装第二个芯片，而是可以直接在两个空腔内分别封装两个芯片即可，互不干扰，从而简化了封装流程。
84.在一个实施例中，如图4所示，步骤s300包括：
85.步骤s400，获取陶瓷基板的模具。
86.具体地，首先根据陶瓷基板的结构，制作对应的模具，模具即为包括两个空腔的一体成型的形状。
87.步骤s402，将陶瓷浆料涂抹在模具上，经冷却后陶瓷浆料在模具上形成陶瓷底板。
88.具体地，将陶瓷浆料涂抹在模具上，在冷却后即可形成与模具形状一致的陶瓷底板。
89.步骤s404，采用冲压工艺，从模具上剥离陶瓷底板。
90.具体地，采用冲压工艺，向模具施加外力，使得模具上的陶瓷底板能够分离开来，
从而从模具上剥离陶瓷底板。得到初始的陶瓷基板的结构。
91.步骤s406，在陶瓷底板上印制预设导体层。
92.具体地，在剥离下来的陶瓷底板上印制预设的导体层，从而在陶瓷基板内部嵌入了预设电路。在印制预设导体层后，对陶瓷基板进行烘烤烧结，在烧结炉中以预设温度烘烤，以使得形状固定。然后也可以在陶瓷基板上重复上述步骤，再次印制第二层导体层，再烘烤烧结固定，以此类推，还可以印制第三层导体层或者多层导体层等等。
93.示例性地，在印制导体层完毕后，可以在陶瓷底板上采用机械冲孔的方式进行打孔，然后在打的孔中填充预设的材料，以提高陶瓷底板的性能，具体填充的材料可根据实际情况确定，例如需要使得陶瓷底板更坚固，则可填充增加陶瓷底板硬度的材料。
94.步骤s408，在导体层上印制阻焊层。
95.具体地，在导体层上印制阻焊层，即在印制完的整片的导体层的绿油上进行开窗，从而便于后续的焊接。
96.具体地，在阻焊层印制完成后，对陶瓷底板施加压力，将侧墙和底板都贴合压平。
97.步骤s410，在陶瓷底板上压合侧墙形成陶瓷基板。
98.步骤s412，将陶瓷底板烧结成型固化。
99.具体地，在上述操作均结束后，再将陶瓷基板烧结固化即可完成制备。
100.在本实施例中，提供了一种陶瓷基板的制备方法，能够制备出具有两个空腔的陶瓷基板，在采用该陶瓷基板进行封装芯片的工艺时，可以直接在两个空腔内分别封装两个芯片即可，互不干扰，从而简化了封装流程。
101.应该理解的是，虽然图3、图4的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图3、图4中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
102.在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
103.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
104.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。