一种压力传感器的封装结构及方法
【专利摘要】本发明公开了一种压力传感器的封装结构及方法，属于微电子封装【技术领域】。所述结构包括：上盖板、下盖板和压力传感器芯片；下盖板上设置有第一、第二矩形凹槽；第二矩形凹槽内嵌入第一矩形凹槽的底部，使第一矩形凹槽和第二矩形凹槽连通形成两级空腔结构；第一矩形凹槽的底部设置有贯穿下盖板的通孔；通孔的上下表面连接焊盘和布线层；压力传感器芯片凸点与下盖板的通孔连接；上盖板上设置有第三矩形凹槽；压力传感器芯片位于上盖板与下盖板连接所形成的空间内部。本发明还公开了一种压力传感器的封装方法。本发明提高了压力传感器芯片耐恶劣环境的能力、受力的均匀性、可靠性和准确性，能满足高温、高湿等特殊环境的应用。
【专利说明】一种压力传感器的封装结构及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微电子封装【技术领域】，特别涉及一种压力传感器的封装结构及方法。【背景技术】
[0002]压力传感器在工业生产、医疗卫生、环境监测以及科学研究等众多领域有着广泛的应用，其基本原理是将压力变化值转换为电信号的变化。利用压力传感器将压力变化信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能复合的微型智能系统，不仅可以降低整个机电系统的成本，而且还可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务；此外，还可以将压力传感器嵌入大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。压力传感器是传统机械上的微小型化成果，是整个纳米科学技术的重要组成部分。
[0003]压力传感器用于压力测量时，其传感器芯片通常必须直接暴露在被测量的各种恶劣环境中，这就要求压力传感器的封装既能保护芯片，又能真实传递压力，因此，其封装要求和难度相当高。概括地说，压力传感器的封装应该满足以下几方面的要求:1)具有良好的机械支撑，抗振动、抗冲击；2)避免复杂环境(如高温、高热、高湿等)对芯片的影响；3)封装结构应具有良好的电气绝缘性和电磁屏蔽性；4)具有良好的密封性，以隔离腐蚀气体、流体或水气等；5)封装后芯片通过外引出线(或称引脚)与外部系统有方便和可靠的电连接；6)低成本，封装形式与标准制造工艺兼容。
[0004]压力传感器的可靠性在很大程度上取决于封装的可靠性，使得压力传感器的封装结构及工艺的设计显得尤为重要。压力传感器封装的根本目的是保障传感器芯片在其使用环境中长期的、完整的、准确地实现各项功能，封装材料、结构及封装工艺的选择都将严重影响传感器的性能和可靠性，同时在封装过程中不同的封装工艺都将对材料、结构的可靠性产生重大影响；在长期使用中环境的变化(如温度、压力等外部条件)也将影响封装材料的性能及封装结构的稳定性。另外，封装过程中要求最小的残余应力，封装的形式与结构优化要求尽量减小与时间相关的应力和应变，防止传感器在寿命期内失效。
[0005]目前广泛应用的很多压力传感器，由于在结构设计及材料选型上没有综合考虑应用环境，因此在封装的气密性及复杂环境下的可靠性并不能很好地满足要求，如高低温循环应用场合的热失效引起机械可靠性问题；此外，现有压力传感器的封装工艺复杂、生产成本高、效率低。
【发明内容】
[0006]为了解决现有压力传感器封装工艺过程步骤繁琐，封装的气密性和可靠性差，以及生产成本高等问题，本发明提供了一种压力传感器的封装结构，包括:上盖板、下盖板和带有振动薄膜的压力传感器芯片；所述下盖板上设置有第一矩形凹槽和第二矩形凹槽；所述第二矩形凹槽内嵌入所述第一矩形凹槽的底部，使所述第一矩形凹槽和第二矩形凹槽连通形成两级空腔结构；所述第一矩形凹槽的底部设置有贯穿下盖板的通孔，与压力传感器芯片的凸点相连；所述通孔的上下表面连接焊盘和布线层；所述压力传感器芯片凸点与通孔连接，使所述压力传感器芯片嵌入所述第一矩形凹槽内部，且与所述第一矩形凹槽密封连接；所述上盖板上设置有第三矩形凹槽，所述第三矩形凹槽的底部中心处设置有贯穿所述上盖板的通孔；所述压力传感器芯片位于所述上盖板与下盖板连接所形成的空间内部。
[0007]所述压力传感器芯片与第一矩形凹槽密封连接采用绝缘密封材料密封。
[0008]所述上盖板与下盖板连接采用粘合剂实现。
[0009]所述第一矩形凹槽的宽度大于所述压力传感器芯片的直径；所述第二矩形凹槽的宽度大于所述压力传感器芯片的振动薄膜的直径；所述第三矩形凹槽的宽度大于所述第一矩形凹槽的宽度；所述上盖板通孔的直径不大于压力传感器芯片的振动薄膜的直径。
[0010]所述上盖板和下盖板均由陶瓷基板制备而成。
[0011]所述压力传感器芯片由碳化硅或氮化铝制成；所述压力传感器芯片的中间区域为凹型空腔结构，所述凹型空腔的薄底区域为振动膜，所述凹型空腔的背面为布线层，所述布线层上设置有凸点。
[0012]本发明还提供了一种压力传感器的封装方法，包括:
[0013]采用陶瓷基板制备下盖板，并在所述下盖板上设置第一矩形凹槽和第二矩形凹槽，所述第二矩形凹槽内嵌入所述第一矩形凹槽的底部，使所述第一矩形凹槽和第二矩形凹槽连通形成两级空腔结构；在所述第一矩形凹槽的底部设置通孔，所述通孔用于传递压力传感器芯片的电信号，并在所述通孔的上下表面设置焊盘和布线层；
[0014]将带有振动薄膜的压力传感器芯片凸点与所述通孔连接，使所述压力传感器芯片嵌入所述第一矩形凹槽内部，且与所述第一矩形凹槽密封连接；
[0015]采用陶瓷基板制备上盖板，并在所述上盖板上设置第三矩形凹槽，在所述第三矩形凹槽的底部中心处设置有贯穿所述上盖板的通孔；
[0016]将所述上盖板与下盖板连接，使所述压力传感器芯片位于所述上盖板与下盖板连接所形成的空间内部。
[0017]所述采用陶瓷基板制备下盖板的步骤具体包括:
[0018]在第一生陶瓷片上开设第一矩形凹槽，在第二生陶瓷片上开设第二矩形凹槽，所述第一矩形凹槽的宽度大于压力传感器芯片的直径；所述第二矩形凹槽的宽度大于压力传感器芯片的振动薄膜的直径；
[0019]在第二、三生陶瓷片上钻通孔，对所述通孔注浆，在所述通孔内填入金属浆料，经过烘干烧结实现金属化，并在第二生陶瓷片的通孔上表面和第三生陶瓷片的通孔下表面设置焊盘和布线层；
[0020]在预置的热压温度、压力和真空条件下，将第一、第二和第三生陶瓷片按照预先设置的层数及次序进行热压叠加粘接，使所述第二矩形凹槽内嵌入所述第一矩形凹槽的底部，所述第一矩形凹槽和第二矩形凹槽连通形成两级空腔结构；
[0021]将热压叠加粘接后的生陶瓷片进行排胶和烧结处理。
[0022]所述采用陶瓷基板制备上盖板的步骤具体包括:
[0023]在第四生陶瓷片上开设第三矩形凹槽，所述第三矩形凹槽的宽度大于所述第一矩形凹槽的宽度；
[0024]在第五生陶瓷片上开设通孔，使所述通孔位于所述第三矩形凹槽的底部中心处；
[0025]在预置的热压温度、压力和真空条件下，将第四、五生陶瓷片按照预先设置的层数及次序进行热压叠加粘接，并将热压叠加粘接后的生陶瓷片进行排胶和烧结处理。
[0026]所述压力传感器芯片与第一矩形凹槽密封连接采用绝缘密封材料密封；所述上盖板与下盖板连接采用粘合剂。
[0027]本发明提供的压力传感器的封装结构，采用上下盖板包围压力传感器芯片的夹层结构，具有良好的气密性，在将待测环境压力变化传递到压力传感器芯片振动膜的同时，能够良好地保护压力传感器芯片，达到良好的检测效果。本发明提供的压力传感器的封装方法，过程步骤简单，可靠性高，生产成本低及生产率高。另外，本发明的整个封装过程所采用的方法及材料与传统平面半导体工艺兼容，可以适用于各种应用场合，有利于推广及应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是本发明实施例提供的用于制备下盖板的各个生陶瓷片的剖面结构示意图；
[0029]图2是本发明实施例提供的制备完成的下盖板的剖面结构示意图；
[0030]图3是本发明实施例提供的压力传感器芯片的剖面结构示意图；
[0031]图4是本发明实施例提供的压力传感器芯片与下盖板的微组装示意图；
[0032]图5是本发明实施例提供的用于制备上盖板的各个生陶瓷片的剖面结构示意图；
[0033]图6是本发明实施例提供的制备完成的上盖板的剖面结构示意图；
[0034]图7是本发明实施例提供的采用上下盖板对压力传感器芯片封装的剖面结构示意图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图和实施例，对本发明技术方案作进一步描述。
[0036]参见图2、3、6和7，本发明实施例提供了一种压力传感器的封装结构，包括:上盖板40、下盖板10、带有振动薄膜的压力传感器芯片201 ;下盖板10上设置有第一矩形凹槽1011和第二矩形凹槽1021 ;第二矩形凹槽1021内嵌入第一矩形凹槽1011的底部，使第一矩形凹槽1011和第二矩形凹槽1021连通形成两级空腔结构；第一矩形凹槽1011的底部设置有贯穿下盖板10的通孔104 ;通孔104的上下表面连接有焊盘105和布线层106 ;压力传感器芯片凸点204与通孔104连接，使压力传感器芯片嵌入第一矩形凹槽1011内部，且与第一矩形凹槽1011密封连接；上盖板40上设置有第三矩形凹槽4021，第三矩形凹槽4021的底部中心处设置有贯穿上盖板40的通孔4011 ;压力传感器芯片位于上盖板40与下盖板10连接所形成的空间内部。
[0037]在实际应用中，压力传感器芯片201与第一矩形凹槽1011之间的缝隙采用绝缘密封材料301密封连接，例如:硅酮电子绝缘密封胶、AK06-4高温绝缘密封胶等，这种密封连接方式不仅可使封装结构更加稳固，而且更重要的是可以保证由第一矩形凹槽、第二矩形凹槽和压力传感器芯片所包围而形成的空腔302的密封性，以便达到更好地检测效果。上盖板40与下盖板10之间的连接采用粘合剂501实现，例如:环氧树脂粘合剂、热熔性粘合剂和阻燃或高导热粘合剂等。为了满足下盖板、压力传感器芯片和上盖板组装的要求，需要设置:第一矩形凹槽1011的宽度大于压力传感器芯片的直径，第二矩形凹槽1021的宽度大于压力传感器芯片的振动薄膜的直径，第三矩形凹槽4021的宽度大于第一矩形凹槽1011的宽度，上盖板通孔4011的直径不大于压力传感器芯片的振动薄膜202的直径。为了保证整个封装结构具有良好的气密性和可靠性，上盖板40和下盖板10均由陶瓷基板制备而成。
[0038]在实际应用中，压力传感器芯片201由碳化硅或氮化铝制成；如图3所示，压力传感器芯片201的中间区域为凹型空腔结构，凹型空腔的薄底区域为振动薄膜202 ;凹型空腔的背面为布线层203 ;布线层上设置有多个凸点204,用于传输振动薄膜202产生的电信号。下盖板10上的焊盘105、通孔104和布线层106的数量与位置，应该与压力传感器芯片201上的凸点204的数量和位置一一对应，并按需实现金属化，将检测到的压力值以电信号的形式通过通孔4011传递到振动薄膜202，从而进一步地通过通孔104传递到下盖板10上的布线层106。
[0039]本发明实施例还提供了一种压力传感器的封装方法，包括如下步骤:
[0040]步骤101:采用陶瓷基板制备下盖板10，并在下盖板10上设置第一矩形凹槽和第二矩形凹槽，第二矩形凹槽内嵌入第一矩形凹槽的底部，使第一矩形凹槽和第二矩形凹槽连通形成两级空腔结构；在第一矩形凹槽的底部以第二矩形凹槽为中心对称设置有贯穿下盖板的通孔，并在通孔的上下表面设置焊盘和布线层；
[0041]如图1所示，在第一生陶瓷片101上开设第一矩形凹槽1011，在第二生陶瓷片102上开设第二矩形凹槽1021，第一矩形凹槽1011的宽度大于压力传感器芯片201的直径；第二矩形凹槽1021的宽度大于压力传感器芯片201的振动薄膜202的直径，这样不仅能够嵌入压力传感器芯片，而且还能与压力传感器芯片201形成空腔结构302 ;以第二矩形凹槽1021为中心，在第二、三生陶瓷片102和103上采用冲制或激光钻孔等方式钻通孔104，对通孔104注浆，在通孔104内填入金属浆料，经过烘干烧结实现金属化，并在第二生陶瓷片102的通孔上表面和在第三生陶瓷片103的通孔下表面根据需要设置焊盘105和布线层106，达到电气导通的目的，通过精密导体浆料印刷等工艺在生陶瓷片表面制作出所需要的电路图形；
[0042]在预置的热压温度、压力和真空条件下，例如以常用的A6M-E型LTCC材料为例，但本实施例技术实施方案包含且不限于该种材料，层压温度为70°C，层压压力为21MPa，时间为10分钟；烧结温度450°C ;烘烤温度850°C，真空度小于几百Pa，将印刷完金属化图形和形成互连通孔的第一、第二和第三生陶瓷片101、102、103按照预先设置的层数及次序进行热压叠加粘接，使第二矩形凹槽1021内嵌入第一矩形凹槽1011的底部，第一矩形凹槽1011和第二矩形凹槽1021连通形成两级空腔结构，从而形成一个完整的多层基板坯体，需要说明的是:热压温度、压力和真空度参数的数值要根据热压过程中所选取的定位基准度、生陶瓷片的厚度及层数、以及基板面积等要求进行选取，这些工艺参数的选取确定对于本领域技术人员是公知技术，本发明不限定工艺参数选取的具体技术方案；热压过程需要在真空条件下进行，这样能够避免生陶瓷片在后面的烧结过程中产生分层、起泡、开裂等现象，有利于排除气体和提高粘附强度。将热压叠加粘接后的生陶瓷片放入炉中排胶、烧结，完善固相反应，使磁体有高的致密性和完整的单畴晶粒。至此，就形成了下盖板结构，是一个双层凹腔的嵌入式结构，如图2所示。
[0043]步骤102:将带有振动薄膜202的压力传感器芯片201凸点204与通孔104连接，使压力传感器芯片201嵌入第一矩形凹槽1011内部，且与第一矩形凹槽1011密封连接；
[0044]将图3所示的带有振动薄膜202的压力传感器芯片201倒装在下盖板10上，然后将压力传感器芯片201加热，利用熔融的凸点204使压力传感器芯片201与下盖板的焊盘105和通孔104相结合，实现压力传感器芯片201与下盖板10的连接。压力传感器芯片201与下盖板10之间形成密封腔302，作为标准空腔。为了保证标准空腔的密封性，在压力传感器芯片201与下盖板10之间的缝隙采用绝缘密封材料301填充。
[0045]步骤103:采用陶瓷基板制备上盖板40，并在上盖板40上设置第三矩形凹槽4021，在第三矩形凹槽4021的底部中心处设置有贯穿上盖板40的通孔4011 ；
[0046]如图5所示，在第四生陶瓷片402上开设第三矩形凹槽4021，第三矩形凹槽4021的宽度大于第一矩形凹槽1011的宽度，这样不仅能够保护压力传感器芯片，而且还能够使外部待测环境与振动薄膜202保持连通，传递压力；在第五生陶瓷片401上采用冲制或激光钻孔等方式开设通孔4011，使通孔4011位于第三矩形凹槽4021的底部中心处；在预置的热压温度、压力和真空条件下，将第四、五生陶瓷片按照预先设置的层数及次序进行热压叠加粘接，并将热压叠加粘接后的生陶瓷片进行排胶和烧结处理。至此，就形成了上盖板结构，是一个带通孔的嵌入式结构，如图6所示。
[0047]步骤104:将上盖板40与下盖板10连接，使压力传感器芯片201位于上盖板40与下盖板10连接所形成的空间内部。
[0048]如图7所示，上盖板40与下盖板10采用粘合剂501连接。装配后形成与外界检测环境连通的空腔502。
[0049]经过上述工艺过程就形成了含上盖板、压力传感器芯片和下盖板的夹层结构，完成了一个典型压力传感器的封装。在实际应用中，本实施例制备的封装结构是一种比较简单的夹层结构，还可以根据芯片电路模块的需求，进行更加复杂的结构设计，例如多个夹层结构的复合，或者一个夹层结构中嵌入多个芯片。
[0050]本发明实施例提供的压力传感器的封装结构及方法，采用包含上、下盖板及压力传感器芯片的夹层结构实现，利用标准空腔与待测环境之间的压力差，引起压力传感器芯片振动薄膜变形，产生压电阻抗效果，导致电信号的变化，从而将压力转换为电信号，实现压力检测。本发明实施例不仅能够使压力传感器芯片的性能不受封装的影响，而且还能够很好地保护压力传感器芯片不受外界环境的影响，具有良好的气密性。压力传感器芯片表面的布线层处于密封状态，压力传感器芯片与待测环境接触的一侧无金属线路，能够很好地保护压力传感器芯片表面的引线，以防止外界环境腐蚀。本发明实施例提高了压力传感器芯片耐恶劣环境的能力、受力的均匀性、可靠性和准确性，能满足高温、高湿等特殊环境的应用。此外，本发明实施例在整个封装过程中，基本采用传统工艺，工艺简单，成本低，提高了生产率，可靠性高。
[0051]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种压力传感器的封装结构，其特征在于，包括:上盖板、下盖板和带有振动薄膜的压力传感器芯片；所述下盖板上设置有第一矩形凹槽和第二矩形凹槽；所述第二矩形凹槽内嵌入所述第一矩形凹槽的底部，使所述第一矩形凹槽和第二矩形凹槽连通形成两级空腔结构；所述第一矩形凹槽的底部设置有贯穿下盖板的通孔；所述通孔的上下表面连接焊盘和布线层；所述压力传感器芯片凸点与所述通孔连接，使所述压力传感器芯片嵌入所述第一矩形凹槽内部，且与所述第一矩形凹槽密封连接；所述上盖板上设置有第三矩形凹槽，所述第三矩形凹槽的底部中心处设置有贯穿所述上盖板的通孔；所述压力传感器芯片位于所述上盖板与下盖板连接所形成的空间内部。
2.如权利要求1所述的压力传感器的封装结构，其特征在于，所述压力传感器芯片与第一矩形凹槽密封连接采用绝缘密封材料密封。
3.如权利要求1所述的压力传感器的封装结构，其特征在于，所述上盖板与下盖板连接采用粘合剂实现。
4.如权利要求1所述的压力传感器的封装结构，其特征在于，所述第一矩形凹槽的宽度大于所述压力传感器芯片的直径；所述第二矩形凹槽的宽度大于所述压力传感器芯片的振动薄膜的直径；所述第三矩形凹槽的宽度大于所述第一矩形凹槽的宽度；所述上盖板通孔的直径不大于振动薄膜的直径。
5.如权利要求1-4中任一所述的压力传感器的封装结构，其特征在于，所述上盖板和下盖板均由陶瓷基板制备而成。
6.如权利要求1-4中任一所述的压力传感器的封装结构，其特征在于，所述压力传感器芯片由碳化硅或氮化铝制成；所述压力传感器芯片的中间区域为凹型空腔结构，所述凹型空腔的薄底区域为振动膜，所述凹型空腔的背面为布线层，所述布线层上设置有凸点。
7.—种压力传感器的封装方法,其特征在于,包括: 采用陶瓷基板制备下盖板， 并在所述下盖板上设置第一矩形凹槽和第二矩形凹槽，所述第二矩形凹槽内嵌入所述第一矩形凹槽的底部，使所述第一矩形凹槽和第二矩形凹槽连通形成两级空腔结构；在所述第一矩形凹槽的底部设置通孔，并在所述通孔的上下表面设置焊盘和布线层； 将带有振动薄膜的压力传感器芯片凸点与所述通孔连接，使所述压力传感器芯片嵌入所述第一矩形凹槽内部，且与所述第一矩形凹槽密封连接； 采用陶瓷基板制备上盖板，并在所述上盖板上设置第三矩形凹槽，在所述第三矩形凹槽的底部中心处设置有贯穿所述上盖板的通孔； 将所述上盖板与下盖板连接，使所述压力传感器芯片位于所述上盖板与下盖板连接所形成的空间内部。
8.如权利要求7所述的压力传感器的封装方法，其特征在于，所述采用陶瓷基板制备下盖板的步骤具体包括: 在第一生陶瓷片上开设第一矩形凹槽，在第二生陶瓷片上开设第二矩形凹槽，所述第一矩形凹槽的宽度大于压力传感器芯片的直径；所述第二矩形凹槽的宽度大于压力传感器芯片的振动薄膜的直径； 在第二、三生陶瓷片上钻通孔，对所述通孔注浆，在所述通孔内填入金属浆料，经过烘干烧结实现金属化，并在第二生陶瓷片的通孔上表面和第三生陶瓷片的通孔下表面设置焊盘和布线层； 在预置的热压温度、压力和真空条件下，将第一、第二和第三生陶瓷片按照预先设置的层数及次序进行热压叠加粘接，使所述第二矩形凹槽内嵌入所述第一矩形凹槽的底部，所述第一矩形凹槽和第二矩形凹槽连通形成两级空腔结构； 将热压叠加粘接后的生陶瓷片进行排胶和烧结处理。
9.如权利要求8所述的压力传感器的封装方法，其特征在于，所述采用陶瓷基板制备上盖板的步骤具体包括: 在第四生陶瓷片上开设第三矩形凹槽，所述第三矩形凹槽的宽度大于所述第一矩形凹槽的宽度； 在第五生陶瓷片上开设通孔，使所述通孔位于所述第三矩形凹槽的底部中心处； 在预置的热压温度、压力和真空条件下，将第四、五生陶瓷片按照预先设置的层数及次序进行热压叠加粘接，并将热压叠加粘接后的生陶瓷片进行排胶和烧结处理。
10.如权利要求9所述的压力传感器的封装方法，其特征在于，所述压力传感器芯片与第一矩形凹槽密封连接采用绝缘密封材料密封；所述上盖板与下盖板连接采用粘合剂实现。`
【文档编号】G01L9/08GK103487176SQ201310439556
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】周云燕, 宋见, 王启东, 曹立强, 万里兮 申请人:中国科学院微电子研究所