CN103308217A - 一种高温压力传感器的封装结构 - Google Patents

Abstract

一种高温压力传感器的封装结构，属于封装结构设计技术领域。该封装结构包括上盖、下盖、金属引脚、外连接部件和压紧部件。将处理过的金属引脚穿入上盖通孔中，在上盖槽中放置芯片，安装时保证金属引脚与芯片焊盘对齐，在芯片和下盖之间放置小气密垫片保证气密性，安装时保证气孔对齐，利用上下盖凹凸结构对芯片等进行定位。将上盖（及金属引脚）、芯片、小气密垫片和下盖共同组成的三明治结构置于外连接件，上方用压紧部件紧固，高温导线从上方引出。本发明不需要进行引线键合以及高温胶连接，利用机械紧固方式保证气密性。

Description

一种高温压力传感器的封装结构

技术领域

本发明设计涉及MEMS传感器的封装结构，尤其涉及一种高温压力传感器的封装结构，属于封装结构设计技术领域。

背景技术

SiC是非常有希望应用于高温恶劣条件下的半导体材料，国外的一些研究成果证明SiC电子器件不需要冷却就能够直接工作在600℃环境中。但是，缺乏适合的封装限制了SiC器件的应用，如果没有耐用可靠的封装，SiC器件设计得再好，在高温下也不会起到应有的作用。

在高温条件下，SiC器件封装要在满足以下条件：一、封装系统导热性要好，不要出现系统中局部过热的问题；二、各部分的热膨胀系数要匹配；三、各部分抗热冲击性能要好；四、各部分间要化学稳定，不发生或尽可能少发生反应；五、封装密封，保护芯片敏感部分不与外界直接接触。其中主要考虑两个问题：一、封装材料与SiC器件的热膨胀系数不同带来的热应力问题，这个问题一方面会导致压力传感器信号受到干扰，另一方面严重的热应力可能会使封装失效；二、高温电子器件封装中的引线互联失效问题，普通MEMS封装中，一般采用引线键合形成引线连出信号，但在400℃以上高温条件下，键合点处很可能蠕变而失效，也可能会发生反应出现不想要的金属化合物而导致失效。

国外研究成果选用芯片直接粘合技术（DCA）。封装基体材料选择AlN，引线选择Pt线，粘接材料选择高温熔封玻璃。在这种形式的封装中，不再使用引线键合引出信号，而是将Pt丝固定直接与芯片上的金属层相接触，避免了引线键合中触点失效的问题。另外，传感器C型敏感膜的背面与高温介质接触，保护敏感压阻、欧姆接触等不直接承受高温介质的冲击，能有效提高传感器寿命。

但由于上述封装方案工艺难度较大，因此要实现上述封装结构遇到较大困难，主要难点如下：1）高温钎料选取，一般所采用的焊膏最高耐温280℃左右；2）封装采用的玻璃胶无法保证密封性，尺寸较小增加熔封玻璃注入难度；3）陶瓷AlN外壳难加工，且价格昂贵；4）插针固定，设计夹具；5）上盖筑坝，防止熔封玻璃破坏结构；6）气密性要求确保外壳尺寸精度；7）高温操作，工艺难度大

考虑到本封装结构主要用于实验人员测定高温压力传感器特性，因此在保证其测试要求的前提下对封装结构进行了简化的设计。

发明内容

本发明的目的是克服现有DCA封装技术工艺难度大、成本高等的不足，提供一种高温压力传感器的封装结构，在满足测试要求的前提下，简化封装结构，降低封装结构的加工难度和成本。

本发明的技术方案如下：

一种用于高温压力传感器的封装结构，该封装结构包括外连接部件、压紧部件、下盖、传感器芯片、金属引脚和上盖，其特征在于：所述的金属引脚下端设有凸台，该凸台与传感器芯片的焊盘对齐并紧密接触；所述的上盖的底端设有定位内凹槽，凹槽的形状与传感器芯片形状相符；上盖的中间通孔用于穿入金属引脚，并与传感器焊盘对齐；在所述的下盖的内侧面设有与凹槽形状对应的凸台；在下盖与传感器芯片之间设有一级气密垫片；

所述的上盖、金属引脚、传感器芯片、一级气密垫片和下盖共同构成一级封装结构，将一级封装结构置入外连接部件深槽中，使外连接部件气孔、二级气密垫片气孔和下盖气孔正对传感器芯片的可动薄膜结构；传感器芯片的信号线和电源线通过金属引脚导出，与高温导线连接后，穿过压紧部件导线孔；将压紧部件压入外连接部件深槽中，进行紧固连接，实现气密密封。

采用如权利要求1所述用于高温压力传感器的封装结构，其特征在于：所述的压紧部件与外连接部件进行紧固连接采用螺纹连接形式，或将压紧部件顶端和外连接部件顶端做成相配合的法兰盘，通过压紧螺栓连接。

本发明具有以下优点及突出性效果：①、本发明能够耐受高温高压等恶劣环境，并保证传感器的性能测试；②、本发明加工工艺简单，整体封装结构成本较低；③、本发明避免了高温胶的使用和引线键合工艺，从结构上保证了高温高压环境的性能要求。

附图说明

图1是封装结构剖视图。

图2是一级封装结构爆炸图。

图3是二级封装结构爆炸图。

图4（a）是上盖零件主视图。

图4（b）是上盖零件左剖视图。

图4（c）是上盖零件俯剖视图。

图5（a）是下盖零件主视图。

图5（b）是下盖零件左剖视图。

图6是外连接部件零件机构图。

图7是压紧部件零件机构图。

图中：1-高温导线；2-压紧部件；3-外连接部件；4-金属引脚；5-上盖；6-传感器芯片；7-一级气密垫片；8-下盖；9-二级气密垫片；10-外连接部件气孔；11-二级气密垫片气孔；12-下盖气孔；13-下盖定位外凸台；14-上盖定位内凹槽；15-金属引脚底端凸台；16-压紧部件导线孔；17-外连接部件深槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的结构、原理和工作过程做进一步说明。

图1是本发明提供的一种高温压力传感器的封装结构示意图，该封装结构当中，上盖5、金属引脚4、传感器芯片6、一级气密垫片7和下盖8共同构成一级封装结构，外连接部件3、二级气密垫片9、一级封装结构和压紧部件2共同组成二级封装结构。

图2是本发明提供的一级封装结构示意图，在一级封装结构当中，金属引脚4下端设有凸台15，该凸台与传感器芯片的焊盘对齐并紧密接触；上盖5的底端设有定位内凹槽14，凹槽的形状与传感器芯片形状相符；上盖5的中间通孔用于穿入金属引脚4，并与传感器焊盘对齐；在所述的下盖的内侧面设有与凹槽形状对应的凸台13；在下盖8与传感器芯片6之间设有一级气密垫片7。

图3为本发明提供的二级封装结构示意图，如图所示，将一级封装结构置入外连接部件深槽17中，使外连接部件气孔10、二级气密垫片气孔11和下盖气孔12正对传感器芯片的可动薄膜结构；传感器芯片6的信号线和电源线通过金属引脚4导出，与高温导线1连接后，穿过压紧部件导线孔16；将压紧部件2压入外连接部件深槽17中，进行紧固连接，实现气密密封。

图5为本发明提供的下盖零件示意图，下盖8加工当中，采用激光加工形成外形和中心气孔12，采用超声加工形成中间凸台13，对芯片及垫片进行压紧，从而实现气密性。图4为本发明提供的上盖零件示意图，上盖5加工采用机加工方式，包括车外圆，下方加工凹槽14对芯片进行定位，通孔利用激光加工方式，同时保证金属引脚与芯片焊盘的对齐。金属引脚底端凸台15先在高温下形成熔融小球，并在砂纸磨平，形成与芯片焊盘接触的平面。

图6和图7分别为本发明提供的外连接部件和压紧部件的零件示意图，外连接部件3和压紧部件2加工包括钻孔及车内螺纹。压紧部件2与外连接部件3进行紧固连接可以采用螺纹连接形式，即通过压紧部件2的外螺纹与外连接部件3的内内螺纹进行螺纹连接压紧；或将压紧部件2顶端和外连接部件3顶端做成相配合的法兰盘，通过压紧螺栓连接。

在装配过程中，将处理过的金属引脚4插入上盖通孔处，再将传感器芯片6放入上盖定位内凹槽14，保证芯片焊盘与金属引脚4对齐。将一级气密垫片7放入上盖型槽14中，导气孔与芯片可动薄膜共轴，利用下盖凸台13压紧固定密封。金属引脚4另一端突出上盖，与高温导线1相连。将一级封装结构放入外连接部件深槽17中，其中利用二级气密垫片9实现气密密封。高温导线束1通过压紧部件2的通孔16引出。压紧部件旋入外连接部件的内螺纹当中，压紧一级封装结构，完成封装。此时封装可以通过外连接部件的外螺纹与测试设备连接，进行测试。

在材料选择方面，下盖选择与传感器材料热机械特性相似的材料，例如，如果传感器芯片为SiC，下盖材料可以选择AlN，是因为其材料性能与SiC材料匹配。它的热导率较高，热膨胀系数与SiC相当，具有很好的抗热冲击性能和热稳定性，机械强度也很好，是用来封装SiC器件非常理想的材料。而对于上盖，由于其与传感器本身并没有直接接触，因此可以选择加工性能更好的可加工陶瓷。引线材料可以选择Pt，一方面是因为Pt跟Au一样，化学稳定型好，且熔点更高，另一方面是传感器芯片上金属层材料选用了Pt作为最外层，所以用Pt线保持一致。

Claims (2)

1.一种用于高温压力传感器的封装结构，该封装结构包括外连接部件（3）、压紧部件（2）、下盖（8）、传感器芯片（6）、金属引脚（4）和上盖（5），其特征在于：所述的金属引脚下端设有凸台（15），该凸台与传感器芯片的焊盘对齐并紧密接触；所述的上盖（5）的底端设有定位内凹槽（14），凹槽的形状与传感器芯片形状相符；上盖（5）的中间通孔用于穿入金属引脚（4），并与传感器焊盘对齐；在所述的下盖的内侧面设有与凹槽形状对应的凸台（13）；在下盖（8）与传感器芯片（6）之间设有一级气密垫片（7）；

所述的上盖（5）、金属引脚（4）、传感器芯片（6）、一级气密垫片（7）和下盖（8）共同构成一级封装结构，将一级封装结构置入外连接部件深槽（17）中，使外连接部件气孔（10）、二级气密垫片气孔（11）和下盖气孔（12）正对传感器芯片的可动薄膜结构；传感器芯片（6）的信号线和电源线通过金属引脚（4）导出，与高温导线（1）连接后，穿过压紧部件导线孔（16）；将压紧部件（2）压入外连接部件深槽（17）中，进行紧固连接，实现气密密封。

2.采用如权利要求1所述用于高温压力传感器的封装结构，其特征在于：所述的压紧部件（2）与外连接部件（3）进行紧固连接采用螺纹连接形式，或将压紧部件顶端和外连接部件顶端做成相配合的法兰盘，通过压紧螺栓连接。

Images