CN105280571A - 一种微芯片示踪器封装结构和封装方法 - Google Patents

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李继博
张卫
陆黄生
李三国
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李新
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China Petroleum and Chemical Corp
Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering
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Abstract

本发明公开了一种微芯片示踪器封装结构和封装方法。该封装结构包括优选呈球状的复合材料包覆体，所述复合材料包覆体的内部固定有传感器电路装置，所述传感器电路装置的感知元件裸露在所述复合材料包覆体的表面，以感知外部参数。所述传感器电路装置包括有传感器、数据采集电路板和高温电池等部件，各部件之间的电气连接线优选为耐高温的漆包线。通过借助模具浇注复合材料，微芯片示踪器被固定在复合材料内，并且达到了电绝缘和耐高温的封装效果。本发明提供的微芯片示踪器封装结构具有较好的抗温和抗压性能，并且封装密度小，是一种无污染和低成本封装技术，特别适用于井筒内高温高压环境下的轻质微型电路的封装。

Description

一种微芯片示踪器封装结构和封装方法
技术领域
本发明涉及高温微型电路封装技术，尤其是涉及一种钻井用的微芯片示踪器的封装结构和封装方法。
背景技术
随着微电子技术的发展，井下随钻测量仪逐步朝微型化、智能化和网络化的方向发展。这使得钻井过程中井筒工程参数实时测量、井下数据高速传输和地面数据快速处理等方面得到了进一步地提高。微芯片示踪器是一种微型化的井下随钻测量工具，主要用于测量钻井过程中井筒温度和压力等工程参数。与只能测量井筒顶点参数的MWD随钻测量仪不同，微芯片示踪器可以连续、重复地测量全井筒的工程参数。
微芯片示踪器通过在井筒流体通道内循环流动而采集温度和压力等工程数据。这种工作方式对仪器的小密度、小体积、抗高温、抗高压、抗腐蚀和抗振动等指标要求很高，而其封装方式是保证其能否在井下正常工作的关键技术之一。传统的集成电路芯片和元器件的封装主要有金属材料封装、陶瓷材料封装和复合材料封装三种方式。其中：金属材料封装是采用金属作为壳体，其热导率低、电阻率小和密度大；陶瓷材料封装是先将芯片的引脚嵌入陶瓷基板的凹槽，用玻璃密封固定，对玻璃进行高温烧结，玻璃熔融而达到密封的一种封装方式，虽然具有气密性好、散热快和可靠性高的优点，但是陶瓷密度较大和烧结温度很高；复合材料封装是先将芯片放入模具内，再把液态下的复合材料(例如环氧树脂)通过加温进行固化的一种封装方式，与其它封装方式相比，其具有不导电、质量轻、成本低、加工容易的特点，尤其适合于器件的小型化、轻量化和低成本化的封装。
微芯片示踪器是一个完整、独立的电路系统，尺寸较小(10～20mm)，却包含有集成电路芯片、电子元件、印刷电路板和电池等多个的元器件，所承受的温度不能太高(不能高于150℃)，否则系统功能会受损。传统的金属材料封装和陶瓷材料封装由于材料密度过大(7g/cm3)或者烧结温度过高(720℃)而不适合微芯片示踪器的封装。常用元件(LED、电容等)的复合材料封装方式虽然可以满足微芯片示踪器的小型化和轻量化的封装要求，但是耐温性能较低(100℃)和强度不高，因此也不能直接应用于微芯片示踪器的封装。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种微芯片示踪器封装结构和封装方法，使封装后的微芯片示踪器具有耐高温、耐高压、质量轻和体积小等性能。
一种微芯片示踪器封装结构，其特征在于，包括复合材料包覆体，所述复合材料包覆体的内部固定有传感器电路装置，所述传感器电路装置的感知元件裸露在所述复合材料包覆体的表面，以感知外部参数。
根据本发明的实施例，上述复合材料包覆体优选为球状。
根据本发明的实施例，上述复合材料可以为环氧树脂。
根据本发明的实施例，上述传感器电路装置包括：
传感器，设置在所述复合材料包覆体的上部；
数据电路板，设置在所述复合材料包覆体的中部，并与所述传感器电气连接；
高温电池，设置在所述复合材料包覆体的下部，并与所述传感器和数据电路板电气连接。
此外，本发明还提供一种微芯片示踪器封装方法，包括以下步骤：
S100，提供内部刷有脱模剂的模具；
S200，将传感器电路装置固定在模具内；
S300，向模具中注入液态的复合材料；
S400，将填满复合材料的模具加温固化；
S500，脱模成型。
根据本发明的实施例，上述模具可以由两个可闭合的半球形金属壳体组成。
根据本发明的实施例，上述复合材料可以为环氧树脂。
根据本发明的实施例，上述S400中，加温固化时最高温度不超过150℃。
与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：
本发明采用基于环氧树脂等复合材料的封装工艺对微芯片示踪器进行封装，使其具有耐高温、耐高压、质量轻和体积小等特点，满足微芯片示踪器工作在钻井井筒高温高压环境下的要求。同时该种封装方式还可以应用于井下高温仪器内部电子线路的密封和固定，具有稳定性好和成本低的特点。随着井下纳米机器人和井下无线数据传输信息球在油田现场的逐步推广和应用，本发明成果将在这些领域发挥重要作用。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明一个实施例的封装结构示意图；
图2是图1中所示传感器电路装置的组成结构示意图；
图3是制作图1所示封装结构的方法流程图。
具体实施方式
本发明提出了一种耐高温、耐高压、质量轻和体积小的微芯片示踪器封装结构。该封装结构包括复合材料包覆体，该复合材料包覆体的内部固定有传感器电路装置，该传感器电路装置的感知元件裸露在复合材料包覆体的表面，以感知外部参数。
下面结合附图和具体实施例进一步介绍上述技术方案及其所能达到的技术效果。
如图1所示，在一个优选的实施例中，微芯片示踪器封装结构的复合材料包覆体10呈球状，采用环氧树脂制成。在复合材料包覆体10的内部固定有一种压力传感器电路装置。该压力传感器电路装置包括有压力芯体21、数据电路板22和高温电池23。其中：
压力芯体21为金属铂片压力传感器，呈圆柱形，尺寸为φ6mm×4mm，量程为0～60MPa，能够输出1～10mV电压信号，精度可达1％FS，工作温度为-20℃～150℃；
数据电路板22包括有电路芯片和电子元器件，尺寸为φ14mm×0.6mm，工作温度可达150℃；
高温电池23的标称电压为3V，容量为48mAh，尺寸为φ12.5mm×2.5mm，工作温度为-40℃～125℃。
上述压力芯体21有一面裸露在复合材料包覆体10的表面。
上述压力芯体21、数据电路板22和高温电池23之间可以通过一种直径为0.19mm，耐热温度可达180℃的漆包线实现电气连接。
优选环氧树脂作为填充材料，是因为环氧树脂在浇注时与固化剂等配料一起作用，固化后的材料的耐温性能可达150℃，封装在其内的传感器电路装置可以毫无阻碍地穿过环氧树脂与外界进行无线数据通讯。
图2显示了图1中所示传感器电路装置的组成结构示意图。其中数据电路板22包括优选布设在电路板顶层的信号调理电路31、MSP430处理器32、温度传感器33、仿真接口34和晶振电路35，以及优选布设在电路板底层的RF模块36。由于这些功能模块及其连接为现有技术，因此此处不做详述。
图3是本发明提出的制作图1所示微芯片示踪器封装结构的方法流程图。该方法主要包括以下步骤：
S100，提供内部刷有脱模剂的模具。
首先按照微芯片示踪器尺寸和形状加工模具。模具可以为两个半球形壳体，材料一般为铝、不锈钢等金属材料。加工好的模具其内壁在使用前通常会刷一层脱模剂，以防止后期脱模时填充材料粘接在模具内壁上。
S200，将传感器电路装置固定在模具内。
将连接组装好的传感器电路装置固定在一个半球模具壳体内，与另一个半球模具壳体闭合。
S300，向模具中注入液态的复合材料。
将液态的环氧树脂材料通过模具上预留的孔注入模具内。其中，注入环氧树脂材料时要保持低速和匀速，以尽可能排空环氧树脂材料中可能存在的气泡。
S400，将填满复合材料的模具加温固化。
将填满环氧树脂材料的金属模具送入高温烘炉进行加温固化。通常，加温固化时最高温度不超过150℃。整个加温固化过程大约会持续6个小时。
S500，脱模成型，微芯片封装流程结束。
以上所述，仅为本发明的具体实施案例，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术的技术人员在本发明所述的技术规范内，对本发明的修改或替换，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微芯片示踪器封装结构，其特征在于，包括复合材料包覆体，所述复合材料包覆体的内部固定有传感器电路装置，所述传感器电路装置的感知元件裸露在所述复合材料包覆体的表面，以感知外部参数。
2.如权利要求1所述的一种微芯片示踪器封装结构，其特征在于：
所述复合材料包覆体为球状。
3.如权利要求1所述的一种微芯片示踪器封装结构，其特征在于：
所述复合材料为环氧树脂。
4.如权利要求1所述的一种微芯片示踪器封装结构，其特征在于，所述传感器电路装置包括：
传感器，设置在所述复合材料包覆体的上部；
数据电路板，设置在所述复合材料包覆体的中部，并与所述传感器电气连接；
高温电池，设置在所述复合材料包覆体的下部，并与所述传感器和数据电路板电气连接。
5.一种微芯片示踪器封装方法，包括以下步骤：
S100，提供内部刷有脱模剂的模具；
S200，将微芯片示踪器固定在模具内；
S300，向模具中注入液态的复合材料；
S400，将填满复合材料的模具加温固化；
S500，脱模成型。
6.如权利要求5所述的一种微芯片示踪器封装方法，其特征在于：
所述模具由两个可闭合的半球形金属壳体组成。
7.如权利要求5所述的一种微芯片示踪器封装方法，其特征在于：
所述复合材料为环氧树脂。
8.如权利要求5所述的一种微芯片示踪器封装方法，其特征在于：
所述步骤S400中，加温固化时最高温度不超过150℃。
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