CN108508283A - 电场传感器封装组件及其批量化制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电场传感器封装组件，其包括：电场敏感芯片，用于测量电场强度；基板，电场敏感芯片设置在基板的上表面上；连接部件，该连接部件用于连接基板和电场敏感芯片；封帽，该封帽与基板的上表面连接形成腔体结构，电场敏感芯片和连接部件设置在腔体结构内；以及增敏电极，该增敏电极设置在封帽的上表面上。本发明还提供一种批量化制造电场传感器封装组件的方法。

Description

电场传感器封装组件及其批量化制造方法

技术领域

本发明涉及电场检测领域，尤其涉及一种电场传感器封装组件及其批量化制造方法。

背景技术

电场检测具有十分重要的意义。根据大气电场的变化规律，采用电场传感器检测待测空间区域的电场强度，在航天航空、电网、气象甚至是国防领域都具有非常重要的作用。借助电场传感器对近地面和空中大气电场变化的检测，可以获取准确的气象信息，从而为导弹和卫星的发射提供重要的数据参考，也可以用于雷电、火灾等的预警。

传统的电场传感器的管壳结构需逐个装片与封焊，不利于批量化制造，管壳结构及封装工艺成本较高，制约了电场传感器的批量化生产和规模化应用。

发明内容

为了克服上述问题的至少一个方面，本发明实施例提供一种电场传感器封装组件及其制造方法。

根据本发明实施例的一个方面，提供一种电场传感器封装组件，其包括：

电场敏感芯片，用于测量电场强度；

基板，电场敏感芯片设置在基板的上表面上；

连接部件，连接部件用于连接基板和电场敏感芯片；

封帽，封帽与基板的上表面连接形成腔体结构，电场敏感芯片和连接部件设置在腔体结构内；以及

增敏电极，增敏电极设置在封帽的上表面上。

根据一些实施例，连接部件包括引线，该引线连接基板和电场敏感芯片；或者

连接部件包括倒装基板和连接球，倒装基板与电场敏感芯片上表面连接，且倒装基板通过连接球与基板上表面连接。

根据一些实施例，封帽的外表面上设置凹槽，增敏电极设置于凹槽中。

根据一些实施例，在封帽的内表面的与凹槽相对应的位置处设置有加固构件。

根据一些实施例，电场传感器封装组件还包括连接构件，连接构件设置在基板的下表面上，连接构件用于与其他组件进行连接。

根据本发明实施例的另一个方面，提供一种批量化制造如上所述的电场传感器封装组件的方法，包括以下步骤：

将基板坯件划分成多个单元基板；

在多个单元基板的上表面上安装电场敏感芯片；

在多个单元基板与电场敏感芯片之间安装连接部件；

在多个单元基板的上表面上安装封帽以形成腔体结构，使得电场敏感芯片和连接部件位于腔体结构内；以及

从基板坯件上切割多个单元基板。

根据一些实施例，在多个单元基板与电场敏感芯片之间安装连接部件进一步包括：

在多个单元基板与电场敏感芯片之间安装引线；或者

在电场敏感芯片上安装倒装基板，然后通过连接球将倒装基板与单元基板连接。

根据一些实施例，在多个单元基板的上表面上安装封帽以形成腔体结构的步骤之前还包括：在封帽的上表面上安装增敏电极。

根据一些实施例，在封帽的上表面上安装增敏电极的步骤包括：

在封帽的上表面上设置凹槽；以及

将增敏电极安装于凹槽中。

根据一些实施例，在封帽上安装增敏电极之后还包括：

在封帽的内表面的与凹槽相对应的位置处设置加固构件。

根据一些实施例，在步骤从基板坯件上切割多个单元基板之前还包括：

在多个单元基板中的每一个的下表面上设置连接构件。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：在封帽上增加增敏电极，进一步加强了电场敏感芯片的灵敏度，从而加强了对电场的测量效果。另外，本发明通过基板、封帽、增敏电极等部件的批量化制造，提升了电场传感器封装组件的批量化生产能力，提升了电场传感器封装组件性能的一致性，并且通过批量化制造，降低了电场传感器封装组件的生产成本。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其他目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1是本发明一个实施例的电场传感器封装组件的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的电场传感器封装组件的结构示意图；

图3是本发明一个实施例的电场传感器封装组件的结构示意图；

图4是本发明一个实施例的批量化制造电场传感器封装组件方法的流程图；

图5是形成方形阵列式单元基板的基板坯件的示意图；

图6是形成圆形阵列式单元基板的基板坯件的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

电场传感器是静电场传感器或交流电场传感器，包括采用微纳米加工技术制备而成的微机械结构芯片、微电子敏感芯片、光学敏感芯片，或其他类型的敏感芯片。由于采用微纳米加工技术制备的电场敏感芯片及信号引线较脆弱，很容易受机械碰撞、雨滴、风沙等恶劣环境的影响，造成性能下降甚至损坏，因此，这种电场敏感芯片通常采用封装进行保护。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种电场传感器封装组件。

图1是根据本发明的一个实施例的电场传感器封装组件100的结构的示意图。如图1所示，电场传感器封装组件100包括：电场敏感芯片1，其用于测量电场强度；基板2，电场敏感芯片1设置在基板2的上表面上；连接部件，连接部件用于连接基板2和电场敏感芯片1；封帽3，封帽3与基板2的上表面连接形成腔体结构，电场敏感芯片1和连接部件设置在腔体结构内；以及增敏电极4，增敏电极4设置在封帽3的上表面上。

电场敏感芯片1，用于测量电场强度，是测量被测区域电场强度的核心部件。电场敏感芯片1可以是利用不同的原理制造的电场敏感芯片，例如：可以是基于微机电系统(MEMS)技术的谐振式电场敏感芯片，也可以是振动电容式电场敏感芯片，还可以是光学式电场敏感芯片，当然也可以是其他种类的电场敏感芯片。

基板2用于安装电场敏感芯片1，并为电场敏感芯片1提供信号接口。基板2可以是不同材料、不同方式、不同形状的基板，例如，基板2的材料可以是陶瓷，也可以是金属，还可以是玻璃，当然也可以是其他材料；基板2可以是印制电路板，也可以是金属管座，当然也可以是其他方式；基板2可以是圆形，也可以是方形，还可以是其他任意形状。在本发明实施例中，可以选取成本较低且可以批量化操作的印刷电路板作为基板，为电场敏感芯片1提供电气连接的焊盘、布线及管脚。为了方便电场敏感芯片1的安装，基板2上可以进行表面处理，例如，可以在基板表面开设相应的凹槽；也可以在基板上沉金，也即是通过化学氧化还原反应的方法在基板上生成一层镀层；还可以覆铜，也即是将印制电路板上闲置的空间作为基准面，然后用固体铜填充；当然，也可以进行其他的表面处理。

电场敏感芯片1与基板2之间的连接方式可以是胶粘；也可以是键合，键合是指将两片表面清洁、原子级平整的同质或异质半导体材料经表面清洗和活化处理，在一定条件下直接结合，通过范德华力、分子力甚至原子力使晶片键合成为一体的技术，例如金属焊料键合、金硅共晶键合或阳极键合；当然也可以是其他种类的连接方式。当采用胶粘时，可以选取环氧乙烯胶、导电双面胶带、导电银胶等，粘接后根据胶的固化特性，选取合适的烘烤或自然放置的环境参数。当采用金属焊料键合时，电场敏感芯片1的粘接面制备相应的金属化层，例如溅射金、蒸镀铝等，基板2的粘接位置同样包含金属化层，例如覆铜、沉金等。电场敏感芯片1与基板2之间采用金属焊料键合时，二者之间可以选取锡铅、金锡等焊料进行熔融焊接。当采用金硅共晶键合时，电场敏感芯片1的粘接面为硅材料，在基板2的粘接位置进行沉金处理。当采用阳极键合工艺时，基板2的粘接位置为玻璃材料，键合工艺需要在电场敏感芯片1与基板2之间施加500V～1000V电压，并将玻璃-硅片加热到300℃～500℃。采用键合方式的优点是无须任何粘接剂并且键合界面牢固。

封帽3与基板2的上表面连接形成腔体结构，电场敏感芯片1和连接部件设置在腔体结构内，这样就达到了保护电场敏感芯片1的目的。封帽3内部存在凹陷空腔，与基板2连接形成足以容纳电场敏感芯片1的腔体结构。封帽3可以由不同的材料制作。根据不同的材料，封帽3的制作方式也不一样。例如，封帽3可以是聚乙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、尼龙、液晶聚合物、导电聚合物等聚合物材料制成，也可以是铜、铁、铝、锡、铅、金等金属或金属合金制成。采用聚合物材料制作封帽需要用到注塑工艺，采用金属或金属合金制作封帽需要用到冲压、铸造等工艺。与电场敏感芯片1和基板2的连接方式类似，封帽3与基板2之间的连接方式可以为胶粘、金属焊料键合、金硅共晶键合、阳极键合，或其他种类的连接方式。封帽3的形状没有具体的限制，可以是长方体，也可以是半球体，当然，也可以是其他的形状。

增敏电极4设置在封帽3的上表面上，用于提升电场敏感芯片的灵敏度。增敏电极4可以通过铜、铁、铝、锡、铅、金等金属或金属合金，进行冲压、铸造等工艺制备。增敏电极4的形状可以是圆形，也可以是方形，必要时可在增敏电极4上增设其他形状的金属电极。同样的，增敏电极4与封帽3之间的连接方式可以为胶粘、金属焊料键合、金硅共晶键合、阳极键合，或其他种类的连接方式。

继续参见图1，连接部件包括引线5，引线5连接基板2和电场敏感芯片1。引线5用于电场敏感芯片1与基板2之间的电信号传输。本发明实施例中，电场敏感芯片1与基板2之间可以采用邦定引线法进行电信号连接。邦定是芯片生产工艺中一种打线的方式，一般用于将芯片内部电路用金线或铝线与封装管脚或线路板镀金铜箔连接，在本实施例中用于将电场敏感芯片1的内部电路通过金线或铝线与基板2连接。引线5可以是金丝，也可以是硅铝丝。

当然，连接部件可以包括其他的器件。图2是根据本发明的一个实施例的电场传感器封装组件200的结构的示意图。如图2所示，电场传感器封装组件200包括连接部件，连接部件包括倒装基板8和连接球9，倒装基板8与电场敏感芯片1上表面连接，且倒装基板8通过连接球9与基板2的上表面连接。在电场敏感芯片1上安装倒装基板8，倒装基板8与电场敏感芯片1之间可以通过焊接连接。倒装基板8上存在与电场敏感芯片1相对应的焊盘，倒装基板8和电场敏感芯片1之间采用植球法或锡膏进行焊接。在倒装基板8中的与电场敏感芯片1相连接的部位进行适当开孔，避免屏蔽被测电场信号。倒装基板8与电场敏感芯片1焊接完成后，再将倒装基板8与基板2通过连接球9进行连接，连接球9可以为锡膏、植球、焊料片等，连接球9的形状可以是球体，也可以是其他形状，例如椭球体，当然也可以是其他形状。电场传感器封装组件200的其他元件与电场传感器封装组件100相同，在此不再赘述。

根据优选的实施例，封帽3的外表面上设置凹槽，增敏电极4设置于该凹槽中。为了便于增敏电极4的粘接，封帽3在制备时可在上表面进行适当的沉槽处理，也即是在封帽3上表面设置凹槽，使增敏电极4可以在凹槽中放置。在凹槽中安置胶水、胶带等材料可以使得增敏电极安装得更加牢固，并且使得增敏电极4的上表面与封帽3的外表面位于同一平面中，使得电场传感器封装组件看起来更加美观以及使用更加方便。

继续参见图1，根据优选的实施例，在封帽3的内表面的与凹槽相对应的位置处设置有加固构件10。封帽3上设置了凹槽后，会降低封帽3的厚度，遇到碰撞可能会断裂。为了加强封帽3的强度，避免局部过薄，可在封帽3的内表面的对应于凹槽的位置处设置加固构件10，以提供加强的机械强度。当然，也可以在整个内表面均设置加固构件，这样可以进一步加强封帽3的机械强度。

继续参见图1，根据优选的实施例，电场传感器封装组件还包括连接构件6，连接构件6设置在基板2的下表面上，连接构件6用于与其他组件进行连接。在本实施例中，连接构件6是金属焊盘，便于电场传感器封装组件与相应的放大电路、信号调节电路进行焊接。

图3是根据本发明的另一个实施例的电场传感器封装组件300的结构示意图。如图3所示，电场传感器封装组件300包括连接构件6，在本实施例中，连接构件6是直插型管脚，便于直接插入电路板中，更加方便快捷。

基于相同的构思，为了满足电场传感器规模化生产和应用的需求，通过选用适合于量产加工的敏感单元、基板、封帽、增敏电极，本发明还提供了一种批量化制造如上所述的电场传感器封装组件的方法。图4是根据本发明实施例的批量化制造电场传感器封装组件的流程图。如图4所示，批量化制造电场传感器封装组件的方法包括如下步骤：

S401，将基板坯件划分成多个单元基板。

为了批量化生产电场传感器封装组件，可以选择一个比较大的基板坯件，本实施例中的基板可以是拼接处理的印制电路板，这样可以形成阵列式的一体化基板。然后，将基板坯件划分成多个形状相同的单元基板，单元基板的形状可以是圆形，也可以是正方形，还可以是其他任意的形状。

S402，在多个单元基板的上表面上安装电场敏感芯片。

在划分好的单元基板上安装电场敏感芯片，为了批量化生产，可以在多个单元基板上同时安装电场芯片。如前所述，电场敏感芯片可以是利用不同的原理制造的电场敏感芯片，电场敏感芯片与单元基板之间的连接方式可以是胶粘，也可以是键合，当然也可以是其他种类的连接方式。

S403，在多个单元基板与电场敏感芯片之间安装连接部件。

在单元基板上安装好电场敏感芯片之后，可以在单元基板和电场敏感芯片之间安装连接部件。安装连接部件的方式有多种，例如可以在多个单元基板与电场敏感芯片之间安装引线；也可以在电场敏感芯片上安装倒装基板，然后通过连接球将倒装基板与单元基板连接。具体的，在单元基板与电场敏感芯片之间安装引线可以采用邦定引线法，也即是将电场敏感芯片内部电路通过引线与单元基板连接；在电场敏感芯片上安装倒装基板可以采用倒装焊的方式，也即是先在电场敏感芯片上安装倒装基板，安装的方式可以是焊接，电场敏感芯片与倒装基板之间可以通过植球法或锡膏进行焊接。为了避免倒装基板屏蔽电场信号，可以在倒装基板与电场敏感芯片连接的地方进行适当的开孔，孔的大小以及孔的数量可以根据具体的情况进行相应的调整。在将倒装基板安装到电场敏感芯片上之后，再将倒装基板与单元基板进行相连，可以通过连接球将倒装基板与单元基板连接，连接球的材料可以是锡膏、植球或者焊料片。为了进行批量化的生产，可以同时在多个单元基板与电场敏感芯片之间安装连接部件，引线和倒装基板也可以采用批量工艺进行阵列式加工，有助于进一步提升封装的批量化程度。

S404，在多个单元基板的上表面上安装封帽以形成腔体结构，使得电场敏感芯片和连接部件位于腔体结构内。

在多个单元基板的上表面安装制作好的封帽以形成腔体结构，这样电场敏感芯片和连接部件都在腔体结构内，可以对电场敏感芯片起到保护的作用。为了电场传感器封装组件的批量化生产，可以同时在多个单元基板的上表面上安装封帽。单元基板的适当位置设置若干个对准标记，便于封帽的批量化对准。

为了可以和其他的组件或者电路进行连接，可以在多个单元基板中的每一个的下表面上设置连接构件。连构部件可以是焊盘，也可以是管脚，管脚可以在单元基板制备时预制进基板内部，也可以采用常规的接插件焊接。这样可以根据不同的应用场景选用不同的连接构件。

S405，从基板坯件上切割多个单元基板。

在上述步骤完成后，按照单元基板的边缘对基板坯件进行切割，从而形成多个电场传感器封装组件。切割的方法可以是激光切割，也可以是水刀切割，还可以是其他切割方式。

在以上步骤S404之前，还可以包括在封帽的上表面上安装增敏电极的步骤。

这一步是为了制作封帽，在封帽的上表面上进行沉槽处理，也即是在封帽的上表面设置凹槽；然后，将增敏电极安装于凹槽中。凹槽的大小不做具体的限制，以能刚好装下增敏电极为宜。凹槽和增敏电极的数量也不做限制。封帽的形状可以是长方体，也可以是半球体，当然也可以下部分是长方体，上部分是圆弧。

在封帽的外表面进行沉槽处理后，封帽的厚度就会减小，局部的机械强度就可能降低，遇到类似于碰撞的情况时，封帽很可能裂开。为了加大封帽的机械强度，可以在封帽的内表面的与凹槽相对应的位置处设置加固构件，这样就使得封帽不容易发生开裂等情况。当然，也可以在封帽的内表面上都设置加固构件，这样，封帽的机械强度最大。为了配合电场传感器封装组件的批量化生产，封帽也可以进行批量化生产。

当然，以上所述的各个步骤仅是根据本发明的批量化制造电场传感器封装组件的方法的优选的步骤及其顺序。本发明所述的批量化制造电场传感器封装组件的方法不限于上述步骤顺序，而可以改变相关步骤的顺序，比如可以首先在基板坯件上形成各个单元传感器封装组件，然后再将基板坯件划分为单元基板并进行切割；还可以在安装封帽之前不在封帽上设置增敏电极，而在将封帽安装到基板坯件上之后或者在切割成单元基板之后再将增敏电极设置在封帽的上表面上。上述这些顺序的步骤都落在本发明的保护范围之内。

图5是形成方形阵列式单元基板的基板坯件B的示意图。如图5所示，在基板坯件B上形成多个方形电场敏感单元A，方形电场敏感单元A包括电场敏感芯片、封帽、增敏电极、引线(或倒装基板)和方形单元基板，基板坯件B包括基板和连接构件，方形单元基板形成在基板坯件B上。各个组成部分的材料、形状、相互之间的连接方式及工艺与上述电场传感器封装组件100相同。通过一体式加工的基板，以及批量化加工的封帽，实现电场传感器封装组件的批量化生产。单元基板的排列方式不局限于阵列式，还可以是其他排列方式，只要不影响批量化生产即可。

图6是形成圆形阵列式单元基板的基板坯件B的示意图。如图6所示，在基板坯件B上形成多个圆形电场敏感单元C，圆形电场敏感单元C与方形电场敏感单元A的区别在于单元基板的形状不同，方形电场敏感单元A的单元基板是方形，圆形电场敏感单元C的单元基板是圆形。形成圆形阵列式单元基板的基板坯件B的其他组成部件与形成方形阵列式单元基板的基板坯件B相同。

本发明通过在封帽上增设增敏电极，大大增强了电场敏感芯片对于电场测量的灵敏度，从而有效增强了电场传感器封装组件的性能。另外，本发明通过基板、封帽、增敏电极等部件的批量化制造，提升了电场传感器封装组件的批量化生产及应用能力，提高了电场传感器封装组件性能的一致性；并且通过批量化制造，降低了电场传感器封装组件的生产成本。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种电场传感器封装组件，其特征在于，所述电场传感器封装组件包括：

电场敏感芯片，用于测量电场强度；

基板，所述电场敏感芯片设置在所述基板的上表面上；

连接部件，所述连接部件用于连接所述基板和所述电场敏感芯片；

封帽，所述封帽与所述基板的上表面连接形成腔体结构，所述电场敏感芯片和所述连接部件设置在所述腔体结构内；以及

增敏电极，所述增敏电极设置在所述封帽的上表面上。

2.根据权利要求1所述的电场传感器封装组件，其特征在于，

所述连接部件包括引线，所述引线连接所述基板和所述电场敏感芯片；或者

所述连接部件包括倒装基板和连接球，所述倒装基板与所述电场敏感芯片上表面连接，且所述倒装基板通过所述连接球与所述基板上表面连接。

3.根据权利要求1所述的电场传感器封装组件，其特征在于，所述封帽的外表面上设置凹槽，所述增敏电极设置于所述凹槽中。

4.根据权利要求3所述的电场传感器封装组件，其特征在于，在所述封帽的内表面的与所述凹槽相对应的位置处设置有加固构件。

5.根据权利要求1所述的电场传感器封装组件，其特征在于，所述电场传感器封装组件还包括连接构件，所述连接构件设置在所述基板的下表面上，所述连接构件用于与其他组件进行连接。

6.一种批量化制造电场传感器封装组件的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将基板坯件划分成多个单元基板；

在多个所述单元基板的上表面上安装电场敏感芯片；

在多个所述单元基板与所述电场敏感芯片之间安装连接部件；

在多个所述单元基板的上表面上安装封帽以形成腔体结构，使得所述电场敏感芯片和所述连接部件位于所述腔体结构内；以及

从所述基板坯件上切割所述多个单元基板。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在多个所述单元基板与所述电场敏感芯片之间安装连接部件进一步包括：

在多个所述单元基板与所述电场敏感芯片之间安装引线；或者

在所述电场敏感芯片上安装倒装基板，然后通过连接球将所述倒装基板与所述单元基板连接。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在多个所述单元基板的上表面上安装封帽以形成腔体结构的步骤之前还包括：在所述封帽的上表面上安装增敏电极。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述封帽的上表面上安装增敏电极的步骤包括：

在所述封帽的上表面上设置凹槽；以及

将所述增敏电极安装于所述凹槽中。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述封帽上安装增敏电极之后还包括：

在所述封帽的内表面的与所述凹槽相对应的位置处设置加固构件。

11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤从所述基板坯件上切割所述多个单元基板之前还包括：

在所述多个单元基板中的每一个的下表面上设置连接构件。