CN110132462B - 压力传感器封装结构及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压力传感器封装结构及其封装方法，属于测量压力技术领域。该结构包括壳体、设于壳体腔内的电路板和压力敏感芯片；电路板包括陶瓷电路板和PCB电路板；其封装是在压力敏感芯片周围包覆有胶体，在壳体底座中通的孔道另一端的端面上焊接密封有基板，陶瓷电路板设于基板的一侧表面并位于孔道内，PCB电路板贴靠于基板的另一侧表面并位于壳体腔内，PCB电路板与接插件形成电连接，压力敏感芯片倒装焊于陶瓷电路板一侧表面上，陶瓷电路板、基板和PCB电路板顺序叠放并通过端子柱贯穿通孔的两端分别与陶瓷电路板和PCB电路板焊接密封。由此形成与壳体腔隔绝的测试腔的整体隔绝密封结构，可以更好解决测量介质与电路器件之间的密封问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力传感器封装结构及其封装方法，属于测量压力技术领域。
背景技术
压力传感器是通过压力敏感单元感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号，再由信号处理单元处理成对应需要的模拟输出或者数字输出形式。常用压力传感器压力敏感单元包含以下几种技术，陶瓷电容/陶瓷电阻/玻璃微熔/溅射薄膜/微机电系统（MEMS）。针对传感器的使用环境，传感器需要兼容水/油/压缩空气/天然气/制冷剂等复杂的介质环境，并且有严格的密封要求。
从传感器的封装形式，陶瓷电容/陶瓷电阻需要采用O型圈密封，受限于O型圈的材质，无法与多种压力介质兼容，并且因O型圈受温度的影响，长期会存在失效，在例如有严格泄露要求的空调行业往往难以达到要求；玻璃微熔/溅射薄膜将压力感应模块固定在基座上，可实现介质隔离和全密封，然而技术难度大，成本高，并不普及；目前广泛应用的MEMS压力传感常见生产工艺有背面胶粘贴芯片、共晶焊和充油的方式；背面胶粘贴芯片的方式是压力敏感芯片通过胶粘接，再通过金线或铝线实现电连接，而粘结胶只适用于洁净气体和较低压力量程，不能用于其它介质的压力测量，应用范围小；共晶焊的方式是以共晶焊接将压力敏感芯片封接在金属管壳上，再通过金线或铝线实现电连接，此方式的问题在于芯片成本高，激光焊电阻焊工艺多，生产封装工艺复杂、成本高；充油的方式是将压力传感器芯片封装于充满硅油的密闭结构中，外加压力通过硅油从不锈钢膜片传递到压力传感器芯片上，此方式的问题在于零部件多，工艺复杂，产品的成本非常高。传统的MEMS压力敏感芯片需要通过绑线工艺进行引线输出压力信号，对于产品结构设计存在很多限制，并且现有的MEMS压力传感器的生产封装工艺严重限制了其应用范围。
中国专利文献（申请公布号 CN 109534282 A）公开了一种基于倒装焊芯片介质隔离型压力传感器的生产工艺，该文献涉及的压力传感器虽然是倒装焊芯片介质隔离的，但其陶瓷基板 （1）与壳体 （8） 之间的密封是通过设置在陶瓷基板 （1）与壳体 （8） 之间的0型圈 （7) 的被压缩而实现的。但是，由于0型圈接触待测试介质，在测试介质腐蚀及0型圈自身老化的情况下，很容易造成密封失效，从而导致测试介质进入壳体内腔并接触电路。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：改进目前倒装焊芯片介质隔离型压力传感器中的测量介质与电路器件之间的密封。
本发明为解决上述技术问题提出的第一技术方案是：一种压力传感器封装结构包括壳体、设于所述壳体的壳体腔内的电路板和压力敏感芯片；所述壳体包括壳体盖、密封联接所述壳体盖一侧并用于外部电连接的接插件和密封联接所述壳体盖另一侧的底座，所述壳体腔形成于所述接插件、所述壳体盖和所述底座之间包围的内部空间，所述底座设有中通的孔道，所述孔道一端用于连通测量介质，所述电路板包括陶瓷电路板和PCB电路板，所述压力敏感芯片周围包覆有胶体；所述孔道另一端的端面上焊接密封有基板，所述陶瓷电路板贴靠于所述基板的一侧表面并位于所述孔道内，所述PCB电路板贴靠于所述基板的另一侧表面并位于所述壳体腔内，所述PCB电路板与所述接插件形成电连接，所述压力敏感芯片倒装焊于所述陶瓷电路板朝向所述孔道的一侧表面上，所述陶瓷电路板、基板和PCB电路板自下而上顺序叠放并均开设有通孔，所述通孔贯穿有用于将陶瓷电路板、基板和PCB电路板彼此形成电连接的端子柱，所述端子柱的两端分别与所述陶瓷电路板和PCB电路板焊接密封；所述基板一侧表面至所述孔道形成与所述壳体腔隔绝并用于填充测量介质的测试腔。
本发明为解决上述技术问题提出的第二技术方案是：基于上述第一技术方案一种压力传感器封装结构的封装方法，执行以下步骤：
S1：在陶瓷电路板、基板和PCB电路板分别制作第一通孔、第二通孔和第三通孔；
S2：在陶瓷电路板一侧表面溅射薄膜电路并覆盖玻璃釉，再印刷焊锡膏；
S3：将压力敏感芯片置于焊锡膏上，并倒装焊接在陶瓷电路板朝向所述孔道的一侧表面上；
S4：在第二通孔穿设端子柱并在第二通孔内烧结玻璃将端子柱与基板固结密封；
S5： 使端子柱分别穿过第一通孔和第三通孔将陶瓷电路板、基板和PCB电路板自下而上顺序叠放，再将端子柱的两端分别与陶瓷电路板和PCB电路板焊接密封；
S6：将叠放联接好的陶瓷电路板、基板和PCB电路板放置在所述壳体腔内,使所述基板贴放在所述孔道另一端的端面上并与该端面焊接密封,从基板一侧表面至所述孔道包围的内部空间形成测试腔；
S7：将PCB电路板和接插件连接，以形成与外部电连接；
S8：将底座和壳体盖在其接触面焊接，并将壳体盖与接插件铆接，以接插件、壳体盖和和底座之间包围的内部空间形成壳体腔；
S9：在压力敏感芯片周围、端子柱分别与陶瓷电路板和PCB电路板的焊接处周围进行填胶。
本发明的有益效果是：由于在接插件、壳体盖和和底座之间的内部形成放置电路器件的密封壳体腔，再将陶瓷电路板、基板和PCB电路板彼此叠放焊接，通过中间层的基板再与壳体的底座（底座孔道一端面）焊接形成放置压力敏感芯片并可用于填充测量介质的测试腔；因此形成壳体腔与测试腔的彼此隔绝的整体密封结构。相比于现有技术，本发明的这种整体式密封结构，可以实现测量介质与电路器件之间的长久而彻底的密封效果。
上述第一技术方案的完善是：所述端子柱的一端超出所述陶瓷电路板一侧表面并与该表面焊接密封，所述端子柱的另一端超出所述PCB电路板一侧表面并与该表面焊接密封；所述端子柱穿过所述基板的通孔内设有烧结玻璃将所述端子柱与所述基板固结密封；所述壳体盖和所述底座的接触面焊接密封；所述壳体盖与接插件铆接；所述PCB电路板通过弹簧与所述接插件形成电连接，所述端子柱分别与所述陶瓷电路板和PCB电路板的焊接处周围均设有胶体；所述压力敏感芯片是MEMS压力敏感芯片。
上述第二技术方案的完善是：所述S5步骤中，端子柱的一端超出陶瓷电路板一侧表面并焊接密封，其另一端超出PCB电路板一侧表面并焊接密封；所述S2步骤中，通过钢网印刷焊锡膏；所述S3步骤中，倒装焊接通过回流炉进行；所述S8步骤中，PCB电路板通过弹簧和接插件连接；所述胶是环氧填料。
附图说明
下面结合附图对本发明的压力传感器封装结构及其封装方法作进一步说明。
图1是实施例的压力传感器封装结构的示意图。
图2 是图1中A-A向剖视图。
图3是图2中I处的局部放大图。
具体实施方式
实施例
本实施例的压力传感器封装结构，如图1和图2所示，包括壳体1、设于壳体1的壳体腔13内的电路板和压力敏感芯片，压力敏感芯片是MEMS压力敏感芯片。壳体1包括壳体盖12、封闭联接壳体盖12一侧并用于外部电连接的接插件7和封闭联接壳体盖12另一侧的底座8，壳体腔13形成于接插件7、壳体盖12和底座8之间所包围的内部空间。底座8设有中通的孔道2，底座8的外表面制有螺纹（用于联接流通测量介质的外部管道），因此孔道2一端可以连通测量介质。
如图3所示，电路板包括陶瓷电路板4和PCB电路板5，压力敏感芯片3周围包覆有胶体以确保压力敏感芯片3与陶瓷电路板4的焊点和测量介质隔离。在孔道2另一端的端面上焊接密封有基板11，陶瓷电路板4贴靠于基11的一侧表面并位于孔道2内， PCB电路板5贴靠于基板11的另一侧表面并位于壳体腔14内，PCB电路板5通过弹簧6与接插件7形成电连接。压力敏感芯片3倒装焊于陶瓷电路板4朝向孔道2的一侧表面上，陶瓷电路板4、基板11和PCB电路板5自下而上顺序叠放并分别开设有第一通孔、第二通孔和第三通孔，在三个通孔内贯穿有用于将陶瓷电路板4、基板11和PCB电路板5彼此形成电连接的端子柱9，端子柱9的一端超出陶瓷电路板4一侧表面并与该侧表面焊接密封，端子柱9的另一端超出PCB电路板5一侧表面并与该侧表面焊接密封，从而使端子柱9的两端分别与陶瓷电路板4和PCB电路板5焊接密封。这样，在基板11一侧表面至孔道2之间包围的空间就形成与壳体腔13彼此隔绝密封的测试腔14，测试腔14在测量时可用于填满测量介质。
端子柱9穿过基板的第二通孔内设有烧结玻璃10，从而将端子柱9与基板11固结密封。
基板11可选用Kovar可伐合金或者316不锈钢，使得与烧结玻璃10有相近的热膨胀系数并具有低应力，避免烧结玻璃10与基板11之间出现泄露。
底座8选用与基板11相配的可焊材料，比如选用304不锈钢。
壳体盖12和底座8的接触面采用焊接密封；壳体盖12与接插件7采用铆接。
本实施例的压力传感器封装结构的具体封装方法有如下步骤：
S1：在陶瓷电路板4、基板11和PCB电路板5上分别制作第一通孔、第二通孔和第三通孔；
S2：在陶瓷电路板4一侧表面溅射薄膜电路并覆盖玻璃釉，再印刷焊锡膏；
S3：将压力敏感芯片3置于焊锡膏上，并倒装焊接在陶瓷电路板4朝向孔道2的一侧表面上；
S4：在第二通孔穿设端子柱9并在第二通孔内烧结玻璃10将端子柱9与基板11固结密封；
S5： 使端子柱9穿过第一通孔和第三通孔从而将陶瓷电路板4、基板11和PCB电路板5自下而上顺序叠放，再将端子柱9的两端分别与陶瓷电路板4和PCB电路板5焊接密封；
S6：将叠放联接好的陶瓷电路板4、基板11和PCB电路板5放置在壳体腔13内, 使基板11贴放在孔道2另一端的端面上并与该端面焊接密封,从基板11一侧表面至孔道2包围的内部空间形成测试腔（该测试腔在实际使用中可用于填充测量介质）；
S7：将PCB电路板5和接插件7连接，以形成与外部电连接；
S8：将底座8和壳体盖12在其接触面焊接，并将壳体盖12与接插件7铆接，以接插件7、壳体盖12和底座8之间包围的内部空间形成壳体腔；
S9：在压力敏感芯片3周围、端子柱9分别与陶瓷电路板4和PCB电路板5的焊接处周围进行填胶。
本实施例中：S2步骤中通过钢网印刷焊锡膏；S3步骤中通过回流炉进行倒装焊接；S5步骤中，端子柱9的一端超出陶瓷电路板4一侧表面并与该侧表面焊接密封，端子柱9的另一端超出PCB电路板5一侧表面并与该侧表面焊接密封；S10步骤中通过点胶的方式将胶（采用环氧填料）填充在MEMS压力敏感芯片3周围后，再对胶进行抽真空处理以避免胶内部产生气泡；焊接均是采用激光焊接。
本实施例的压力传感器封装结构在实际使用时，测量介质通过壳体1底座8的孔道2一端进入测试腔，被测量介质压力通过芯片3周围（其底面和侧面）的填充胶作用在MEMS压力敏感芯片3上，压力信号经过陶瓷电路板4的薄膜电路转换为电信号，通过端子柱9传递给PCB电路板5，再经接插件7传送到外部。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，但本发明并不局限于此，比如：1）端子柱9的两端也可以与陶瓷电路板4和PCB电路板5的一侧表面齐平焊接密封，不一定要超出；2）PCB电路板5还可以通过直接焊线与接插件7形成电连接；3）端子柱9穿过基板的通孔内也可以设其他替代烧结玻璃10的密封物质以将端子柱9与基板11固结密封；4）倒装焊接除了在回流炉也可以采用其他工艺进行；5) 压力敏感芯片不局限是MEMS压力敏感芯片, 胶也不局限于环氧材料；等等。所有根据本发明的构思及其技术方案加以等同替换或等同改变均应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种压力传感器封装结构，包括壳体、设于所述壳体的壳体腔内的电路板和压力敏感芯片；所述壳体包括壳体盖、密封联接所述壳体盖一侧并用于外部电连接的接插件和密封联接所述壳体盖另一侧的底座，所述壳体腔形成于所述接插件、所述壳体盖和所述底座之间包围的内部空间，所述底座设有中通的孔道，所述孔道一端用于连通测量介质，所述电路板包括陶瓷电路板和PCB电路板，所述压力敏感芯片周围包覆有胶体；其特征在于：所述孔道另一端的端面上焊接密封有基板，所述陶瓷电路板贴靠于所述基板的一侧表面并位于所述孔道内，所述PCB电路板贴靠于所述基板的另一侧表面并位于所述壳体腔内，所述PCB电路板与所述接插件形成电连接，所述压力敏感芯片倒装焊于所述陶瓷电路板朝向所述孔道的一侧表面上，所述陶瓷电路板、基板和PCB电路板自下而上顺序叠放并均开设有通孔，所述通孔贯穿有用于将陶瓷电路板、基板和PCB电路板彼此形成电连接的端子柱，所述端子柱的两端分别与所述陶瓷电路板和PCB电路板焊接密封；所述基板一侧表面至所述孔道形成与所述壳体腔隔绝并用于填充测量介质的测试腔。
2.根据权利要求1所述压力传感器封装结构，其特征在于：所述端子柱的一端超出所述陶瓷电路板一侧表面并与该表面焊接密封，所述端子柱的另一端超出所述PCB电路板一侧表面并与该表面焊接密封。
3.根据权利要求1或2所述压力传感器封装结构，其特征在于：所述端子柱穿过所述基板的通孔内设有烧结玻璃将所述端子柱与所述基板固结密封。
4.根据权利要求3所述压力传感器封装结构，其特征在于：所述壳体盖和所述底座的接触面焊接密封；所述壳体盖与接插件铆接。
5.根据权利要求3所述压力传感器封装结构，其特征在于：所述PCB电路板通过弹簧与所述接插件形成电连接，所述端子柱分别与所述陶瓷电路板和PCB电路板的焊接处周围均设有胶体；所述压力敏感芯片是MEMS压力敏感芯片。
6.一种如权利要求1所述压力传感器封装结构的封装方法，其特征在于执行以下步骤：
S1：在陶瓷电路板、基板和PCB电路板分别制作第一通孔、第二通孔和第三通孔；
S2：在陶瓷电路板一侧表面溅射薄膜电路并覆盖玻璃釉，再印刷焊锡膏；
S3：将压力敏感芯片置于焊锡膏上，并倒装焊接在陶瓷电路板朝向所述孔道的一侧表面上；
S4：在第二通孔穿设端子柱并在第二通孔内烧结玻璃将端子柱与基板固结密封；
S5：使端子柱分别穿过第一通孔和第三通孔将陶瓷电路板、基板和PCB电路板自下而上顺序叠放，再将端子柱的两端分别与陶瓷电路板和PCB电路板焊接密封；
S6：将叠放联接好的陶瓷电路板、基板和PCB电路板放置在所述壳体腔内,使所述基板贴放在所述孔道另一端的端面上并与该端面焊接密封,从基板一侧表面至所述孔道包围的内部空间形成测试腔；
S7：将PCB电路板和接插件连接，以形成与外部电连接；
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S9：在压力敏感芯片周围、端子柱分别与陶瓷电路板和PCB电路板的焊接处周围进行填胶。
7.根据权利要求6所述压力传感器封装结构的封装方法，其特征在于：所述S5步骤中，端子柱的一端超出陶瓷电路板一侧表面并焊接密封，其另一端超出PCB电路板一侧表面并焊接密封。
8.根据权利要求6或7所述压力传感器封装结构的封装方法，其特征在于：所述S2步骤中，通过钢网印刷焊锡膏；所述S3步骤中，倒装焊接通过回流炉进行；所述S8步骤中，PCB电路板通过弹簧和接插件连接；所述胶是环氧填料。
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