CN110657925B - 用于测试封装的气密密封的方法 - Google Patents

Abstract

本公开的各实施例涉及用于测试封装的气密密封的方法。一种用于测试封装器件的气密密封的方法，包括：限定器件腔室的封装；和换能器器件，其布置在器件腔室内并生成指示封装外部的至少一个物理量的电信号。测试方法包括以下步骤：在器件腔室中施加参考压力；将封装器件布置在存在测试压力的测试腔室中，测试压力与参考压力不同；并随后检测器件腔室内可能的压力变化。

Description

用于测试封装的气密密封的方法

技术领域

本公开涉及一种用于测试封装的气密密封的方法。

背景技术

众所周知，现在有各种类型的传感器，其中一些是防水的；即，即使它们在水下，它们也可以准确地检测对应的量(例如，压力和温度)。

防水传感器的典型特征在于存在被适当地密封的对应的封装；即，它们是密闭的，以防止水进入封装本身。

在制造防水传感器的过程中，并且更一般地在制造具有气密密封封装的传感器的过程中，期望能够检测封装的适当密封以便控制传感器的质量。特别地，期望能够在用于电子器件的测试和校准的标准平台内实施用于检测封装的适当密封的机构。理想地，这种另外的感测机构的实施使得能够实现高度的并行性和高生产率，以便避免对传感器的最终成本产生显著影响。

已知的解决方案设想通过执行以下步骤来检测每个封装的密封的气密性，该步骤设想将封装布置为使得其将封闭测试腔室的开口，在该测试腔室内设置与作用于开口的外部压力不同的预设压力。然后，检测测试腔室内压力的时间图，其在封装被适当密封的情况下保持恒定；相反，在测试腔室内的压力变化的情况下，这意味着封装没有被适当地密封。

上述过程使得可以检查封装是否是有效地气密的。特别地，所描述过程使得可以通过使封装在高压下经受空气来检查封装的流体密封性。然而，所描述的步骤存在一些缺点；特别地，它使得一次只能测试一个封装；另外，由于适当检测测试腔室内压力的可能变化通常需要很长的观察时间，因此不是特别快。

发明内容

一个或多个实施例涉及一种用于测试封装的气密密封的方法。在至少一个实施例中，该方法克服了现有技术的缺点中的至少一个缺点。

附图说明

为了更好地理解本公开，现在参考附图纯粹通过非限制性示例描述其优选实施例，其中：

图1示出了测试系统的框图；

图2A是图1中图示的测试系统的部件的示意性透视图；

图2B是图1中图示的测试系统的部件的部分的示意性截面图；

图3是在不同操作条件下的图2A中图示的测试系统的部件的示意性透视图；

图4A是在不同操作条件下的图2A和图3中图示的测试系统的部件的示意性透视图；

图4B是图4A中图示的测试系统的部件的示意性截面图；

图5示出了根据本测试方法执行的操作的流程图；

图6是腔室和其中容纳的本测试系统的部件的示意性截面图；以及

图7是根据本测试方法的变型的腔室和其中容纳的本测试系统的部件的示意性截面图。

具体实施方式

图1示出了测试系统1，其包括下文描述的壳体结构2和操纵机器4，诸如所谓的拾放操纵器或工具。

详细地，壳体结构2包括多个插座6，插座6中的每个适于容纳对应的封装器件10(图1中仅象征性地示出其中一个)，以使得能够进行对应的测试。以这种连接，操纵机器4能够例如从托盘9单独地拾取多个封装器件10，然后将每个封装器件10插入到对应的插座6中。

这已经说过，在下文中，为了简单起见，参考在单个封装器件10上执行的操作来描述本测试方法，除非另有说明。

如图2A和图2B所示，每个插座6由对应的容纳结构12界定，容纳结构12例如由塑料材料制成并且具有例如中空平行六面体的形状，插座(在这种情况下，插座6)伸出到平行六面体的上底座上。

在不暗示任何一般性损失的情况下，插座6也具有平行六面体的形状并且在底部由支撑表面14界定，支撑表面14在使用中支撑封装器件10。

封装器件10包括封装20，封装20又包括例如由陶瓷材料制成的基板22，以及由例如金属材料制成的盖24。基板22和盖子24以理想的密封方式机械地耦合在一起，例如通过焊接或胶合(未示出细节)。

封装器件10布置在插座6中，使得盖24覆盖在基板22上，基板22搁置在支撑表面14上。

封装20内存在已知类型的换能器器件26(例如诸如包括活性表面的半导体裸片或芯片半导体类型)。换能器器件26电耦合到导电材料的焊盘28，导电材料的焊盘28布置在基板22内，并且被特别地布置成在基板22的底表面30处延伸，其在测试期间接触支撑表面14。

对于每个插座6，测试系统1还包括多个电尖端连接器32，也被称为“弹簧针”，其穿过容纳结构12的底部基座，使得相应的尖端端部伸出到支撑表面14上，形成对应的固定电接触，固定电接触中的每个适于接触对应封装器件10的对应焊盘28。每个弹簧针32还连接到测试系统1的电子卡34(图2B中示意性地图示的连接)，因此，当封装器件10容纳在对应的插座6中时，每个弹簧针32与每个封装器件10电耦合。

在不暗示任何一般性损失的情况下，封装器件10的盖24在第一近似的情况下是线轴形的。然后，盖24包括具有圆柱形形状的底部中空部分40，底部中空部分40机械地耦合到基板22并容纳也由基板22支撑的换能器器件26。特别地，底部中空部分40横向限定凹槽43，换能器器件26布置在凹槽43内部。

另外，盖24包括顶部中空部分42，其具有圆柱形形状并连接到下面的底部中空部分40；例如，底部中空部分40和顶部中空部分42可以是同轴的，并且顶部中空部分42的直径可以小于底部中空部分40的直径。另外，盖24包括中空边缘部分44(可选)，例如，可以形成凸缘。另外，中空边缘部分44横向限定封装器件10的开口A。

更详细地，顶部中空部分42横向限定对应的插座47，插座47插入在上面的开口A和下面的凹槽43之间。

封装20还包括填充材料或填充区域45，其由例如弹性材料(例如，硅凝胶)制成并且在盖24中延伸以便填充未被换能器器件26占据的凹槽43的部分，以及由顶部中空部分42横向限定的插座47的部分。因此，填充区域45接触换能器器件26；另外，填充区域45在顶部由封闭表面48界定，封闭表面48面向中空边缘部分44并且流体耦合到封装器件10的开口A。因此，在使用中，外部压力作用于封闭表面48。

更详细地，填充区域45气密地封闭由顶部中空部分42横向限定的插座47；即，它机械地耦合到盖24的顶部中空部分42，使得这种耦合是流体密封的。因此，即使封装器件10被浸没在水中，换能器器件26仍然保持免受水的影响。相比而言，在没有填充区域45的情况下，凹槽43、由顶部中空部分42横向限定的插座47和开口A将流体连通。

另外，填充区域45使得换能器器件26经受与封闭表面48上存在的压力相同的压力。换句话说，填充区域45将封闭表面48上存在的压力传送给换能器器件26。

如图2B中所示，并且不暗示任何一般性的损失，当封装器件10布置在壳体结构2的对应插座6中时，盖24的底部中空部分40在插座6中延伸，而顶部中空部分42和盖24的边缘部分44从容纳结构12中突出，并因此从插座6中突出。

关于换能器器件26，它本身是已知的类型并且能够生成指示其经受的压力的电输出信号。该电输出信号被发送到焊盘28，然后被发送到电子卡34，电子卡34能够基于由封装器件10生成的电输出信号确定封装器件10所经受的压力的估计。

虽然未示出，但换能器器件26可以包括半导体材料的第一裸片，第一裸片内部形成微机电(MEMS)器件，微机电(MEMS)器件包括可变形部分(例如，半导电膜)和检测系统，可变形部分被配置为根据换能器器件26所经受的压力而经历变形，检测系统被配置为根据上述可变性部分的形变而生成初步电信号。另外，换能器器件26可以包括半导体材料的第二裸片，第二裸片电耦合到第一裸片和焊盘28。在第二裸片内形成专用集成电路，专用集成电路根据初步电信号而生成电输出信号。

实际上，每个封装器件10形成压力传感器。以其自身已知的方式，每个封装器件10可以在任何情况下实施其他功能(例如，温度检测)，例如由也布置在凹槽43内的形成在另外的裸片中的集成电路执行。

再次参考测试系统1，其还包括固定结构50和致动结构52(图2A)。除非另有说明，否则现在将固定结构50和致动结构52限制性地描述为在测试期间可操作地耦合到单个封装器件10(如下文所描述的)的对应部分，即使这些结构是模块化的并且因此均包括彼此相同的多个部分，每个部分操作性地可耦合到对应的封装器件10。

详细地，固定结构50包括固定元件56，该固定元件56具有例如能够以可释放的方式机械地耦合到封装20的形状。例如，固定元件56是C-形状的并限定凹陷。另外，可以在第一操作条件或第二操作条件下交替地控制固定结构50。例如，固定结构50由仅在图2A中图示的控制单元51控制。

在第一操作条件下(图2A中示意性地图示)，固定元件56被布置在距对应的插座6一定距离处，并且因此也距对应的封装器件10一定距离。在第二操作条件下(图3中图示)，固定元件56机械地耦合到封装器件10的封装20，使得盖24的顶部中空部分42在由固定元件56限定的凹陷中延伸。另外，固定元件56将封装20固定到插座6的支撑表面14，以便在焊盘28和弹簧针32之间提供电接触。实际上，在第二操作条件下，固定元件56使封装器件10在插座6内保持正确的位置；另外，固定元件56使开口A敞开。

致动结构52包括致动器58，致动器58由控制单元51控制并且还可以在相应的第一操作条件或第二操作条件下操作，仅当固定结构56也在相应的第二操作条件下操作时，致动器58才可以实施该第二操作条件。

在第一操作条件下(图2A和图3中可见)，致动器58被布置在距对应插座6一定距离处，并且因此也距对应的封装器件10一定距离。在第二操作条件下(图4A和图4B中图示)，致动器58机械地耦合到封装器件10的封装20，如已经说过的，封装器件10临时固定在插座6内。

更详细地，当致动结构52在相应的第二操作条件下操作时，致动器58被布置成延伸穿过盖2的开口A，在距封闭表面48一定距离处将开口A气密地封闭。

测试系统1还包括测试腔室60(图6中图示)，壳体结构2、固定结构50、致动结构52和电子卡34被布置在测试腔室60内部。

在已经说过这些的情况下，至少一个实施例涉及一种测试方法，方法的步骤在下面描述并在图5中图示，除了另外指定之外，方法还涉及单个封装器件10。还要指出，虽然未示出，但控制单元51电连接到电子卡34。

初始地，操纵机器4将封装器件放置在壳体结构2的对应插座6内(框100)。另外，固定结构50由控制单元51驱动到相应的第二操作条件，使得封装器件10被固定在插座6中(框102)。与此同时，致动结构52在相应的第一操作条件下操作，从而发生如上所述的操作，如图3中所图示的。

测试腔室60被设置在环境压力和环境温度下(框104)(例如，可以使测试腔室60敞开)，使得填充区域45的封闭表面48，并且因此使换能器器件26处于环境压力下。在这些条件下，以本身已知的方式进行电测试(框106)；即，控制单元51检查由电子卡34基于由封装器件10提供的电输出信号计算的压力的估计具有预设的精度水平。

致动结构52由控制单元51驱动到第二操作条件，使得致动器58气密地封闭封装器件10的开口A(框108)。对于第一近似，该操作不需要封装20内的压力的任何变化。在封装20内，并且因此在封闭表面48上和换能器器件26上，压力保持等于大气压。因此产生了图4A和图4B中图示的情况。

封闭测试腔室60，并使测试腔室60内的压力达到与环境压力不同的值P*(框110)。在不暗示任何一般性损失的情况下，在随后的实施例中，假设P*高于环境压力(例如，它是3巴(bar))。因此发生图6中图示的情况。

在实践中，凹槽43和插座47形成一种次级腔室(在图6中用49指定)，其耦合到换能器器件26并由填充区域45填充。次级腔室49处于环境压力，这表示一种参考压力。另外，次级腔室49位于测试腔室60内部，测试腔室60用作主腔室并且处于上述压力P*。

在盖24和基板22之间的机械耦合是正确的并且因此气密的情况下，次级腔室49与测试腔室60流体地分离，因此次级腔室49内的压力不会改变。相反，在盖24和基板22之间的机械耦合有缺陷的情况下，由于存在的压力差异，通过存在于基板22和盖24之间的接合处的狭缝，发生从测试腔室60到次级腔室49的空气流动。

在已经说过这些的情况下，在执行了框110中表示的操作之后，控制单元51通过电子卡34监控由换能器器件26检测到的次级腔室49内的压力。特别地，控制单元51检测换能器器件26检测到的压力是否存在时间上的漂移(框112)。在控制单元51检测到换能器器件26检测到的压力针对预定的时间间隔保持恒定的情况下，封装20被适当地密封；相反，如果控制单元51在上述时间间隔内检测到压力的变化，则这意味着封装20出现泄漏，并且因此控制单元51通知这种情况以便可以采取适当的动作(例如，可以拒绝封装器件10)。

更详细地，对于第一近似，在次级腔室49内，可以应用完美气体定律：

PV＝nRT

其中P是压力、V是次级腔室49的体积、n是摩尔数、R是理想气体常数，以及T是温度。另外，对于第一近似，体积和温度保持恒定；因此，在时间上微分(用t表示)，我们得到：

dP/dt＝(RT/V)·dn/dt

由于次级腔室49具有非常有限的尺寸(例如在与测试腔室60的尺寸相比的情况下)，可以注意到即使轻微的空气损失也可能导致压力的明显变化，该变化由换能器器件26检测。换句话说，次级腔室49的小的体积使得可以在短时间内检测可能的压力变化。另外，由于所提出的方法预期了使用在封装器件10内形成的腔室作为次级腔室，因此该方法与高程度的并行性兼容，因为可以仅提供一个主腔室(在该情况下，测试腔室60)，而在主腔室中布置由待测试的对应的封装器件形成的众多次级插座。同样，本方法预期了使用集成在待测试的器件本身内的压力传感器，从而简化了测试系统。

在任何情况下，本测试方法也可以应用于封装器件10内部不包含压力换能器的情况，如图7中纯粹以示例的方式图示的那样，现在仅参考与图6相比的差异进行描述。

详细地，图7中图示的封装器件(由110指定)的换能器器件(由126指定)不能检测其经受的压力。例如，换能器器件126生成指示其经受的温度的电输出信号。

在这种情况下，致动器(由158指定)配备有本身为已知类型的对应的压力传感器160，压力传感器160电连接到控制单元51。

特别地，当致动结构52在第二操作条件下操作时，压力传感器160可操作地耦合到次级腔室49；即，它能够检测次级腔室49内的压力。另外，如前面所解释的，致动器58气密地封闭封装器件110的开口A；因此，存在于次级腔室49内的相对于环境压力的压力的可能变化将会归因于影响盖24和基板22之间的联结的损失。

通常，压力传感器160还可以用在换能器器件具有检测压力的能力的情况中。

最后，清楚的是，可以对本文描述和图示的测试方法进行修改和变化，而不脱离本公开的保护范围。

例如，封装的形状可以相对于已经描述的内容而变化。因此，关于封装与固定元件和致动器之间的机械耦合的细节也可以变化，固定元件和致动器的形状同样可以变化。

换能器器件以及更一般的封装器件的实施方式的细节和功能可以相对于已经描述的内容而变化。

可以组合上述各种实施例以提供进一步的实施例。根据以上详细描述，可以对实施例进行这些和其他改变。通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求中公开的特定实施例，而是应当被解释为包括所有可能的实施例以及赋予这些权利要求的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (18)

1.一种方法，包括：

测试第一封装器件的气密密封，其中所述第一封装器件包括：

封装，所述封装限定器件腔室，其中所述封装包括盖，所述盖限定所述器件腔室并形成流体耦合到所述器件腔室的开口；和

半导体换能器器件，布置在所述器件腔室内，并被配置为生成指示所述封装外部的物理量的电信号；

所述测试依次包括以下步骤：

将所述第一封装器件布置在测试腔室中；

使所述测试腔室暴露于参考压力；

执行所述半导体换能器器件的电测试；

在将所述参考压力暴露于所述器件腔室之后，气密地封闭所述开口并且密封所述器件腔室；

将所述测试腔室暴露于测试压力，其中所述测试压力与所述参考压力不同；以及

在所述测试压力下，测试所述器件腔室内可能的压力变化。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述封装包括限定所述器件腔室的表面的填充材料，其中所述填充材料覆盖所述半导体换能器器件并且具有在所述封装的开口处暴露的表面，并且其中所述填充材料被配置为将存在于所述开口中的压力传输到所述半导体换能器器件上。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述封装还包括机械地耦合到所述盖的基板，其中所述基板支撑所述半导体换能器器件，并且其中所述填充材料和所述盖形成流体密封的机械耦合。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述半导体换能器器件包括压力换能器，并且其中测试所述器件腔室内可能的压力变化包含使用所述压力换能器。

5.根据权利要求1所述的方法，其中气密地封闭所述开口包括利用封闭元件封闭所述开口，所述封闭元件被机械地耦合到压力传感器，并且其中所述器件腔室内可能的压力变化的测试通过所述压力传感器而被执行。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述半导体换能器器件是半导体微机电系统。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述测试压力高于所述参考压力。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述参考压力是环境压力。

9.一种方法，包括：

测试多个封装器件的气密密封，其中所述多个封装器件中的每个封装器件均包括第一封装器件，其中所述每个第一封装器件包括：

封装主体，所述封装主体限定器件腔室；和

换能器器件，布置在所述器件腔室内，并被配置为生成指示所述封装主体外部的物理量的电信号，

其中所述测试依次包括以下步骤：

在所述第一封装器件的所述器件腔室中施加参考压力；

在将所述参考压力施加在所述第一封装器件的所述器件腔室中，利用被机械地耦合到压力传感器的封闭元件气密地封闭所述第一封装器件的开口，并密封所述器件腔室；

将所述第一封装器件布置在测试腔室中，所述测试腔室中的测试压力与所述参考压力不同；以及

测试所述第一封装器件的所述器件腔室内可能的压力变化，其中检测所述第一封装器件的所述器件腔室内可能的压力变化包括使用所述压力传感器。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一封装器件的所述换能器器件包括压力换能器，并且其中使用所述第一封装器件的所述压力换能器测试压力变化来测试所述器件腔室内可能的压力变化。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述封装主体包括填充材料，所述填充材料覆盖所述器件腔室中的所述换能器器件。

12.根据权利要求9所述的方法，其中测试压力高于所述参考压力。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述参考压力是环境压力，并且所述测试压力大于环境压力。

14.一种方法，包括：

测试封装器件的气密密封，其中所述封装器件包括封装、半导体换能器器件和器件腔室，其中所述封装器件包括盖和机械地耦合到所述盖的基板，其中所述半导体换能器器件被耦合到所述基板，并且填充材料覆盖所述半导体换能器器件，其中在所述盖被密封时所述填充材料和所述盖形成流体密封的机械耦合，其中所述半导体换能器器件位于所述器件腔室中并由所述封装密封，并且其中所述半导体换能器器件被配置为检测压力，其中所述测试依次包括以下步骤：

将所述封装器件布置在测试腔室中；

使所述测试腔室暴露于参考压力；

执行所述半导体换能器器件的电测试；

封闭所述封装器件的开口以密封所述器件腔室；

将所述测试腔室暴露于测试压力，其中所述测试压力与所述参考压力不同；以及

当所述测试腔室在所述测试压力下时，测试所述器件腔室内可能的压力变化。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述参考压力是环境压力，并且所述测试压力大于环境压力。

16.根据权利要求14所述的方法，其中测试所述器件腔室内可能的压力变化包括针对一时间段测试所述压力。

17.根据权利要求14所述的方法，其中在一时间段上测试所述压力包括在所述一时间段上测试所述压力中的漂移。

18.根据权利要求14所述的方法，其中包括压力传感器的致动器将所述封装器件的所述开口封闭，并且所述致动器被用于测试所述器件腔室中可能的压力变化。

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