CN111115552A - 一种mems传感器混合集成封装结构及封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MEMS传感器混合集成封装结构及其封装方法，包括：陶瓷管壳的内腔台阶有多个金属焊盘，底面有金属化结构；MEMS敏感结构通过粘接的方式固定在陶瓷管壳内腔底面上；PCB电路基板带有不少于一处缺口或开槽，通过标准电容作为支撑架设在MEMS敏感结构之上，电容使用导电或绝缘粘合剂粘接；金属导线穿过PCB基板的缺口或开槽将MEMS敏感结构和PCB电路基板连接；PCB电路基板通过金属导线与陶瓷管壳内腔金属焊盘相连；金属盖板通过平行封焊与陶瓷管壳侧壁相连，形成气密封装。本发明通过使用标准化管壳和PCB基板，可在较低成本下和较短时间内实现较小面积的MEMS传感器系统集成，同时具有较好的温度特性。

Description

一种MEMS传感器混合集成封装结构及封装方法
技术领域
本发明涉及元器件封装结构及封装方法领域，特别涉及一种MEMS(微机电系统)传感器封装结构及其封装方法。
背景技术
混合集成封装，是指将构成电路系统的多个裸露或封装的芯片以及相应的电阻、电容等无源器件，集成到同一腔体或基板上，实现系统功能的一种技术。目前电子元器件封装朝着越来越复杂的方向发展，在单一腔体内需要集成更多的器件以实现复杂功能。而MEMS传感器(例如MEMS加速度计和MEMS陀螺)，为了提高其在全温范围(通常在-40～60℃)内的温度特性，需要将敏感结构芯片通过低应力粘合剂粘接在与其温度特性趋于一致的材料上。目前常用的陶瓷管壳所使用的材料，与加工MEMS敏感结构所使用的硅材料，在温度特性上的差异较比其他材料要小，因此被广泛应用于MEMS传感器的封装中。但由于传感器往往需要集成其他元器件，而在陶瓷基板上布线成本较高，开模加工周期一般不少于3个月，且器件密度远低于使用PCB基板的方式。而PCB基板加工容易，设计与制作周期远小于陶瓷基板，因此适用于快速评估设计，并易于进行修改。
发明内容
本发明的目的在于通过一种成本较低、加工便捷的PCB基板设计，在标准的货架式LCC陶瓷管壳内，实现MEMS敏感结构和电路芯片及其他元器件的混合集成封装，并保证MEMS敏感结构粘接于与其温度特性接近的材料之上。同时对温度和应力更为敏感的元器件与MEMS敏感结构不发生直接接触。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种MEMS传感器混合集成封装结构，包括：陶瓷管壳、支撑电容、PCB电路基板、PCB电路上层电路模块、PCB电路下层电路模块、金属盖板；
陶瓷管壳采用LCC封装，内腔在台阶面的周向设置多个陶瓷管壳金属焊盘，内腔底面设置有金属化结构；MEMS敏感结构设置在陶瓷管壳内腔底面上；PCB电路基板通过支撑电容设置在陶瓷管壳内腔底面上且位于MEMS敏感结构上方；PCB电路基板边缘设置PCB电路基板金属焊盘b和PCB电路基板金属焊盘a；MEMS敏感结构金属焊盘与PCB电路基板金属焊盘b通过MEMS敏感结构键合金属导线连接；PCB电路基板金属焊盘a与陶瓷管壳金属焊盘通过PCB电路基板键合金属导线连接，通过陶瓷管壳形成与外部的电学通路；PCB基板的上下两面分别安装PCB电路上层电路模块、PCB电路下层电路模块，PCB电路下层电路模块与MEMS敏感结构在水平方向上错开；金属盖板与所述陶瓷管壳侧壁连接，形成密封结构。
金属盖板由可伐合金制成。
所述PCB电路基板的侧边上或其内部开有不少于一处缺口或开槽，用于通过键合用金属导线。
所述支撑电容通过焊接或导电胶粘的方式与PCB电路基板相连，并通过导电或绝缘胶粘的方式，采用平面贴装或直立贴装的方式，将支撑电容的不同电极粘接在陶瓷管壳内腔底面上。
支撑电容的焊接方式包括三种，其一为将电容两个电极均焊接或粘接在PCB基板上，然后分别使用绝缘粘合剂和导电粘合剂粘接不同的电极；其二为立式焊接，电容仅有一个电极与PCB基板焊接或粘接，另一电极通过导电粘合剂与陶瓷管壳的金属底面相连；其三为将电容两个电极均焊接或粘接在PCB基板上，只使用绝缘粘合剂粘接支撑电容，电容电极与底面金属之间没有电气连接。
一种MEMS传感器混合集成封装方法，包括以下步骤：
第一步：根据MEMS传感器选择相应尺寸的陶瓷管壳；
第二步：将MEMS敏感结构固定在陶瓷管壳内腔底面；
第三步：在带有缺口或开槽的PCB电路基板上焊接PCB电路上层电路模块、PCB电路下层电路模块，在PCB电路基板边缘设置支撑电容，通过胶粘的方式架设在MEMS敏感结构上；
第四步：MEMS敏感结构键合金属导线通过PCB电路基板的缺口或开槽，使用MEMS敏感结构键合金属导线连接MEMS敏感结构金属焊盘与PCB电路基板金属焊盘b，使用PCB电路基板键合金属导线连接PCB电路基板金属焊盘a与陶瓷管壳金属焊盘；
第五步：使用平行封焊，将金属盖板与陶瓷管壳侧壁连接。
支撑电容的连接方式包括三种，其一为将电容两个电极均焊接或粘接在PCB基板上，然后分别使用绝缘粘合剂和导电粘合剂粘接不同的电极；其二为立式焊接或粘接，电容仅有一个电极与PCB基板焊接或粘接，另一电极通过导电粘合剂与陶瓷管壳的金属底面相连；其三为将电容两个电极均焊接或粘接在PCB基板上，只使用绝缘粘合剂粘接支撑电容，电容电极与底面金属之间没有电气连接。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
使用成本较低，设计周期短的PCB基板，将所需的电路芯片与阻容件集成于同一结构中，同时使用标准电容作为支撑结构，使PCB基板与MEMS敏感结构不发生接触，起到应力隔离的作用。同时PCB基板较比陶瓷基板的布线密度更高，更容易集成更多器件，且多层PCB的厚度远小于多层陶瓷结构，更适用于较低腔深的管壳使用。
附图说明
图1为MEMS传感器混合集成封装结构剖面图；
图2为MEMS传感器图混合集成封装结构俯视图；
图3为MEMS传感器混合集成封装结构剖面图二；
图4为MEMS传感器电路板外观俯视图；
图5为MEMS传感器敏感结构粘接示意图；
图6为MEMS传感器电路板粘接示意图；
图7～9为三种不同MEMS传感器支撑电容器件粘接方式示意图。
具体实施方式
下面结合实施例以及附图对本发明加以详细说明，所述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，并不对其起任何限定作用。
MEMS传感器包含MEMS敏感结构4和相应的处理电路。参照图1至图9，一种MEMS传感器混合集成封装结构，用于封装MEMS传感器，包括：陶瓷管壳1、支撑电容2、PCB电路基板3、PCB电路上层电路模块7、PCB电路下层电路模块8、金属盖板9；
陶瓷管壳1采用LCC封装，内腔在台阶面11的周向设置多个陶瓷管壳金属焊盘111，内腔底面设置有金属化结构；MEMS敏感结构4设置在陶瓷管壳1内腔底面上；PCB电路基板3通过支撑电容2设置在陶瓷管壳1内腔底面上且位于MEMS敏感结构4上方；PCB电路基板3边缘设置PCB电路基板金属焊盘b32和PCB电路基板金属焊盘a31；MEMS敏感结构金属焊盘41与PCB电路基板金属焊盘b32通过MEMS敏感结构键合金属导线5连接；PCB电路基板金属焊盘a31与陶瓷管壳金属焊盘111通过PCB电路基板键合金属导线6连接，通过陶瓷管壳1形成与外部的电学通路；PCB基板3的上下两面分别安装PCB电路上层电路模块7、PCB电路下层电路模块8，PCB电路下层电路模块8与MEMS敏感结构4在水平方向上错开；金属盖板9与所述陶瓷管壳1侧壁连接，形成密封结构。
金属盖板9由可伐合金制成。所述PCB电路基板3的侧边上开有不少于一处缺口或开槽，用于通过键合用金属导线。所述支撑电容2通过焊接或导电胶粘的方式与PCB电路基板3相连，并通过导电或绝缘胶粘的方式，采用平面贴装或直立贴装的方式，将支撑电容2的不同电极粘接在陶瓷管壳1内腔底面上。
图7至图9给出了支撑电容2的三种焊接方式，其一为将电容两个电极均焊接或粘接在PCB基板3上，然后分别使用绝缘粘合剂21和导电粘合剂22两种粘合剂粘接不同的电极，从而使电容一端与陶瓷管壳1内腔金属底面形成电气接触，并通过金属底面与其他支撑电容相连；其二为立式焊接或粘接，电容仅有一个电极与PCB基板3焊接或粘接，另一电极通过导电粘合剂22与金属底面相连，此种方式可以使PCB基板3距离底面更高，形成更大的空间容纳不同厚度的MEMS敏感结构4；其三为在方法一条件下，只使用绝缘粘合剂21粘接支撑电容2，电容电极与底面金属之间没有电气连接。所述前两种方法更适用于支撑电容作为滤波电容时使用，此时可将金属底面接地，利于信号屏蔽，第三种方法电容作用不限，但可能需要更复杂的PCB电路设计。
一种MEMS传感器混合集成封装方法，包括以下步骤：
第一步：根据MEMS传感器选择相应尺寸的陶瓷管壳1；
第二步：将MEMS敏感结构4固定在陶瓷管壳1内腔底面；
第三步：在带有缺口或开槽的PCB电路基板3上焊接PCB电路上层电路模块7、PCB电路下层电路模块8，在PCB电路基板3边缘设置支撑电容2，通过胶粘的方式架设在MEMS敏感结构4上；
第四步：MEMS敏感结构键合金属导线5通过PCB电路基板3的缺口或开槽，使用MEMS敏感结构键合金属导线5连接MEMS敏感结构金属焊盘41与PCB电路基板金属焊盘b32，使用PCB电路基板键合金属导线6连接PCB电路基板金属焊盘a31与陶瓷管壳金属焊盘111；
第五步：使用平行封焊，将金属盖板9与陶瓷管壳1侧壁连接。
实施例：
所述封装结构包括：
标准陶瓷管壳1，采用LCC封装形式，内腔深度2.4mm，在其内腔台阶面11上设置多个金属焊盘111；所述台阶层11的金属焊盘111与PCB电路基板3的金属焊盘31连接；
所述MEMS敏感结构4，厚度约为0.6mm，通过低应力粘合剂在陶瓷管壳1的底部，对应PCB电路基板3通过支撑电容2粘接在其上，PCB电路基板3和敏感结构4之间无直接接触。
本实施例中PCB电路基板3采用U型结构，4层结构，厚度为0.5mm，在矩形的PCB电路基板3的一侧开槽，形成的缺口作为引线键合通道。PCB电路基板3上设置两组金属焊盘，其中；其中一组PCB电路基板金属焊盘b32位于开槽一侧边缘，用于通过MEMS敏感结构键合金属导线5与MEMS敏感结构金属焊盘41连接；一组PCB电路基板金属焊盘a 31位于基板边缘，用于通过PCB电路基板键合金属导线6与陶瓷管壳内腔台阶面11上的金属焊盘111连接，通过陶瓷管壳1形成与外部的电学通路。同时在PCB基板3的上下两面，分别焊接所需的PCB电路上层电路模块7、PCB电路下层电路模块8，由于腔体高度限制，PCB电路下层电路模块8与MEMS敏感结构4在水平方向上错开，两种电路模块厚度均为0.4mm。
图5和图6简要说明了本实施例中传感器的封装流程：
首先在陶瓷管壳1的底面上部，使用低应力粘合剂将MEMS敏感结构4粘接在管壳内，金属焊盘41一侧朝上，与PCB基板缺口方向一致；
然后在支撑电容2的电极对应位置分别用绝缘粘合剂21和导电粘合剂22涂覆，将完成器件贴装的PCB电路基板3粘接在陶瓷管壳1上，并通过陶瓷管壳1内腔底面的金属层，形成部分支撑电容之间的电气连接。所用支撑电容2封装为0603，支撑高度为1mm，接下来，分别使用金属引线5和6，完成MEMS敏感结构4和陶瓷管壳1与PCB电路基板之间的电气连接。最后，通过平行封焊，将金属盖板9连接在陶瓷管壳1的侧壁上，形成密闭封装。
本发明未详细说明的部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (7)

1.一种MEMS传感器混合集成封装结构，其特征在于，包括：陶瓷管壳(1)、支撑电容(2)、PCB电路基板(3)、PCB电路上层电路模块(7)、PCB电路下层电路模块(8)、金属盖板(9)；
陶瓷管壳(1)采用LCC封装，内腔在台阶面(11)的周向设置多个陶瓷管壳金属焊盘(111)，内腔底面设置有金属化结构；MEMS敏感结构(4)设置在陶瓷管壳(1)内腔底面上；PCB电路基板(3)通过支撑电容(2)设置在陶瓷管壳(1)内腔底面上且位于MEMS敏感结构(4)上方；PCB电路基板(3)边缘设置PCB电路基板金属焊盘b(32)和PCB电路基板金属焊盘a(31)；MEMS敏感结构金属焊盘(41)与PCB电路基板金属焊盘b(32)通过MEMS敏感结构键合金属导线(5)连接；PCB电路基板金属焊盘a(31)与陶瓷管壳金属焊盘(111)通过PCB电路基板键合金属导线(6)连接，通过陶瓷管壳(1)形成与外部的电学通路；PCB基板(3)的上下两面分别安装PCB电路上层电路模块(7)、PCB电路下层电路模块(8)，PCB电路下层电路模块(8)与MEMS敏感结构(4)在水平方向上错开；金属盖板(9)与所述陶瓷管壳(1)侧壁连接，形成密封结构。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS传感器混合集成封装结构，其特征在于：金属盖板(9)由可伐合金制成。
3.根据权利要求1或2所述的一种MEMS传感器混合集成封装结构，其特征在于，所述PCB电路基板(3)的侧边上或其内部开有不少于一处缺口或开槽，用于通过键合用金属导线。
4.根据权利要求3所述的一种MEMS传感器混合集成封装结构，其特征在于，所述支撑电容(2)通过焊接或导电胶粘的方式与PCB电路基板(3)相连，并通过导电或绝缘胶粘的方式，采用平面贴装或直立贴装的方式，将支撑电容(2)的不同电极粘接在陶瓷管壳(1)内腔底面上。
5.根据权利要求4所述的一种MEMS传感器混合集成封装结构，其特征在于，支撑电容(2)的焊接方式包括三种，其一为将电容两个电极均焊接或粘接在PCB基板(3)上，然后分别使用绝缘粘合剂(21)和导电粘合剂(22)粘接不同的电极；其二为立式焊接，电容仅有一个电极与PCB基板(3)焊接或粘接，另一电极通过导电粘合剂(22)与陶瓷管壳(1)的金属底面相连；其三为将电容两个电极均焊接或粘接在PCB基板(3)上，只使用绝缘粘合剂(21)粘接支撑电容(2)，电容电极与底面金属之间没有电气连接。
6.一种MEMS传感器混合集成封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：根据MEMS传感器选择相应尺寸的陶瓷管壳(1)；
第二步：将MEMS敏感结构(4)固定在陶瓷管壳(1)内腔底面；
第三步：在带有缺口或开槽的PCB电路基板(3)上焊接PCB电路上层电路模块(7)、PCB电路下层电路模块(8)，在PCB电路基板(3)边缘设置支撑电容(2)，通过胶粘的方式架设在MEMS敏感结构(4)上；
第四步：MEMS敏感结构键合金属导线(5)通过PCB电路基板(3)的缺口或开槽，使用MEMS敏感结构键合金属导线(5)连接MEMS敏感结构金属焊盘(41)与PCB电路基板金属焊盘b(32)，使用PCB电路基板键合金属导线(6)连接PCB电路基板金属焊盘a(31)与陶瓷管壳金属焊盘(111)；
第五步：使用平行封焊，将金属盖板(9)与陶瓷管壳(1)侧壁连接。
7.根据权利要求6所述的一种MEMS传感器混合集成封装方法，其特征在于：支撑电容(2)的连接方式包括三种，其一为将电容两个电极均焊接或粘接在PCB基板(3)上，然后分别使用绝缘粘合剂(21)和导电粘合剂(22)粘接不同的电极；其二为立式焊接或粘接，电容仅有一个电极与PCB基板(3)焊接或粘接，另一电极通过导电粘合剂(22)与陶瓷管壳(1)的金属底面相连；其三为将电容两个电极均焊接或粘接在PCB基板(3)上，只使用绝缘粘合剂(21)粘接支撑电容(2)，电容电极与底面金属之间没有电气连接。
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