CN111121843A - 一种声表面波传感器的一体化封装结构及封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种声表面波传感器的一体化封装结构，所述绝缘保护层覆盖在传感器基底上表面的汇流排与导线上；所述焊盘镀层覆盖在传感器外接焊盘端口的上表面；所述金属支撑框架具有一定高度，并生长在传感器基底与绝缘保护层上；所述金属盖板生长在金属支撑框架上，形成金属保护层；所述金晶键合层生长在传感器基底的背面，形成弹性金属层。同时提供了一种上述封装结构的封装方法。本发明使传感器敏感基片和封装一体化制作，不需要在结构上旋涂胶水粘接，提高了声表面波传感器封装结构的可靠性，克服了传统封装存在较大杂波，封装后特性变化较大的缺点，同时可以适用于温度、压力和应力/应变等多种信息检测应用。

Description

一种声表面波传感器的一体化封装结构及封装方法

技术领域

本发明涉及传感器封装技术领域，具体地，是一种声表面波传感器的一体化封装结构及封装方法。

背景技术

声表面波传感器是一种用声表面波器件作为敏感元件，能够将被测的物理量通过声表面波的速度或频率的变化反映出来，并以射频电信号输出的一种无线无源传感器，能够精确测量大量的物理和化学量，如温度、应力、压力、密度等，特别是对于高速旋转、石油化工、高温、核辐射、强电磁场等环境的检测具有独到优势。近些年来，微电子技术、微波技术等相关电子技术日新月异地飞速发展，为传统的声表面波器件的升级发展提供了技术基础，同时也对声表面波器件本身的可靠性、体积等提出了更高的要求。

封装技术是声表面波传感器研究和应用的关键技术之一。传感器的封装不仅是对器件进行安放、固定、密封，起到保护的作用，而且还要做到对被测量的有效传递、激励信号和测量信号的无损输入输出、避免热应力、便于现场应用等。传统的封装技术步骤较多，涉及工艺繁琐复杂，在不同工艺步骤间隙的移动和人工误差会造成封装的失败。随着技术的进步，声表面波器件的封装朝着小型化、薄型化的方向发展，现有的声表面波传感器封装采用吸声胶将敏感基片装在有金属电极的基底上，然后将内引线键合，用环氧树脂将金属上盖和基底粘合，形成密封腔体。优点是操作简单，工艺复杂度低。但粘接和引线会带来器件的可靠性问题，同时用于温度、压力和应力/应变检测时也存在安装困难，被测量也难以快速有效传递，造成测量的精度不高，影响正常的测试结果，限制了其实际工程应用。

公开号为CN109060233A，公开日为2018年12月21日的中国发明专利申请《一种声表面波传感器的封装装置》，提供了一种封装结构，该结构上包括PCB电路板、外接电路和声表面波器件。PCB电路板的中间层与外接电路相连，从而达到传感器的封装目的。该方案的仅仅考虑的是封装和引线问题，并没有考虑被测量的可靠感知问题，包括温度、应力/应变、压力如何可靠的传递到传感器的敏感单元，实际现场应用时传感器如何与被测对象连接等。所以该结构并未考虑到声表面波传感器的工艺可行性、测试可靠性等因素，同时该声表面波传感器的封装装置并未真正做到一体化封装，封装需要多步才能完成，并不利于声表面波传感器的快速部署安装和测试。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明提出了一种声表面波传感器的一体化封装结构及封装方法，该封装结构及封装方法可有效感知温度、应力/应变、压力等被测量信息，便于现场安装调试，在节约封装成本、提高制备效率的同时，兼具低成本、高可靠度和多用途等特点，可为声表面波传感器的工程化批量生产和应用提供支撑。

本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种声表面波传感器的一体化封装结构，包括：绝缘保护层、焊盘镀层、金属支撑框架、金属盖板以及金晶键合层；其中：

所述绝缘保护层覆盖在传感器基底上表面的汇流排与导线上；

所述焊盘镀层覆盖在传感器外接焊盘端口的上表面；

所述金属支撑框架具有一定高度，并生长在传感器基底与绝缘保护层上；

所述金属盖板生长在金属支撑框架上，形成金属保护层；

所述金晶键合层生长在传感器基底的背面，形成弹性金属层。

优选地，所述绝缘保护层采用SiO₂材料制备得到，并通过蒸镀的方式生长覆盖在传感器基底上表面的汇流排与导线上。

优选地，所述焊盘镀层采用铜或金材料制备得到，并通过电镀或溅射的方式生长覆盖在外接焊盘的端口上。

优选地，所述金属支撑框架采用Al或Ti材料制备得到，并通过溅射或蒸镀的方式生长在传感器基底与绝缘保护层上。

优选地，所述金属支撑框架的高度为0.5～1mm。

优选地，所述金属盖板采用高强度金属材料制备得到，并通过焊接或键合的方式连接在金属支撑框架上。

其中，高强度金属材料包括但不限于：钛(Ti)、钢材料、铝合金等材料。

优选地，所述金属盖板的厚度不超过0.5mm。

优选地，所述金晶键合层通过键合的方式生长在传感器基底的背面。

优选地，所述金晶键合层的厚度大于等于0.1mm。

金晶键合是金属与晶体之间键合的简称，是指采用键合工艺将金属与晶体键合生长在一起的工艺方法。在本发明中，金不限定其金属材料，晶为指压电材料，金晶键合层是生长在封装结构背面的弹性金属层，它的作用是与被测物连接，代替胶水粘接在被测物上。

根据本发明的另一个方面，提供了一种上述任一项所述的声表面波传感器的一体化封装结构的封装方法，包括：

S1，将SiO₂材料蒸镀生长覆盖在传感器基座的汇流排与导线上，形成绝缘保护层；

S2，将铜或金材料电镀或溅射生长覆盖在传感器外接焊盘的端口上表面，形成焊盘镀层；

S3，将Al或Ti材料溅射或蒸镀生长在传感器基底与绝缘保护层上，形成具有一定高度的金属支撑框架；

S4，将高强度金属材料焊接在金属支撑框架，形成金属盖板，作为金属保护层；

S5，在传感器基底的背面键合一层金晶键合层，作为弹性金属层；

上述得到的绝缘保护层、焊盘镀层、金属支撑框架、金属盖板以及金晶键合层，共同构成声表面波传感器的一体化封装结构。

需要说明的是，在本发明中，生长是指通过工艺手段将一种材料覆盖在另一种材料上的过程。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的声表面波传感器的一体化封装结构及封装方法，节约了封装成本，提高了制备效率，同时兼具低成本、高可靠度和多用途等特点。在保证了封装的可靠度的同时，该封装结构整体结构紧凑，使传感器的尺寸尽可能的减小，改善传感器的迟滞、蠕变和非线性特性，从而提高检测的精密度。同时，是使声表面波传感器成为一个独立的部件，便于现场安装和工程应用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例所提供的声表面波传感器的一体化封装结构的侧视图。其中：2为传感器基底；3为外接焊盘；5为叉指电极(IDT)；6为绝缘保护层；7为焊盘镀层；8为金属支撑框架；9为金属盖板；10为金晶键合层。

图2为本发明实施例所提供的封装方法所采用的基础图形化加工示意图。其中：1为汇流排；2为传感器基底；3为外接焊盘；4为导线；5为IDT。

图3为本发明实施例所提供的封装方法中制备焊盘镀层的加工示意图。其中：1为汇流排；2为传感器基底；5为IDT；4为导线；7为焊盘镀层。

图4为本发明实施例所提供的封装方法中在声表面波传感器基础图形加工的基础上，蒸镀SiO2材料，作为绝缘保护层的加工示意图。其中：2为传感器基底；5为IDT；6为绝缘保护层；7为焊盘镀层。

图5为本发明实施例所提供的封装方法中在声表面波传感器结构的外围蒸镀一层金属支撑框架的加工示意图。其中：2为传感器基底；5为IDT；7为焊盘镀层；8为金属支撑框架。

图6为本发明实施例所提供的封装方法中在金属支撑框架上焊接高强度金属盖板的加工示意图。其中：2为传感器基底；7为焊盘镀层；9为金属盖板。

图7为本发明实施例所提供的封装方法中在声表面波传感器基底的背面，键合一层金属键合层的加工示意图。其中：10为金晶键合层。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种声表面波传感器的一体化封装结构，包括：钝化绝缘保护层6、焊盘镀层7、金属支撑框架8以及高强度金属盖板9；其中：

所述绝缘保护层6为蒸镀在传感器基底2上表面的SiO₂绝缘层(需要说明的是，此处不局限于SiO₂，只要化学性质稳定且易于生长的材料均可采用)，所述焊盘镀层7为在声表面波传感器的外接焊盘3端口上表面生长一层金属铜或金，所述金属支撑框架8为蒸镀或溅射在传感器基底2与绝缘保护层6之上的一层铝制或钛制金属结构，所述金属盖板9为采用键合或焊接工艺生长在金属支撑框架8上的金属保护结构。本发明实施例提供的声表面波传感器的一体化封装结构，不需要在结构上旋涂胶水粘接到被测结构上，可以通过金-金键合的工艺生长到被测结构上，可以很好的增强传感器与被测结构的连接度，降低了测试难度，增强了测试精度。

进一步，所述绝缘保护层6采用SiO₂材料，设计掩膜版，将SiO₂材料通过蒸镀的方式生长覆盖在汇流排1与导线4上。这一步骤可将汇流排1和导线4绝缘保护起来，避免导线4轻易断裂或与汇流排1断连而导致器件的损坏。

进一步，所述焊盘镀层7选择镀铜或金材料，设计掩膜版，将铜或金材料通过电镀或溅射的方式生长覆盖在外接焊盘3上。这样的工艺步骤可以增大外接面积，便于外接天线。

进一步，所述金属支撑框架8采用铝或钛材料，设计掩膜版，将金属支撑框架8通过溅射或蒸镀的方式生长在传感器基底2上。所述金属支撑框架8的设计用来支撑金属盖板9。考虑到金属盖板9受力或振动时挠曲变形不会接触到声表面波传感器IDT5，金属支撑框架8的高度设计为0.5～1mm。

进一步，所述金属盖板9采用高强度金属材料，设计掩膜版，将高强度金属盖板9通过焊接或键合的方法生长在金属支撑框架8上。所述高强度金属材料厚度为不超过0.5mm，保证可承受一定的压力冲击。

进一步，所述金晶键合层10为通过键合工艺生长在传感器基底2背面的弹性金属层，厚度根据应用不同在0.1mm以上可选，采用金晶键合层10可以使声表面波传感器方便与被测物体进行焊接连接，保障连接可靠性，同时使被测应力/应变可以有效传递到声表面波传感器基底2，改善传感器的迟滞、蠕变和非线性特性，从而提高检测的精密度。

基于本发明实施例所提供的一体化封装结构，本发明实施例同时提供了一种该一体化封装结构的封装方法，包括：

S1，将铜或金材料电镀或溅射生长覆盖在传感器外接焊盘的端口上表面，形成焊盘镀层(7)；

S2，将SiO₂材料蒸镀生长覆盖在传感器基座的汇流排(1)与导线(4)上，形成绝缘保护层(6)；

S3，将Al或Ti材料溅射或蒸镀生长在传感器基底与绝缘保护层(6)上，形成具有一定高度的金属支撑框架(8)；

S4，将高强度金属材料焊接在金属支撑框架(8)，形成金属盖板(9)；

S5，在传感器基底的背面键合一层金晶键合层(10)；

上述得到的绝缘保护层(6)、焊盘镀层(7)、金属支撑框架(8)、金属盖板(9)以及金晶键合层(10)，共同构成声表面波传感器的一体化封装结构。

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面结合附图对本发明实施例作进一步详细的说明。其中，图1为本发明实施例提出的声表面波传感器的一体化封装结构的侧视图；图2至图7为声表面波传感器的一体化封装结构的封装方法流程图。

如图1所示，为本发明实施例提出的声表面波传感器的一体化封装结构，包括由下至上以依次设置为金晶键合层10、基底2、外接焊盘3、叉指电极(IDT)5、镀铜层7、蒸镀钝化绝缘保护层6、蒸镀金属支撑框架8、高强度金属盖板9。

如图2～图7所示，为本发明实施例提出的声表面波传感器的一体化封装结构的封装方法，包括：

所述绝缘保护层6采用SiO₂材料，设计掩膜版，将SiO₂材料通过蒸镀的方式生长覆盖在汇流排1与导线4上。这一步骤可将汇流排1和导线4绝缘保护起来，避免导线4轻易断裂或与汇流排1断连而导致器件的损坏。所述焊盘3上选择镀铜材料，设计掩膜版，将铜材料通过电镀的方式生长覆盖在焊盘上。这样的工艺步骤可以增大外接面积，便于外接天线。所述金属支撑框架8采用铝材料，设计掩膜版，将金属支撑框架8通过溅射的方式生长在基底上。所述金属支撑框架8的设计用来支撑金属盖板9。考虑到金属盖板9受力或振动时挠曲变形不会接触到声表面波传感器叉指电极(IDT)5，金属支撑框架8的高度设计为0.5mm。所述金属盖板9采用高强度金属材料，设计掩膜版，将高强度金属盖板9通过焊接的方法生长在金属支撑框架8上。所述高强度金属材料厚度为0.5mm，保证可承受一定的压力冲击。最后，在声表面波传感器器件的背部键合一层金晶键合层10，金晶键合层10的作用是方便与被测物体进行焊接连接，保障连接可靠性，同时使被测应力/应变可以有效传递到声表面波传感器基底2，改善传感器的迟滞、蠕变和非线性特性，从而提高检测的精密度。

本发明上述实施例所提供的声表面波传感器的一体化封装结构，绝缘保护层为在传感器基底上表面蒸镀的SiO₂绝缘层，焊盘镀层为在传感器的外接焊盘端口上表面生长的一层金属层，金属支撑框架为蒸镀在传感器基底与绝缘保护层之上的一层铝制或钛制金属结构，金属盖板为通过焊接或键合生长在金属支撑框架上的金属保护结构，金晶键合层(10)为键合生长在传感器基底背面的弹性金属层。本发明上述实施例同时提供了一种声表面波传感器的一体化封装结构的封装方法，该方法使传感器敏感基片和封装一体化制作，不需要在结构上旋涂胶水粘接，提高了封装结构的可靠性，克服了传统封装存在较大杂波，封装后特性变化较大的缺点，同时可以适用于温度、压力和应力/应变等多种信息检测应用。

本发明上述实施例所提供的声表面波传感器的一体化封装结构及封装方法，应用于声表面波传感器件的应用中。传统的声表面波传感器在封装时一般会采用旋涂胶水的方法将传感器件粘接在待测物体表面，本发明的重点是采用金晶键合的工艺，将传感器件生长在待测物表面(类似于焊接在待测物表面)，这样提高了粘接的强度，不易损坏，可以将物体表面的压力、应力、应变、温度等更好的传递到传感器件表面，测量更准确。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种声表面波传感器的一体化封装结构，其特征在于，包括：绝缘保护层(6)、焊盘镀层(7)、金属支撑框架(8)、金属盖板(9)以及金晶键合层(10)；其中：

所述绝缘保护层(6)覆盖在传感器基底上表面的汇流排(1)与导线(4)上；

所述焊盘镀层(7)覆盖在传感器外接焊盘(3)端口的上表面；

所述金属支撑框架(8)具有一定高度，并生长在传感器基底与绝缘保护层(6)上；

所述金属盖板(9)生长在金属支撑框架(8)上，形成金属保护层；

所述金晶键合层(10)生长在传感器基底的背面，形成弹性金属层。

2.根据权利要求1所述的声表面波传感器的一体化封装结构，其特征在于，所述绝缘保护层(6)采用SiO₂材料制备得到，并通过蒸镀的方式生长覆盖在传感器基底上表面的汇流排(1)与导线(4)上。

3.根据权利要求1所述的声表面波传感器的一体化封装结构，其特征在于，所述焊盘镀层(7)采用铜或金材料制备得到，并通过电镀或溅射的方式生长覆盖在外接焊盘(3)的端口上。

4.根据权利要求1所述的声表面波传感器的一体化封装结构，其特征在于，所述金属支撑框架(8)采用Al或Ti材料制备得到，并通过溅射或蒸镀的方式生长在传感器基底与绝缘保护层(6)上。

5.根据权利要求4所述的声表面波传感器的一体化封装结构，其特征在于，所述金属支撑框架(8)的高度为0.5～1mm。

6.根据权利要求1所述的声表面波传感器的一体化封装结构，其特征在于，所述金属盖板(9)采用Ti或铝制合金材料制备得到，并通过焊接或键合的方式连接在金属支撑框架(8)上。

7.根据权利要求6所述的声表面波传感器的一体化封装结构，其特征在于，所述金属盖板(9)的厚度不超过0.5mm。

8.根据权利要求1所述的声表面波传感器的一体化封装结构，其特征在于，所述金晶键合层(10)通过键合的方式生长在传感器基底的背面。

9.根据权利要求8所述的声表面波传感器的一体化封装结构，其特征在于，所述金晶键合层(10)的厚度大于等于0.1mm。

10.一种权利要求1至9中任一项所述的声表面波传感器的一体化封装结构的封装方法，其特征在于，包括：

S1，将铜或金材料电镀或溅射生长覆盖在传感器外接焊盘的端口上表面，形成焊盘镀层(7)；

S2，将SiO₂材料蒸镀生长覆盖在传感器基座的汇流排(1)与导线(4)上，形成绝缘保护层(6)；

S3，将Al或Ti材料溅射或蒸镀生长在传感器基底与绝缘保护层(6)上，形成具有一定高度的金属支撑框架(8)；

S4，将高强度金属材料焊接在金属支撑框架(8)，形成金属盖板(9)；

S5，在传感器基底的背面键合一层金晶键合层(10)；

上述得到的绝缘保护层(6)、焊盘镀层(7)、金属支撑框架(8)、金属盖板(9)以及金晶键合层(10)，共同构成声表面波传感器的一体化封装结构。

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