CN111422818A - 传感器封装结构及封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种传感器封装结构及封装方法，其中，传感器封装结构包括电路板以及与所述电路板结合形成封装腔的外壳，所述封装腔内固定有传感元件，所述传感元件通过连接件与所述电路板电连接；或者，所述封装腔内固定有传感元件和集成电路芯片，所述传感元件通过连接件与所述电路板/所述集成电路芯片电连接；所述连接件为复合线材，包括金属线和包覆在所述金属线外侧的绝缘层，绝缘层屏蔽了金属线的电磁干扰信号，提高了MEMS麦克风的抗干扰性能。

Description

传感器封装结构及封装方法
技术领域
本发明涉及半导体封装领域，具体涉及传感器封装结构及封装方法。
背景技术
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
为了保护传感器内部元件和电路，需要将传感器封装，传感器封装结构中的传感元件一般通过金属线材与电路板或者其它元件电连接，然而金属线材在高频应用中容易产生电磁干扰的现象，进而影响传感器的性能。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种传感器封装结构及封装方法，旨在改善目前传感器封装结构中，用于电连接传感元件的金属线容易产生电磁干扰的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种传感器封装结构，包括电路板以及与所述电路板结合形成封装腔的外壳，所述封装腔内固定有传感元件，所述传感元件通过连接件与所述电路板电连接；或者，
所述封装腔内固定有传感元件和集成电路芯片，所述传感元件通过连接件与所述电路板/所述集成电路芯片电连接；
所述连接件为复合线材，包括金属线和包覆在所述金属线外侧的绝缘层。
优选地，所述传感元件与所述集成电路芯片在水平方向上并列布置，所述传感元件通过所述复合线材与所述集成电路芯片电连接，所述集成电路芯片通过所述复合线材与所述电路板电连接。
优选地，所述传感元件与所述集成电路芯片在竖直方向上堆叠设置，所述集成电路芯片通过植锡球固定在所述电路板上，所述传感元件通过所述复合线材与所述电路板电连接。
优选地，所述传感器为MEMS麦克风或者环境传感器，所述传感元件为MEMS芯片。
优选地，所述传感器封装结构设有声孔，所述声孔设置在所述电路板与所述MEMS芯片相对的位置；或者，所述声孔设置在所述外壳与所述MEMS芯片相对的位置。
此外，本发明还提供了一种封装方法，用于制备上述所述的传感器封装结构，所述封装方法包括以下步骤：
将传感元件安装在电路板上；将复合线材的两端分别与所述传感元件和电路板电连接；或者，
将传感元件和集成电路芯片安装在电路板上；将复合线材的两端分别与所述传感元件和所述电路板/集成电路芯片电连接；
将外壳固定在所述电路板上。
优选地，所述将复合线材的两端分别与所述传感元件和电路板电连接的步骤包括：在金属线外包覆绝缘层；去除所述复合线材两端的绝缘层；将所述复合线材两端露出的金属线分别焊接至所述传感元件和所述电路板；或者，所述将复合线材的两端分别与所述传感元件和所述电路板/集成电路芯片电连接的步骤包括：在金属线外包覆绝缘层；去除所述复合线材两端的绝缘层；将所述复合线材两端露出的金属线分别焊接至所述传感元件和所述电路板/集成电路芯片。
优选地，所述在金属线外包覆绝缘层的步骤包括：
将所述绝缘材料喷涂至所述金属线的外表面，待所述绝缘材料固化后得到所述绝缘层。
优选地，所述将所述复合线材两端露出的金属线分别焊接至所述传感元件和所述电路板的步骤包括：将所述复合线材两端露出的金属线烧成球状，得到两个金属球；通过超声波焊接将所述两个金属球分别焊接至所述传感元件和所述电路板；或者，
所述将所述复合线材两端露出的金属线分别焊接至所述传感元件和所述电路板/集成电路芯片的步骤包括：将所述复合线材两端露出的金属线烧成球状，得到两个金属球；通过超声波焊接将所述两个金属球分别焊接至所述传感元件和所述电路板/集成电路芯片。
优选地，所述将所述复合线两端露出的金属线烧成球状，得到两个金属球的步骤之后还包括：
对所述金属球的端头施加预压力，将所述金属球压扁。
在本发明的技术方案中，外壳与电路板围合形成封装腔，封装腔内固定有传感元件，传感元件通过复合线材与电路板电连接，或者封装腔内固定有传感元件和集成电路芯片，所述传感元件通过复合线材与电路板/集成电路芯片电连接，由于复合线材包括金属线和包覆在金属线外的绝缘层，绝缘层屏蔽了金属线的电磁干扰信号，提高了MEMS麦克风的抗干扰性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例的传感器封装结构的示意图；
图2为本发明实施例的传感器封装结构的复合线材的部分示意图；
图3为本发明一实施例的封装方法的复合线材的部分示意图；
图4为本发明另一实施例的封装方法的复合线材的部分示意图；
图5为本发明又一实施例的封装方法的复合线材的部分示意图。
附图标号说明：
1 电路板 11 声孔
2 外壳 3 MEMS芯片
4 ASIC芯片 5 复合线
51 金属线 511 金属球
52 绝缘层 6 焊盘
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种传感器封装结构，如图1和图2所示，包括电路板1以及与电路板1结合形成封装腔的外壳2，封装腔内固定有传感元件3，传感元件通过连接件与电路板1电连接；或者
封装腔内固定有传感元件3和集成电路芯片4，传感元件3通过连接件与电路板1/集成电路芯片4电连接；
连接件为复合线材5，包括金属线51和包覆在金属线51外侧的绝缘层52。
外壳2与电路板1围合形成封装腔，对内部的元件进行保护，封装腔内可以封装传感元件3，也可以封装传感元件3和集成电路芯片4，还可以封装其它电器元件，可根据需求选择，在此不作具体限定。用于电连接的复合线材5包括金属线51和包覆在金属线51外的绝缘层52，绝缘层52屏蔽了金属线51之间或金属线51与其它元件的金属部分的电磁干扰信号，提高了传感器封装结构的抗干扰性能。
其中，绝缘层52可以为无机绝缘层、有机绝缘层或者混合绝缘层中的任意一种，一般来说，常用的无机绝缘层的材料包括：云母、石棉、大理石、瓷器、玻璃、硫磺等；有机绝缘层的材料包括：虫胶、树脂、橡胶、棉纱、纸、麻、人造丝等；混合绝缘层的材料为包括由以上两种材料经过加工制成的各种成型绝缘材料。
在一实施例中，传感元件3与集成电路芯片4在水平方向上并列布置，传感元件3通过复合线材5与集成电路芯片4电连接，集成电路芯片4通过复合线材5与电路板1电连接。此处的水平方向是指电路板1延伸的方向，可将传感元件3和集成电路芯片4均固定在电路板1上，然后通过复合线材5将集成电路芯片4与电路板1电连接。在其它实施例中，也可以被构造成：传感元件3通过复合线材5分别与电路板和集成电路芯片4电连接。其中，传感元件3和集成电路芯片4一般通过多根复合线材5连接，由于每根金属线51的外侧均包覆有绝缘层52，避免了金属线之间的电磁干扰，提高了传感器封装结构的电磁屏蔽效果。
在另一实施例中，传感元件3与集成电路芯片4在竖直方向上堆叠设置，集成电路芯片4通过植锡球固定在电路板1上，传感元件3通过复合线材5与电路板1电连接。此处的竖直方向是指与电路板垂直的方向，将传感元件3与集成电路芯片4堆叠设置，可以减小传感器的封装尺寸。在其它实施例中，也可以将传感元件3固定在电路板上，集成电路芯片4通过复合线材5与电路板1电连接。
具体地，传感器为MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微型机电系统)麦克风或者环境传感器，传感元件为MEMS芯片。MEMS也叫做微电子机械系统、微系统、微机械，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS光学传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等以及它们的集成产品。MEMS麦克风是将声音信号转换为电信号的能量转换器，是基于MEMS技术制造的麦克风，可以采用表贴工艺进行制造，并具有很好的噪声消除性能与良好的射频及电磁干扰抑制能力，MEMS麦克风正是以其上述诸多的优点在便携式电子设备中得到了广泛的应用。
更具体地，传感器封装结构设有声孔11，声孔11设置在电路板1与MEMS芯片相对的位置；或者，声孔11设置在外壳2与MEMS芯片相对的位置。声孔11用于接收声音信号，将声孔11与MEMS芯片相面对设置，可以提高声音信号传输的可靠性。
此外，本发明还提供了一种封装方法，用于制备上述传感器封装结构，封装方法包括以下步骤：
将传感元件3安装在电路板1上；将复合线材5的两端分别与传感元件3和电路板1焊接；或者，
将传感元件3和集成电路芯片4安装在电路板1上；将复合线材5的两端分别与传感元件3和电路板1/集成电路芯片4电连接；
将外壳2固定在电路板1上。
其中，可以将传感元件3和集成电路芯片4分别固定在电路板1上，然后通过复合线材5连接传感元件3和集成电路芯片4，再通过复合线材5将电路板1与传感元件3/集成电路芯片4电连接。也可以先将集成电路芯片4通过植锡球固定在电路板1上，然后将传感元件3堆叠在集成电路芯片4上，再通过复合线材5与电路板1电连接。本实施例的封装方法简单，且由于复合线材5包括金属线51和包覆在金属线51外的绝缘层52，绝缘层52屏蔽了金属线51之间的电磁干扰信号，提高了MEMS麦克风的抗干扰性能。
进一步地，将传感元件3安装在电路板1上，或者将传感元件3和集成电路芯片4安装在电路板1上的步骤可包括：在电路板1的表面点胶，将传感元件3/传感元件3和和集成电路芯片4粘接在点胶处，然后固化烘烤。
将外壳2固定电路板1上的步骤包括：在电路板1的相应位置点胶，将外壳2粘接在点胶处，然后固化烘烤。
将复合线材5的两端分别与传感元件3和电路板4电连接的步骤包括：在金属线51外包覆绝缘层52；去除复合线材5两端的绝缘层52，使得复合线材5两端露出的金属线51(如图3所示)分别焊接至传感元件3和电路板1；或者，
将复合线材5的两端分别与传感元件3和电路板1/集成电路芯片4电连接的步骤包括：在金属线51外包覆绝缘层52；去除复合线材5两端的绝缘层52；将复合线材5两端露出的金属线5分别焊接至传感元件3和电路板1/集成电路芯片4。
可将复合线材5两端露出的金属线51焊接至传感元件3或集成电路芯片4的焊盘6。复合线材5两端步露出的金属线51的长度为200～400um，以保证露出的金属线51能稳固地与芯片的键合区焊接。其中，可采用喷涂或电镀的方式在金属线51外包覆绝缘层52。可使用火焰或感应加热方法使绝缘层52碳化，以去除复合线材5两端的绝缘层52，还可以使用特殊的溶剂溶解或者利用激光气化复合线材5两端的绝缘层52。
优选地，在金属线51外包覆绝缘层52的步骤包括：
将绝缘材料喷涂至金属线51的外表面，待绝缘材料固化后得到绝缘层52。
喷涂通过喷枪或蝶式雾化器，借助于压力或离心力，分散成均匀而微细的雾滴，施涂于被涂物表面，可分为空气喷涂、无空气喷涂、静电喷涂以及上述基本喷涂形式的各种派生的方式，如大流量低压力雾化喷涂、热喷涂、自动喷涂、多组喷涂等。
本实施例采用热喷涂的方式，热喷涂是指将涂层材料加热熔化，用高速气流将其雾化成极细的颗粒，并以很高的速度喷射到工件表面，形成涂层。绝缘层52可以为无机绝缘层、有机绝缘层或者混合绝缘层中的任意一种，一般来说，常用的无机绝缘层的材料包括：云母、石棉、大理石、瓷器、玻璃、硫磺等；有机绝缘层的材料包括：虫胶、树脂、橡胶、棉纱、纸、麻、人造丝等；混合绝缘层的材料为包括由以上两种材料经过加工制成的各种成型绝缘材料。将绝缘材料热喷涂至金属线51的外表面，待冷却固化后即得到绝缘层52。
在一实施例中，去除复合线材5两端的绝缘层52，使得复合线材5的两端露出金属线51的步骤包括：
采用激光发生器将复合线材5两端的绝缘层52气化，使得复合线材5的两端露出金属线51。
激光发生器的精确度较高，在针对当前待去除绝缘层52的复合线材5调整好激光发生器的各参数，以准确去除一定厚度及一定长度的绝缘层52的前提下，一旦确定复合线材5上待去除的绝缘层52的位置，激光发生器就可以准确去除待去除的绝缘层52，不会在去除绝缘层52的同时去除部分金属线51，即能够保持金属线51原有的表面质量，从而保证了金属线51表面的平滑度和绝缘层52断口的整齐度。另一方面，激光发生器发出的激光具有一定的波长和高功率，可以把物体气化，使得激光发生器在去除金属线51表面的绝缘层52时，直接使表面的绝缘层52气化，不会像火焰加热或溶液溶解等去除绝缘层52的方法一样损伤到金属线51，能够保持金属线51原有的物理性能，从而保证了金属线51表面的光亮度。
更具体地，将复合线材5两端露出的金属线51分别焊接至传感元件3和电路板1的步骤包括：
将复合线材5两端露出的金属线51烧成球状，得到两个金属球511(如图4所示)；通过超声波焊接将两个金属球511分别焊接至传感元件3和电路板1；或者，
将复合线材5两端露出的金属线51分别焊接至传感元件3和电路板1/集成电路芯片4的步骤包括：将复合线材5两端露出的金属线51烧成球状，得到两个金属球511；通过超声波焊接将两个金属球511分别焊接至传感元件3和电路板1/集成电路芯片4。
超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子间之间的熔合。可采用键合设备通过打火杆施放高压电将金属线51端头烧成球状，再通过超声波焊接至传感元件3和电路板1/集成电路芯片4。金属线51可以为金线或铜线，将金属线51的端头烧成球状可以增加金属线51与芯片的接触面积，提高了金属线51和芯片之间的结合强度和导电性能。
更进一步地，将露出的金属线51烧成球状，得到两个金属球511的步骤之后还包括：
对金属球511的端头施加预压力，将金属球511压扁(如图5所示)。
在本实施例中，将金属球511压扁再焊接，可增加金属球511与芯片的接触面积，从而增加金属线51与芯片焊接的稳定性和可靠性。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书所作的等效变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种传感器封装结构，其特征在于，包括电路板以及与所述电路板结合形成封装腔的外壳，所述封装腔内固定有传感元件，所述传感元件通过连接件与所述电路板电连接；或者，
所述封装腔内固定有传感元件和集成电路芯片，所述传感元件通过连接件与所述电路板/所述集成电路芯片电连接；
所述连接件为复合线材，包括金属线和包覆在所述金属线外侧的绝缘层。
2.如权利要求1所述的传感器封装结构，其特征在于，所述传感元件与所述集成电路芯片在水平方向上并列布置，所述传感元件通过所述复合线材与所述集成电路芯片电连接，所述集成电路芯片通过所述复合线材与所述电路板电连接。
3.如权利要求1所述的传感器封装结构，其特征在于，所述传感元件与所述集成电路芯片在竖直方向上堆叠设置，所述集成电路芯片通过植锡球固定在所述电路板上，所述传感元件通过所述复合线材与所述电路板电连接。
4.如权利要求1～3中任一项所述的传感器封装结构，其特征在于，所述传感器为MEMS麦克风或者环境传感器，所述传感元件为MEMS芯片。
5.如权利要求4所述的传感器封装结构，其特征在于，所述传感器封装结构设有声孔，所述声孔设置在所述电路板与所述MEMS芯片相对的位置；或者，所述声孔设置在所述外壳与所述MEMS芯片相对的位置。
6.一种封装方法，其特征在于，用于制备如权利要求1～5中任一项所述的传感器封装结构，所述封装方法包括以下步骤：
将传感元件安装在电路板上；将复合线材的两端分别与所述传感元件和电路板电连接；或者，
将传感元件和集成电路芯片安装在电路板上；将复合线材的两端分别与所述传感元件和所述电路板/集成电路芯片电连接；
将外壳固定在所述电路板上。
7.如权利要求6所述的封装方法，其特征在于，所述将复合线材的两端分别与所述传感元件和电路板电连接的步骤包括：在金属线外包覆绝缘层；去除所述复合线材两端的绝缘层；将所述复合线材两端露出的金属线分别焊接至所述传感元件和所述电路板；或者，
所述将复合线材的两端分别与所述传感元件和所述电路板/集成电路芯片电连接的步骤包括：在金属线外包覆绝缘层；去除所述复合线材两端的绝缘层；将所述复合线材两端露出的金属线分别焊接至所述传感元件和所述电路板/集成电路芯片。
8.如权利要求7所述的封装方法，其特征在于，所述在金属线外包覆绝缘层的步骤包括：
将所述绝缘材料喷涂至所述金属线的外表面，待所述绝缘材料固化后得到所述绝缘层。
9.如权利要求7所述的封装方法，其特征在于，所述将所述复合线材两端露出的金属线分别焊接至所述传感元件和所述电路板的步骤包括：将所述复合线材两端露出的金属线烧成球状，得到两个金属球；通过超声波焊接将所述两个金属球分别焊接至所述传感元件和所述电路板；或者，
所述将所述复合线材两端露出的金属线分别焊接至所述传感元件和所述电路板/集成电路芯片的步骤包括：将所述复合线材两端露出的金属线烧成球状，得到两个金属球；通过超声波焊接将所述两个金属球分别焊接至所述传感元件和所述电路板/集成电路芯片。
10.如权利要求9所述的封装方法，其特征在于，所述将所述复合线两端露出的金属线烧成球状，得到两个金属球的步骤之后还包括：
对所述金属球的端头施加预压力，将所述金属球压扁。
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