CN112885789A - 柔性气动压力测量装置及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了柔性气动压力测量装置，包括制作有电路的柔性电路板以及贴附在所述柔性电路板上的无源器件、MEMS气压传感器和芯片，所述芯片包括至少一个柔性芯片，所述柔性芯片的厚度不大于50μm；至少所述柔性芯片被硅胶保护层包覆。本发明还公开了柔性气动压力测量装置制作方法。本发明能够与飞行器表面共形，降低测量系统对气体流场的干扰。

Description

柔性气动压力测量装置及其制作方法
技术领域
本发明属于气动压力测量技术领域，具体涉及柔性气动压力测量装置及其制作方法。
背景技术
飞行器表面的气动压力测量对飞行器设计和试飞验证起到十分重要的作用。而由于飞行器表面的气体流场变化非常复杂，测量系统对飞行器表面的气体流场产生干扰和影响的问题越来越受到业内的重视。
如图1所示，现有技术中的气动压力测量模块主要是在柔性电路板(FlexiblePrinted Circuit，简称FPC)1上集成MEMS气压传感器2和芯片。其中传感器和芯片主要采用塑封或陶瓷管壳封装，厚度高、硬度大，阻碍测量系统的弯曲变形，因此限制了测量系统的柔性和可弯曲性。导致在测量飞行器非平面部位的气压时(比如发动机外壳)，测量系统不能与被测表面共形，并且厚度较高的测量系统也对飞行器表面的气流场产生了干扰。
如图1所示，现有技术中的气动压力测量模块为了保护柔性电路板1上的刚性元器件，在柔性电路板1的底部增加了支撑钢片7，同时在元器件顶部也增加了金属壳体8进行保护。因此，这种封装结构导致气动压力测量模块的柔性和可弯曲性受到限制，无法对曲面进行共形测量。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种能够与飞行器表面共形、降低测量系统对气体流场的干扰的柔性气动压力测量装置及其制作方法。
第一方面，柔性气动压力测量装置，包括制作有电路的柔性电路板以及贴附在所述柔性电路板上的无源器件、MEMS气压传感器和芯片，所述芯片包括至少一个柔性芯片，所述柔性芯片的厚度不大于50μm；至少所述柔性芯片被硅胶保护层包覆。
一种实施例中，所述芯片包括运放芯片、模数转换芯片及无线通信芯片，所述运放芯片、所述模数转换芯片和所述无线通信芯片至少其中之一为所述柔性芯片。
一种实施例中，还包括柔性包封层，所述柔性包封层覆盖所述芯片、所述无源器件和所述MEMS气压传感器，并露出所述MEMS气压传感器的气压孔。
一种实施例中，至少所述柔性芯片通过键合线与所述柔性电路板上的焊盘连接，所述键合线被所述硅胶保护层包覆。
一种实施例中，所述柔性气动压力测量装置的厚度小于等于3mm，和/或所述柔性气动压力测量装置的弯曲半径小于等于15mm。
第二方面，柔性气动压力测量装置制作方法，包括：
提供制作有电路的柔性电路板；
提供无源器件和MEMS气压传感器，将所述无源器件及MEMS气压传感器贴附在所述柔性电路板上表面；
提供芯片，将所述芯片贴附在所述柔性电路板上表面；所述芯片中包括至少一个柔性芯片，所述柔性芯片的厚度不大于50μm；
将所述芯片与所述柔性电路板的焊盘建立电连接；
在所述柔性电路板上表面制作包覆所述芯片的硅胶保护层；
在所述柔性电路板上表面制作包覆所述芯片、所述无源器件和所述MEMS气压传感器的柔性包封层，所述柔性包封层露出所述MEMS气压传感器的气压孔。
一种实施例中，所述将所述芯片与所述柔性电路板的焊盘建立电连接的步骤，包括：
至少所述柔性芯片与所述柔性电路板的焊盘通过键合线互连；
所述在所述柔性电路板上表面制作包覆所述芯片的硅胶保护层的步骤，包括：
所述硅胶保护层还包覆所述键合线。
一种实施例中，所述柔性芯片的厚度不大于25μm，和/或所述柔性芯片的弯曲半径小于等于10mm。
一种实施例中，所述硅胶保护层的高度比所述键合线弧高至少高出200μm。
一种实施例中，所述柔性包封层的高度不高于所述MEMS气压传感器顶部。
一种实施例中，所述硅胶保护层采用弹性模量小于10MPa的硅胶。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、通过采用减薄的柔性芯片替代传统的刚性塑封芯片，所得到的封装产品可实现弯曲半径20mm的弯折，整体封装厚度≤3mm，可以与非平面表面贴合共形，将测量系统对气体流场的干扰影响降低到最小；
2、通过利用柔性包封层进行包封，替代传统的支撑钢片以及封装外壳，以柔性硅胶作为包封层，不但不影响测量系统的柔性和可弯曲性能，而且能够对测量系统提供良好的机械保护和环境保护；
3、通过采用柔性金丝键合的方式使柔性芯片与柔性电路板连接，替代了传统的无法弯曲的刚性锡膏焊接，由于金丝键合有良好的弯曲性能和较强的抗弯曲疲劳能力，这样就能有效提高弯曲过程中的电气互连可靠性。
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获得其他的附图。
图1为现有技术中气动压力测量装置的结构示意图；
图2为本发明柔性气动压力测量装置的结构示意图；
图3为本发明柔性启动压力测量装置制作方法的流程图。
其中，1、柔性电路板；2、MEMS气压传感器；3、芯片；4、键合线；5、硅胶保护层；6、柔性包封层；7、支撑钢片；8、金属壳体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
第一方面，如图2所示，柔性气动压力测量装置，包括制作有电路的柔性电路板1以及贴附在所述柔性电路板1上的无源器件、MEMS气压传感器2和芯片3，至少所述柔性芯片3被硅胶保护层5包覆；还包括柔性包封层，所述柔性包封层覆盖所述芯片3、无源器件和MEMS气压传感器2被柔性包封层6所包封，所述柔性包封层6露出所述MEMS气压传感器2的气压孔；所述芯片3中包括柔性芯片，所述柔性芯片的厚度不大于50μm。特别地，所述芯片3可包括运放芯片、模数转换芯片、存储芯片及无线通信芯片等，所述运放芯片、模数转换芯片和无线通信芯片至少其中之一为柔性芯片。特别地，所述无线通信芯片可以是WIFI芯片和/或蓝牙芯片。
其中，所述柔性电路板上的电路可通过光成像图形转移或刻蚀等工艺制作。所述无源器件和MEMS气压传感器可通过表面贴装技术贴附在柔性电路板上。所述硅胶保护层可采用有机硅胶，具体可通过点胶的方式在芯片位置施胶并真空固化。所述包封是指将柔性电路板上的全部结构(如无源器件、MEMS气压传感器和芯片等)整体包封(除露出气压孔外)，所述包封材料可采用硅胶。所述无线通信芯片可以是WIFI芯片、蓝牙芯片等，可用于无线通信；所述模数转换芯片可用于信号转换；所述运放芯片可用于信号放大。
由于在柔性气动压力测量装置中包含有无线通信芯片之类的体积较大的芯片，这类芯片由于其厚度过大(通常有几百微米)而不能弯曲；考虑到当硅基芯片的厚度减薄至50μm以下时硅基芯片将呈现出一定的可弯曲特性，本实施例中至少对部分体积较大的芯片进行减薄处理，将其厚度减薄至50μm，使其能够实现弯曲，弯曲半径可达到15mm。这样可以使得整个柔性气动压力测量装置也可实现一定程度的弯曲而不影响其性能和稳定性。而对于体积较小的芯片，其对整个柔性气动压力测量装置的柔性影响不大，所以可以不用减薄到50μm。当然，将所有芯片都减薄到50μm以下以获得柔性也是可以的。考虑到要确保MEMS气压传感器能够感知外界气体压力，所述柔性包封层应将所述MEMS气压传感器的气压孔露出以与外界连通。
分析现有技术中的气动压力测量模块，其柔性和可弯曲性不足主要是由底部支撑钢片、金属封装外壳和刚性塑封芯片导致的。本实施例中的柔性气动压力测量装置，采用柔性芯片替代传统的刚性塑封芯片，去除支撑钢片以及封装外壳，再利用柔性包封层进行包封，所得到的封装产品可实现弯曲半径20mm以下的弯折，整体封装厚度≤3mm，可以与非平面表面贴合共形，将测量系统对气流场的干扰影响降低到最小。
一种实施例中，所述芯片3通过键合线4与所述柔性电路板1上的焊盘连接，所述键合线4被硅胶保护层5包覆。特别地，所述键合线4可采用金丝。
其中，本实施例采用可弯曲的金丝键合，将柔性芯片与柔性电路板互连。由于现有技术中的气动压力测量模块中的芯片通常采用刚性锡膏焊接与柔性电路板互连，而所述锡膏焊接无法弯曲，导致抗弯曲疲劳能力不足。本实施例则采用柔性金丝键合方法，使柔性芯片与柔性电路板连接。由于金丝键合有良好的弯曲性能和较强的抗弯曲疲劳能力，这样就能有效提高弯曲过程中的电气互连可靠性。另外，所述硅胶保护层5可采用弹性模量小于10MPa的软硅胶，其柔性较好，不影响柔性芯片的弯曲，并且能够对柔性芯片和金丝键合线提供良好的机械保护和环境保护。
一种实施例中，所述柔性芯片的厚度不大于25μm。
其中，考虑到柔性芯片的厚度越薄，可弯曲能力越强，当柔性芯片减薄到25μm厚度时，其弯曲半径能够≤10mm，继而可以让封装后的产品的可弯曲半径≤15mm，这样可以更好地与飞行器表面共形，能够充分满足对非平面部位的气动压力测量需求，例如飞机发动机表面。
一种实施例中，所述硅胶保护层5的高度比所述键合线4弧高至少高出200μm。
其中，通过对硅胶保护层的高度作一定限定，可保证实现对柔性芯片和柔性键合金丝的完整包覆。
一种实施例中，所述柔性包封层6的高度不高于所述MEMS气压传感器2顶部。
本实施例通过限制柔性包封层的高度，可以很好地避免柔性包封层封闭所述MEMS气压传感器顶部的气压孔，防止MEMS气压传感器不能正常工作。
第二方面，如图3所示，柔性气动压力测量装置制作方法，包括：
步骤1，提供制作有电路的柔性电路板1。
其中，所述柔性电路板1作为柔性封装的基板，所述柔性电路板1上制作的电路包括与气动压力测量相关的电路。
步骤2：提供无源器件和MEMS气压传感器2，将所述无源器件及MEMS气压传感器2贴附在所述柔性电路板1上表面。
其中，所述无源器件及MEMS气压传感器2通过SMT(表面贴装技术)贴附在柔性电路板1上。进一步地，可在尺寸较大的刚性MEMS气压传感器四周焊点位置施加COB环氧树脂胶水并进行固化，以实现对大尺寸器件的SMT焊点保护。
步骤3：提供芯片3，将所述芯片3贴附在所述柔性电路板1上表面。
其中，所述芯片3为裸芯片。通过裸芯片贴片设备，将系统所需要的芯片3贴装到柔性电路板1的指定贴片位置。所述芯片3中至少包括部分柔性芯片，所述柔性芯片是指厚度被减薄到50μm以下的芯片。所述柔性芯片至少包括运放芯片、模数转换芯片和无线通信芯片的其中之一。
步骤4：将芯片3与所述柔性电路板1的焊盘建立电连接。
其中，至少可将柔性芯片焊盘与FPC柔性电路板焊盘通过键合线4互连。所述键合线4可以是金丝键合线。若芯片中有非柔性的芯片，所述非柔性的芯片除了采用键合线与所述柔性电路板互连外，还可采用其他互连手段。
步骤5：在所述柔性电路板1上表面制作包覆所述芯片3的硅胶保护层5。
其中，可通过点胶设备将液态硅胶施加在芯片3上，然后在真空环境下进行硅胶固化，形成包覆芯片3的硅胶保护层5。硅胶可选用低弹性模量的软硅胶。对于通过键合线与柔性电路板焊盘互连的芯片，所述硅胶保护层还包覆所述键合线。固化后的硅胶高度应高于所述键合线4弧高，作为优选可以高200μm以上。
步骤6：在所述柔性电路板1上表面制作包覆所述芯片3、无源器件和MEMS气压传感器2的柔性包封层6，所述柔性包封层6露出所述MEMS气压传感器2的气压孔，得到柔性气动压力测量装置。
其中，所述柔性包封层6的材料可采用硅胶或硅橡胶。可通过真空注塑或喷胶的方式，将液态硅胶/硅橡胶均匀施加于整个柔性测量系统上并进行真空固化。所述柔性包封层6处于外层，用于对整个系统进行保护。所述柔性包封层6的高度可高于所述硅胶保护层5的高度以达到更佳的保护效果。考虑到要确保MEMS气压传感器2能够感知外界气体压力，所述柔性包封层6应将所述MEMS气压传感器2的气压孔露出；作为优化，可使所述柔性包封层6的高度不高于所述MEMS气压传感器2顶部，以避免封闭顶部的气压孔。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.柔性气动压力测量装置，其特征在于：
包括制作有电路的柔性电路板以及贴附在所述柔性电路板上的无源器件、MEMS气压传感器和芯片，所述芯片包括至少一个柔性芯片，所述柔性芯片的厚度不大于50μm；至少所述柔性芯片被硅胶保护层包覆。
2.根据权利要求1所述的柔性气动压力测量装置，其特征在于：
所述芯片包括运放芯片、模数转换芯片及无线通信芯片，所述运放芯片、所述模数转换芯片和所述无线通信芯片至少其中之一为所述柔性芯片。
3.根据权利要求1所述的柔性气动压力测量装置，其特征在于：
还包括柔性包封层，所述柔性包封层覆盖所述芯片、所述无源器件和所述MEMS气压传感器，并露出所述MEMS气压传感器的气压孔。
4.根据权利要求1所述的柔性气动压力测量装置，其特征在于：
至少所述柔性芯片通过键合线与所述柔性电路板上的焊盘连接，所述键合线被所述硅胶保护层包覆。
5.根据权利要求1所述的柔性气动压力测量装置，其特征在于：
所述柔性气动压力测量装置的厚度小于等于3mm，和/或所述柔性气动压力测量装置的弯曲半径小于等于15mm。
6.柔性气动压力测量装置制作方法，其特征在于，包括：
提供制作有电路的柔性电路板；
提供无源器件和MEMS气压传感器，将所述无源器件及MEMS气压传感器贴附在所述柔性电路板上表面；
提供芯片，将所述芯片贴附在所述柔性电路板上表面；所述芯片中包括至少一个柔性芯片，所述柔性芯片的厚度不大于50μm；
将所述芯片与所述柔性电路板的焊盘建立电连接；
在所述柔性电路板上表面制作包覆所述芯片的硅胶保护层；
在所述柔性电路板上表面制作包覆所述芯片、所述无源器件和所述MEMS气压传感器的柔性包封层，所述柔性包封层露出所述MEMS气压传感器的气压孔。
7.根据权利要求6所述的柔性气动压力测量装置制作方法，其特征在于：
所述将所述芯片与所述柔性电路板的焊盘建立电连接的步骤，包括：
至少所述柔性芯片与所述柔性电路板的焊盘通过键合线互连；
所述在所述柔性电路板上表面制作包覆所述芯片的硅胶保护层的步骤，包括：
所述硅胶保护层还包覆所述键合线。
8.根据权利要求1所述的柔性气动压力测量装置或权利要求6所述的柔性气动压力测量装置制作方法，其特征在于：
所述柔性芯片的厚度不大于25μm，和/或所述柔性芯片的弯曲半径小于等于10mm。
9.根据权利要求4所述的柔性气动压力测量装置或权利要求7所述的柔性气动压力测量装置制作方法，其特征在于：
所述硅胶保护层的高度比所述键合线弧高至少高出200μm。
10.根据权利要求1所述的柔性气动压力测量装置或权利要求6所述的柔性气动压力测量装置制作方法，其特征在于：
所述柔性包封层的高度不高于所述MEMS气压传感器顶部。
11.根据权利要求1所述的柔性气动压力测量装置或权利要求6所述的柔性气动压力测量装置制作方法，其特征在于：
所述硅胶保护层采用弹性模量小于10MPa的硅胶。
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