CN112995866B - 传感器封装结构和电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种传感器封装结构和电子设备，其中，传感器封装结构包括罩盖、基板、ASIC芯片、MEMS芯片及发泡胶膜，所述基板与所述罩盖围合形成容置腔，所述容置腔的内壁开设有连通外界的导通孔；所述ASIC芯片设于所述容置腔内，并与所述基板电连接；所述MEMS芯片连接于所述声孔的周缘，并与所述ASIC芯片电连接，所述发泡胶膜设于所述容置腔内，并遮盖所述导通孔设置。本发明技术方案的传感器封装结构可简化用于防水的加工工序，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种传感器封装结构和电子设备。
背景技术
传统麦克风封装工艺中，使用液态高分子材料胶水涂覆在基板的声孔周缘，然后将MEMS芯片贴装在胶水上，进行固化粘接。而且在完成封装后还需要在产品或外部结构上设置防尘或防水网，从而防止异物进入封装结构内部，这种防水的加工方式工序多，且会增加产品的整体尺寸。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种传感器封装结构，旨在得到简化工序且防水性好的封装结构。
为实现上述目的，本发明提出的传感器封装结构包括：
罩盖；
基板，所述基板与所述罩盖围合形成容置腔，所述容置腔的内壁开设有连通外界的导通孔；
ASIC芯片，所述ASIC芯片设于所述容置腔内，并与所述基板电连接；及
传感器芯片，所述传感器芯片连接于所述导通孔的周缘，并与所述ASIC芯片电连接；及
发泡胶膜，所述发泡胶膜设于所述容置腔内，并遮盖所述导通孔设置。
可选的实施例中，所述基板开设所述导通孔，所述传感器芯片通过热熔胶膜连接于所述导通孔的周缘，所述发泡胶膜连接于所述热熔胶膜的内周缘。
可选的实施例中，所述传感器芯片为MEMS芯片，所述MEMS芯片包括衬底和设于所述衬底远离所述基板的一端的振膜组件，所述衬底开设有与所述导通孔连通的通孔，所述通孔的开口尺寸大于所述导通孔的开口尺寸；
所述发泡胶膜在所述基板的投影面积大于等于所述导通孔的开口面积，小于等于所述通孔的开口面积。
可选的实施例中，所述发泡胶膜的厚度小于等于所述衬底高度的一半。
可选的实施例中，所述发泡胶膜的基材为聚四氟乙烯、聚乙烯或聚氨酯。
可选的实施例中，所述热熔胶膜的厚度范围为10μm～50μm。
可选的实施例中，所述热熔胶膜的材质为聚酰胺、聚醚砜树脂、热塑性聚氨酯弹性体橡胶、橡胶-树脂混合物、硅树脂。
可选的实施例中，所述振膜组件与所述ASIC芯片通过第一金属线电连接。
可选的实施例中，所述ASIC芯片粘接于所述基板，所述ASIC芯片通过第二金属线与所述基板电连接。
本发明又提出一种电子设备，包括壳体和设于所述壳体内的传感器封装结构，所述传感器封装结构为如上所述的传感器封装结构。
本发明技术方案的传感器封装结构包括基板和罩盖、传感器芯片以及ASIC芯片，基板和罩盖围合形成的容置腔能够为ASIC芯片和MEMS芯片提供屏蔽空间，从而有效阻止外部元件和信号对其电信号造成影响。同时，还包括有发泡胶膜，发泡胶膜经过加热后可形成多孔结构，既透气且可以传递声音信号，还可以具有防尘效果，在进行传感器芯片粘接的同时即可实现贴附，如此，不需要在外部再设置防尘防水网结构，实现更薄的麦克风整体结构，并节省了单独贴装防水、防尘网的工序和成本。
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为本发明传感器封装结构一实施例的纵切剖视图；
图2为图1所示传感器封装结构加工过程中的纵切剖视图。
附图标号说明：
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 100 | 传感器封装结构 | 70 | MEMS芯片 |
| 100a | 容置腔 | 71 | 衬底 |
| 10 | 基板 | 711 | 通孔 |
| 11 | 导通孔 | 73 | 振膜组件 |
| 30 | 罩盖 | 81 | 第一金属线 |
| 40 | 发泡胶膜 | 83 | 第二金属线 |
| 50 | 热熔胶膜 | 90 | ASIC芯片 |
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，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100。
请参照图1和图2，在本发明的一实施例中，传感器封装结构100包括罩盖30、基板10、ASIC芯片90及传感器芯片，所述基板10与所述罩盖30围合形成容置腔100a，所述容置腔100a的内壁开设有连通外界的导通孔11；
所述ASIC芯片90设于所述容置腔100a内，并与所述基板10电连接；
所述传感器芯片连接于所述导通孔11的周缘，并与所述ASIC芯片90电连接；
及发泡胶膜40，所述发泡胶膜40设于所述容置腔100a内，并遮盖所述导通孔11设置。
本实施例中，传感器封装结构100包括罩盖30和基板10，其中，基板10为印制电路板，即PCB，其基材可以选择硅基材或环氧树脂基材等，在该基材的一表面形成有用于电连接的电路，并设置有与上述电路连接的信号引出焊盘，且在电路的表面还会设置一层阻焊层(solder mask)，是指印刷电路板上显示为绿色的表层，能够防止焊锡外溢，避免造成电路短路；也可以有效的防潮，保护电路板的性能。且在阻焊层对应焊盘开设有显露口，以显露焊盘，用于外接电子元件。
罩盖30的纵切面呈U型设置，罩盖30可以为一体成型的金属外壳或是涂覆有金属材质的非金属外壳，罩盖30以开口方向的一端和基板10围成封闭的容置腔100a。可以理解地，罩盖30和基板10可通过导电胶或锡膏连接，可以实现两者的电连接，从而形成一个导通的屏蔽空腔，焊盘、ASIC芯片90和传感器芯片均位于该容置腔100a内，从而方便进行电连接。同时，封闭的容置腔100a可以防止外界电磁波干扰，增强对两芯片的保护作用，保证传感器芯片的转换性能。当然，罩盖30与基板10之间还可以通过其他导电的材料连通。
罩盖30和基板10围合形成的结构的横截面形状可以是方形、圆形或多边形等，在此不作限定。同时，可选的，为了将基板10与所应用的产品或系统进行固定和电信号的传输，基板10背离所述容置腔100a的表面会设有焊脚(未图示)，该焊脚可以通过SMT等工艺焊接到具体产品的主板电路上，具体的焊脚可以有3个或4个，以提高结构连接和数据传输的稳定性。
此处，为了实现信号转换，在基板10上开设有导通孔11，方便信号的流入。该传感器芯片可以是麦克风传感器，也可以是气体传感器，在此不作限定。以传感器芯片为MEMS芯片70为例，此时导通孔11即变成声孔，方便声音信号进入，MEMS芯片70用于感知和检测从声孔流入的声音信号，可将声音信号转换为电信号进行传输，将电信号传输至ASIC芯片90，ASIC芯片90对MEMS芯片70输出的信号进行处理放大，从而使得传感器封装结构100为电子设备提供收声功能。当然，于其他实施例中，也可以在罩盖30上开设有对应的声孔。
为了有效避免外界灰尘和水汽进入导通孔11，传感器封装结构100还包括发泡胶膜40，遮盖导通孔11设置，该发泡胶膜40常温下为柔软的固态膜状，在被加热时其内部的发泡剂会气化产生气泡，使得该发泡胶膜40部分区域或全部区域膨胀发泡，形成致密网络结构。具体地，所述发泡胶膜40的基材为聚四氟乙烯(Poly tetra fluoroethylene，PTFE)、聚乙烯(polyethylene，PE)或聚氨酯(PU)等，此处仅仅是为了说明发泡胶膜40而进行的示意性例举，具体采用哪种材料并不用于限定本发明，实施时可以根据不同的性能要求对应选择合适的材质。此处的传感器封装结构100是包括已经被加热后的发泡胶膜40，该发泡胶膜40是透气的，可以传递声音信号，但是可以具有防尘效果。具体地，可以控制发泡胶膜40的膨胀程度，从而实现不同的防尘级别。此外，还可以在发泡胶膜40的表面涂覆疏水材料，从而使得该发泡胶膜40同时具有防尘和防水功能。
本发明技术方案的传感器封装结构100包括基板10和罩盖30、MEMS芯片70以及ASIC芯片90，基板10和罩盖30围合形成的容置腔100a能够为ASIC芯片90和MEMS芯片70提供屏蔽空间，从而有效阻止外部元件和信号对其电信号造成影响。同时，还包括有发泡胶膜40，发泡胶膜40经过加热后可形成多孔结构，既透气且可以传递声音信号，还可以具有防尘效果，在进行传感器芯片粘接的同时即可实现贴附，如此，不需要在外部再设置防尘防水网结构，实现更薄的麦克风整体结构，并节省了单独贴装防水、防尘网的工序和成本。
可选的实施例中，所述传感器芯片通过热熔胶膜50连接于所述导通孔11的周缘，所述发泡胶膜40连接于所述热熔胶膜50的内周缘。
本实施例中，MEMS芯片70通过热熔胶膜50固定于导通孔11的周缘，该热熔胶膜50常温下为固态，是一种带离型纸或不带离型纸的膜类产品，方便贴设，受热时会熔化，在冷却后起到固化连接的作用。可选的实施例中，所述热熔胶膜50的材质为聚酰胺(Polyamide,PA)、聚醚砜树脂(polyester,PES)、热塑性聚氨酯弹性体橡胶(Thermoplasticpolyurethanes,TPU)、或者橡胶-树脂混合物、硅树脂等。同样的，此处也仅仅是为了说明热熔胶膜50的材质而进行的示意性例举，并不用于限定本发明。当然，此处，热熔胶膜50还可以根据所应用的产品的性能选择其对应性能的材质，例如，防水性、耐高温等。
可以理解的，MEMS芯片70通过热熔胶膜50固定连接在导通孔11的周缘，在组装时仅需要将热熔胶膜50贴设于基板10并将MEMS芯片70抵压在热熔胶膜50上，通过加热熔化后再固化，即可MEMS芯片70的粘接，从而避免使用液态胶水出现难以控制胶水厚度的问题，有效提高了传感器封装结构100的可靠性和良品率。
此处，热熔胶膜50在被加热时会有一定的形态变化，朝向MEMS周侧面延伸部分，从而与MEMS芯片70的底面相接触的部分形成凹陷状，进而能够包覆MEMS芯片70的底端，进一步提高对MEMS的固定稳定性。
与此同时，热熔胶膜50呈环状，将发泡胶膜40连接于所述热熔胶膜50的内周缘，也可以将热熔胶膜50与发泡胶膜40设为一体，在进行热熔胶膜50粘贴的同时，即可将发泡胶膜40粘附并遮盖住导通孔11，加热后，可实现MEMS芯片70的粘接，同时使得发泡胶膜40发泡实现防尘防水效果，如此，则不需要再设置防尘防水网结构，能够实现更薄的麦克风整体结构，并节省了单独贴装防水、防尘网的工序和成本。
可选的实施例中，所述热熔胶膜50的厚度范围为10μm～50μm。
本实施例中，为了使得MEMS芯片70被固定后具有较好的稳定性，该热熔胶膜50的厚度不宜过小，且一定厚度的热熔胶膜50也能够对MEMS芯片70起到一定的缓冲和吸收应力的作用，从而减少MEMS芯片70的损坏几率。同时，为了产品小型化且结构稳定性，热熔胶膜50的厚度也不宜过大，否则增加了传感器封装结构100的厚度。故设置热熔胶膜50的厚度范围为10μm～50μm，例如20μm、30μm、40μm等，从而在具有较好粘附效果保证结构稳定性的同时，不会过多占用空间，有利于小型化。
具体的一实施例中，MEMS芯片70包括有衬底71和设于所述衬底71一端的振膜组件73，所述基板10开设有所述导通孔11，所述衬底71另一端设于所述基板10，并开设有与所述导通孔11连通的通孔711，所述通孔711的开口尺寸大于所述导通孔11的开口尺寸；
所述发泡胶膜40在所述基板10的投影面积大于等于所述导通孔11的开口面积，小于等于所述通孔711的开口面积。
可以理解的，衬底71的材质一般为单晶硅、多晶硅或是氮化硅等材料，衬底71的外部形状大致呈方体，衬底71环绕导通孔11的周缘设置，并开设有通孔711，该通孔711与导通孔11连通，配合形成传感器封装结构100的声腔腔体，可保证声音传入的顺畅性。通孔711的横截面形状为圆形、方形或多边形等，导通孔11的开口形状也可以为圆形，使得声腔腔体的周壁为光滑的圆弧面，且通孔711的开口尺寸大于导通孔11的开口尺寸，能够最大限度地接收流入导通孔11的声音信号。振膜组件73设于衬底71远离基板10的一端，其可以是压电式结构，也可以是电容式结构，在此不作限定。例如，当振膜组件73为压电式结构时，其包括有振膜和设于振膜两侧的压电材料，从导通孔11进入的声音信号对振膜产生激励从而使振膜振动，使得压电材料的压力产生变化，从而输出对应的电信号。
此处，为了不影响从导通孔11进入的声音信号，发泡胶膜40在基板10的投影面积不宜过小，否则热熔胶膜50会遮挡部分导通孔11；当然，发泡胶膜40在基板10的投影面积也不宜过大，否则不利于MEMS芯片70的连接固定，故而设置发泡胶膜40在基板10的投影面积大于等于导通孔11的开口面积，小于等于通孔711的开口面积，具体地，当衬底71为方形结构时，通孔711为圆形孔，导通孔11为圆形孔，设置发泡胶膜40的形状也为圆形，则在发泡胶膜40的一径向方向上，其边缘位于通孔711的边缘与导通孔11的边缘的中间位置，从而得到较好的粘接稳定性和防尘效果。
可选的实施例中，为了不对振膜组件73产生较大影响，所述发泡胶膜40的厚度小于等于所述衬底71高度的一半，而在发泡胶膜40未加热的初始状态时，请结合参照图2，发泡胶膜40的厚度可以与热熔胶膜50的厚度相同，也可以小于热熔胶膜50的厚度，具体可以根据发泡胶膜40的发泡比例来设定，从而使得加热后的发泡胶膜40的厚度不超过衬底71高度的一半，从而有利于减少对声音信号的影响，使得振膜组件73更容易感知声音信号，保证传感器封装结构100的性能。具体的数值可以根据衬底71的高度尺寸和所需要的防尘级别来确定。当然，发泡胶膜40的厚度并不限于上述衬底71高度的一半，只要不会抵接振膜组件73的结构即可。
可以理解的，在MEMS芯片70上设有焊接点，具体为振膜组件73背离衬底71的表面设置有焊接点，ASIC芯片90对应设有第一引脚，振膜组件73与所述ASIC芯片90通过第一金属线81电连接，第一金属线81的材质为金线或铜线，具有较好的导通效果，提高电连接稳定性。且为了进一步保证电连接的导通性，振膜组件73上设置有两个或多个焊接点，对应的，ASIC芯片90的第一引脚设有多个，一第一金属线81电连接一焊接点和一第一引脚，即使其中一个出现故障，另一个也能保证MEMS芯片70与ASIC芯片90的电连接，从而保障麦克风的使用性能。当然，于其他实施例中，也可以将MEMS芯片70与基板10电连接，从而通过基板10与ASIC芯片90电连接。
可选的一实施例中，ASIC芯片90通过胶体粘接于基板10上，且ASIC芯片90与基板10通过第二金属线83电连接。
此处，是通过打线操作进行电性连接，第二金属线83的材质同第一金属线81的材质相同，为铜线或金线，具有良好的导通效果，从而保证与基板10的电信号传输强且稳定。且，基板10的焊盘可设置有多个，对应的，ASIC芯片90设置多个第二引脚，多个焊盘与多个第二引脚一一对应设置，并通过多个第二金属线83电连接，从而保证ASIC芯片90与基板10的电导通的稳定性。当然，于其他实施例中，将ASIC芯片90通过植锡球的焊接方式固定于基板10。
上述传感器封装结构100在制作时通常需要以下步骤：
步骤S10：提供基板10、罩盖30、MEMS芯片70、热熔胶膜50、发泡胶膜40及ASIC芯片90；
步骤S20：将发泡胶膜40与热熔胶膜50连接，并贴设于基板10上，与基板10的导通孔11相对应；
步骤S30：将MEMS芯片70贴设于热熔胶膜50上，并对该发泡胶膜40和热熔胶膜50进行加热；
步骤S40：将所述ASIC芯片90贴装在所述基板10的表面，并使用金属线与所述基板10和MEMS芯片70电连接；
步骤S50：将罩盖30固定在所述基板10贴装所述传感器芯片和ASIC芯片90的表面，以围合形成容置腔100a，完成封装。
具体地，步骤S10中提供基板10时，将基板10进行清洁处理，以除去表面灰尘。热熔胶膜50和发泡胶膜40的基材可以相同，也可以不同。步骤S20中将发泡胶膜40与热熔胶膜50通过胶体粘接为一体，并贴设于基板10上，以使得发泡胶膜40弯曲遮盖基板10的导通孔11，从而能够有利于声音信号的流入。步骤S30中将MEMS芯片70粘到热熔胶膜50上，加热的温度可以根据不同材质的热熔胶膜50和发泡胶膜40来设置，使得发泡胶膜40发泡程度达到所需要的防尘效果，并使得热熔胶膜50具有较好粘性，以便连接。步骤40中采用胶粘的方式将ASIC芯片90贴装在基板10的表面，从而形成稳定固定结构。然后，使用金属线将ASIC芯片90与基板10进行电连接，此处，金属线为金线或铜线，实现稳定的电气连接。最后，步骤50中将罩盖30通过胶粘的方式封装在基板10的表面，便围合形成了具有容置腔100a的封装结构，MEMS芯片70和ASIC芯片90均位于容置腔100a内。
可以理解的，这里采用热熔胶膜50贴附进行MEMS芯片70的固定连接，有效地避免了液体胶水的难涂覆问题，从而提高了传感器封装结构100的可靠性和良率。
本发明又提出一种电子设备(未图示)，包括壳体和设于所述壳体内的传感器封装结构100，所述传感器封装结构100的具体结构参照上述实施例，由于本电子设备的传感器封装结构100采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
其中，电子设备可以是穿戴电子设备，例如智能手表或手环，也可以是移动终端，例如，手机或笔记本电脑等，或是其他需要具备声电转换功能的设备，在此不作限定。
以上所述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，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，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 (8)
1.一种传感器封装结构，其特征在于，包括：
罩盖；
基板，所述基板与所述罩盖围合形成容置腔，所述容置腔的内壁开设有连通外界的导通孔；
ASIC芯片，所述ASIC芯片设于所述容置腔内，并与所述基板电连接；及
传感器芯片，所述传感器芯片连接于所述导通孔的周缘，并与所述ASIC芯片电连接；及
发泡胶膜，所述发泡胶膜设于所述容置腔内，并遮盖所述导通孔设置；
所述基板开设所述导通孔，所述传感器芯片通过热熔胶膜连接于所述导通孔的周缘，所述发泡胶膜连接于所述热熔胶膜的内周缘，并粘附在所述基板的表面，所述热熔胶膜与所述发泡胶膜设为一体结构，在所述发泡胶膜未加热的初始状态，发泡胶膜的厚度与热熔胶膜的厚度相同；
所述传感器芯片为MEMS芯片，所述MEMS芯片包括衬底和设于所述衬底远离所述基板的一端的振膜组件，所述衬底开设有与所述导通孔连通的通孔，所述通孔的开口尺寸大于所述导通孔的开口尺寸；
所述发泡胶膜在所述基板的投影面积大于等于所述导通孔的开口面积，小于等于所述通孔的开口面积。
2.如权利要求1所述的传感器封装结构，其特征在于，所述发泡胶膜的厚度小于等于所述衬底高度的一半。
3.如权利要求1所述的传感器封装结构，其特征在于，所述发泡胶膜的基材为聚四氟乙烯、聚乙烯或聚氨酯。
4.如权利要求1所述的传感器封装结构，其特征在于，所述热熔胶膜的厚度范围为10μm~50μm。
5.如权利要求1所述的传感器封装结构，其特征在于，所述热熔胶膜的材质为聚酰胺、聚醚砜树脂、热塑性聚氨酯弹性体橡胶、橡胶-树脂混合物、硅树脂。
6.如权利要求1所述的传感器封装结构，其特征在于，所述振膜组件与所述ASIC芯片通过第一金属线电连接。
7.如权利要求1所述的传感器封装结构，其特征在于，所述ASIC芯片粘接于所述基板，所述ASIC芯片通过第二金属线与所述基板电连接。
8.一种电子设备，其特征在于，包括壳体和设于所述壳体内的传感器封装结构，所述传感器封装结构为如权利要求1至7中任一项所述的传感器封装结构。
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