CN113526455B - 一种mems压力传感器的封装结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MEMS压力传感器的封装结构，包括基座、MEMS压力传感器芯片、PCB板、ASIC芯片和盖板，并在MEMS压力传感器芯片上增加一块转接板，将MEMS压力传感器芯片上的双排或多排引线转换成单排引线，这样在与ASIC芯片连接时可以降低工艺难度，提升加工质量和效率，而且通过在MEMS压力传感器芯片上增加一个转接板，将一次打线分为两次打线，减少了金属引线的垂直高度，既降低了产品的工艺难度，又提高了产品的可靠性，而且，转接板上可以制作温度传感器，为校准压力传感器器件性能提供温度基准。

Description

一种MEMS压力传感器的封装结构
技术领域
本发明属于微电子机械技术领域，具体是涉及一种MEMS压力传感器的封装结构。
背景技术
压力传感器是通过压力敏感单元感受压力信号，并按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出电信号，再由信号处理单元处理成对应需要的模拟输出或数字输出形式。随着手持式设备的迅速增长，基于微机电工艺的压力传感器的出货量大幅增加，基于微电子机械技术(MEMS)工艺的压力传感器主要有压阻式、电容式以及谐振式三大类(下文中统称为压力传感器芯片)。由于压力传感器使用环境比较恶劣，需要兼容水、油、压缩空气、天然气、制冷剂等复杂的介质环境，并且有严格的密封要求。
目前压力传感器常见的封装方式有背面胶粘贴芯片、共晶焊和充油：背面胶粘贴芯片的方式是将压力传感器芯片通过胶粘接在金属管壳上，再通过金属线或铝线实现电连接，而粘结胶只适用于洁净气体和较低压力量程，不能用于其它介质的压力测量，应用范围小；共晶焊的方式是以共晶焊将压力传感器芯片封接在金属管壳上，再通过金属线或铝线实现电连接，此方式的问题在于芯片成本较高；充油的方式是将压力传感器芯片封装于充满硅油的密闭结构中，外加压力通过硅油从不锈钢膜片传递到压力传感器芯片上，此方式适用于量程大的应用。上述几种方式主要面向一般的压力传感器。高精度的压力传感器需要将压力传感器芯片与信号处理芯片放在一起，现有技术CN103776580A和CN102589753B采用将MEMS与控制器封装在一个空腔里，通过金属引线将两颗芯片连接，专利US20110036176A1公开了在压力传感器与基座间增加了一个陶瓷板，用于隔离热应力。现有其它的封装方式如图1所示，MEMS压力传感器芯片15通过装片胶11固定在基座13上，MEMS压力传感器芯片15的PAD(焊盘)通过金属引线14与PCB板12连接，将信号先传输至PCB板12上，再通过PCB板12上的引线连接至后续信号处理电路，该方案中金属引线14的高度可以达到2.5mm左右，且金属引线14距离基座13侧壁很近，容易碰触到基座13的侧壁，不易打线。MEMS压力传感器芯片15的PAD通过金属引线14与PCB板12上的PAD连接后，再通过金属引线16与ASIC芯片17相接，由于压力传感器芯片15与ASIC芯片17没有直接相连，信号会受到一定程度的干扰。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种MEMS压力传感器的封装结构，该封装结构通过在MEMS压力传感器芯片上集成转接板、改变打线方式提升了产品的性能。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种MEMS压力传感器的封装结构，包括基座、MEMS压力传感器芯片、PCB板、ASIC芯片和盖板；
所述的基座内侧有空腔，空腔用于安装MEMS压力传感器芯片，基座上开有通气孔，通气孔一端与外界相通，另一端与空腔相通，用于接收外界环境压力(气压或者液压)；
所述的MEMS压力传感器芯片由敏感单元和玻璃键合而成，可以提供高精度的压力信号，玻璃上设有测压孔，MEMS压力传感器芯片通过背面的装片胶固定在基座上，所述的测压孔与通气孔相通；
所述的PCB板粘接并螺丝固定在基座上方，PCB板上开有打线孔，所述的ASIC芯片通过装片胶固定在PCB板上；所述的盖板通过装片胶固定在PCB板上，所述的打线孔和ASIC芯片都位于盖板内，盖板、PCB板和金属基座共同围成一个密闭腔，所述的MEMS压力传感器芯片和ASIC芯片都位于密闭腔内；
还包括转接板，转接板通过装片胶固定在MEMS压力传感器芯片上，所述的转接板上制作有双排或多排输入PAD和单排输出PAD，输入PAD与输出PAD之间有引线连接，MEMS压力传感器芯片的PAD通过第一金属引线与输入PAD键合，输出PAD通过第二金属引线与ASIC芯片的一部分PAD键合，ASIC的另一部分PAD与PCB板的金手指连接，其中第二金属引线从打线孔中穿过，通过在MEMS压力传感器芯片上集成一块转接板，可以将MEMS压力传感器芯片上的双排或多排引线转换成单排引线，这样在与ASIC芯片连接时可以降低工艺难度，提升加工质量和效率，而且通过在MEMS压力传感器芯片上增加一个转接板，将一次打线分为两次打线，减少了金属引线的垂直高度，既降低了产品的工艺难度，又提高了产品的可靠性。
作为本发明的优化，转接板上还制作有Pt电阻或热电偶，可以实时测量MEMS压力传感器芯片的温度，并将测得的温度信号与压力信号同步送给ASIC芯片进行处理，能够有效补偿MEMS压力传感器芯片的温度偏差，进一步提升产品精度。
具体地，所述的MEMS压力传感器芯片为压阻式压力传感器芯片、电容式压力传感器芯片或谐振式压力传感器芯片。
所述的转接板采用硅加工技术制备，基于硅片的厚度，转接板的厚度可以根据打线需求在0.4mm-0.7mm之间变化。
所述的基座的材质是金属、塑料或高聚酯化合物，金属基座的材质常见的是不锈钢，根据应用场景的需要，如耐水汽、耐盐雾等，可以为不同等级的不锈钢，如304不锈钢或420不锈钢等。
基座上制作有一圈凸台，PCB下方制作有与凸台相配合的凹槽，PCB板通过凸台与凹槽的卡合固定在基座上，通过这种方式可以达到进一步降低打线高度的目的。
本发明的优点：
1、通过在MEMS压力传感器芯片上增加一个转接板，可以将MEMS压力传感器芯片上的双排或多排引线转换成单排引线，这样在与ASIC芯片连接时可以降低工艺的难度，提升加工质量和效率。
2、通过在MEMS压力传感器芯片上增加一个转接板，将一次打线分为两次打线，减少了打线的垂直长度，可以降低产品的工艺难度，同时提高产品的可靠性。
3、通过在MEMS压力传感器芯片上增加一个转接板，并在转接板上制备温度传感器，可以实时测量MEMS压力传感器芯片的温度，并将该温度信号与压力信号同步送给ASIC芯片进行处理，可以有效补偿压力传感器由温度变化引起的信号偏差，提升产品精度。
附图说明
图1是现有技术的示意图。
图2是实施例一的剖面示意图。
图3是实施例一的PCB板的示意图。
图4是实施例一的转接板的示意图。
图5是实施例二的剖面示意图。
图6是实施例三的剖面示意图。
图7是实施例四的剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
一种MEMS压力传感器的封装结构，如图2所示，包括金属基座24、MEMS压力传感器芯片26、PCB板23、转接板21、ASIC芯片29和盖板28，金属基座24(常见的为不锈钢，根据应用场景的需要，如耐水汽、耐盐雾等，可以为不同等级的不锈钢，如304、420等)内侧有空腔20，空腔20用于安装MEMS压力传感器芯片26，金属基座24上开有通气孔25，通气孔25一端与外界相通，另一端与空腔20相通，用于接收外界环境压力(气压或者液压)，根据应用需求通气孔25可以做成不同的接口，例如G1/4内(外)螺纹等。
MEMS压力传感器芯片26采用硅加工技术制作敏感结构，由敏感单元26a和玻璃26b键合而成，敏感单元26a包含压力应变膜和封闭的真空空腔，应变膜在芯片26的背面，信号通过正面的金属PAD(焊盘)引出，可以提供高精度的压力信号，玻璃26b上设有测压孔26c，MEMS压力传感器芯片26的背面通过装片胶22固定在金属基座24上，由于芯片26需要接收从金属基座24加载的压力源，因此装片胶22不能把测压孔26c封住，即装片胶22上留有空白区22a，所述的测压孔26c通过该空白区22a与通气孔25相通。
PCB板23的结构如图3所示，在需要放置MEMS压力传感器芯片26的位置开打线孔23a，打线孔23a的边上为ASIC芯片29放置区23b，该区域23b可以适当减薄用于降低打线高度，打线孔23a和ASIC芯片29四周的绿油去除，作为封盖的区域23c，为了固定PCB板23，在PCB板23上打两个螺丝孔23d用于与金属基座24固定。PCB板23粘接并螺丝固定在金属基座24上方，所述的ASIC芯片29通过装片胶固定在PCB板23上。
转接板21采用硅加工技术，基于硅片的厚度，转接板21的厚度可以根据打线需求在0.4mm～0.7mm之间，转接板21通过装片胶固定在MEMS压力传感器芯片26上，其结构如图4所示，转接板21上制作有双排或多排输入PAD 21c和单排输出PAD 21b，输入PAD 21c与输出PAD 21b之间有引线连接，实现从双排或者多排输入PAD 21c转换成单排PAD 21b输出，MEMS压力传感器芯片26的PAD通过第一金属引线27a与输入PAD 21c键合，输出PAD 21b通过第二金属引线27b与ASIC芯片29的一部分PAD键合，ASIC芯片29的另一部分PAD通过第三金属引线27c与PCB板23的金手指连接，其中第二金属引线27b从打线孔23a中穿过，通过在MEMS压力传感器芯片26上集成一块转接板21，可以将MEMS压力传感器芯片26上的双排或多排引线转换成单排引线，这样在与ASIC芯片29连接时可以降低工艺难度，提升加工质量和效率，而且通过在MEMS压力传感器芯片26上增加一个转接板21，将一次打线分为两次打线，减少了第二金属引线27b的垂直高度，既降低了产品的工艺难度，又提高了产品的可靠性。转接板21上还制作有Pt电阻或热电偶21a，可以实时测量MEMS压力传感器芯片26的温度，并将测得的温度信号与压力信号同步送给ASIC芯片29进行处理，能够有效补偿MEMS压力传感器芯片26的温度偏差，进一步提升产品精度。
本发明金属引线的打线方式与传统的直接从MEMS压力传感器芯片26引线键合至ASIC芯片29不同，本发明是先利用第一金属引线27a从MEMS压力传感器芯片26引线键合至转接板21，再利用第二金属引线27b从转接板21引线键合至ASIC芯片29。由于ASIC芯片29面积较大，无法放置于金属基座24的空腔20内，因此将ASIC芯片29通过装片胶21粘在PCB板23上，PCB板23的高度略高于第一金属引线27a的高度。由于PCB板23的厚度在1.5mm，第二金属引线27b从转接板21做引线键合至ASIC芯片29的高度差约2mm，为了便于打线在PCB板上开打线孔23a，打线孔23a可以根据需求做方孔、圆孔等。为了减少第二金属引线27b的直线距离，第二金属引线27b从转接板21至ASIC芯片29几乎为垂直。为了降低ASIC芯片29的高度，也可以将放置ASIC芯片29对应的PCB板23的区域的厚度减薄。
金属引线完成后，为了避免保护芯片及其所处环境，用盖板28将整个空腔20封闭起来，盖板28可以为金属盖板或者陶瓷盖板，本例中选用为陶瓷盖板，盖板28通过装片胶固定在PCB板23上，盖板28、PCB板23和金属基座24共同围成一个密闭腔，所述的MEMS压力传感器芯片26和ASIC芯片29都位于密闭腔内。
实施例二
本实施例的MEMS压力传感器的封装结构如图5所示，本实施例与实施例相比，只是去除了从金属基座24延伸至转接板21上的部分PCB板23e,第一金属引线27a从MEMS压力传感器芯片26上连接至转接板21，第二金属引线27b从转接板21连接至ASIC芯片29，第三金属引线27c从ASIC芯片29引出至PCB板23，与后续电路相连。
实施例三
本实施例与实施例二相比，降低了金属基座24的高度24a以达到进一步降低打线高度的目的，如图6所示。
实施例四
本实施例与实施例二相比，区别之处在于在金属基座24上制作一圈凸台24b，PCB板23下方制作凹槽，通过凸台24b与凹槽的配合将PCB板23固定在金属基座24上，通过这种方式可以达到进一步降低打线高度的目的。
本发明金属引线的打线方式与传统的直接从MEMS压力传感器芯片26引线键合至ASIC芯片29不同，本发明是先利用第一金属引线27a从MEMS压力传感器芯片26引线键合至转接板21，再利用第二金属引线27b从转接板21引线键合至ASIC芯片29，为了减少第二金属引线27b的直线距离，第二金属引线27b从转接板21至ASIC芯片29几乎为垂直。本发明通过在MEMS压力传感器芯片26上增加一个转接板21，将MEMS压力传感器芯片26上的双排或多排引线转换成单排引线，这样在与ASIC芯片29连接时可以降低工艺的难度，提升加工质量和效率，而且可以将一次打线分为两次打线，减少了打线的垂直长度，可以降低产品的工艺难度，同时提高产品的可靠性，并在转接板21上制备温度传感器21a，可以实时测量MEMS压力传感器芯片26的温度，并将该温度信号与压力信号同步送给ASIC芯片29进行处理，可以有效补偿压力传感器的温度偏差，提升产品精度。
以上所述仅是本发明的最佳实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明的技术方案进行若干变形或者等同替换，也能达到本发明的技术效果，也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种MEMS压力传感器的封装结构，包括基座、MEMS压力传感器芯片、PCB板、ASIC芯片和盖板；
所述的基座内侧为空腔，空腔用于安装MEMS压力传感器芯片，基座上开有通气孔，通气孔一端与外界相通，另一端与空腔相通；
所述的MEMS压力传感器芯片由敏感单元和玻璃组成，玻璃上设有测压孔，MEMS压力传感器芯片通过背面的装片胶固定在基座上，所述的测压孔与通气孔相通；
所述的PCB板粘接并螺丝固定在基座上方，PCB板上开有打线孔，所述的ASIC芯片通过装片胶固定在PCB板上；所述的盖板通过装片胶固定在PCB板上，所述的打线孔和ASIC芯片都位于盖板内，盖板、PCB板和基座共同围成一个密闭腔，所述的MEMS压力传感器芯片和ASIC芯片都位于密闭腔内；
其特征在于：
还包括转接板，转接板通过装片胶固定在MEMS压力传感器芯片上，所述的转接板上制作有双排或多排输入PAD和单排输出PAD，输入PAD与输出PAD之间有引线连接，MEMS压力传感器芯片的PAD通过第一金属引线与输入PAD键合，输出PAD通过第二金属引线与ASIC芯片的一部分PAD键合，ASIC的另一部分PAD与PCB板的金手指连接，其中第二金属引线从打线孔中穿过。
2.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器的封装结构，其特征在于：转接板上还制作有Pt电阻或热电偶。
3.根据权利要求1或2所述的MEMS压力传感器的封装结构，其特征在于：所述的MEMS压力传感器芯片为压阻式压力传感器芯片、电容式压力传感器芯片或谐振式压力传感器芯片。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的MEMS压力传感器的封装结构，其特征在于：所述的转接板的厚度为0.4 mm～0.7 mm。
5.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器的封装结构，其特征在于：所述的基座的材质是金属、塑料。
6.根据权利要求5所述的MEMS压力传感器的封装结构，其特征在于：基座上制作有一圈凸台，PCB下方制作有与凸台相配合的凹槽， PCB板通过凸台与凹槽的卡合固定在基座上。
7.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器的封装结构，其特征在于：所述的基座的材质是高聚酯化合物。
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