CN113651287A - 薄膜传感器及其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜传感器及其封装方法，薄膜传感器的封装方法包括：形成包覆传感器结构的疏水膜；其中，所述传感器结构包括：基板以及位于所述基板之上的芯片；在所述基板的选定位置涂覆焊锡；贴装壳体，并进行回流焊，所述壳体包括连通孔；以及通过所述连通孔向所述基板与所述壳体之间的空腔填充凝胶。本发明提供的薄膜传感器及其封装方法，能够有效提高薄膜传感器的防潮、防尘能力。

Description

薄膜传感器及其封装方法

技术领域

本发明涉及传感器制造技术领域，特别涉及一种薄膜传感器及其封装方法。

背景技术

传感器是一种能感受规定的被测量并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，在感知外界压力、声音、光学等信号的薄膜传感器中，其封装结构的壳体上通常存在连通孔，如图1所示，传感器100包括基板110、壳体120和芯片130。基板110例如选自PCB基板；壳体120位于基板110上，壳体120与基板110之间形成空腔，同时，壳体120包括连通孔121；芯片130位于基板110上，且位于空腔之中，芯片130例如包括ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)131和MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)132。进一步的，ASIC131位于基板110之上，MEMS132位于ASIC131之上，MEMS132包括用于感知外界信号的可动结构，例如薄膜。壳体120将传感器内部与外部环境隔离，连通孔121的存在使得芯片130的可动结构能够与外界环境接触，从而将各种物理量转换为电信号。然而，薄膜对外界环境中的各种杂物非常敏感，尤其是水等液体以及各种杂质容易吸附于薄膜上，导致传感器灵敏度下降，甚至失效，并且，当水及各种液体吸附于基板110或芯片130表面时，还会渗入侵蚀导致传感器电路失常或损毁。

因此，期待一种薄膜传感器及其封装方法，能够有效提高薄膜传感器的防潮、防尘能力。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种薄膜传感器及其封装方法，从而有效提高薄膜传感器的防潮、防尘能力。

根据本发明的一方面，提供一种薄膜传感器的封装方法，包括：形成包覆传感器结构的疏水膜；其中，所述传感器结构包括：基板以及位于所述基板之上的芯片；在所述基板的选定位置涂覆焊锡；贴装壳体，并进行回流焊，所述壳体包括连通孔；以及通过所述连通孔向所述基板与所述壳体之间的空腔填充凝胶。

可选地，所述形成包覆传感器结构的疏水膜包括：通过气相沉积工艺，在所述传感器结构的外表面形成自组装单分子膜。

可选地，形成所述自组装单分子膜的材料选自1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷。

可选地，在所述形成包覆传感器结构的疏水膜的步骤之后，还包括：通过研磨去除覆盖焊盘的所述疏水膜，其中，所述基板和/或所述芯片分别包括一个或多个所述焊盘。

可选地，在所述通过研磨去除覆盖焊盘的所述疏水膜的步骤之后，还包括：将引线与所述焊盘连接。

可选地，所述凝胶选自自聚二甲基硅氧烷硅凝胶。

根据本发明的另一方面，提供一种薄膜传感器，其特征在于，包括：基板；位于基板之上的壳体，所述壳体与所述基板之间形成空腔，所述壳体包括将所述空腔与外部连通的连通孔；芯片，位于所述基板之上，且位于所述空腔中；疏水膜，所述疏水膜包覆在所述基板和所述芯片的外表面；以及凝胶，所述凝胶填充于所述空腔中，所述凝胶的上表面高于所述芯片的上表面。

可选地，所述疏水膜选自自组装单分子膜。

可选地，形成所述自组装单分子膜的材料选自1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷。

可选地，所述基板选自PCB基板。

可选地，所述芯片包括：专用集成电路，所述专用集成电路位于所述基板之上，微机电系统，所述微机电系统位于所述专用集成电路之上，包括薄膜，所述薄膜用于感知外部环境的信号。

可选地，所述凝胶选自聚二甲基硅氧烷硅凝胶。

可选地，所述薄膜传感器选自气敏薄膜传感器、光敏薄膜传感器以及薄膜声音传感器中的任意一种。

可选地，所述薄膜传感器采用栅格阵列封装。

本发明提供的薄膜传感器及其封装方法，通过在传感器结构表面涂覆自组装单分子膜，可以从晶圆层面解决薄膜传感器的防潮问题，同时，自组装单分子膜厚度小，对MEMS的薄膜的灵敏度影响很低，薄膜传感器因自组装单分子膜损失的灵敏度很小。

可选地，由FDTS组成的自组装单分子膜具有较低的表面能，不仅能解决薄膜传感器的防潮问题，还能减少薄膜和其它部分吸附的灰尘等其它杂物的数量，避免薄膜因吸附灰尘等杂物导致薄膜传感器的灵敏度降低，有利于薄膜传感器长时间稳定工作。此外，本发明实施例的薄膜传感器及其封装方法，由于与回流焊工艺兼容，适用于大批量生产的应用场景。

可选地，在壳体焊接至基板后，通过壳体上的连通孔向空腔中注入PDMS(聚二甲基硅氧烷)硅凝胶，以覆盖暴露在空气中的引线和焊盘，薄膜传感器能够获得更好的防潮效果，其损失的灵敏度也在可接受范围内，从而使得薄膜传感器能够在在工作环境湿度高、精度要求不高的场景中应用。同时，通过连通孔向空腔注入硅凝胶与回流焊工艺兼容，因而适于大批量生产的应用场景，可以应用于较低成本且对精度要求较低的防潮场景。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出现有技术的薄膜传感器的剖视图及俯视图；

图2a至图2d示出本发明实施例的薄膜传感器制造过程不同阶段的剖面图；

图3示出了本发明实施例的另一种薄膜传感器。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件或者模块采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

应当理解，在以下的描述中，“电路”可包括单个或多个组合的硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或能存储由可编程电路执行的指令的元件。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件或电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的，或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

同时，在本专利说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域普通技术人员应当可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本专利说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。

在本申请中，术语“传感器结构”指在制造传感器的各个步骤中形成的整个传感器结构的统称，包括已经形成的所有层或区域。在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

此外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

图2a至图2d示出本发明实施例的薄膜传感器的封装方法各个阶段的剖面图。

如图2a所示，传感器结构已经形成基板210和芯片230。

基板210例如为PCB基板，基板210上已经形成一个或多个焊盘240。

芯片230包括ASIC231和MEMS232，其上已经形成一个或多个焊盘240。ASIC231位于基板210之上，MEMS232位于ASIC231之上，MEMS232包括用于感知外界信号的可动结构，例如薄膜。

在传感器结构上形成疏水膜，例如自组装单分子膜250，得到如图2b所述的传感器结构。通常情况下，自组装单分子膜250的厚度在10nm以内。

形成自组装单分子膜250的材料例如选自FTDS(1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷)，例如采用气相沉积工艺。

可选地，在沉积前对传感器结构进行表面等离子体处理，以使得半导体结构的外表面与形成自组装单分子膜250的材料具有更高的反应性，有利于提高沉积效果从而提高产品的良率。

然而，自组装单分子膜250会覆盖焊盘240，导致后续工艺中引线连接焊盘240时接触不良或无法形成电连接，故在形成自组装单分子膜250后，通过研磨去除焊盘240表面的自组装单分子膜250，其俯视图如图2c所示。

可选的，研磨工艺选自现有技术中用于去除焊盘表面金属氧化物的研磨工艺并适当调整参数。

其后在焊盘240上连接引线，使得基板210、ASIC231以及MEMS232互相电连接，在基板210选定位置涂覆焊锡，贴装壳体220并进行回流焊得到如图2d所示的薄膜传感器200。薄膜传感器200例如采用栅格阵列封装(LGA，Land Grid Array)。

本发明实施例的薄膜传感器及其封装方法，可以从晶圆层面解决薄膜传感器防潮的问题，自组装单分子膜250厚度较薄，对MEMS232的薄膜的灵敏度影响很低，传感器200因自组装单分子膜250损失的灵敏度很小。

由FDTS组成的自组装单分子膜250具有较低的表面能，不仅能解决薄膜传感器200的防潮问题，还能减少薄膜和其它部分吸附的灰尘等其它杂物的数量，避免薄膜因吸附灰尘等杂物导致传感器的灵敏度降低，有利于薄膜传感器200长时间稳定工作。

此外，本发明实施例的薄膜传感器及其封装方法，由于与回流焊兼容，适用于大批量生产的应用场景。

可选地，薄膜传感器200选自气敏薄膜传感器、光敏薄膜传感器以及薄膜声音传感器中的任意一种。

然而，薄膜传感器200的引线和焊盘240依然暴露于空气中，若薄膜传感器200的工作环境湿度过高甚至出现结露现象，引线直接则可能存在湿度过大导致击穿，或结露导致的短路风险。

为克服上述问题，本发明实施例提出一种薄膜传感器201，如图3所示，在薄膜传感器200的基础上，增加下述步骤：

通过壳体220上的连通孔221向空腔中注入PDMS(聚二甲基硅氧烷)硅凝胶260。硅凝胶260具有较好的触变性、流动性，固化后具有较好的抗拉特性和抗剪特性，同时还具有较好的透光性。硅凝胶260完全覆盖暴露在空气中的引线和焊盘240，在略微损失灵敏度的情况下，薄膜传感器201获得更好的防潮效果，适用于工作环境湿度高、对薄膜传感器201精度要求不高的应用场景。

凝胶具有较强的流动性，能够在壳体220通过回流焊焊接至基板210后，通过连通孔221注入空腔，注入过程中不易发生喷溅、堵塞现象，且凝胶固化后强度小，对薄膜的强度要求不高，不需要薄膜具有较大的刚度，因而薄膜传感器201的灵敏度损失也比较小，适于大批量生产的应用场景，可以应用于较低成本且对精度要求较低的防潮场景

综上所述，本发明实施例的薄膜传感器及其封装方法，通过涂覆自组装单分子膜，可以从晶圆层面解决薄膜传感器的防潮问题，同时，自组装单分子膜厚度小，对MEMS的薄膜的灵敏度影响很低，薄膜传感器因自组装单分子膜损失的灵敏度很小。

可选地，由FDTS组成的自组装单分子膜具有较低的表面能，不仅能解决薄膜传感器的防潮问题，还能减少薄膜和其它部分吸附的灰尘等其它杂物的数量，避免薄膜因吸附灰尘等杂物导致薄膜传感器的灵敏度降低，有利于薄膜传感器长时间稳定工作。此外，本发明实施例的薄膜传感器及其封装方法，由于与回流焊工艺兼容，适用于大批量生产的应用场景。

可选地，在壳体焊接至基板后，通过壳体上的连通孔向空腔中注入PDMS硅凝胶，以覆盖暴露在空气中的引线和焊盘，在损失的灵敏度在可接受范围内的前提下，薄膜传感器能够获得更好的防潮效果，以在工作环境湿度高、对薄膜传感器精度要求不高的场景中应用，同时，通过连通孔向空腔注入硅凝胶与回流焊工艺兼容，因而适于大批量生产的应用场景，可以应用于较低成本且对精度要求较低的防潮场景。

应当说明，本领域普通技术人员可以理解，本文中使用的与电路运行相关的词语“期间”、“当”和“当……时”不是表示在启动动作开始时立即发生的动作的严格术语，而是在其与启动动作所发起的反应动作(reaction)之间可能存在一些小的但是合理的一个或多个延迟，例如各种传输延迟等。本文中使用词语“大约”或者“基本上”意指要素值(element)具有预期接近所声明的值或位置的参数。然而，如本领域所周知的，总是存在微小的偏差使得该值或位置难以严格为所声明的值。本领域已恰当的确定了，至少百分之十(10％)(对于半导体掺杂浓度，至少百分之二十(20％))的偏差是偏离所描述的准确的理想目标的合理偏差。当结合信号状态使用时，信号的实际电压值或逻辑状态(例如“1”或“0”)取决于使用正逻辑还是负逻辑。

依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求及其等效物所界定的范围为准。

Claims (14)

1.一种薄膜传感器的封装方法，包括：

形成包覆传感器结构的疏水膜；其中，

所述传感器结构包括：基板以及位于所述基板之上的芯片；

在所述基板的选定位置涂覆焊锡；

贴装壳体，并进行回流焊，所述壳体包括连通孔；以及

通过所述连通孔向所述基板与所述壳体之间的空腔填充凝胶。

2.根据权利要求1所述薄膜传感器的封装方法，所述形成包覆传感器结构的疏水膜包括：

通过气相沉积工艺，在所述传感器结构的外表面形成自组装单分子膜。

3.根据权利要求2所述的薄膜传感器的封装方法，形成所述自组装单分子膜的材料选自1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷。

4.根据权利要求1所述的薄膜传感器封装方法，在所述形成包覆传感器结构的疏水膜的步骤之后，还包括：

通过研磨去除覆盖焊盘的所述疏水膜，其中，

所述基板和/或所述芯片分别包括一个或多个所述焊盘。

5.根据权利要求4所述的薄膜传感器的封装方法，在所述通过研磨去除覆盖焊盘的所述疏水膜的步骤之后，还包括：

将引线与所述焊盘连接。

6.根据权利要求1所述的薄膜传感器的封装方法，所述凝胶选自自聚二甲基硅氧烷硅凝胶。

7.一种薄膜传感器，其特征在于，包括：

基板；

位于基板之上的壳体，所述壳体与所述基板之间形成空腔，所述壳体包括将所述空腔与外部连通的连通孔；

芯片，位于所述基板之上，且位于所述空腔中；

疏水膜，所述疏水膜包覆在所述基板和所述芯片的外表面；以及

凝胶，所述凝胶填充于所述空腔中，所述凝胶的上表面高于所述芯片的上表面。

8.根据权利要求7所述的薄膜传感器，所述疏水膜选自自组装单分子膜。

9.根据权利要求8所述的薄膜传感器，形成所述自组装单分子膜的材料选自1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷。

10.根据权利要求7所述的薄膜传感器，所述基板选自PCB基板。

11.根据权利要求7所述的薄膜传感器，所述芯片包括：

专用集成电路，所述专用集成电路位于所述基板之上，

微机电系统，所述微机电系统位于所述专用集成电路之上，包括薄膜，所述薄膜用于感知外部环境的信号。

12.根据权利要求7所述的薄膜传感器，所述凝胶选自聚二甲基硅氧烷硅凝胶。

13.根据权利要求7所述的薄膜传感器，所述薄膜传感器选自气敏薄膜传感器、光敏薄膜传感器以及薄膜声音传感器中的任意一种。

14.根据权利要求13所述薄膜传感器，所述薄膜传感器采用栅格阵列封装。

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