CN114646423A - 一种高可靠性绝压压力传感器及封装方法 - Google Patents

一种高可靠性绝压压力传感器及封装方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高可靠性绝压压力传感器及封装方法,属于敏感元件与传感器领域。所述传感器包括:塑料外壳、引线框架、ASIC芯片、MEMS芯片、金属线、软胶、塑料上盖。本发明将ASIC芯片通过倒装的方式装配在引线框架上,避免了对ASIC芯片进行引线键合,减少了总金属线数量;其次,将MEMS芯片装配在ASIC芯片上方,节省了封装空间,提升了封装密度,实现了小尺寸封装;最后,MEMS芯片上的每个输入/输出端子,均采用两根或两根以上的金属线与引线框架连接,解决了目前常规封装绝压压力传感器长期可靠性差、成品良率低、制备成本高等问题,更加适用于工业化大批量生产。

Description

一种高可靠性绝压压力传感器及封装方法
技术领域
本发明涉及一种高可靠性绝压压力传感器及封装方法,属于敏感元件与传感器领域。
背景技术
压力传感器,是一种可以将外界压力载荷转化为电信号输出的装置。其中,MEMS压力传感器是基于微机电系统(MEMS,Microelectro Mechanical Systems)工艺制备而成的,具有成本低、尺寸小、精度高、可靠性高等优点,现已被广泛应用于工业控制、汽车、消费电子、物联网等行业。
按照MEMS压力传感器的压力参照类型,可将其进一步细分为绝压、表压、差压压力传感器。其中,绝压压力传感器,测试的是相对于真空的绝对压力;表压压力传感器,压力参照为外界大气压;差压压力传感器,则是表征两个输入压力载荷之差。
MEMS绝压压力传感器的主体结构通常包括:MEMS芯片、ASIC芯片以及封装外壳。其中,MEMS芯片用于感受外界载荷并输出电信号;ASIC芯片用于将MEMS芯片输出的电信号放大、调制为所需的标准输出信号;封装外壳用于保护内部的MEMS芯片和ASIC芯片的结构。
专利CN102891129A公开了一种预塑封引线框架及其封装工艺,如图1左所示。在该方案中,MEMS芯片和ASIC芯片以引线键合的手段实现电气连接,并通过引线框架实现电信号的输入/输出,因为MEMS和ASIC芯片的正面,即含有电路和金属连接线的一面,在使用过程中会受到外界压力载荷的反复冲击,所以在使用过程中,存在产品引线键合的金属线发生疲劳断裂的可能性。同时,该方案中,MEMS芯片、ASIC芯片均采用引线键合的方式连接,由于输入/输出端子较多,每个输入/输出端子只能够采用单线连接,一旦某条金属线发生疲劳断裂,产品将会连接不良。因此,该方案传感器产品的长期可靠性较差。
上述问题的一种解决方案,是采用背绝压MEMS芯片,其封装结构如图1右所示,该封装方案的压力载荷将从芯片的背面,即无电路及金属连接线的一面加载,从而避免了芯片正面承受压力冲击,降低由金属连接线疲劳断裂而导致的连接不良出现的概率。不过,因为背绝压MEMS芯片结构复杂,加工工艺步骤繁琐、良率较低,这会造成传感器成本的大幅度上涨,不利于工业化批量生产。
发明内容
为了解决目前常规封装绝压压力传感器长期可靠性差,背绝压压力传感器成本高的问题,本发明提供了一种MEMS绝压压力传感器,所述传感器包括:塑料外壳、引线框架、ASIC芯片、MEMS芯片、金属线、软胶、塑料上盖;
所述塑封外壳上方开口,所述引线框架的材料为金属,贯穿于所述塑封外壳;
所述ASIC芯片粘在所述塑封外壳内部,与所述引线框架接触实现电气连接;
所述MEMS芯片与所述ASIC芯片的背面粘贴,并通过所述金属线与所述引线框架实现电气连接;
所述塑封外壳内部填充软胶,用于保护内部的引线框架、ASIC芯片、MEMS芯片、金属线结构。
所述塑料上盖带有小孔,安装覆盖在所述塑封外壳的上方开口处。
可选的,所述ASIC芯片正面朝下,通过环氧树脂胶粘贴在所述塑封外壳底部,正面设有凸起的电路接触点,凸起的电路接触点与所述引线框架接触,实现所述ASIC芯片与所述引线框架的电气连接。
可选的,所述MEMS芯片通过环氧树脂胶粘贴在所述ASIC芯片的背面,所述MEMS芯片的输入/输出端子金属垫通过引线键合的方式与所述引线框架电气连接。
可选的,所述MEMS芯片与引线框架连接的输入/输出端子金属垫数量为4个。
可选的,所述输入/输出端子金属垫用于引线键合的金属线数量为两根或两根以上。可选的,所述引线框架的材质为铜系合金,包括:铜铁合金、铜镍硅合金、铜铬锆合金。
本发明的第二个目的在于提供一种MEMS绝压压力传感器的封装方法,所述方法包括以下步骤:
步骤1:制造带有引线框架的塑封外壳;所述塑封外壳上方开口,所述引线框架的材质为金属,且贯穿于所述塑封外壳内外;
步骤2:贴装ASIC芯片:所述ASIC芯片正面朝下,通过环氧树脂胶粘贴在所述塑封外壳内部,同时,所述ASIC芯片正面上电路凸起的接触点,与所述引线框架上对应位置接触,实现所述ASIC芯片与所述引线框架之间的电气连接;
步骤3:贴装MEMS芯片:通过环氧树脂胶将所述MEMS芯片贴装至所述ASIC芯片的背面上方;
步骤4:MEMS芯片引线键合:将所述MEMS芯片的输入输出金属垫,与所述引线框架之间过引线键合的方式进行电气连接;
步骤5:软胶包封:在塑封外壳内填充软胶,保护内部芯片和打线结构;
步骤6:安装上盖:将带有小孔的上盖安装覆盖在所述塑封外壳的上方开口处。
可选的,所述引线框架在所述塑封外壳外部的一端作为输入/输出端子与外界连接,在所述塑封外壳内部的一端紧贴于所述塑封外壳的底部及侧壁。
可选的,所述引线框架的材质为铜系合金,包括:铜铁合金、铜镍硅合金、铜铬锆合金。
本发明有益效果是:
本发明提出了一种绝压压力传感器的可靠性封装手段:首先,将ASIC芯片通过倒装的方式装配在引线框架上,避免了对ASIC芯片进行引线键合,减少了总金属线数量;其次,将MEMS芯片装配在ASIC芯片上方,节省了封装空间,提升了封装密度,实现了小尺寸封装;最后,MEMS芯片上的每个输入/输出端子,均采用两根或两根以上的金属线与引线框架连接,即使其中一根金属线发生疲劳断裂,产品依然可以正常工作,大幅提升了产品的长期可靠性。
本发明解决了目前常规封装绝压压力传感器长期可靠性差、成品良率低,背绝压压力传感器制备成本高等问题,本发明最终产品的封装尺寸小,可靠性高,良率高,成本低,更加适用于工业化大批量生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例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MEMS绝压压力传感器的常规封装方案及背绝压方案。
图2是本发明实施例的带有引线框架的塑封外壳结构图。
图3是本发明实施例的封装方法的ASIC芯片贴装后的传感器结构示意图。
图4是本发明实施例的封装方法的MEMS芯片贴装后的传感器结构示意图。
图5是本发明实施例的封装方法的MEMS芯片引线键合后的传感器结构示意图。
图6是本发明实施例的封装方法的软胶包封后的传感器结构示意图。
图7是本发明实施例的封装方法的安装上盖后的传感器结构示意图。
其中,101-塑料外壳;102-金属线;103-ASIC芯片;104-MEMS芯片;105-引线框架;106-塑料上盖;201-塑料外壳;202-金属线;203-ASIC芯片;204-MEMS背绝压芯片的玻璃衬底;205-MEMS背绝压芯片的硅基体;206-MEMS背绝压芯片的压力参照空腔;207-塑料上盖;208-引线框架。
1-塑料外壳;2-引线框架;3-环氧树脂胶;4-ASIC芯片;5-ASIC芯片凸点;6-MEMS芯片;7-金线;8-软胶;9-塑料上盖。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一:
本实施例提供一种MEMS绝压压力传感器,包括:塑料外壳、引线框架、ASIC芯片、MEMS芯片、金属线;
塑封外壳上方开口,引线框架的材料为铜系合金,可以是铜铁合金、铜镍硅合金、铜铬锆合金,贯穿于所述塑封外壳;引线框架一端作为输入/输出端子与外界连接,另一端附在塑封外壳的底部及侧壁,用以与MEMS、ASIC芯片实现电气连接。
ASIC芯片正面朝下,通过环氧树脂胶粘在塑封外壳内部,正面电路凸起的接触点与引线框架接触实现电气连接;
MEMS芯片与ASIC芯片的背面粘贴,并通过金属线,采用引线键合的方式与引线框架实现电气连接;
MEMS芯片上的每个输入/输出端子,在引线键合时,均采用两根或两根以上的金属线与引线框架连接;
塑封外壳内部填充软胶,用于保护内部的引线框架、ASIC芯片、MEMS芯片、金属线结构。
塑封外壳的上方开口处安装覆盖有带小孔的上盖。
实施例二:
本实施例提供一种MEMS绝压压力传感器的封装方法,包括以下步骤:
步骤1:制造带有引线框架的塑封外壳;
塑封外壳上方开口,引线框架的材质为铜系合金,可以是铜铁合金、铜镍硅合金、铜铬锆合金,贯穿于塑封外壳内外;引线框架在塑封外壳外部的一端作为输入/输出端子与外界连接,在塑封外壳内部的一端紧贴于塑封外壳的底部及侧壁。
步骤2:贴装ASIC芯片:
ASIC芯片正面朝下,通过环氧树脂胶粘贴在所述塑封外壳内部,同时,所述ASIC芯片正面上电路凸起的接触点,与所述引线框架上对应位置接触,实现所述ASIC芯片与所述引线框架之间的电气连接;
步骤3:贴装MEMS芯片:
通过环氧树脂胶将MEMS芯片贴装至ASIC芯片的背面上方;
步骤4:MEMS芯片引线键合:
将MEMS芯片的输入输出金属垫,与引线框架之间通过金线,采用引线键合的方式进行电气连接;
为保证引线键合可靠性,MEMS芯片上的每个输入/输出端子,在引线键合时,均采用两根或两根以上的金属线与引线框架连接;
步骤5:软胶包封:
在塑封外壳内填充软胶,保护内部芯片和引线键合打线结构;软胶是指可以近似无损传递压力的胶,但不具备机械强度,与硬胶相对应;
步骤6:安装上盖:
将带有小孔的上盖安装覆盖在所述塑封外壳的上方开口处,外界压力载荷通过小孔进入,通过软胶将压力载荷传递至绝压MEMS芯片上。
本发明实施例中的部分步骤,可以利用软件实现,相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中,如光盘或硬盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种MEMS绝压压力传感器,其特征在于,所述传感器包括:塑料外壳、引线框架、ASIC芯片、MEMS芯片、金属线、软胶、塑料上盖;
所述塑封外壳上方开口,所述引线框架的材料为金属,贯穿于所述塑封外壳;
所述ASIC芯片粘在所述塑封外壳内部,与所述引线框架接触实现电气连接;
所述MEMS芯片与所述ASIC芯片的背面粘贴,并通过所述金属线与所述引线框架实现电气连接;
所述塑封外壳内部填充软胶,用于保护内部的引线框架、ASIC芯片、MEMS芯片、金属线结构;
所述塑料上盖带有小孔,安装覆盖在所述塑封外壳的上方开口处。
2.根据权利要求1所述的MEMS绝压压力传感器,其特征在于,所述ASIC芯片正面朝下,通过环氧树脂胶粘贴在所述塑封外壳底部,正面设有凸起的电路接触点,凸起的电路接触点与所述引线框架接触,实现所述ASIC芯片与所述引线框架的电气连接。
3.根据权利要求2所述的MEMS绝压压力传感器,其特征在于,所述MEMS芯片通过环氧树脂胶粘贴在所述ASIC芯片的背面,所述MEMS芯片的输入/输出端子金属垫通过引线键合的方式与所述引线框架电气连接。
4.根据权利要求3所述的MEMS绝压压力传感器,其特征在于,所述MEMS芯片的每个输入/输出端子金属垫,其引线键合的金属线数量为两根或两根以上。
5.根据权利要求1所述的MEMS绝压压力传感器,其特征在于,所述引线框架的材质为铜系合金,包括:铜铁合金、铜镍硅合金、铜铬锆合金。
6.一种MEMS绝压压力传感器的封装方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
步骤1:制造带有引线框架的塑封外壳;所述塑封外壳上方开口,所述引线框架的材质为金属,且贯穿于所述塑封外壳内外;
步骤2:贴装ASIC芯片:所述ASIC芯片正面朝下,通过环氧树脂胶粘贴在所述塑封外壳内部,同时,所述ASIC芯片正面上电路凸起的接触点,与所述引线框架上对应位置接触,实现所述ASIC芯片与所述引线框架之间的电气连接;
步骤3:贴装MEMS芯片:通过环氧树脂胶将所述MEMS芯片贴装至所述ASIC芯片的背面上方;
步骤4:MEMS芯片引线键合:将所述MEMS芯片的输入输出金属垫,与所述引线框架之间过引线键合的方式进行电气连接;
步骤5:软胶包封:在塑封外壳内填充软胶,保护内部芯片和金属线结构;
步骤6:安装上盖:将带有小孔的上盖安装覆盖在所述塑封外壳的上方开口处。
7.根据权利要求6所述的封装方法,其特征在于,所述引线框架在所述塑封外壳外部的一端作为输入/输出端子与外界连接,在所述塑封外壳内部的一端紧贴于所述塑封外壳的底部及侧壁。
8.根据权利要求6所述的封装方法,其特征在于,所述引线框架的材质为铜系合金,包括:铜铁合金、铜镍硅合金、铜铬锆合金。
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