CN115321467A - Mems芯片封装结构、具有其的超声波传感器及封装工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了MEMS芯片封装结构，包括MEMS芯片和封装基板；具有其的超声波传感器，包括MEMS芯片封装结构和封装外壳；封装工艺，包括以下步骤：取片；植锡球；倒装焊接；粘接封装外壳；注灌封胶；粘接盖板；粘接防水防尘膜；测试并包装。本发明通过在超声波传感器内的MEMS芯片与封装基板之间增设密封腔，密封腔为MEMS芯片的振膜施加空气阻尼，避免超声波传感器停止发射信号时，减小振膜自身的余震和拖尾信号屏蔽近距离的回波信号，减小超声波传感器的盲区时间。

Description

MEMS芯片封装结构、具有其的超声波传感器及封装工艺

技术领域

本发明属于超声波传感器技术领域，具体涉及MEMS芯片封装结构、具有其的超声波传感器及封装工艺。

背景技术

面向消费电子和汽车领域的MEMS超声波传感器市场仍处于高速发展阶段，主要应用是手势识别、虚拟现实/增强现实、家用机器人、智能音箱和无人机。这些应用场景对超声波传感器的器件性能、一致性、可批量化、易装配等都有着高要求。

1、超声波传感器器件性能的两个关键指标，一个是盲区时间，一个是发射声压级；目前针对MEMS超声波传感器的性能优化报道较少，主要是针对压电陶瓷类的超声波传感器，压电陶瓷类主要是通过填充声学材料的物理顶压方式来减小盲区时间，并不适合MEMS超声波传感器；此外，MEMS超声波传感器的尺寸更小，可以组合装配赫姆霍兹共鸣腔来增强发射声压级；

2、MEMS超声波传感器的芯片是通过半导体流片工艺制备，封装是通过自动化封装产线，从芯片制造到芯片封装，到后端的芯片测试分选，整个过程都是依靠自动化设备进行，可以保证产品的一致性以及批量化；而压电陶瓷类的超声波传感器主要还是依赖人工，一致性差；

3、MEMS超声波传感器没有温度敏感单元，可以兼容SMT工艺，可以实现大批量的装配；而压电陶瓷类超声波传感器主要是插针式的封装结构，无法兼容SMT工艺，装配较难。

综上所述，本申请现提出MEMS芯片封装结构、具有其的超声波传感器及封装工艺来解决上述出现的问题。

发明内容

旨在解决背景技术中的问题之一，本发明的目的在于提出MEMS芯片封装结构，为MEMS芯片的振膜施加阻尼，在停止发射信号后，减小机械惯性作用带来的余震或拖尾产生的影响，防止近距离的回波信号被屏蔽，提高检测时超声波传感器的检测精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

根据本发明实施例中的MEMS芯片封装结构，包括：

MEMS芯片，所述MEMS芯片具有相对的正面和背面，所述MEMS芯片的背面具有背腔；封装基板，所述封装基板与所述MEMS芯片的正面对应固定连接；第一焊接凸起，所述封装基板靠近MEMS芯片的表面上设置有第一焊接凸起，所述第一焊接凸起用于所述封装基板和所述MEMS芯片的电连接，所述封装基板与所述MEMS芯片之间的空间限定出密封腔。

根据本发明实施例中的MEMS芯片封装结构，增设的密封腔可以为MEMS芯片的振膜施加空气阻尼，降低振膜振动停止时的机械惯性，减轻振膜自身的余震和拖尾，减小盲区时间。

在一些实施例中，所述MEMS芯片的正面设置有焊垫，所述第一焊接凸起与焊垫电连接。

在一些具体的实施例中，所述封装基板与所述MEMS芯片之间的空间通过灌封胶限定出密封腔。

在一些实施例中，所述封装基板具有第一焊盘和第二焊盘，所述第一焊盘与所述MEMS芯片的信号线对应电连接，所述第二焊盘与所述MEMS芯片的接地线对应电连接。

在一些实施例中，所述密封腔的厚度与第一焊接凸起的高度相同。

在一些实施例中，还包括第二焊接凸起，所述第二焊接凸起设置在所述封装基板靠近所述MEMS芯片的表面，所述第二焊接凸起用于对所述MEMS芯片的调平。

根据本发明实施例的超声波传感器，包括：前文所述的MEMS芯片封装结构；封装外壳，所述封装外壳具有收容腔，所述封装外壳与封装基板密封连接，所述MEMS芯片位于所述收容腔内。

在一些具体的实施例中，还包括盖板，所述盖板与所述封装外壳远离所述封装基板的表面密封连接，所述盖板上开设有声孔。

在一些具体的实施例中，还包括防水防尘膜，所述防水防尘膜与所述盖板远离所述封装基板的表面密封连接。

根据本发明实施例的封装工艺，用于形成前文所述的封装结构，所述封装工艺包括以下步骤：

从晶圆上切割取下MEMS芯片，所述MEMS芯片具有相对正面及背面，背面具有背腔；

设置与所述MEMS芯片正面固定连接的封装基板，所述封装基板靠近MEMS芯片的表面具有第一焊盘和第二焊盘；

在MEMS芯片正面形成焊垫，在所述第一焊盘和第二焊盘上形成与所述焊垫焊接的第一焊接凸起，所述第一焊接凸起分别与所述封装基板以及所述MEMS芯片电连接；

在所述MEMS芯片与所述封装基板之间的空间中填充灌封胶，并固化胶水，在所述MEMS芯片与所述封装基板之间形成密封腔。

在一些具体的实施例中，还包括：在所述封装基板上形成第二焊接凸起，所述第二焊接凸起用于MEMS芯片安装过程中的调平。

在一些具体的实施例中，还包括：设置与封装基板固定的封装外壳，所述封装基板与所述封装外壳密封连接，所述封装外壳具有收容腔，所述MEMS芯片位于所述收容腔内。

在一些具体的实施例中，还包括：设置与封装外壳密封连接的盖板，在所述盖板上开设声孔。

在一些具体的实施例中，还包括：设置与盖板密封连接的防水防尘膜。

在一些具体的实施例中，还包括：对封装后的产品进行测试及包装。

从上述内容可以看出，本发明包括以下的有益效果：

本发明通过在超声波传感器内的MEMS芯片与封装基板之间增设密封腔，密封腔为MEMS芯片的振膜施加空气阻尼，避免超声波传感器停止发射信号时，用于快速衰减振膜自身的余震和拖尾信号屏蔽近距离的回波信号，减小超声波传感器的盲区时间；密封腔的高度在超声波传感器封装的过程中可以调节尺寸，从而能够有效调控超声波传感器的盲区时间。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书一个或多个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说明书一个或多个实施例，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为本发明实施例中超声波传感器的外部结构示意图；

图2为本发明实施例中超声波传感器的结构爆炸图；

图3为本发明实施例中超声波传感器的剖面图；

图4为本发明实施例中基板的结构示意图；

图5为本发明实施例中超声波传感器的截面图；

图6为本发明实施例中针对封装结构的封装工艺的流程框图；

图7为本发明实施例中针对超声波传感器的封装工艺的流程框图；

图8为本发明实施例中不同高度锡球对器件盲区时间的调控；

图9为本发明实施例中封装方式对不同频率器件的提升效果。

附图标记中：1.封装基板；2.密封腔；3.封装外壳；4.灌封胶；5.MEMS芯片；6.盖板；7.防水防尘膜；8.声孔；9.第一焊接凸起；10.第二焊接凸起；11.第一焊盘；12.第二焊盘。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本说明书一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

下面结合附图1-5来描述本发明实施例中超声波传感器的具体结构。

请参阅图1，本发明实施例中的超声波传感器，包括MEMS芯片封装结构、封装外壳3、第一焊接凸起9和盖板6。

如图2-图5所示，MEMS芯片封装结构包括MEMS芯片5、封装基板1以及第一焊接凸起9，MEMS芯片5具有相对的正面和背面，MEMS芯片5的背面具有背腔，MEMS芯片5倒装后由背腔发射超声波，可以减小超声波传感器的封装尺寸及视场，封装基板1与MEMS芯片5的正面固定连接，封装基板1靠近MEMS芯片5的表面设置有第一焊接凸起9，第一焊接凸起9用于封装基板1与MEMS芯片9的电连接。可选的，第一焊接凸起9为直径为50-150μm的锡球。可选的，第一焊接凸起9可以为导电胶、导电银浆或焊锡膏等其他材料。可选的，MEMS芯片5的正面设置有与MEMS芯片5电连接的第一焊垫，第一焊垫与第一焊接凸起9电连接，第一焊接凸起9与封装基板1电连接。封装基板1与MEMS芯片9之间限定出密封腔2。可选的，封装基板1与MEMS芯片之间填充灌封胶4，灌封胶4使封装基板1和MEMS芯片之间的空间形成密封腔2。

根据发明实施例的封装结构，MEMS芯片5采用背腔发声，MEMS芯片5的正面与封装基板1之间限定出密封腔2，密封腔2为MEMS芯片5的振膜施加空气阻尼，避免超声波传感器停止发射信号时，减小振膜自身的余震和拖尾信号屏蔽近距离的回波信号，减小超声波传感器的盲区时间。

可选的，封装基板1具有1第一焊盘11和第二焊盘12，第一焊盘11与MEMS芯片5的信号线对应电连接，第二焊盘12与MEMS芯片5的接地线对应电连接。可选的，第一焊接凸起9可植于第一焊盘11和第二焊盘12上。

封装外壳3具有收容腔，封装外壳3与封装基板1密封连接，MEMS芯片5位于收容腔内。可选的，封装外壳3与MEMS芯片5之间的缝隙中也填充灌封胶4，增加封装外壳3与MEMS芯片5的稳定性，同时增加缓冲阻尼。可选的，封装外壳3内部的拐角处开设有圆柱形的灌注孔，灌注孔用于灌注灌封胶，同时可避免后续盖板6封装时，盖板6的拐角与封装外壳3的拐角在封装时发生冲突碰撞。

在一些实施例中，如图8所示，锡球的直径即为封装基板1与MEMS芯片5之间的间距，即决定了密封腔2高度，因此，在封装工艺中，可通过控制锡球的直径来调控密封腔2的高度，进而调控MEMS芯片5内振膜受到的阻尼大小，从而能够有效调控超声波传感器的盲区时间。同时灌封胶4将封装基板1、封装外壳3和MEMS芯片5连接成为一个整体，加固MEMS芯片5，提升超声波传感器寿命，对外界冲击、震动等不利因素起到缓冲作用，提升超声波传感器的可靠性。

请参阅图1，盖板6与封装外壳3远离封装基板1的表面密封连接，盖板6上开设有声孔8。可选的，盖板14为PCB基板或玻璃基板或金属基板或半导体衬底或聚合物柔性基板。可选的，盖板6上优选开设有多个孔径不同的声孔8。盖板6上声孔8与MEMS芯片5的背腔组合成赫姆霍兹共振腔，能够有效提升超声波的声压级，提升探测距离；赫姆霍兹共振腔的本质是一个窄带的滤波器，对频带内的信号有放大作用，对频带外的信号有抑制作用，腔体的共振频率可以用如下公式计算：

式中，f为腔共振频率；c空气中的声速；V为前腔容积；S为出音孔面积；t音孔壁厚；a为出音孔半径；λ为修正系数，取＝1.3，在封装工艺中，可通过调节声孔8的直径、数量以及厚度等参数，调节赫姆霍兹共振腔的频率。

在一些实施例中，防水防尘膜7与盖板6远离封装基板1的表面密封连接。防水防尘膜7有效防护外界污染物通过盖板6的声孔8进入MEMS芯片5中，提升超声波传感器的可靠性。

在一些实施例中，第二焊接凸起10设置在封装基板1与MEMS芯片5之间。第二焊接凸起10优选为四个锡球，四个锡球分布于MEMS芯片5靠近封装基板1表面的四个拐角处，用于对MEMS芯片5的调平。

请参阅图6，根据本发明实施例中的超声波传感器的封装工艺，包括以下步骤：

步骤S1：从晶圆上切割取下MEMS芯片5；MEMS芯片5具有相对正面及背面，背面具有背腔。

步骤S2：设置与MEMS芯片5正面固定连接的封装基板1；封装基板1靠近MEMS芯片5的表面具有第一焊盘11和第二焊盘12。

步骤S3：在MEMS芯片5正面形成焊垫，在第一焊盘11和第二焊盘12上形成与焊垫焊接的第一焊接凸起9；第一焊接凸起9分别与封装基板1以及MEMS芯片5电连接。

步骤S4：在MEMS芯片5与封装基板1之间的空间中填充灌封胶4，并固化胶水，在MEMS芯片5与封装基板1之间形成密封腔2。

在一些实施例中，还包括步骤S2-1：在封装基板1上形成第二焊接凸起10；第二焊接凸起10用于MEMS芯片5安装过程中的调平。

请参阅图7，在一些实施例中，还包括步骤S5：设置与封装基板1固定的封装外壳3；封装基板1与封装外壳3密封连接，封装外壳3具有收容腔，MEMS芯片5位于收容腔内。

在一些实施例中，还包括步骤S6：设置与封装外壳3密封连接的盖板6，在盖板6上开设声孔8。

在一些实施例中，还包括步骤S7：设置与盖板6贴合固定的防水防尘膜7；防水防尘膜7与盖板6密封连接。

请参阅图8-图9，在一些实施例中，还包括步骤S8：对封装后的产品进行测试及包装；可选的，主要通过LCR表检测封装后的超声波传感器的电阻和电容等电学特征。可选的，主要通过声学测试系统检测封装后的超声波传感器的声压和灵敏度等声学特征。可选的，主要采用自动编带机对封装后的超声波传感器进行自动的包装。

根据本发明实施例中的封装工艺，在封装的过程中，通过温度的回流曲线来控制锡球的焊接，锡球的直径决定密封腔的厚度，进而决定MEMS芯片振膜的空气阻尼大小，可以有效调控MEMS芯片传感器的盲区时间。

本说明书一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (15)

1.MEMS芯片封装结构，其特征在于，包括：

MEMS芯片(5)，所述MEMS芯片(5)具有相对的正面和背面，所述MEMS芯片(5)的背面具有背腔；

封装基板(1)，所述封装基板(1)与所述MEMS芯片(5)的正面对应固定连接；

第一焊接凸起(9)，所述封装基板(1)靠近MEMS芯片(5)的表面上设置有第一焊接凸起(9)，所述第一焊接凸起(9)用于所述封装基板(1)与所述MEMS芯片(5)的电连接，所述封装基板(1)与所述MEMS芯片(5)之间的空间限定出密封腔(2)。

2.根据权利要求1所述的MEMS芯片封装结构，其特征在于，所述MEMS芯片(5)的正面设置有焊垫，所述第一焊接凸起(9)与所述焊垫电连接。

3.根据权利要求2所述的MEMS芯片封装结构，其特征在于，所述封装基板(1)与所述MEMS芯片(5)之间的空间通过灌封胶(4)限定出密封腔(2)。

4.根据权利要求1所述的MEMS芯片封装结构，其特征在于，所述封装基板(1)具有第一焊盘(11)和第二焊盘(12)，所述第一焊盘(11)与所述MEMS芯片(5)的信号线对应电连接，所述第二焊盘(12)与所述MEMS芯片(5)的接地线对应电连接。

5.根据权利要求1所述的MEMS芯片封装结构，其特征在于，所述密封腔(2)的厚度与第一焊接凸起(9)的高度相同。

6.根据权利要求1所述的MEMS芯片封装结构，其特征在于，还包括第二焊接凸起(10)，所述第二焊接凸起(10)设置在所述封装基板(1)靠近所述MEMS芯片(5)的表面，所述第二焊接凸起(10)用于对所述MEMS芯片(5)的调平。

7.超声波传感器，其特征在于，包括：

以上权利要求1-6中任一项所述的MEMS芯片封装结构；

封装外壳(3)，所述封装外壳(3)具有收容腔，所述封装外壳(3)与封装基板(1)密封连接，所述MEMS芯片(5)位于所述收容腔内。

8.根据权利要求7所述的超声波传感器，其特征在于，还包括盖板(6)，所述盖板(6)与所述封装外壳(3)远离所述封装基板(1)的表面密封连接，所述盖板(6)上开设有声孔(8)。

9.根据权利要求7所述的超声波传感器，其特征在于，还包括防水防尘膜(7)，所述防水防尘膜(7)与所述盖板(6)密封连接。

10.封装工艺，用于形成所述权利要求1-9中任一所述的封装结构，其特征在于，所述封装工艺包括：

从晶圆上切割取下MEMS芯片(5)，所述MEMS芯片(5)具有相对正面及背面，背面具有背腔；

设置与所述MEMS芯片(5)正面固定连接的封装基板(1)，所述封装基板(1)靠近MEMS芯片(5)的表面具有第一焊盘(11)和第二焊盘(12)；

在MEMS芯片(5)正面形成焊垫，在所述第一焊盘(11)和第二焊盘(12)上形成与所述焊垫焊接的第一焊接凸起(9)，所述第一焊接凸起(9)分别与所述封装基板(1)以及所述MEMS芯片(5)电连接；

在所述MEMS芯片(5)与所述封装基板(1)之间的空间中填充灌封胶(4)，并固化胶水，在所述MEMS芯片(5)与所述封装基板(1)之间形成密封腔(2)。

11.根据权利要求10所述的封装工艺，其特征在于，还包括：

在所述封装基板(1)上形成第二焊接凸起(10)，所述第二焊接凸起(10)用于MEMS芯片(5)安装过程中的调平。

12.根据权利要求11所述的封装工艺，其特征在于，还包括：设置与封装基板(1)固定的封装外壳(3)，所述封装基板(1)与所述封装外壳(3)密封连接，所述封装外壳(3)具有收容腔，所述MEMS芯片(5)位于所述收容腔内。

13.根据权利要求12所述的封装工艺，其特征在于，还包括：设置与封装外壳(3)密封连接的盖板(6)，在所述盖板(6)上开设声孔(8)。

14.根据权利要求13所述的封装工艺，其特征在于，还包括：设置与盖板(6)密封连接的防水防尘膜(7)。

15.根据权利要求14所述的封装工艺，其特征在于，还包括：对封装后的产品进行测试及包装。

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