CN115340061A - 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

本发明提供超声波传感器，包括MEMS芯片、封装基板和贴片胶，MEMS芯片具有相对的正面和背面，背面具有背腔，封装基板与MEMS芯片电气联通，MEMS芯片的背面通过贴片胶与封装基板粘接固定，MEMS芯片的背腔由贴片胶限定出密封腔。超声波传感器的封装工艺，包括减薄芯片；设置封装基板；填充贴片胶，形成密封腔；设置封装外壳；填充灌封胶；设置盖板；设置防水防尘膜；测试和包装。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芯片的振膜施加阻尼，避免超声波传感器停止发射信号时，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

本说明书一个或多个实施例涉及超声波传感器技术领域，尤其涉及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

超声波传感器是将超声波信号转换成其它能量信号(通常是电信号)的传感器。超声波传感器存在盲区，盲区是指当发射超声波时，发射信号虽然只维持一个极短时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定余振或拖尾(由于机械惯性作用)；在盲区时间内，回波信号的强度是远小于拖尾信号强度的，从而屏蔽了近距离的回波信号。

现有技术中常用的抑制盲区的方法主要有以下两种，第一种是从电路上进行盲区抑制，如外接衰减电阻、降低超声波发射功率或时变增益放大电路，这种方法没有对传感器盲区本质有大的改变，治标不治本，而且外接衰减电阻、降低超声波发射功率同时也会损耗回波信号强度；第二种是通过封装对传感器本身的盲区进行抑制，对于压电陶瓷类的超声波测距传感器，减小探头的盲区一般是在壳体内填充声学材料，如压电陶瓷类的超声波测距传感器的封装工艺流程包含了装毛毡、填充硅胶、装盖板、外形密封等步骤；或者是采用分体式换能器、阵列，如常见的一发一收超声波测距模组；装配吸声材料的方法的是需要通过人工来完成的，加工效率低，无法适用于大批量生产，而且装配的一致性也会比较差；而分体式或阵列换能器的方法会增大传感器的体积，并且成本也会成倍提升，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

本发明旨在解决背景技术中提出的问题之一，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，所述背面具有背腔；封装基板，所述封装基板与所述MEMS芯片电气联通；贴片胶，所述MEMS芯片的背面通过贴片胶与封装基板粘接固定，所述MEMS芯片的背腔由所述贴片胶限定出密封腔。

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芯片通过金线与所述封装基板电连接。

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，所述封装外壳与所述封装基板密封连接，所述封装外壳具有收容腔，所述MEMS芯片位于所述收容腔内部。

在一些具体的实施例中，还包括：灌封胶，所述封装外壳与所述MEMS芯片之间的缝隙中填充有灌封胶。

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封装基板的表面密封连接，所述盖板具有声孔。

在一些实施例中，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。

根据本发明实施例中的封装工艺，用于形成前文所述的封装结构，所述封装工艺包括：

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芯片背面固定连接的封装基板，通过金线电连接所述MEMS芯片与所述封装基板；

在所述MEMS芯片与所述封装基板的缝隙中填充贴片胶，使所述MEMS芯片的背腔形成密封腔。

在一些具体的实施例中，还包括：在真空环境下填充贴片胶，使所述MEMS芯片的背腔形成真空腔，在所述真空腔内部设置吸气剂。

在一些具体的实施例中，还包括：设置与所述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：在所述封装外壳与所述MEMS芯片之间的缝隙中填充灌封胶。

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：设置与所述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。

从上面所述可以看出，本发明包括以下有益效果：

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芯片的振膜施加阻尼，避免超声波传感器停止发射信号时，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。

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内部剖面图；

图4为本发明实施例中超声波传感器的截面图；

图5为本发明另一优选实施例中超声波传感器的截面图；

图6-图9为本发明实施例中第一夹具的结构示意图；

图10为本发明实施例中第二夹具的结构示意图；

图11为本发明实施例中第一夹具和第二夹具中芯片放置槽的结构示意图；

图12为本发明实施例中封装工艺的流程框图；

图13为本发明另一优选实施例中封装工艺的流程框图。

附图标记中：1.封装基板；2.封装外壳；3.灌封胶；4.MEMS芯片；5.盖板；6.防水防尘膜；7.金线；8.贴片胶；9.吸气剂；10.第一夹具；11.第二夹具；a.声孔；b.密封腔；c.芯片放置槽；c1.放置腔；c2.振膜保护腔。

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。

下面根据图1-图5来描述本发明实施例中的超声波传感器的具体结构。

请参阅图1-图4，根据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2、灌封胶3和盖板5。

MEMS芯片封装结构包括MEMS芯片4、封装基板1以及贴片胶8，MEMS芯片4具有相对的正面和背面，MEMS芯片4的背面具有背腔，封装基板1与MEMS芯片4的背面固定连接，MEMS芯片4通过金线7与封装基板1电连接，MEMS芯片4的背面通过贴片胶8与封装基板1粘接固定，MEMS芯片4的背腔由所述贴片胶8限定出密封腔b。可选的，MEMS芯片4的背硅厚度优选为50μm-200μm，MEMS芯片4的背腔体积减小，当MEMS芯片4的振膜振动时，空气粘滞性可以更好地对振膜施加阻尼。

根据本发明实施例中的MEMS芯片封装结构，MEMS芯片4与封装基板1之间增设的密封腔b可以为MEMS芯片4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。

封装外壳2具有收容腔，封装外壳2与封装基板1密封连接，MEMS芯片4位于收容腔内。可选的，封装外壳2与MEMS芯片4之间的缝隙中也填充灌封胶3，灌封胶3将封装基板1、封装外壳2和MEMS芯片4连接成为一个整体，加固MEMS芯片4，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。可选的，封装外壳2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3，同时可避免后续盖板5封装时，盖板5的拐角与封装外壳2的拐角在封装时发生冲突碰撞。

盖板5与封装外壳2远离封装基板1的表面密封连接，盖板5上开设有声孔a。可选的，盖板5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5上优选开设有多个孔径不同的声孔a。盖板5上声孔a与MEMS芯片4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a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6设置在封装外壳2靠近MEMS芯片4的一侧。防水防尘膜6有效防护外界污染物通过盖板5的声孔a进入MEMS芯片4中，提升超声波传感器的可靠性。

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：

请参阅图12，步骤S1：从晶圆上切割取下MEMS芯片4；MEMS芯片4具有相对正面及背面，背面具有背腔，将背腔进行减薄，缩减背腔的体积。可选的，减薄MEMS芯片4的背腔可以采用单个MEMS芯片4减薄的工艺或采用晶圆级减薄的工艺完成对MEMS芯片4的背腔的减薄，优选将MEMS芯片4的背硅减薄至50μm-200μm。可选的，采用单个MEMS芯片4减薄的工艺时，选用如图6-9所示的第一夹具10，第一夹具10内部设置有一个芯片放置槽c，芯片放置槽10内部设置有呈“T”型排布的放置腔c1和振膜保护腔c2，在减薄的过程中，MEMS芯片4的振膜处于悬空状态，防止瞬时的刚性挤压使振膜受损；采用晶圆级减薄的工艺时，选用如图10所示的第二夹具11，第二夹具11内部设置有若干芯片放置槽c，采用晶圆级减薄时，使振膜也处于悬空状态。

步骤S2：设置与MEMS芯片4背面固定连接的封装基板1，通过金线7电连接MEMS芯片4与封装基板1。

步骤S3：在MEMS芯片4与封装基板1的缝隙中填充贴片胶8，使MEMS芯片4的背腔形成密封腔b。

在一些具体的实施例中，步骤S3可以在真空环境下填充贴片胶8，使MEMS芯片4的背腔形成真空腔，并在真空腔内部设置吸气剂9，吸气剂95可以吸收气体，气体主要包含了真空腔b缝隙内等残余气体，胶水、基板4释放的少量气体，从而保持真空腔b的长期真空度，真空腔可以使MEMS芯片4的背腔没有介质，无法传播声波信号，使MEMS芯片4发出声波信号时，背腔不会产生声波的叠加，提升超声波传感器的检测性能，如图5和图13所示。

在一些实施例中，还包括步骤S4：设置与封装基板1固定的封装外壳2；封装基板1与封装外壳2密封连接，封装外壳2具有收容腔，MEMS芯片4位于收容腔内。

在一些实施例中，还包括步骤S5：在封装外壳2与MEMS芯片4之间的缝隙中填充灌封胶3。

在一些实施例中，还包括步骤S6：设置与封装外壳2密封连接的盖板5，在盖板5上开设声孔a。可选的，可在盖板5上开设多个孔径不同的声孔a。

在一些实施例中，还包括步骤S7：设置与封装外壳2贴合固定的防水防尘膜6；防水防尘膜6与封装外壳2密封连接。

在一些实施例中，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，通过对MEMS芯片4的背硅进行减薄工艺，缩减MEMS芯片4背腔的体积，MEMS芯片4的背腔体积减小，当MEMS芯片4的振膜振动时，空气粘滞性可以更好地对振膜施加阻尼。

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 (13)

1.MEMS芯片封装结构，其特征在于，包括：

MEMS芯片(4)，所述MEMS芯片(4)具有相对的正面和背面，所述背面具有背腔；

封装基板(1)，所述封装基板(1)与所述MEMS芯片(4)电气联通；

贴片胶(8)，所述MEMS芯片(4)的背面通过贴片胶(8)与封装基板(1)粘接固定，所述MEMS芯片(4)的背腔由所述贴片胶(8)限定出密封腔(b)。

2.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述MEMS芯片(4)通过金线(7)与所述封装基板(1)电连接。

3.超声波传感器，其特征在于，包括：

以上权利要求1-2中任一项所述的MEMS芯片封装结构；

封装外壳(2)，所述封装外壳(2)与所述封装基板(1)密封连接，所述封装外壳(2)具有收容腔，所述MEMS芯片(4)位于所述收容腔内部。

4.根据权利要求3所述的超声波传感器，其特征在于，还包括：

灌封胶(3)，所述封装外壳(2)与所述MEMS芯片(4)之间的缝隙中填充有灌封胶(3)。

5.根据权利要求3所述的超声波传感器，其特征在于，还包括：

盖板(5)，所述盖板(5)与所述封装外壳(2)远离所述封装基板(1)的表面密封连接，所述盖板(5)具有声孔(a)。

6.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，还包括：

防水防尘膜(6)，所述防水防尘膜(6)与所述盖板(5)远离所述封装基板(1)的表面密封连接。

7.封装工艺，用于形成权利要求1-6中任一项所述的封装结构，其特征在于，所述封装工艺包括：

从晶圆上切割取下MEMS芯片(4)，所述MEMS芯片(4)具有相对正面及背面，背面具有背腔，将所述背腔进行减薄，缩减所述背腔的体积；

设置与所述MEMS芯片(4)背面固定连接的封装基板(1)，通过金线(7)电连接所述MEMS芯片(4)与所述封装基板(1)；

在所述MEMS芯片(4)与所述封装基板(1)的缝隙中填充贴片胶(8)，使所述MEMS芯片(4)的背腔形成密封腔(b)。

8.根据权利要求7所述的封装工艺，其特征在于，还包括，在真空环境下填充贴片胶(8)，使所述MEMS芯片(4)的背腔形成真空腔，在所述真空腔内部设置吸气剂(9)。

9.根据权利要求7所述的封装工艺，其特征在于，设置与所述封装基板(1)固定的封装外壳(2)，所述封装基板(1)与所述封装外壳(2)密封连接，所述封装外壳(2)具有收容腔，所述MEMS芯片(4)位于所述收容腔内。

10.根据权利要求9所述的封装工艺，其特征在于，还包括：在所述封装外壳(2)与所述MEMS芯片(4)之间的缝隙中填充灌封胶(3)。

11.根据权利要求9所述的封装工艺，其特征在于，还包括：设置与封装外壳(2)密封连接的盖板(5)，在所述盖板(5)上开设声孔(a)。

12.根据权利要求11所述的封装工艺，其特征在于，还包括：设置与所述盖板(5)贴合固定的防水防尘膜(6)，且所述防水防尘膜(6)与所述盖板(5)密封连接。

13.根据权利要求12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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