CN116469842A - 一种低温温度传感器芯片封装结构及封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温温度传感器芯片封装结构及封装方法，涉及半导体芯片封装及温度传感器技术领域，其包括封装结构A，封装结构A包括：基板，其上设置有引线焊盘Ⅰ和芯片黏结盘，基板下表面设置有下金属厚膜；低温温度传感器芯片，其上设置有引线焊盘Ⅱ，引线焊盘Ⅰ与引线焊盘Ⅱ之间连接有金属丝；上盖，其上表面镀有上金属厚膜，上盖装配在基板上；导线；封装结构A贴附在铜壳的U型空腔内；U型空腔内填充有填充胶。本发明实现了低温温度传感器芯片与外界环境的物理隔离，能有效屏蔽外界环境对芯片电学性能的干扰，保证低温温度传感器芯片与铜壳的优良热连接，并确保封装后器件保持原来优良的特性参数和使用过程中的可靠性。

Description

一种低温温度传感器芯片封装结构及封装方法

技术领域

本发明属于半导体芯片封装及温度传感器技术领域，更具体地说，本发明涉及一种低温温度传感器芯片封装结构及封装方法。

背景技术

低温温度传感器芯片是一种电阻型温度传感器芯片，即通过测量芯片的电阻来感知目标温度的具体数值。电阻型传感器芯片在应用过程中需要进行封装，以避免外界空气、杂质、湿度、电磁辐射等环境因素对芯片电阻性能的影响。封装就是将芯片安装在一个特制的密封壳体内，并实现芯片到壳体外导线的电气连接。有时需要针对特定的使用要求，根据不同的应用场景开发特殊的封装技术，以达到特定的测量要求。

温度是国际单位制中七个基本单位之一，在国民生产和日常生活中具有广泛的用途，例如在深空探测、航空航天、量子通信、超导技术，以及生活中环境温度、体温监测，都需要对温度进行准确测量。这里的低温温度传感器芯片是指测量温度在1K到1300K范围内的温度传感器芯片。当前，在1K到1300K的温度范围内，实用的温度测量原理是热力学第零定律，即利用测温传感器与待测系统处于热平衡时特定物质的物理性质随温度的变化规律来进行温度测量的。随着航空航天、空气分离、电子工业、超导技术等行业的快速发展，低温工程技术得到了广泛的应用。凡是涉及低温工程技术的，都涉及到低温温度的精确测量。在对目标温度的精密测量过程中，除了温度传感器芯片的测温性能外，传感器芯片的封装结构和封装材料也是十分关键的一环。

为了实现对目标物体温度的精确测量，一般使用导热良好的材料将温度传感器紧密贴装在目标物体上，使目标物体与温度传感器达到热平衡，从而根据温度传感器的电阻输出值刻画出目标物体的温度。传感器芯片的封装是保证温度传感器性能稳定的必不可少的技术手段之一，但芯片封装使得温度传感器芯片与目标物体之间增加了新的阻挡材料，形成新的热阻，从而使温度传感器感知到的温度与目标物体的真实温度可能不一致。因此，这就对温度传感器芯片的封装结构、封装材料及封装方法提出新的要求，封装不但要保证温度传感器的电学性能不受外界除温度外其他因素的影响，还要求尽可能减小由于封装结构和封装材料引入的额外热阻。

目前在工程技术领域应用最多的低温温度计如铑铁电阻温度计、铂电阻温度计、硅二极管温度计等，它们的器件封装尺寸较大、响应速度慢、测量精度有限，不适用于狭小空间内温度的高精度测量。

鉴于此，本发明专利给出一种新型的低温温度传感器芯片的封装结构、封装材料及其封装方法，以微型高精度半导体温度传感器芯片为测温元件，通过陶瓷材料和金属材料进行封装，可以缩小封装后的传感器尺寸，保证传感器良好的热响应特性，同时方便工程安装和应用，特别适用于狭小空间、复杂环境条件下的高精度、高稳定性的低温温度测量领域。

发明内容

本发明的一个目的是解决上述问题和/或缺陷，并提供后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的优点，提供了一种低温温度传感器芯片封装结构，包括封装结构A，所述封装结构A的结构包括：

基板，其上表面设置有一对引线焊盘Ⅰ和芯片黏结盘，所述基板的下表面设置有下金属厚膜；

低温温度传感器芯片，其上设置有一对引线焊盘Ⅱ，所述低温温度传感器芯片通过黏结剂贴装在所述基板上表面的芯片黏结盘位置处，所述低温温度传感器芯片上的引线焊盘Ⅱ与所述基板上的引线焊盘Ⅰ之间连接有金属丝；

上盖，其上表面镀有上金属厚膜，所述上盖通过黏结剂装配在所述基板上，且所述低温温度传感器芯片和金属丝被密封在基板与上盖形成的狭小空腔内，所述引线焊盘Ⅰ一部分位于狭小空腔内，另一部分位于狭小空腔外；

导线，其焊接于位于狭小空腔外的引线焊盘Ⅰ上；

其特征在于，所述封装结构A贴附在铜壳内，所述铜壳为圆柱形，其中铜壳的上侧设置有竖直贯通孔，侧面设置有U型空腔，所述封装结构A贴附在所述U型空腔内；所述U型空腔内填充有填充胶。

优选的是，其中，所述基板和上盖的材料为氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅、金刚石中的一种；

所述上金属厚膜和下金属厚膜为钨铜、金铜中的一种，所述上金属厚膜和下金属厚膜的厚度为10~100微米。

优选的是，其中，所述引线焊盘Ⅰ、芯片黏结盘和引线焊盘Ⅱ的材料为先镀钛膜，然后镀金、银、铜、铝膜中的一种，其中钛膜的厚度为5~20纳米，金、银、铜、铝膜的厚度为100~1000纳米；所述金属丝的材料为金、银、铜、铝中的一种。

优选的是，其中，所述黏结剂的材料为铟箔、AB型胶粘树脂、铅锡合金、铅锡合金、金锡合金或金锗合金中的一种；

所述导线的材料为金、银、铜、铝中的一种。

优选的是，其中，所述上盖与所述基板之间形成的狭小空腔为真空，或充满氮气、氩气或氦气中的一种，或充满固体粉末填充物。

优选的是，其中，所述封装结构A的封装方法包括以下步骤：

S1、制备基板和上盖，在所述基板的上表面设置一对引线焊盘Ⅰ和一个芯片黏结盘，在基板的下表面和上盖的上表面分别镀下金属厚膜和上金属厚膜；

S2、将具有一对引线焊盘Ⅱ的低温温度传感器芯片粘贴到所述基板的上表面芯片黏结盘上；

S3、使用金属丝将低温温度传感器芯片上的引线焊盘Ⅱ与基板上的引线焊盘Ⅰ连接在一起；

S4、将上盖粘贴到所述基板的上表面，将所述低温温度传感器芯片和金属丝封闭在上盖内部，同时上盖的一侧横跨所述基板上的引线焊盘Ⅰ；

S5、将导线焊接到所述基板位于上盖外部的引线焊盘Ⅰ上。

优选的是，其中，所述S5在S1和S2之间完成。

优选的是，其中，所述S4中，还包括对上盖与基板之间的狭小空腔中抽真空或向狭小空腔中充入填充物。

优选的是，其中，所述封装结构A与铜壳之间的粘结剂为AB型胶粘树脂、铅锡合金、金锡合金或金锗合金中的一种，所述填充胶为导热硅胶。

一种低温温度传感器芯片封装结构的封装方法，包括以下步骤：

步骤一、制备铜壳和封装结构A；

步骤二、将封装结构A贴附在铜壳的U型空腔内；

步骤三、将导热硅胶填充到铜壳的U型空腔内，并固化成型，使封装结构A的两根导线暴露在硅胶外；

步骤四、在每根导线上连接双绞线，使低温温度传感器具有四根信号引出线。

本发明至少包括以下有益效果：本发明的低温温度传感器芯片封装结构实现了低温温度传感器芯片与外界环境的物理隔离，能有效屏蔽外界环境对芯片电学性能的干扰，保证芯片与封装外壳的优良热连接，并确保封装后器件保持原来优良的特性参数和使用过程中的可靠性。首先，小尺寸封装，使器件的几何尺寸更小，热响应更灵敏，使用更方便；其次，以氧化铝、氮化铝等导热性能优异的陶瓷材料为主，辅以金属厚膜材料，使器件的传热性能更好，能保证器件与待测物体快速达到热平衡；最后，温度传感器芯片与外部引线采用导电性能良好的金属丝，保证了引线与芯片、引线与外部电路之间良好的电连接。本发明将封装结构A封装在铜壳内，将封装结构A中的低温温度传感器芯片传保护起来，使低温温度传感器芯片更加皮实，易于安装拆卸，可多次重复使用。解决了封装结构A为了追求小尺寸，在皮实性和安装拆卸方面、容易在使用过程中损坏的问题。

本发明优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明实施例中对低温温度传感器芯片采用封装结构A封装的剖面结构示意图；

图2为低温温度传感器芯片的顶部结构示意图；

图3为基板的顶部结构示意图；

图4为基板上贴装了低温温度传感器芯片和完成金属丝连线的顶部结构示意图；

图5为封装结构A封装完成后的低温温度传感器结构示意图；

图6为铜壳结构示意图；

图7为完成封装结构A的低温温度传感器与铜壳贴装的结构示意图；

图8为最终完成封装的低温温度传感器结构示意图；

图9为低温温度传感器芯片封装结构的剖面结构示意图；

图10为采用本发明低温温度传感器芯片封装结构的低温温度传感器、标准温度传感器和只采用封装结构A的低温温度传感器的温度响应曲线。

图中各结构对应附图标记如下：基板1，引线焊盘Ⅰ3，芯片黏结盘10，下金属厚膜2，低温温度传感器芯片4，引线焊盘Ⅱ41，黏结剂7，金属丝5，上盖6，上金属厚膜61，导线8，焊接剂9，铜壳11，竖直贯通孔12，U型空腔14，导热硅胶13。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例

本实施例提供的低温温度传感器芯片封装结构A如图1-图5所示，封装结构A包括：

基板1，其上表面设置有一对引线焊盘Ⅰ3和芯片黏结盘10，所述基板1的下表面设置有下金属厚膜2，基板1的材质为氧化铝，下金属厚膜2的材质为金铜合金；

低温温度传感器芯片4，其上设置有一对引线焊盘Ⅱ41，所述低温温度传感器芯片4通过黏结剂7贴装在所述基板1上表面的芯片黏结盘10位置处，所述低温温度传感器芯片4上的引线焊盘Ⅱ41与所述基板1上的引线焊盘Ⅰ3之间连接有金属丝5；

上盖6，其上表面镀有上金属厚膜61，上金属厚膜61的材质为金铜合金，所述上盖6通过黏结剂7装配在所述基板1上，且所述低温温度传感器芯片4和金属丝5被密封在基板1与上盖6形成的狭小空腔内，所述引线焊盘Ⅰ3一部分位于狭小空腔内，另一部分位于狭小空腔外；同时在狭小空腔内充入氮气。

导线8，其通过焊接剂9焊接于位于狭小空腔外的引线焊盘Ⅰ3上；

首先在2英寸的氧化铝材质的基板1上通过微加工技术制备出引线焊盘Ⅰ3、芯片黏结盘10，引线焊盘Ⅰ3和芯片黏结盘10的材料均是先镀10nm的钛膜，再镀100nm的金膜。然后将氧化铝材质的基板1厚度减薄至0.3mm并抛光，再在氧化铝材质的基板1背面电镀铜和金，退火后形成金铜合金膜（厚度为20微米），再将氧化铝材质的基板1切割分离成2.6mm（长）×2mm（宽）的单元，从而制作出基板1。基板1材料选择高热导率的氧化铝，并在贴装低温温度传感器芯片4的位置制备了金属薄膜的芯片黏结盘10，增强了低温温度传感器芯片4与氧化铝材质的基板1之间的热连接，从而保证了目标物体的温度变化能够快速传递到低温温度传感器芯片4上。在氧化铝材质的基板1背面和上盖表面均镀有金铜合金膜，分别是下金属厚膜2和上金属厚膜61，既能保证整体结构的传热性能，又能有效屏蔽环境热辐射对低温温度传感器芯片4的影响。

本实施例中使用的低温温度传感器芯片4的尺寸为1mm（长）×1mm（宽）×0.3mm（厚），在低温温度传感器芯片4上表面制备了一对引线焊盘Ⅱ41，引线焊盘Ⅱ41的材料是先镀10nm的钛膜，再镀100nm的金膜。使用黏结剂将低温温度传感器芯片4贴装在基板1上表面的芯片黏结盘10上，待黏结剂固化后，使用超声波球焊用金属丝5将低温温度传感器芯片4上的引线焊盘Ⅱ41与基板1上的引线焊盘Ⅰ3连接起来。黏结剂选用AB型胶粘树脂，在低温温度传感器芯片4贴装时施加恒定的压力，保证每个传感器的胶层厚度一致。AB型胶粘树脂在低温下仍保持良好的热导率，从而使得封装后的低温温度传感器芯片4在低温条件下仍具有优良的测温特性。

在真空环境下，或在惰性气体气氛环境下，用黏结剂将上盖6贴装在基板1上，使低温温度传感器芯片4和金属丝5被密封在上盖6和基板1形成的狭小空腔内。待AB型胶粘树脂固化后，使用锡焊的方式将导线8焊接到基板1上的引线焊盘Ⅰ3上。

封装完成后的封装结构A的尺寸为2.6mm（长）×2mm（宽）×1mm（厚），其中没有包含导线8的长度，如图5所示。封装结构A尺寸小、精度高、响应快，特别适合于狭小空间、恶劣环境下的低温温度精密测量。

如果选用的低温温度传感器芯片4的尺寸为0.5mm（长）×0.5mm（宽）×0.3mm（厚），则按照图1所示的封装结构对芯片进行封装，可以获得封装后的低温温度传感器尺寸（不含导线长度）为1.4mm（长）×1.2mm（宽）×1mm（厚）。得到的低温温度传感器具有更小的尺寸，能在狭小、复杂的空间内实现温度的准确测量。

采用封装结构A封装的低温温度传感器在实际使用时，可以使用低温胶将低温温度传感器直接粘贴在被测物体表面，然后将导线连接到仪表上进行测量。这种安装方式的优点是发挥了该封装形式低温温度传感器的小尺寸优势，可以实现狭小空间内的温度测量。但该安装方式不容易拆卸，拆卸过程中容易损坏传感器结构而使器件失效。另一种安装方式是在低温温度传感器底面贴附一层铟箔，再用一个辅助夹具将低温温度传感器压贴在被测物体表面，然后进行连线测量。这种安装方式的优点是低温温度传感器的拆卸方便一些，但损失了一部分小尺寸优势，而且在安装和拆卸过程中也很容易损坏低温温度传感器。

为了克服采用封装结构A的低温温度传感器在安装拆卸方面的缺点，开发了第二种封装形式的温度传感器，其结构如图6-图9所示。首先加工铜壳11，其形状如图6所示，铜壳11呈圆柱形，端面直径10 mm，高4.5 mm。在圆柱一侧开设竖直贯通孔12，竖直贯通孔12的直径为3 mm，将竖直贯通孔12用作螺丝孔。在铜壳11另一侧开设U型空腔14，U型空腔14的高度为2.5 mm。

选择外形尺寸为2.6mm（长）×2mm（宽）×1mm（厚）的封装结构A的低温温度传感器，将其贴装在铜壳的U型空腔14内。低温温度传感器与铜壳11之间用铟箔连接，然后高温退火将铟箔融化，使低温温度传感器与铜壳11牢固地连接在一起，如图7所示。

将处于凝胶状态的导热硅胶13填充到铜壳的U型空腔内，使采用封装结构A的低温温度传感器的两根导线暴露在导热硅胶13外，退火使导热硅胶固化，再对溢出铜壳外的导热硅胶13进行修剪，在每根导线上连接双绞线，使低温温度传感器具有四根信号引出线，获得低温温度传感器的封装结构，如图8所示。

这种封装结构的低温温度传感器在实际使用时，在低温温度传感器的底面贴附一层铟箔，然后用螺钉将低温温度传感器紧固到被测物体表面，最后进行连线测量。该封装形式的温度传感器响应快、精度高、易于安装拆卸。由于在安装拆卸过程中主要对铜壳施加作用力，从而能有效保护低温温度传感器芯片，传感器可多次重复使用。

为了测量封装结构A和带铜壳11的低温温度传感器芯片封装结构的温度响应，将两种封装形式的低温温度传感器和一支标准温度传感器安装在同一块热沉上，然后将热沉安装在低温测量系统中进行低温测量。测量结果如图10所示，首先将热沉温度控制到13K达到稳定（以标准温度传感器为控温信号源），可见三支温度传感器均显示温度为13K；然后将热沉温度控制到15K，测量三支温度传感器的示值随时间的变化。从图10中可以看到，三支温度传感器的响应曲线几乎重合，这就说明三支温度传感器具有相同的响应能力。因此，带铜壳的低温温度传感器芯片封装结构相比于封装结构A，并没有减弱其温度响应能力，且使用更加方便耐久。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种低温温度传感器芯片封装结构，其包括封装结构A，所述封装结构A的结构包括：

基板，其上表面设置有一对引线焊盘Ⅰ和芯片黏结盘，所述基板的下表面设置有下金属厚膜；

低温温度传感器芯片，其上设置有一对引线焊盘Ⅱ，所述低温温度传感器芯片通过黏结剂贴装在所述基板上表面的芯片黏结盘位置处，所述低温温度传感器芯片上的引线焊盘Ⅱ与所述基板上的引线焊盘Ⅰ之间连接有金属丝；

上盖，其上表面镀有上金属厚膜，所述上盖通过黏结剂装配在所述基板上，且所述低温温度传感器芯片和金属丝被密封在基板与上盖形成的狭小空腔内，所述引线焊盘Ⅰ一部分位于狭小空腔内，另一部分位于狭小空腔外；

导线，其焊接于位于狭小空腔外的引线焊盘Ⅰ上；

其特征在于，所述封装结构A贴附在铜壳内，所述铜壳为圆柱形，其中铜壳的上侧设置有竖直贯通孔，侧面设置有U型空腔，所述封装结构A贴附在所述U型空腔内；所述U型空腔内填充有填充胶。

2.如权利要求1所述的低温温度传感器芯片封装结构，其特征在于，所述基板和上盖的材料为氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅、金刚石中的一种；

所述上金属厚膜和下金属厚膜为钨铜、金铜中的一种，所述上金属厚膜和下金属厚膜的厚度为10~100微米。

3.如权利要求1所述的低温温度传感器芯片封装结构，其特征在于，所述引线焊盘Ⅰ、芯片黏结盘和引线焊盘Ⅱ的材料为先镀钛膜，然后镀金、银、铜、铝膜中的一种，其中钛膜的厚度为5~20纳米，金、银、铜、铝膜的厚度为100~1000纳米；所述金属丝的材料为金、银、铜、铝中的一种。

4.如权利要求1所述的低温温度传感器芯片封装结构，其特征在于，所述黏结剂的材料为AB型胶粘树脂、铅锡合金、金锡合金或金锗合金中的一种；

所述导线的材料为金、银、铜、铝中的一种。

5.如权利要求1所述的低温温度传感器芯片封装结构，其特征在于，所述上盖与所述基板之间形成的狭小空腔为真空，或充满氮气、氩气或氦气中的一种，或充满固体粉末填充物。

6.如权利要求1所述的低温温度传感器芯片封装结构，其特征在于，所述封装结构A的封装方法包括以下步骤：

S1、制备基板和上盖，在所述基板的上表面设置一对引线焊盘Ⅰ和一个芯片黏结盘，在基板的下表面和上盖的上表面分别镀下金属厚膜和上金属厚膜；

S2、将具有一对引线焊盘Ⅱ的低温温度传感器芯片粘贴到所述基板的上表面芯片黏结盘上；

S3、使用金属丝将低温温度传感器芯片上的引线焊盘Ⅱ与基板上的引线焊盘Ⅰ连接在一起；

S4、将上盖粘贴到所述基板的上表面，将所述低温温度传感器芯片和金属丝封闭在上盖内部，同时上盖的一侧横跨所述基板上的引线焊盘Ⅰ；

S5、将导线焊接到所述基板位于上盖外部的引线焊盘Ⅰ上。

7.如权利要求6所述的低温温度传感器芯片封装结构，其特征在于，所述S5在S1和S2之间完成。

8.如权利要求6所述的低温温度传感器芯片封装结构，其特征在于，所述S4中，还包括对上盖与基板之间的狭小空腔中抽真空或向狭小空腔中充入填充物。

9.如权利要求1所述的低温温度传感器芯片封装结构，其特征在于，所述封装结构A与铜壳之间的粘结剂为铟箔、AB型胶粘树脂、铅锡合金、金锡合金或金锗合金中的一种，所述填充胶为导热硅胶。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的低温温度传感器芯片封装结构的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、制备铜壳和封装结构A；

步骤二、将封装结构A贴附在铜壳的U型空腔内；

步骤三、将导热硅胶填充到铜壳的U型空腔内，并固化成型，使封装结构A的两根导线暴露在硅胶外；

步骤四、在每根导线上连接双绞线，使低温温度传感器具有四根信号引出线。