CN212779726U - 一种高温压力传感器封装结构 - Google Patents

Abstract

一种高温压力传感器封装结构，封装结构包括：封装底座、封装端盖、传感器芯片和陶瓷基板组件，封装底座上设置有用于容纳陶瓷基板组件的第一安装槽，陶瓷基板组件设置在第一安装槽内，传感器芯片设置在陶瓷基板组件上，封装端盖扣合在封装底座上，将传感器芯片和陶瓷基板组件封闭在封装底座与封装端盖组成的容纳空间内。本实用新型的有益效果在于，第二陶瓷基板上第二通孔缩小布局范围有效的减小引线针后端分布，第三通孔上的倒角减小焊接面积以缩小高温下热应力，第二安装槽的四个边角处开设的圆槽，可以让焊料在压缩烧结时不会产生堆积，烧结难度低，气密性好，封装精度高，能够承受高温高压等恶劣环境，保证了压力传感器在高温环境下的性能。

Description

一种高温压力传感器封装结构

技术领域

本实用新型涉及MEMS传感器封装领域，具体涉及一种高温压力传感器封装结构。

背景技术

石墨烯材料是非常有希望应用于高温恶劣条件的材料，国内外的一些研究表明石墨烯在无氧环境下可耐3000℃的高温，但是缺乏相应的封装来开拓石墨烯相关器件在高温领域的应用，所以如果没有相应的可靠封装结构，仅仅只有石墨烯器件，在高温下也不能起到作用。

在高温条件下存在着这样一些问题需要考虑，一、各部位材料要耐高温；二、各部分的热膨胀要相匹配；三、各部分相互之间不会发生化学反应而改变性质；四、封装密封性要好，需要保护芯片敏感单元不被外界直接接触。其中着重考虑以下2个问题：1、封装管壳材料、陶瓷材料与高温压力传感器之间的热膨胀系数不同造成的热应力问题，该问题有可能导致高温压力传感器和封装直接失效或者对正确的测试信号产生干扰。2、封装管壳、陶瓷基板与高温压力传感器之间界面连接材料的抉择，要确保高温压力传感器在高温情况下不会变性从而破坏封装的完整性，并且同时还要具有良好的密封性。

目前国内外研究成果中倒装芯片直接粘合技术(DCA)是较为低成本的。基板采用的往往是陶瓷材料，引线选用耐高温的Pt丝或者其它一些低电阻的耐高温金属丝，粘接材料选用高温玻璃浆。该技术中是传感器压力敏感单元的背面与高温环境接触，所以可以有效的保护敏感单元及一些脆弱结构部位不受高温热冲击，有利于提高高温压力传感器的使用寿命。当然，要实现上诉的封装方案，也存在加工难点，比如封装结构的尺寸较小会增加陶瓷与浆料烧结的难度。而高温压力传感器一般都工作在恶劣且复杂的高温环境中，如果全采用陶瓷材料，那么封装造价将会格外昂贵，并且陶瓷外壳导电性不如金属外壳，同时也没办法给内部芯片提供静电防护，抗电磁干扰能力较差，存在着可靠性的隐患。

而且，如何进一步缩小封装结构的体积以适应更多检测场合，也是目前急需解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的就是针对背景技术中的不足，在保证测试要求的前提条件下，对结构进行了优化设计，提出一种高温压力传感器封装结构，可以将压力传感器工作温度提升至500℃以上。

本实用新型的主要结构包括：

一种高温压力传感器封装结构，所述封装结构包括：

封装底座、封装端盖、传感器芯片和陶瓷基板组件，所述封装底座上设置有用于容纳陶瓷基板组件的第一安装槽，所述陶瓷基板组件设置在所述第一安装槽内，所述传感器芯片设置在所述陶瓷基板组件上，所述封装端盖扣合在所述封装底座上，将所述传感器芯片和陶瓷基板组件封闭在所述封装底座与封装端盖组成的容纳空间内。

可选地，所述陶瓷基板组件包括：第一陶瓷基板和第二陶瓷基板，所述第一陶瓷基板设置在所述第二陶瓷基板上，所述第一陶瓷基板顶部开设有第二安装槽，所述传感器芯片设置在所述第一陶瓷基板上的第二安装槽内。

可选地，所述第二安装槽的四个边角处开设有四分之三圆的圆槽。

可选地，所述第一陶瓷基板和第二陶瓷基板的直径小于第一安装槽的直径，所述第一陶瓷基板和第二陶瓷基板与第一安装槽侧壁具有间隙。

可选地，所述第一陶瓷基板上在所述第二安装槽外周侧开设有多个第一通孔，所述第一通孔内填充电子浆料，所述第一通孔顶部焊接有第一接线焊盘，所述传感器芯片通过打线与所述第一接线焊盘连接，外传递传感器信号。

可选地，所述第二陶瓷基板上开设有与所述第一通孔数量对应的第二通孔，多个所述第二通孔的布局范围小于多个所述第一通孔的布局范围，所述第二通孔内填充电子浆料，所述第二通孔底端焊接有第二固定焊盘，所述第二固定焊盘上焊接有垂直于所述第二陶瓷基板的引线针，用于将传感器芯片的电信号导出。

可选地，所述第一陶瓷基板和第二陶瓷基板之间设置有由电子浆料形成的金属丝，所述金属丝两端分别连接第一通孔以及与该第一通孔对应的第二通孔内的电子浆料，将第一通孔与第二通孔导通，用于传递传感器信号。

可选地，所述电子浆料采用钼锰浆料等高温浆料。

可选地，所述封装端盖中心开设有感应通孔，所述感应通孔底部设置有与所述感应通孔连通的管状延伸部，所述管状延伸部一端与所述感应通孔连通，所述管状延伸部另一端抵顶在所述传感器芯片上，所述管状延伸部末端与传感器芯片焊接连接。

可选地，所述封装底座上第一安装槽中心开设有贯通封装底座的第三通孔，所述第三通孔位于第一安装槽一端设置有倒角。

本实用新型的有益效果在于，可以承受500℃以上的高温，封装结构适用于发动机的高温压力测量，陶瓷基板组件由第一陶瓷基板和第二陶瓷基板组成，所述第二陶瓷基板上第二通孔缩小布局范围可以有效的减小引线针后端分布，有利于缩小整体封装结构的体积，第三通孔上的倒角可以减小第二陶瓷基板与封装底座的接触面积，减小焊接面积以缩小高温下热应力，第二安装槽的四个边角处开设的圆槽，可以让焊料在压缩烧结时不会产生堆积，烧结难度低，气密性好，封装精度高，能够承受高温高压等恶劣环境，保证了压力传感器在高温环境下的性能，该结构可广泛应用于芯片的封装，不仅仅是压力传感器，其它惯性器件均可以使用该封装方式。

附图说明

图1为本实用新型实施例的整体封装结构示意图；

图2为本实用新型实施例的封装结构剖面示意图；

图3为本实用新型实施例的封装结构拆分状态示意图；

图4为本实用新型实施例的第一陶瓷基板俯视示意图；

图5为本实用新型实施例的第二陶瓷基板俯视示意图；

图6为本实用新型实施例的封装端盖剖面示意图；

图7为本实用新型实施例的封装底座剖面示意图；

图中所示，附图标记清单如下：

1-感应通孔；2-传感器芯片；3-封装端盖；31-管状延伸部；4- 第二固定焊盘；5-引线针；6-第一接线焊盘；7-第一陶瓷基板；71- 第二安装槽；72-第一通孔；8-第二陶瓷基板；81-第二通孔；9-封装底座；91-第一安装槽；92-第三通孔；10-圆槽；11-倒角。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的组合或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。另外，本实用新型实施例的描述过程中，所有图中的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等器件位置关系，均以图1为标准。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以下结合附图对本实用新型做进一步说明：

如图1-3所示，一种高温压力传感器封装结构，可以将传感器使用温度提升至500℃以上，最高可以提高到700℃以上，所述封装结构包括：

封装底座9、封装端盖3、传感器芯片2和陶瓷基板组件，所述封装底座9上设置有用于容纳陶瓷基板组件的第一安装槽91，所述陶瓷基板组件设置在所述第一安装槽91内，所述传感器芯片2设置在所述陶瓷基板组件上，所述封装端盖3扣合在所述封装底座9上，将所述传感器芯片2和陶瓷基板组件封闭在所述封装底座9与封装端盖3组成的容纳空间内。

如图2-3所示，所述陶瓷基板组件包括：第一陶瓷基板7和第二陶瓷基板8，所述第一陶瓷基板7设置在所述第二陶瓷基板8上，所述第一陶瓷基板7顶部开设有第二安装槽71，所述传感器芯片2设置在所述第一陶瓷基板7上的第二安装槽71内。所述传感器芯片2 可使用纳米银焊膏固定在所述第二安装槽71内，所述第二安装槽71 内部电镀有镍金。所述第一陶瓷基板7与第二陶瓷基板8可采用高温压缩连接为一体。所述第二安装槽71的四个边角处开设有四分之三圆的圆槽10，使点胶后焊料在压缩烧结时不会产生堆积，在焊料热压时不会溢出到芯片上。所述第一陶瓷基板7和第二陶瓷基板8均可采用95％以上氧化铝烧制而成，表面镀有金属抗氧化。

如图2所示，所述第一陶瓷基板7和第二陶瓷基板8的直径小于第一安装槽91的直径，所述第一陶瓷基板7和第二陶瓷基板8与第一安装槽91侧壁具有间隙，用于为高温下这陶瓷基板组件与封装底座9膨胀系数不一样预留膨胀空间。

如图3、4所示，所述第一陶瓷基板7上在所述第二安装槽71外周侧开设有多个第一通孔72，所述第一通孔72内填充电子浆料，所述第一通孔72顶部焊接有第一接线焊盘6，所述传感器芯片2通过打线与所述第一接线焊盘6连接，外传递传感器信号。

如图3、5所示，所述第二陶瓷基板8上开设有与所述第一通孔 72数量对应的第二通孔81，多个所述第二通孔81的布局范围小于多个所述第一通孔72的布局范围，所述第二通孔81内填充电子浆料，所述第二通孔81底端焊接有第二固定焊盘4，所述第二固定焊盘4上焊接有垂直于所述第二陶瓷基板8的引线针5，用于将传感器芯片 2的电信号导出。所述引线针5焊接在第二固定焊盘4上可保证垂直度及输出信号集中，所述引线针5表面镀有金属，例如镍金。所述第二陶瓷基板8上第二通孔81缩小布局范围可以有效的缩小多个引线针5的分布范围。

所述第一陶瓷基板7和第二陶瓷基板8之间设置有由电子浆料形成的金属丝，所述金属丝两端分别连接第一通孔72以及与该第一通孔72对应的第二通孔81内的电子浆料，将第一通孔72与第二通孔81导通，用于传递传感器信号。优选的，电子浆料采用钼锰浆料等高温浆料。

如图2-3所示，所述封装端盖3侧壁套设在所述封装底座9上，所述封装端盖3和封装底座9采用套管结构连接，采用激光焊接方式连接完成气密性要求。

如图2、6所示，所述封装端盖3中心开设有感应通孔1，所述感应通孔1底部设置有与所述感应通孔1连通的管状延伸部31，所述管状延伸部31一端与所述感应通孔1连通，所述管状延伸部31另一端抵顶在所述传感器芯片2上，所述管状延伸部31末端与传感器芯片2使用纳米银焊接满足气密性要求。所述管状延伸部31与封装端盖3侧壁之间形成容纳空间，方便对传感器芯片2进行打线。

如图2所示，所述感应通孔1用以将外界压力引入以便于传感器芯片2感受压力，所述封装端盖3整体材质根据温度区间可以选用不同的钢质材料。所述封装端盖3表面镀有防氧化金属层。所述感应通孔1小于2.2mm，直径较小，可减小芯片瞬态压力冲击时受力。

如图2、7所示，所述封装底座9上第一安装槽91中心开设有贯通封装底座9的第三通孔92，用于导出引线针5，所述第三通孔92 位于第一安装槽91一端设置有倒角11，用于减小第二陶瓷基板8与封装底座9的接触面积，减小焊接面积以缩小高温下热应力。

由于所述第二陶瓷基板8上第二通孔81缩小了引线针5的分布范围，封装底座9上的第三通孔92不需要开设很大就可以导出引线针5，将封装底座9的直径减小也可以满足要求，可有效的减小整体封装结构的体积。

如果不将引线针5的分布范围减小，由于封装底座内需要放置陶瓷基板，所以要留一个台阶放陶瓷基板，引线针范围较大的话，封装底座上的引线针导出孔分布太大就会导致台阶所需要的也大，最终封装底座也要跟着变大导致整体封装结构体积增加。

如图1所示，所述封装底座9外壁设置有螺纹，用于和测试环境相连，可以根据环境的不同更换尺寸或改变结构，所述封装底座9底端设置有多边形凸台，便于拧动旋转。

所述陶瓷基板组件可使用银铜等高温焊料焊接在第一安装槽91 内满足气密性要求，便于陶瓷基板和封装底座9形成间隙以适应高温工作环境。所述封装底座9整体材质与封装端盖3相同。所述封装底座9表面镀有防氧化金属层。

所述封装端盖3和封装底座9采用相同材料，用于保证高温下热膨胀系数相同，在本实施例中，所述封装端盖3和封装底座9整体材质都采用10#钢，表面镀有镍金属，可以根据温度器件选择不同的钢材料。所述第一陶瓷基板7和第二陶瓷基板8采用95％氧化铝陶瓷，表面均镀有镍金金属，以便于后期纳米银焊膏焊接，所述引线针5可采用4J29，并且表面也镀有镍金。

本实用新型的有益效果在于，可以承受500℃以上的高温，封装结构适用于发动机的高温压力测量，陶瓷基板组件由第一陶瓷基板和第二陶瓷基板组成，所述第二陶瓷基板上第二通孔缩小布局范围可以有效的减小引线针后端分布，有利于缩小整体封装结构的体积，第三通孔上的倒角可以减小第二陶瓷基板与封装底座的接触面积，减小焊接面积以缩小高温下热应力，第二安装槽的四个边角处开设的圆槽，可以让焊料在压缩烧结时不会产生堆积，烧结难度低，气密性好，封装精度高，能够承受高温高压等恶劣环境，保证了压力传感器在高温环境下的性能，该结构可广泛应用于芯片的封装，不仅仅是压力传感器，其它惯性器件均可以使用该封装方式。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种高温压力传感器封装结构，其特征在于，所述封装结构包括：

封装底座(9)、封装端盖(3)、传感器芯片(2)和陶瓷基板组件，所述封装底座(9)上设置有用于容纳陶瓷基板组件的第一安装槽(91)，所述陶瓷基板组件设置在所述第一安装槽(91)内，所述传感器芯片(2)设置在所述陶瓷基板组件上，所述封装端盖(3)扣合在所述封装底座(9)上，将所述传感器芯片(2)和陶瓷基板组件封闭在所述封装底座(9)与封装端盖(3)组成的容纳空间内。

2.根据权利要求1所述的高温压力传感器封装结构，其特征在于，所述陶瓷基板组件包括：第一陶瓷基板(7)和第二陶瓷基板(8)，所述第一陶瓷基板(7)设置在所述第二陶瓷基板(8)上，所述第一陶瓷基板(7)顶部开设有第二安装槽(71)，所述传感器芯片(2)设置在所述第一陶瓷基板(7)上的第二安装槽(71)内。

3.根据权利要求2所述的高温压力传感器封装结构，其特征在于，所述第二安装槽(71)的四个边角处开设有四分之三圆的圆槽(10)。

4.根据权利要求2所述的高温压力传感器封装结构，其特征在于，所述第一陶瓷基板(7)和第二陶瓷基板(8)的直径小于第一安装槽(91)的直径，所述第一陶瓷基板(7)和第二陶瓷基板(8)与第一安装槽(91)侧壁具有间隙。

5.根据权利要求2所述的高温压力传感器封装结构，其特征在于，所述第一陶瓷基板(7)上在所述第二安装槽(71)外周侧开设有多个第一通孔(72)，所述第一通孔(72)内填充电子浆料，所述第一通孔(72)顶部焊接有第一接线焊盘(6)，所述传感器芯片(2)通过打线与所述第一接线焊盘(6)连接，外传递传感器信号。

6.根据权利要求5所述的高温压力传感器封装结构，其特征在于，所述第二陶瓷基板(8)上开设有与所述第一通孔(72)数量对应的第二通孔(81)，多个所述第二通孔(81)的布局范围小于多个所述第一通孔(72)的布局范围，所述第二通孔(81)内填充电子浆料，所述第二通孔(81)底端焊接有第二固定焊盘(4)，所述第二固定焊盘(4)上焊接有垂直于所述第二陶瓷基板(8)的引线针(5)，用于将传感器芯片(2)的电信号导出。

7.根据权利要求6所述的高温压力传感器封装结构，其特征在于，所述第一陶瓷基板(7)和第二陶瓷基板(8)之间设置有由电子浆料形成的金属丝，所述金属丝两端分别连接第一通孔(72)以及与该第一通孔(72)对应的第二通孔(81)内的电子浆料，将第一通孔(72)与第二通孔(81)导通，用于传递传感器信号。

8.根据权利要求7所述的高温压力传感器封装结构，其特征在于，所述电子浆料采用高温浆料，包括钼锰浆料。

9.根据权利要求1所述的高温压力传感器封装结构，其特征在于，所述封装端盖(3)中心开设有感应通孔(1)，所述感应通孔(1)底部设置有与所述感应通孔(1)连通的管状延伸部(31)，所述管状延伸部(31)一端与所述感应通孔(1)连通，所述管状延伸部(31)另一端抵顶在所述传感器芯片(2)上，所述管状延伸部(31)末端与传感器芯片(2)焊接连接。

10.根据权利要求1所述的高温压力传感器封装结构，其特征在于，所述封装底座(9)上第一安装槽(91)中心开设有贯通封装底座(9)的第三通孔(92)，所述第三通孔(92)位于第一安装槽(91)一端设置有倒角(11)。

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