[发明专利]一种压力传感器的封装结构及方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电子封装技术领域，特别涉及一种压力传感器的封装结构及方法。

背景技术

压力传感器在工业生产、医疗卫生、环境监测以及科学研究等众多领域有着广泛的应用，其基本原理是将压力变化值转换为电信号的变化。利用压力传感器将压力变化信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能复合的微型智能系统，不仅可以降低整个机电系统的成本，而且还可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务；此外，还可以将压力传感器嵌入大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。压力传感器是传统机械上的微小型化成果，是整个纳米科学技术的重要组成部分。

压力传感器用于压力测量时，其传感器芯片通常必须直接暴露在被测量的各种恶劣环境中，这就要求压力传感器的封装既能保护芯片，又能真实传递压力，因此，其封装要求和难度相当高。概括地说，压力传感器的封装应该满足以下几方面的要求：1）具有良好的机械支撑，抗振动、抗冲击；2）避免复杂环境（如高温、高热、高湿等）对芯片的影响；3）封装结构应具有良好的电气绝缘性和电磁屏蔽性；4）具有良好的密封性，以隔离腐蚀气体、流体或水气等；5）封装后芯片通过外引出线(或称引脚)与外部系统有方便和可靠的电连接；6）低成本，封装形式与标准制造工艺兼容。

压力传感器的可靠性在很大程度上取决于封装的可靠性，使得压力传感器的封装结构及工艺的设计显得尤为重要。压力传感器封装的根本目的是保障传感器芯片在其使用环境中长期的、完整的、准确地实现各项功能，封装材料、结构及封装工艺的选择都将严重影响传感器的性能和可靠性，同时在封装过程中不同的封装工艺都将对材料、结构的可靠性产生重大影响；在长期使用中环境的变化（如温度、压力等外部条件）也将影响封装材料的性能及封装结构的稳定性。另外，封装过程中要求最小的残余应力，封装的形式与结构优化要求尽量减小与时间相关的应力和应变，防止传感器在寿命期内失效。

目前广泛应用的很多压力传感器，由于在结构设计及材料选型上没有综合考虑应用环境，因此在封装的气密性及复杂环境下的可靠性并不能很好地满足要求，如高低温循环应用场合的热失效引起机械可靠性问题；此外，现有压力传感器的封装工艺复杂、生产成本高、效率低。

发明内容

为了解决现有压力传感器封装工艺过程步骤繁琐，封装的气密性和可靠性差，以及生产成本高等问题，本发明提供了一种压力传感器的封装结构，包括：上盖板、下盖板和带有振动薄膜的压力传感器芯片；所述下盖板上设置有第一矩形凹槽和第二矩形凹槽；所述第二矩形凹槽内嵌入所述第一矩形凹槽的底部，使所述第一矩形凹槽和第二矩形凹槽连通形成两级空腔结构；所述第一矩形凹槽的底部设置有贯穿下盖板的通孔，与压力传感器芯片的凸点相连；所述通孔的上下表面连接焊盘和布线层；所述压力传感器芯片凸点与通孔连接，使所述压力传感器芯片嵌入所述第一矩形凹槽内部，且与所述第一矩形凹槽密封连接；所述上盖板上设置有第三矩形凹槽，所述第三矩形凹槽的底部中心处设置有贯穿所述上盖板的通孔；所述压力传感器芯片位于所述上盖板与下盖板连接所形成的空间内部。

所述压力传感器芯片与第一矩形凹槽密封连接采用绝缘密封材料密封。

所述上盖板与下盖板连接采用粘合剂实现。

所述第一矩形凹槽的宽度大于所述压力传感器芯片的直径；所述第二矩形凹槽的宽度大于所述压力传感器芯片的振动薄膜的直径；所述第三矩形凹槽的宽度大于所述第一矩形凹槽的宽度；所述上盖板通孔的直径不大于压力传感器芯片的振动薄膜的直径。

所述上盖板和下盖板均由陶瓷基板制备而成。

所述压力传感器芯片由碳化硅或氮化铝制成；所述压力传感器芯片的中间区域为凹型空腔结构，所述凹型空腔的薄底区域为振动膜，所述凹型空腔的背面为布线层，所述布线层上设置有凸点。

本发明还提供了一种压力传感器的封装方法，包括：

采用陶瓷基板制备下盖板，并在所述下盖板上设置第一矩形凹槽和第二矩形凹槽，所述第二矩形凹槽内嵌入所述第一矩形凹槽的底部，使所述第一矩形凹槽和第二矩形凹槽连通形成两级空腔结构；在所述第一矩形凹槽的底部设置通孔，所述通孔用于传递压力传感器芯片的电信号，并在所述通孔的上下表面设置焊盘和布线层；

将带有振动薄膜的压力传感器芯片凸点与所述通孔连接，使所述压力传感器芯片嵌入所述第一矩形凹槽内部，且与所述第一矩形凹槽密封连接；

采用陶瓷基板制备上盖板，并在所述上盖板上设置第三矩形凹槽，在所述第三矩形凹槽的底部中心处设置有贯穿所述上盖板的通孔；