一种基于倒装芯片的温度压力集成传感器及其封装方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于倒装芯片的温度压力集成传感器及其封装方法。

背景技术

石油、化工、航空航天等行业都需要压力和温度传感器进行相应信号的测量，但如果分别用独立的压力传感器和温度传感器进行测量时，需要增开检测孔，安装工序也较为繁琐，能同时测量介质压力和温度的温度压力集成传感器的出现能很好地解决这些问题。

目前，温度压力集成传感器多数包括温度传感器和压力传感器两个模块。压力芯片的封装形式多为带金属丝引线的封装结构，包括充油式和非充油式。其中充油式的结构使用波纹片将芯片的正面电路密封于硅油中，与外界压力介质相隔离，从而保护传感器芯片，这种结构通过硅油将信号间接传递给传感器芯片，传导过程损耗大，不利于提高传感器温度压力检测的动态性能；另一种非充油式的结构将传感器芯片与金属引线外露，会带来诸如金属丝蠕变、脱落等的不可预估的问题，影响传感器的稳定性和可靠性。

发明内容

本发明提供了一种基于倒装芯片的温度压力集成传感器及其封装方法，能够满足温度、压力同时测量的应用需求，同时具有高动态性、高可靠性的特点。

为达到上述目的，本发明所述一种基于倒装芯片的温度压力集成传感器，包括压力芯片、温度芯片、陶瓷PCB板、信号调理电路板、多个可伐引脚和基座，压力芯片和温度芯片均具有第一表面和第二表面，第一表面为压力和温度敏感表面，第二表面上设置有金属焊盘；

基座上部安装有陶瓷PCB板，陶瓷PCB板上表面布置有第一贴装焊盘、第一焊盘引线、第二贴装焊盘和第二焊盘引线，陶瓷PCB板上开设有第一通孔和第二通孔，在第一通孔内壁和表面沉积金属形成第一通孔焊盘，在第二通孔内壁和表面沉积金属形成第二通孔焊盘，第一贴装焊盘与压力芯片的金属焊盘连接，第二贴装焊盘和温度芯片的金属焊盘连接，第一贴装焊盘与第一通孔焊盘通过第一焊盘引线相连，第二贴装焊盘与第二通孔焊盘通过第二焊盘引线相连；

一部分可伐引脚一端穿过基座上开设的第三通孔以及陶瓷PCB板上开设的第一通孔与第一通孔焊盘连接，另一部分可伐引脚一端穿过基座上开设的第三通孔以及陶瓷PCB板上开设的第二通孔与第二通孔焊盘连接，可伐引脚另一端与信号调理电路板的信号输入孔相连接，可伐引脚位于第三通孔中的部分通过封接玻璃与基座烧结固化。

进一步的，信号调理电路板采用柔性电路板，用于压力芯片输出信号的调理和传输，信号调理电路板上设置有信号输入孔和压力信号输出孔和温度信号输出孔，信号调理电路板折叠并固定于基座下方开口内。

进一步的，第一贴装焊盘、第二贴装焊盘、第一通孔焊盘和第二通孔焊盘表面沉金。

进一步的，陶瓷PCB板的材料为氮化铝。

进一步的，基座上设置有螺纹结构和六角头结构。

一种上述的基于倒装芯片的温度压力集成传感器的封装方法，包括以下步骤：

步骤1、将压力芯片的金属焊盘与陶瓷PCB板上的第一贴装焊盘焊接，温度芯片的金属焊盘与陶瓷PCB板上的第二贴装焊盘焊接；

步骤2、将可伐引脚穿过基座上的第三通孔，用封接玻璃将可伐引脚位于第三通孔的部分和第三通孔烧结固化形成密封的整体；

步骤3、将部分可伐引脚上端露出部分分别插入陶瓷PCB板上的第一通孔内并与第一通孔焊盘焊接；另一部分可伐引脚插入陶瓷PCB板上的第二通孔内并与第二通孔焊盘焊接；

步骤4、将可伐引脚下端露出部分与信号调理电路板的信号输入孔相连接，并将其折叠放置于基座下方开口中，然后通过环氧胶固定。

进一步的，步骤1中，先将焊球放在金属焊盘和贴装焊盘之间，然后用整体加热基座的方式，使金属焊盘和贴装焊盘间的焊球融化以进行焊接。

进一步的，步骤4中，每折叠一次信号调理电路板，涂置一层环氧胶。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明将温度芯片和压力芯片一体封装，使得其能够同一时间精确地感知被测介质的温度和压力，同时压力芯片的压力敏感面朝上，使其背腔直接感受环境压力，温度芯片直接与环境接触，感知环境温度，提高了传感器的响应速度与动态测量精度，扩宽了传感器的频率响应范围。本发明通过陶瓷PCB板将传感器芯片的金属焊盘间接转换至可伐引脚，通过陶瓷PCB板的设计方便地引出信号，增大了各种规格传感器芯片的适配性。

本发明采用无引线封装结构，通过传感器芯片倒装与陶瓷PCB板贴装焊接，取消了传统的金属丝引线结构，能够保证传感器具有简单的封装工艺和良好的封装强度；利用陶瓷PCB板作为传感器芯片和基座之间过渡，陶瓷PCB板和传感器芯片的硅材料热膨胀系数接近，使得整体结构由于热膨胀系数差异产生的内部热应力得到有效的降低；进一步的，陶瓷PCB板放置于基座的上方空腔，外界环境的压力经过上方空腔传递到陶瓷PCB板进而传递到基座上，使基座承压，这种基座结构一体化的设计使传感器能承受35MPa以上的压力，提高其可靠性和耐压性。

进一步的，陶瓷PCB板的材料为氮化铝，氮化铝和硅的热膨胀系数更为接近，使得整体结构由于热膨胀系数差异产生的内部热应力更低。

进一步的，基座上设置有螺纹结构和六角头结构，螺纹结构用于外部固定件相连接，六角头结构方便传感器的安装与拆卸。

本发明所述的方法，将可伐引脚穿过第三通孔和通孔焊盘，使可伐引脚通过通孔焊盘和贴装焊盘连接，再通过贴装焊盘连接至传感器芯片的金属焊盘，操作方法简便，由于可伐引脚间接和金属焊盘连接，使可伐引脚的直径不再影响本封装结构能够封装的压力传感器芯片的大小，增大了各种规格传感器芯片的适配性。

进一步的，信号调理电路板每折叠一次需要涂置一层环氧胶，用于固定电路板的同时防止各元器件之间的误触或短路。

附图说明

图1为本发明的整体示意图；

图2为本发明陶瓷PCB板示意图；

图3为本发明陶瓷PCB板剖面示意图；

图4为信号调理电路板示意图；

图5为基座的半剖图；

图6为基座的剖面图；

图7为基座的立体图。

附图中：11-压力芯片，12-温度芯片，2-陶瓷PCB板，3-可伐引脚，4-封接玻璃，5-基座，6-环氧胶，7-信号调理电路板，21-第一贴装焊盘，22-第一焊盘引线，23-第一通孔焊盘，24-第二贴装焊盘，25-陶瓷基板，26-第二焊盘引线，27-第二通孔焊盘，28-绝缘绿油，51-螺纹结构，52-六角头结构，53-第一空腔，54-第三通孔，55-第二空腔，56-下方开口，7-信号调理电路板，71-第一电路板，72-第二电路板，73-连接部，74-信号输入孔，75-压力信号输出孔，76-温度信号输出孔，77-接地孔，78-电源连接孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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发明中的具体含义。

参照图1，本发明实施例提供的一种基于倒装芯片的温度压力集成传感器，包括：压力芯片11、温度芯片12、陶瓷PCB板2、可伐引脚3、封接玻璃4、基座5和信号调理电路板7。基座5采用耐腐蚀、耐高温的金属材料，例如不锈钢。

压力芯片11具有第一表面和第二表面，第一表面为压力敏感表面，第二表面上设置有金属焊盘。

参照图2，陶瓷PCB板2上表面记为第三表面，下表面记为第四表面，为清楚起见，图2只给出了陶瓷PCB板第三表面的视图，第三表面上设置有第一贴装焊盘21、第一焊盘引线22、第一通孔焊盘23、第二贴装焊盘24、第二焊盘引线26和第二通孔焊盘27，第一贴装焊盘21与压力芯片11的金属焊盘位置相对应并相连，第二贴装焊盘24与温度芯片12的金属焊盘位置相对应并相连；传感器封装完毕后，第一贴装焊盘21在压力芯片11的金属焊盘的正下方，第二贴装焊盘24在温度芯片12的金属焊盘的正下方。第一通孔焊盘23和第二通孔焊盘27与六个可伐引脚3位置相对应并相连，第一贴装焊盘21与第一通孔焊盘23通过陶瓷PCB板2上第一焊盘引线22相连，第二贴装焊盘24与第二通孔焊盘27通过陶瓷PCB板2上第二焊盘引线26相连，第一焊盘引线22和第二焊盘引线26上均覆盖绝缘绿油28。四个第一通孔焊盘23和两个第二通孔焊盘27的中心均匀分布在同一个圆的圆周上。第一贴装焊盘21、第二贴装焊盘24、第一通孔焊盘23和第二通孔焊盘27表面沉金。

陶瓷PCB板2的材料优选为氮化铝，相比氧化铝，氮化铝和硅的热膨胀系数更为接近。

参照图3，陶瓷PCB板沿H-H的剖面示意图，应理解，图示上方为第三表面，下方为第四表面。在陶瓷基板25上开设有多个与可伐引脚3位置相对应的第一通孔，在第一通孔和第二通孔内壁和表面区域沉积金属形成第一通孔焊盘23和第二通孔焊盘27；同时，在与压力芯片11和温度芯片12的第二表面上金属焊盘位置相对应的地方形成第一贴装焊盘21和第二贴装焊盘24；通过第一焊盘引线22将第一贴装焊盘21与第一通孔焊盘23相连接，第二焊盘引线26将第二贴装焊盘24与第二通孔焊盘27相连接，起导电效果。另外，还需要在焊盘引线22以及没有焊盘的区域形成阻焊层，即采用绝缘绿油将这些区域覆盖，从而提升电气稳定性。

应理解，图2和图3所示的陶瓷PCB板上的贴装焊盘和通孔焊盘的数量与位置是根据传感器芯片金属焊盘的数量与位置以及可伐引脚的数量与位置来确定，本实施例仅表示一种情况。同时焊盘引线是为了导通，对其布线路径不作限定。

参照图4，所述信号调理电路板7采用柔性电路板制成，信号调理电路板7上布置有调理电路，信号调理电路板7分为依次连接的第一电路板71、连接部73和第二电路板72，第一电路板71上六个呈圆环形布置的信号输入孔74，信号输入孔74与六个可伐引脚3相连，第二电路板72上设置有压力信号输出孔75、温度信号输出孔76、接地孔77和电源连接孔78。其中压力信号输出孔75用于输出经过调理后的传感器最终压力信号，温度信号输出孔76可用于输出经过调理后的传感器最终温度信号，接地孔77用于接地，电源连接孔78用于连接供电电源。

参照图5至图7，基座5内部自上至下依次开设有第一空腔53、多个第三通孔54、第二空腔55以及下方开口56。其中，第三通孔54的数量为第一通孔和第二通孔的数量之和，且当陶瓷PCB板2安装在第一空腔53中时，陶瓷PCB板2上的各个第一通孔或第二通孔的中轴线和第三通孔54的中轴线共线。基座5上设置有螺纹结构51和六角头结构52，螺纹结构51可与外部固定件(例如压力管道)相连接，六角头结构52方便传感器的安装与拆卸。

可伐引脚3共有两组，第一组包括4根可伐引脚3，用于连接压力芯片11和压力芯片的信号输入孔；第二组包括2根可伐引脚3，用于连接温度芯片12和温度芯片的信号输入孔，第一组可伐引脚3沿第三通孔54和第一通孔伸入至陶瓷PCB板2上端面，与第三表面的第一通孔焊盘23相焊接；第二组可伐引脚3沿第三通孔54和第二通孔伸入至陶瓷PCB板2上端面，与第三表面的第二通孔焊盘27相焊接；封接玻璃4填充于第三通孔内，并且第三通孔内的可伐引脚3通过封接玻璃4与基座5烧结固化。

压力芯片11的第一表面和温度芯片12的第一表面通过基座5的第一空腔53与外界相通，所述可伐引脚3通过基座5的下方开口56与信号调理电路板7的信号输入孔74相连，信号输出孔输出最终的温度和压力信号。

参照图1，本发明实施例具体的封装方法，包括以下步骤：

1)将可伐引脚3置于基座5的第三通孔54之中，通过封接玻璃4烧结固化形成一个密封的整体，将基座5的上、下两个空腔隔开。可伐引脚3上方露出部分长度略大于陶瓷PCB板2厚度，方便与通孔焊盘相焊接，下方露出部分长度应该以方便连接信号调理电路板7为宜。

2)将压力芯片11和温度芯片12的金属焊盘与陶瓷PCB板2上的第一贴装焊盘21和第二贴装焊盘24位置相对应——即压力芯片11的金属焊盘位于第一贴装焊盘21正上方，温度芯片12的金属焊盘位于第二贴装焊盘24正上方，在通过整体加热基座5使金属焊盘和第一贴装焊盘21或第二贴装焊盘24间的焊球融化，待冷却之后，压力芯片11和温度芯片12贴装在陶瓷PCB板2上；

3)将可伐引脚3上方露出部分插入经过步骤2)之后的陶瓷PCB板2上的通孔焊盘内，在陶瓷PCB板2的第三表面通过焊锡将可伐引脚3与通孔焊盘焊接在一起；

4)将信号调理电路板7的六个信号输入孔74与六个可伐引脚3下方露出部分分别相连，去除可伐引脚3的多余部分，将信号调理电路板7第一电路板71两面涂覆环氧胶6，将连接部73和第二电路板72折叠，然后在连接部73和第二电路板72两面涂覆一层环氧胶6，最终使第一电路板71、连接部73和第二电路板72自上至下依次排布，且第一电路板71、连接部73和第三部分74通过环氧胶6固定在一起，使整个信号调理电路板7全部放置于基座5的下方开口56中。

5)将基座5通过螺纹结构51与目标固定件相连接。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。