电磁屏蔽封装结构及其制备方法和低温温度传感器

技术领域

本发明涉及电磁屏蔽技术领域，具体地，涉及一种电磁屏蔽封装结构及其制备方法和低温温度传感器。

背景技术

随着物理研究、低温超导技术、空间科学、生物医学等方面的快速发展，我们对低温测量的准确度要求越来越高，测量的环境也不断向深低温、强电磁场等极端领域延伸。比如我们熟知的超导磁体，本身就需要在深低温下工作并产生强磁场环境，广泛应用于磁悬浮、低温医疗里的核磁共振、电机制造等领域。而它在低温运行时，一个很小的温度波动可能就会导致磁体的失超，由此离不开精确的低温测量技术。但在磁场环境下，测量温度的低温温度计的电阻会由于受到磁场的影响而发生变化，即产生磁阻效应，使得温度计不能如实反映当前低温状态，影响超导装置的实际运行。因此有必要对低温温度传感器进行电磁屏蔽封装设计。

授权公告号为CN217442718U的中国实用新型专利，公开一种高精度一体式NTC温度传感器，包括：传感器处理机构，所述传感器处理机构包括外壳和封装层，所述封装层设置在所述外壳的内腔，所述封装层包括外封装层、电磁屏蔽层和内封装层，所述电磁屏蔽层设置在所述外封装层与所述内封装层之间，所述外封装层上远离所述电磁屏蔽层的一侧与所述外壳的内腔侧壁相接触，所述传感器处理机构还包括热敏元件和第一导线，所述热敏元件和所述第一导线封装在所述内封装层的内侧通过电磁屏蔽层隔绝外部的电磁，防止外部电磁对热敏元件影响。但是该专利在屏蔽效果方面有待进一步提高，且制造工艺较为复杂。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电磁屏蔽封装结构及其制备方法和低温温度传感器。

根据本发明的第一方面，提供一种用于低温温度传感器的电磁屏蔽封装结构，包括：

基底；

中间腔体，设于所述基底上，所述中间腔体包括下材料层和上材料层，所述下材料层的中部设有镂空部，所述镂空部用于容置温度传感器芯片；所述上材料层盖合于所述镂空部上方；

电极，形成于所述下材料层的上表面且位于所述镂空部两侧，所述上材料层覆盖部分所述电极；

引线，用于连接所述温度传感器芯片与所述电极；

第一电磁屏蔽层，设于所述封装结构的内壁或外壁，用于屏蔽高频磁场；

第二电磁屏蔽层，设于所述封装结构的内壁或外壁，用于屏蔽低频磁场；所述第一电磁屏蔽层和所述第二电磁屏蔽层均采用耐低温电磁屏蔽材料形成。

可选的，所述上材料层位于所述下材料层的中间部位，所述上材料层靠近所述下材料层的表面呈环形，所述环形的尺寸大于所述镂空部的尺寸，所述环形覆盖部分所述电极。

可选的，所述上材料层在与所述镂空部对应的位置形成镂空区域，所述上材料层的上方设有用于盖合所述镂空区域的封盖。

可选的，所述封盖的材料为氧化铝陶瓷。

可选的，具有以下一种或多种特征：

-所述第一电磁屏蔽层的材料为高纯铝；

-所述第二电磁屏蔽层的材料为铁镍软磁合金。

可选的，具有以下一种或多种特征：

-所述基底的材料为蓝宝石或氧化铝陶瓷；

-所述上材料层的材料为氧化铝陶瓷；

-所述下材料层的材料为氧化铝陶瓷；

-所述电极的材料为金；

-所述引线的材料为金。

可选的，所述第一电磁屏蔽层和所述第二电磁屏蔽层的覆盖区域与所述电极之间均留有间隙，以避免电磁屏蔽材料与电极发生短路。

根据本发明的第二方面，提供一种上述的用于低温温度传感器的电磁屏蔽封装结构的制备方法，包括：

提供用于制备中间腔体的两材料片，并在两材料片的上表面分别形成导电层；

对两材料片分别按预设要求打孔镂空，并在镂空处的内壁分别沉积符合预设要求的电磁屏蔽材料；

提供衬底，于衬底上表面沉积符合预设要求的电磁屏蔽材料，得到封装基底；

将形成下材料层的材料片与封装基底进行低温烧结，经切割后得到单个封装基座；

对封装基座的外表面除电极部分都沉积符合预设要求的电磁屏蔽材料；

将温度传感器芯片用共晶焊方法焊于封装基座内；

用引线键合温度传感器芯片和电极；

将形成上材料层的材料片通过共晶焊方法连接于中间腔体上方，得到用于低温温度传感器的电磁屏蔽封装结构。

可选的，在制备过程中采用机器视觉对准组装方法对准封装组件，包括：

对准时抓取封装组件的各处坐标；

将所述各处坐标与标准坐标进行对比，得到实际偏差；

判断所述实际偏差是否超出设定偏差范围；

若所述实际偏差没有超出设定偏差范围，则完成对准进行组装；

若所述实际偏差超出设定偏差范围，则将所述实际偏差的二分之一作为坐标补偿值进行下一次对准，直至实际偏差不再超出设定偏差范围，完成对准进行组装。

根据本发明的第三方面，提供一种低温温度传感器，该低温温度传感器包括上述的用于低温温度传感器的电磁屏蔽封装结构。

与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果：

1、本发明通过第一电磁屏蔽层和第一电磁屏蔽层之间的配合，对位于封装结构腔体内的温度传感器芯片提供双层电磁屏蔽作用，通过第一电磁屏蔽层屏蔽低频磁场，通过第二电磁屏蔽层屏蔽高频磁场，能够为低温温度传感器芯片全方位有效屏蔽高频和低频电磁干扰和静磁场，能够提高低温传感器的抗电磁干扰能力，从而提升低温传感器在电磁场环境下的测温精度。

2、本发明采用高温共烧陶瓷工艺制备电磁屏蔽封装结构，具有制备工艺简单、与MEMS工艺相兼容、生产效率高等优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中用于低温温度传感器的电磁屏蔽封装结构的结构示意图一；

图2为本发明一实施例中用于低温温度传感器的电磁屏蔽封装结构的结构示意图二；

图3为本发明另一实施例中用于低温温度传感器的电磁屏蔽封装结构的结构示意图一；

图4为本发明另一实施例中用于低温温度传感器的电磁屏蔽封装结构的结构示意图一；

图5为本发明一实施例中用于低温温度传感器的电磁屏蔽封装结构的制备方法的流程示意图；

图6为本发明一实施例中机器视觉方法辅助对准组装的流程示意图；

图中：1-基底，2-下材料层，3-电极，4-上材料层，5-温度传感器芯片，6-引线，7-封盖，8-第一电磁屏蔽层，9-第二电磁屏蔽层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1-2，本发明一实施例提供的用于低温温度传感器的电磁屏蔽封装结构，包括基底1、中间腔体、电极3、引线6、第一电磁屏蔽层8和第二电磁屏蔽层9，其中：中间腔体设于基底1上，中间腔体由两层材料叠加放置形成，包括下材料层2和上材料层4，下材料层2的中部设有镂空部，镂空部用于容置温度传感器芯片5，即温度传感器芯片5位于基底1上，同时在中间腔体之内；上材料层4盖合于镂空部上方；电极3形成于下材料层2的上表面且位于镂空部两侧，上材料层4覆盖部分电极3；通过中间腔体，该封装结构形成具有腔体的结构；引线6用于连接温度传感器芯片5与电极；第一电磁屏蔽层8设于封装结构的内壁或外壁，用于屏蔽高频磁场；第二电磁屏蔽层9设于封装结构的内壁或外壁，用于屏蔽低频磁场；具体地，如图1-2示出的封装结构，第一电磁屏蔽层8位于封装结构的内壁，第二电磁屏蔽层9位于封装结构的外壁，第一电磁屏蔽层8和第二电磁屏蔽层9均采用耐低温电磁屏蔽材料，通过第一电磁屏蔽层8和第二电磁屏蔽层9之间的配合实现双层屏蔽的效果。

上述实施例中，温度传感器芯片5位于覆有双层耐低温电磁屏蔽材料的封装结构内，通过第一电磁屏蔽层8屏蔽低频磁场，通过第二电磁屏蔽层9屏蔽高频磁场，能够为低温温度传感器芯片5全方位有效屏蔽高频和低频电磁干扰和静磁场，从而可以显著提升低温温度传感器在强磁场环境下的测温精度。

在一些实施方式中，下材料层2中部镂空部的形状为方形，镂空部的尺寸大于温度传感器芯片5的尺寸，以利于放置温度传感器芯片5。上材料层4靠近下材料层2的表面呈环形，该环形的尺寸大于下材料层2镂空部的尺寸，以实现完全盖合下方的镂空部，上材料层4位于下材料层2的中间部位，使得环形覆盖部分电极3，即电极3部分裸露于上材料层4的环形之外。上材料层4做厚并且不打穿，使其兼具封盖的部分，该结构有利于减少制作工艺流程。

在一些实施方式中，第一电磁屏蔽层8的材料为高纯铝，其低温性能好，导电率高，能在高频电磁场干扰中产生的涡流，形成对外来电磁波的抵消作用，以实现屏蔽高频磁场。第二电磁屏蔽层9的材料为铁镍软磁合金，其低温下具有极高的磁导率，能在低频电磁场干扰中使磁力线限制在屏蔽体内部，防止其扩散到屏蔽的空间，以实现屏蔽低频磁场，高纯铝和铁镍软磁合金两者配合使用达到高频与低频电磁场双层屏蔽的效果。当然，在其他一些实施方式中，还可以采用其他种类的电磁屏蔽材料，只要能够实现上述相同的功能即可。

上述实施例中，两层电磁屏蔽材料可以分别沉积于封装结构的内壁(腔体之内)和外壁(腔体之外)，例如，基底1上表面覆有高纯铝电磁屏蔽材料作为内部屏蔽层，其余表面覆有铁镍软磁合金电磁屏蔽材料作为外部屏蔽层。下材料层2镂空处的四壁覆有高纯铝电磁屏蔽材料作为内部屏蔽层，下材料层2外侧四壁覆有铁镍软磁合金电磁屏蔽材料作为外部屏蔽层。上材料层4环形内壁覆有高纯铝电磁屏蔽材料作为内部屏蔽层，上材料层4外侧四壁覆有铁镍软磁合金电磁屏蔽材料作为外部屏蔽层，形成图1-2所示的第一电磁屏蔽层8在腔体之内、第二电磁屏蔽层9在腔体之外的封装结构。当然，也可以将内外两种电磁屏蔽材料的沉积位置进行交换。两层电磁屏蔽材料还可以全部沉积在腔体之内或者腔体之外，均可以实现对高频和低频电磁的双层屏蔽的效果。

在一些实施方式中，基底1的材料为蓝宝石，其在低温下具有高导热率，响应速度更快；或者采用氧化铝陶瓷，其工艺稳定，热导率高，是相对成熟的封装材料。上材料层4的材料为氧化铝陶瓷，下材料层2的材料为氧化铝陶瓷，氧化铝陶瓷作为生陶瓷，适用小型封装，其气密性好，粘附力强，不容易脱帽，机械性能好，受到冲击后不容易破裂，可靠性较高。

温度传感器芯片5置于基底1上，中间腔体的内部，下层材料镂空处的两边上表面覆有导电层作为电极3(即管壳电极)，通过引线6连接温度传感器芯片5的电极与管壳电极。在一些实施方式中，电极3的材料为金，导电性优良稳定；引线6的材料为电阻较低的金，以利于提高温度测量的精度。当然，在其他一些实施方式中，电极3和引线6还可以采用其他种类的材料，只要能够实现上述相同的功能即可。

在一些实施方式中，第一电磁屏蔽层8和第二电磁屏蔽层9的覆盖区域与电极3之间均留有间隙，即电磁屏蔽材料覆盖区域与导电层之间留有一定间隙区域，从而可以避免电磁屏蔽材料与电极3(或者导电层)发生短路。

为了进一步避免短路问题，间隙区域覆有绝缘材料，绝缘材料可以采用现有的材料。

参照图3-4，本发明另一实施例提供的用于低温温度传感器的电磁屏蔽封装结构，其与上述实施例的区别在于，上材料层4在与镂空部对应的位置形成镂空区域，上材料层4的上方设有用于盖合镂空区域的封盖7。

在一些实施方式中，封盖7的材料为氧化铝陶瓷，该材料适用小型封装并且可靠性较高。

上述实施例中，封盖7靠近腔体的表面(下表面)即为封装结构内壁的一部分，封盖7的其他表面为封装结构外壁的一部分，第一电磁屏蔽层8位于封盖7的下表面或其他表面，第二电磁屏蔽层9位于封盖7的下表面或其他表面，在一具体实施方式中，封盖7下表面覆有高纯铝电磁屏蔽材料作为内部屏蔽层，其余表面覆有铁镍软磁合金电磁屏蔽材料作为外部屏蔽层。需要说明，高纯铝电磁屏蔽材料和铁镍软磁合金电磁屏蔽材料的沉积位置可以互换，二者也可以同时沉积于封盖7的下表面或其他表面，均可以实现双层屏蔽的效果。

基于同样的发明构思，本发明另一实施例还提供一种上述的用于低温温度传感器的电磁屏蔽封装结构的制备方法，该方法包括：

S1、提供用于制备中间腔体的两材料片，并在两材料片的上表面都分别形成导电层作为电极；

S2、对两材料片分别按预设要求打孔镂空，并在镂空处的内壁分别沉积符合预设要求的电磁屏蔽材料。

S3、提供衬底，于衬底上表面沉积符合预设要求的电磁屏蔽材料，得到封装基底；

S4、将形成下材料层的材料片与封装基底进行低温烧结，经切割后得到单个封装基座；该封装基座包括基底和下材料层，其中，下材料层的上表面位于镂空部两侧设有电极(导电层)，下材料层的中部设有用于容置温度传感器芯片的镂空部。

S5、对封装基座的外表面除电极部分都沉积符合预设要求的电磁屏蔽材料；

S6、将温度传感器芯片用共晶焊方法焊于封装基座内。

S7、用引线键合温度传感器芯片和电极；

S8、将形成上材料层的材料片通过共晶焊方法连接于中间腔体上方，得到用于低温温度传感器的电磁屏蔽封装结构。

上述实施例中，在步骤S2、S4、S6和S9中，预设要求包括以下几种情况：(1)第一电磁屏蔽材料和第二电磁屏蔽材料均形成于腔体内部；(2)第一电磁屏蔽材料和第二电磁屏蔽材料均形成于腔体外部；(3)第一电磁屏蔽材料形成于腔体内部，第二电磁屏蔽材料形成于腔体外部；(4)第一电磁屏蔽材料形成于腔体外部，第二电磁屏蔽材料形成于腔体内部。第一电磁屏蔽材料和第二电磁屏蔽材料的种类不同，二者分别用于屏蔽低频磁场和高频磁场，从而实现双层屏蔽。以在腔体内部形成第一电磁屏蔽层8、在腔体外部形成第二电磁屏蔽层9的电磁屏蔽封装结构为例，在步骤S2中，在镂空处的内壁分别沉积第一电磁屏蔽材料；在步骤S4中，于衬底上表面沉积第一电磁屏蔽材料；在步骤S6中，对封装基座的外表面除电极部分都沉积第二电磁屏蔽材料；在步骤S9中，于第三材料片的下表面沉积第一电磁屏蔽材料，其余表面沉积第二电磁屏蔽材料。

需要说明，对于无封盖的封装结构，上材料层即作为封盖，使上材料层做厚并且不打穿，即可使其兼具封盖的功能。下材料层即作为容纳低温温度传感器腔体，在将下材料层与封装基底低温烧结，经切割得到封装基座后即可将温度传感器芯片焊于封装基座内。焊接具体实现方法为在10-4pa下真空加热到380℃，用铝锗共晶焊方法熔融并浸润焊接低温温度传感器芯片，固化后即完成焊接。将兼具封盖功能的上材料层直接热压于下材料层即可实现封装。对于有封盖的封装结构，在步骤S2和步骤S3之间还包括：将两材料片叠放在一起，通过热压形成腔体结构；在步骤S4中相应地为将腔体结构与封装基底进行低温烧结，封装基座还包括上材料层，上材料层靠近下材料层的表面呈环形，环形覆盖部分电极；在步骤S7之后包括：提供作为封盖的第三材料片，于第三材料片的下表面和其余表面沉积符合预设要求的电磁屏蔽材料；在步骤S8中相应地为将封盖通过共晶焊方法连接于中间腔体上方。

在一具体实施方式中，参照图5，用于低温温度传感器的电磁屏蔽封装结构的制备方法包括以下步骤：

步骤1、参照图5(a)，通过流延成型方法制备三片生陶瓷片，用于制作中间腔体和封盖，生陶瓷片的厚度为300μm；

步骤2、参照图5(b)，对用于制备中间腔体的两片生陶瓷片分别在其上表面进行金浆丝网印刷，金浆层的厚度为40μm；

步骤3、参照图5(c)，对这两片陶瓷片分别打所需尺寸的方形孔，形成中间腔体中的上材料层和下材料层，下材料层经过打孔后，镂空部分的两边因覆有金浆而作为电极层，上材料层经打孔后环形的内环面积大于下材料层镂空面积，使得下材料层的电极部分裸露于内环；

步骤4、参照图5(d)，两层材料镂空处的内壁分别沉积高纯铝电磁屏蔽材料；沉积方式不局限于蒸镀、溅射、丝网印刷等方式，沉积时可设置挡板使得电磁屏蔽材料覆盖区域与导电层之间留有一定间隙区域，确保电磁屏蔽材料与导电层不会短路；

步骤5、参照图5(e)，两层材料叠放在一起，上材料层置于下材料层中间使得下材料层的两边电极部分裸露于内环，通过热压形成腔体结构；

步骤6、参照图5(f)，选用厚度为300μm蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上表面沉积高纯铝电磁屏蔽材料，得到封装基底，沉积方式不局限于蒸镀、溅射、丝网印刷等方式；

步骤7、参照图5(g)，对热压好的腔体结构与制备好的封装基底结合进行陶瓷烧结，烧结温度为900℃；

步骤8、参照图5(h)，经过烧结中间腔体和蓝宝石基底紧密结合在一起，经切割后得到单个封装基座；

步骤9、参照图5(i)，对封装基座的外表面除电极部分都沉积铁镍软磁合金电磁屏蔽材料，沉积方式不局限于蒸镀、溅射、丝网印刷等方式，沉积时可设置挡板使得电磁屏蔽材料覆盖区域与导电层之间留有一定间隙区域，确保电磁屏蔽材料与导电层不会短路；优选地，在间隙区域沉积绝缘材料进一步避免短路问题；

步骤10、参照图5(j)，将温度传感器芯片用共晶焊方法焊于封装基座内；在10

步骤11、参照图5(k)，用引线键合芯片上的电极和封装腔体里面的电极；用50μm的金线引线键合芯片上的电极和封装腔体里面的电极；

步骤12、参照图5(l)，最后一片陶瓷下表面沉积高纯铝电磁屏蔽材料，其余表面沉积铁镍软磁合金电磁屏蔽材料，沉积方式不局限于蒸镀、溅射、丝网印刷等方式，得到封盖；

步骤13、参照图5(m)，封盖通过共晶焊方法连接中间腔体，实现传感器电磁屏蔽封装；在10

在一些实施方式中，为了提升装配精度，避免漏磁现象发生，在上述封装结构的制备制备工艺中如步骤5、步骤7、步骤13等过程中，采用机器视觉对准组装方法对准封装组件，包括基底、上材料层、下材料层和盖板，参照图6，具体包括：

步骤1、对准时抓取封装组件的各处坐标；

步骤2、将抓取到的各处坐标与设定的标准坐标进行对比，通过运算得到实际偏差；

步骤3、判断实际偏差是否超出设定偏差范围；

步骤4、若实际偏差没有超出设定偏差范围，则完成对准进行组装；

步骤5、若实际偏差超出设定偏差范围，则将实际偏差的二分之一作为坐标补偿值进行下一次对准，直至实际偏差不再超出设定偏差范围，具体地，计算得到实际偏差的二分之一作为坐标补偿值；抓取坐标补偿值进行下一次对准，然后重复上述步骤直至实际偏差不再超出设定偏差范围时，完成对准进行组装。

上述实施例中，采用Htcc(HighTemperatureco-firedCeramic，高温共烧陶瓷)封装工艺制备电磁屏蔽结构，具有制备工艺简单、生产效率高等优点。在制备过程中通过机器视觉方法进行对准组装，可以提升装配精度，避免漏磁现象发生。

本发明另一实施例还提供一种低温温度传感器，该低温温度传感器包括上述的用于低温温度传感器的电磁屏蔽封装结构。通过电磁屏蔽封装结构，使得低温温度传感器能够在磁场环境中全方位屏蔽高频、低频等磁场，避免在运行时发生磁阻效应，从而能够提高其在磁化环境下的测温精度。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。