专利名称：Mems高量程加速度传感器的封装方法
技术领域：
本发明涉及传感器的封装技术，具体是一种MEMS高量程加速度传感器的封装方法。
背景技术：
MEMS (基于微机电系统的)高量程加速度传感器由于体积小、质量轻、成本低、可靠性高等优点而备受关注，尤其在对器件的体积、质量及可靠性有很高要求的航空航天及兵器科学领域有很大的应用前景。MEMS高量程加速度传感器的研究近年来发展迅速，各种性能、量程的高量程加速度传感器已经相继报道。但是与低量程的加速度传感器不同，高量程加速度传感器对抗高过载能力和固有频率要求很高，通常情况下抗高过载能力要求可以承受几十万个量程冲击载荷，固有频率要求高达几十kHz，甚至上百kHz。因此，在应用中MEMS 高量程加速度传感器常常由于抗高过载能力较差而导致结构失效。为保证MEMS高量程加速度传感器在应用时的可靠性，MEMS高量程加速度传感器的封装就显得尤为重要。实践表明，现有传感器封装技术普遍存在抗高过载能力差、固有频率低、以及封装可靠性差的问题，即采用现有传感器封装技术封装后的MEMS高量程加速度传感器在遇到恶劣的应用环境时，常出现管壳破裂、盖板凹陷、芯片从管壳基板上脱落、引线断裂等问题。基于此，有必要发明一种全新的传感器封装技术，以保证MEMS高量程加速度传感器在应用时的可靠性。
发明内容
本发明为了解决现有传感器封装技术抗高过载能力差、固有频率低、以及封装可靠性差的问题，提供了一种MEMS高量程加速度传感器的封装方法。本发明是采用如下技术方案实现的MEMS高量程加速度传感器的封装方法，该方法是采用如下步骤实现的=MEMS高量程加速度传感器的封装方法，该方法是采用如下步骤实现的a)在MEMS高量程加速度传感器的芯片上、下表面阳极键合高硼硅玻璃基板，两高硼硅玻璃基板的厚度相等；b)选取陶瓷基板，陶瓷基板的厚度等于芯片的厚度与高硼硅玻璃基板的厚度之和，将陶瓷基板和芯片固定到缓冲基板上，保证固定后陶瓷基板和芯片处于同一水平面，且陶瓷基板和芯片间距紧凑；c)通过丝网印刷技术在芯片上印制芯片焊盘， 利用模具在陶瓷基板上印制电缆引线用焊盘，在芯片焊盘和电缆引线用焊盘之间印制连接导线，并在连接导线上覆盖绝缘材料；d)将缓冲基板、芯片、高硼硅玻璃基板、陶瓷基板固定到不锈钢封装管壳中；e)焊接电缆引线到陶瓷基板上的电缆引线用焊盘；f)利用灌封胶灌封不锈钢封装管壳的内腔；g)将不锈钢盖板缝接到不锈钢封装管壳上。本发明所述的MEMS高量程加速度传感器的封装方法使用不锈钢封装管壳，通过仿真分析不同材料封装管壳的抗高过载能力和固有频率得出与陶瓷、可伐合金及铝合金等可用于MEMS高量程加速度传感器的封装材料相比，不锈钢封装管壳同时具有更强的抗高过载能力和更高的固有频率。本发明所述的MEMS高量程加速度传感器的封装方法通过在传感器芯片上、下表面阳极键合高硼硅玻璃基板，实现了传感器芯片的气密封装，保证了传感器芯片工作时具有最佳阻尼系数，避免了灌封对传感器芯片结构造成影响。同时由于高硼硅玻璃的热膨胀系数与传感器芯片的热膨胀系数相近，减小了阳极键合工艺中引起的热应力对传感器芯片的影响。本发明所述的MEMS高量程加速度传感器的封装方法通过丝网印刷技术印制连接导线以实现无引线电气连接，避免了高过载环境下因键合点脱落、引线断裂等原因导致 MEMS高量程加速度传感器失效。通过Hopkinson杆冲击测试得出，在15万g以上的高冲击作用下，与引线电气连接相比，无引线电气连接的可靠性更高。本发明所述的MEMS高量程加速度传感器的封装方法利用缓冲基板和灌封技术实现了 MEMS高量程加速度传感器的内置机械滤波技术。在应用环境中，作用到MEMS高量程加速度传感器的冲击信号中往往包含高频干扰信号，高频信号可能导致传感器芯片失效， 而采取内置机械滤波技术能够滤掉这些高频信号，进一步提高封装的可靠性。综上所述，本发明所述的MEMS高量程加速度传感器的封装方法基于MEMS高量程加速度传感器的应用要求和特性，设计实现了加速度传感器芯片的三层封装、无引线电气连接及内置机械滤波。与现有传感器封装技术相比，本发明所述的MEMS高量程加速度传感器的封装方法具有较强的抗高过载能力、较高的固有频率、以及较高的封装可靠性。采用本发明所述的MEMS高量程加速度传感器的封装方法封装后的MEMS高量程加速度传感器在高过载环境下应用时不仅不会出现管壳破裂、盖板凹陷、芯片从管壳基板上脱落、引线断裂等问题，且具有较好的性能一致性。 本发明通过设计实现加速度传感器芯片的三层封装、无弓I线电气连接及内置机械滤波，有效解决了现有传感器封装技术抗高过载能力差、固有频率低、以及封装可靠性差的问题，适用于MEMS高量程加速度传感器的封装。
图1是采用本发明所述的MEMS高量程加速度传感器的封装方法封装后的MEMS高量程加速度传感器的外部结构示意图。图2是采用本发明所述的MEMS高量程加速度传感器的封装方法封装后的MEMS高量程加速度传感器的内部结构示意图。图3是采用本发明所述的MEMS高量程加速度传感器的封装方法封装后的MEMS高量程加速度传感器的部分结构示意图。图中1-芯片，2-高硼硅玻璃基板，3-陶瓷基板，4-缓冲基板，5-芯片焊盘，6_电缆引线用焊盘，7-连接导线，8-不锈钢封装管壳，9-电缆引线，10-不锈钢盖板，11-灌封胶， 12-绝缘材料。
具体实施例方式MEMS高量程加速度传感器的封装方法，该方法是采用如下步骤实现的
a)在MEMS高量程加速度传感器的芯片1上、下表面阳极键合高硼硅玻璃基板2，两高硼硅玻璃基板2的厚度相等；
b)选取陶瓷基板3，陶瓷基板3的厚度等于芯片1的厚度与高硼硅玻璃基板2的厚度之和，将陶瓷基板3和芯片1固定到缓冲基板4上，保证固定后陶瓷基板3和芯片1处于同一水平面，且陶瓷基板3和芯片1间距紧凑；
c)通过丝网印刷技术在芯片1上印制芯片焊盘5，利用模具在陶瓷基板3上印制电缆引线用焊盘6，在芯片焊盘5和电缆引线用焊盘6之间印制连接导线7，并在连接导线7上覆盖绝缘材料12 ；
d)将缓冲基板4、芯片1、高硼硅玻璃基板2、陶瓷基板3固定到不锈钢封装管壳8中；
e)焊接电缆引线9到陶瓷基板上的电缆引线用焊盘6；
f)利用灌封胶11灌封不锈钢封装管壳8的内腔；
g)将不锈钢盖板10缝接到不锈钢封装管壳8上。所述步骤a)中，通过在传感器芯片的上下两表面阳极键合高硼硅玻璃基板，保护了传感器芯片，并实现了传感器芯片的气密封装。在阳极键合工艺中，需对键合温度、高硼硅玻璃基板与芯片的面积比、高硼硅玻璃基板的厚度进行优化，以减小热应力对传感器芯片的作用。所述步骤b)中，陶瓷基板和芯片通过贴片胶粘结固定到缓冲基板上，在固定过程中，需避免贴片胶从高硼硅玻璃基板和陶瓷基板底部流出。所述步骤C)中，通过印制连接导线来实现芯片焊盘和电缆引线用焊盘之间的电气连接。通过在连接导线上覆盖绝缘材料来保护传感器的信号传输，防止灌封时信号发生短路。选用的绝缘材料不能与灌封胶发生化学反应。所述步骤d)中，缓冲基板、芯片、高硼硅玻璃基板、陶瓷基板通过贴片胶粘结固定到不锈钢封装管壳中。
权利要求
1. 一种MEMS高量程加速度传感器的封装方法，其特征在于该方法是采用如下步骤实现的a)在MEMS高量程加速度传感器的芯片(1)上、下表面阳极键合高硼硅玻璃基板(2)，两高硼硅玻璃基板(2)的厚度相等；b)选取陶瓷基板(3)，陶瓷基板(3)的厚度等于芯片(1)的厚度与高硼硅玻璃基板(2) 的厚度之和，将陶瓷基板(3)和芯片(1)固定到缓冲基板(4)上，保证固定后陶瓷基板(3) 和芯片(1)处于同一水平面，且陶瓷基板(3)和芯片(1)间距紧凑；c)通过丝网印刷技术在芯片(1)上印制芯片焊盘(5)，利用模具在陶瓷基板(3)上印制电缆引线用焊盘(6)，在芯片焊盘(5)和电缆引线用焊盘(6)之间印制连接导线(7)，并在连接导线(7 )上覆盖绝缘材料(12 )；d)将缓冲基板(4)、芯片(1)、高硼硅玻璃基板(2)、陶瓷基板(3)固定到不锈钢封装管壳(8)中；e)焊接电缆引线(9)到陶瓷基板上的电缆引线用焊盘(6);f)利用灌封胶(11)灌封不锈钢封装管壳(8)的内腔；g)将不锈钢盖板(10)缝接到不锈钢封装管壳(8)上。
全文摘要
本发明涉及传感器的封装技术，具体是一种MEMS高量程加速度传感器的封装方法。本发明解决了现有传感器封装技术抗高过载能力差、固有频率低、以及封装可靠性差的问题。MEMS高量程加速度传感器的封装方法，该方法是采用如下步骤实现的a)阳极键合高硼硅玻璃基板；b)选取陶瓷基板；c)印制芯片焊盘及连接导线；d)将缓冲基板固定到不锈钢封装管壳中；e)焊接电缆引线；f)灌封不锈钢封装管壳；g)将不锈钢盖板缝接到不锈钢封装管壳上。本发明有效解决了现有传感器封装技术抗高过载能力差、固有频率低、以及封装可靠性差的问题，适用于MEMS高量程加速度传感器的封装。
文档编号B81C1/00GK102259827SQ20111017324
公开日2011年11月30日 申请日期2011年6月25日 优先权日2011年6月25日
发明者刘俊, 唐军, 张贺, 李平, 杨玉华, 石云波 申请人:中北大学