三维集成正面感风的热式风速风向传感器装置及封装方法
【专利摘要】本发明公开了一种三维集成正面感风的热式风速风向传感器装置及封装方法，该装置，包括采用正面感风方式的热式风速风向传感器、CMOS电路芯片和印制电路基板，热式风速风向传感器包括低导热率衬底(热导率低于1W/m·K)，在衬底的正面设置有加热元件、测温元件和焊盘，在衬底的正面淀积钝化保护层，实现正面感风，通过钝化保护层密封住加热元件、测温元件和焊盘；CMOS电路芯片设置在衬底的背面和印制电路基板之间，在衬底和CMOS电路芯片对应焊盘的位置设置有通孔，在通孔内填充有金属物质，金属物质的两端分别与焊盘和印制电路基板上的焊点焊接。本发明封装结构及方法可以获得高可靠性、高集成度。
【专利说明】三维集成正面感风的热式风速风向传感器装置及封装方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于三维集成正面感风的低功耗高灵敏型热式风速风向传感器 装置及封装方法，采用低热导率衬底加工的热风速传感器进行组装。
【背景技术】
[0002] 热风速风向传感器系统在风速、风向的测量中有广泛的应用，而随着近些年国内 外自然灾害逐步增多，对于气象监测的要求越来越高，因此实现低功耗高灵敏度的热风速 风向传感器系统具有重要的意义。在目前已报道的热风速风向传感器系统中一般采用两 种方法来实现传感芯片的封装：第一种是利用导热胶将芯片和陶瓷基板粘在一起来实现封 装，通过陶瓷基板的一面作为感风面；第二种是使用传感器的正面直接感风。但这两种方法 都有一些各自的缺点，其中第一种封装方式虽然能较好的保护传感器结构，但其灵敏度没 有采用正面感风的风速风向传感器的灵敏度高。另一方面，正面感风的传感器系统都是采 用键合线作为传感器与电路板之间的电连接方式，键合线的存在会在一定程度上影响风速 传感器表面的气流分布，使测量结果存在误差；同时，因为感风的需要，键合线是直接暴露 在空气中的，受到环境中的温湿度的影响，容易发生短路或断路，让风速传感器无法正常工 作。作为电子科学领域的研究热点，基于通孔技术的三维封装方法受到了广泛关注。通过 在低热导率衬底加工传感结构，利用通孔技术实现传感芯片和CMOS电路芯片的三维集成 封装，可以实现低功耗高灵敏度的热风速传感器系统。
【发明内容】
[0003] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种三维集成正面感风 的低功耗高灵敏度型热式风速风向传感器装置及封装方法，该装置可以具有较高的灵敏度 和较低的功耗，并实现电连接通路的高可靠性以及与CMOS电路芯片的高集成度。
[0004] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0005] -种三维集成正面感风的热式风速风向传感器装置，包括采用正面感风方式的热 式风速风向传感器、CMOS电路芯片和印制电路基板，热式风速风向传感器包括低热导率衬 底（热导率低于lW/m · K)，在衬底的正面设置有加热元件、测温元件和焊盘，在衬底的正面 淀积钝化保护层，实现正面感风，通过钝化保护层密封住加热元件、测温元件和焊盘；CMOS 电路芯片设置在衬底的背面和印制电路基板之间，在衬底和CMOS电路芯片对应焊盘的位 置设置有通孔，在通孔内填充有金属物质，金属物质的两端分别与焊盘和印制电路基板上 的焊点焊接。
[0006] 优选的，所述热式风速风向传感器中：加热元件以热式风速风向传感器的中心为 中心均匀分布并形成中心对称结构，形成温度场；测温元件同样以热式风速风向传感器的 中心为中心均匀分布并形成对称结构，且测温元件设置在加热元件的外侧，用以感应温度 场的分布；通过相对的测温元件上的热温差来反应风速和风向信息。
[0007] 优选的，所述加热元件的数目为四个，分布成正方形，对应每一个加热元件设置有 一个测温元件。
[0008] 优选的，在通孔内填充的金属物质为金属钨。
[0009] 优选的，通过CMOS电路芯片向加热元件施加电压，使加热元件发热；CMOS电路芯 片通过CMOS工艺加工有信号的初步放大电路，对测温元件的信号进行初步放大并发送给 印制电路基板，印制电路基板一方面为CMOS电路芯片和热式风速风向传感器提供物理支 撑，另一方面通过板上的信号放大、滤波和处理电路实现风速风向的计算，并通过通信接口 电路实现和外界系统的信号传输。
[0010] 一种三维集成正面感风的热式风速风向传感器装置封装方法，包括如下步骤：
[0011] (1)使用紫外激光器产生的局部高温气化的方式在衬底上加工出通孔的一段，并 填充金属钨，形成导通电路；
[0012] (2)首先对步骤（1)得到的衬底进行抛光处理，然后在衬底的正面溅射或热蒸发 一层金属层，再利用光刻和刻蚀工艺对金属层进行图形化，接着去除光刻胶形成加热元件、 测温元件和焊盘，最后在衬底的表面淀积一层很薄的二氧化硅作为钝化保护层；焊盘和金 属鹤电连接；
[0013] (3)制备CMOS电路芯片，在CMOS电路芯片上使用深度反应离子刻蚀（DRIE)的方 法刻蚀通孔的另一段，并填充金属钨，形成导通电路；
[0014] (4)制备印制电路基板，通过丝网印刷工艺，在印制电路基板上通孔对应位置加工 出焊球凸点；
[0015] (5)将热式风速风向传感器的焊盘、CMOS电路芯片的通孔一段和印制电路基板的 通孔另一段位置对应，通过回流焊的方式实现三维集成；热式风速风向传感器、CMOS电路 芯片和印制电路基板之间通过焊盘、金属钨和焊球凸点实现电连接，整个系统具有高灵敏 度、高可靠性、高集成度以及低功耗的特征。
[0016] 优选的，所述步骤（3)中，通过电镀或化学气相淀积的方式在CMOS电路芯片上填 充金属钨。
[0017] 本发明提出的传感器装置利用热温差原理测量风速和风向。采用低热导率衬底和 正面感风的方式，其目的是为了减小衬底的横向传热的影响，同时也为了提高传感器装置 的灵敏度和降低功耗。采用基于通孔技术的三维封装方法，不仅消除了键合线对传感器表 面气流分布的影响，同时提高了器件连接的可靠性。
[0018] 其中对称放置的加热元件2处于热式风速风向传感器的中心以产生对称分布的 温度场，加热元件周围对称分布的测温元件对温度场进行感应；根据相对的测温元件3上 的热温差来反映风速和风向信息。低热导率衬底使加热元件和测温元件之间通过热传导传 递的热量最小，钝化保护层为了保护加热元件和测温元件，通孔用于实现热式风速风向传 感器、CMOS电路芯片和印刷电路基板8之间的电连接，实现连接通路的商可罪性和商集成 度。
[0019] 当热式风速风向传感器正常工作时，即给加热元件施加电压，将导致该元件发热， 由于衬底的低热导率，在加热兀件上产生的热量大部分都垂直向上传递，即衬底的横向的 热传递很小，因此热量将通过钝化保护层散入上面的空气中，受环境风的影响，钝化保护层 上表面将产生热分布，该热分布被测温元件感应。通过测量相对的测温元件之间的温度差， 就可以同时得到风速风向的信息。
[0020] CMOS电路芯片上通过CMOS工艺加工有信号的初步放大电路，实现热式风速风向 传感器的微弱传感信号（通常为微伏或毫伏级别）的初步放大。印刷电路基板一方面为热 式风速风向传感器和CMOS电路芯片提供物理支撑，一方面通过板上的信号放大、滤波和处 理电路实现风速风向的计算，并通过通信接口电路实现和外界系统的信号传输。整个系统 具有1?灵敏度、1?可罪性、1?集成度以及低功耗的特征。
[0021] 有益效果：本发明提供的三维集成正面感风的热式风速风向传感器装置，采用低 热导率衬底、正面感风的设计有效降低了加热元件产生的热量通过芯片和封装向两边测量 元件的传递，提高了器件的灵敏度，降低了功耗；传感器通过钝化保护，有效隔离了外界环 境如水汽等对器件的影响；整个结构无可动部件，可靠性好；采用通孔技术实现三维封装， 比传统用键合线连接具有更高的可靠性和集成度。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1为本发明的结构示意图；
[0023] 图2为本发明的俯视结构示意图；
[0024] 包括：衬底1，加热元件2,测温元件3,焊盘4,钝化保护层5,通孔6, CMOS电路芯 片7和印刷电路基板8。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0026] 如图1、图2所示为一种三维集成正面感风的热式风速风向传感器装置，包括采用 正面感风方式的热式风速风向传感器、CMOS电路芯片7和印制电路基板8,热式风速风向传 感器包括低热导率衬底（热导率低于lW/m · K) 1，在衬底1的正面设置有加热元件2、测温 元件3和焊盘4,在衬底1的正面淀积钝化保护层5,实现正面感风，通过钝化保护层5密封 住加热元件2、测温元件3和焊盘4 ;CM0S电路芯片7设置在衬底1的背面和印制电路基板 8之间，在衬底1和CMOS电路芯片7对应焊盘4的位置设置有通孔6,在通孔6内填充有金 属钨，金属钨的两端分别与焊盘4和印制电路基板8上的焊点焊接。
[0027] 所述热式风速风向传感器中：加热元件2以热式风速风向传感器的中心为中心均 匀分布并形成中心对称结构，形成温度场；测温元件3同样以热式风速风向传感器的中心 为中心均匀分布并形成对称结构，且测温元件3设置在加热元件2的外侧，用以感应温度场 的分布；通过相对的测温元件3上的热温差来反应风速和风向信息。低热导率衬底1使加 热元件2和测温元件3之间通过热传导传递的热量最小，钝化保护层5为了保护加热元件2 和测温元件3,通孔6用于实现传感器芯片、CMOS电路芯片7和电路基板8之间的电连接。
[0028] 如图2所示，所述加热元件2的数目为四个，分布成正方形，对应每一个加热元件 2设置有一个测温元件3。
[0029] 通过CMOS电路芯片7向加热元件2施加电压，使加热元件2发热；CMOS电路芯片 7通过CMOS工艺加工有信号的初步放大电路，对测温元件3的信号进行初步放大并发送给 印制电路基板8,印制电路基板8 -方面为CMOS电路芯片7和热式风速风向传感器提供物 理支撑，另一方面通过板上的信号放大、滤波和处理电路实现风速风向的计算，并通过通信 接口电路实现和外界系统的信号传输。
[0030] 上述三维集成正面感风的热式风速风向传感器装置封装方法，包括如下步骤：
[0031] (1)使用紫外激光器产生的局部高温气化的方式在衬底1上加工出通孔6的一段， 并填充金属钨，形成导通电路；
[0032] (2)首先对步骤1得到的衬底1进行抛光处理，然后在衬底1的正面溅射或热蒸发 一层金属层，再利用光刻和刻蚀工艺对金属层进行图形化，接着去除光刻胶形成加热元件 2、测温元件3和焊盘4,最后在衬底1的表面淀积一层很薄的二氧化硅作为钝化保护层5 ; 焊盘4和金属钨电连接；
[0033] (3)制备CMOS电路芯片7,在CMOS电路芯片7上使用深度反应离子刻蚀（DRIE) 的方法刻蚀通孔6的另一段，并填充金属钨，形成导通电路；可以通过电镀或化学气相淀积 的方式在CMOS电路芯片7上填充金属钨；
[0034] (4)制备印制电路基板8,通过丝网印刷工艺，在印制电路基板8上通孔6对应位 置加工出焊球凸点；
[0035] (5)将热式风速风向传感器的焊盘4、CMOS电路芯片7的通孔6 -段和印制电路 基板8的通孔6另一段位置对应，通过回流焊的方式实现三维集成。
[0036] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本【技术领域】的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种三维集成正面感风的热式风速风向传感器装置，其特征在于：包括采用正面感 风方式的热式风速风向传感器、CMOS电路芯片（7)和印制电路基板（8)，热式风速风向传感 器包括低热导率的衬底（1)，在衬底（1)的正面设置有加热元件（2)、测温元件（3)和焊盘 (4)，在衬底（1)的正面淀积钝化保护层（5)，实现正面感风，通过钝化保护层（5)密封住加 热元件（2)、测温元件（3)和焊盘（4) ;CM0S电路芯片（7)设置在衬底⑴的背面和印制电 路基板（8)之间，在衬底（1)和CMOS电路芯片（7)对应焊盘（4)的位置设置有通孔（6)，在 通孔（6)内填充有金属物质，金属物质的两端分别与焊盘⑷和印制电路基板⑶上的焊 点焊接。
2. 根据权利要求1所述的三维集成正面感风的热式风速风向传感器装置，其特征在 于：所述热式风速风向传感器中：加热元件（2)以热式风速风向传感器的中心为中心均匀 分布并形成中心对称结构，形成温度场；测温元件（3)同样以热式风速风向传感器的中心 为中心均匀分布并形成对称结构，且测温元件（3)设置在加热元件（2)的外侧，用以感应温 度场的分布；通过相对的测温元件（3)上的热温差来反应风速和风向信息。
3. 根据权利要求2所述的三维集成正面感风的热式风速风向传感器装置，其特征在 于：所述加热元件（2)的数目为四个，分布成正方形，对应每一个加热元件（2)设置有一个 测温元件（3)。
4. 根据权利要求1、2或3所述的三维集成正面感风的热式风速风向传感器装置，其特 征在于：在通孔（6)内填充的金属物质为金属钨。
5. 根据权利要求1、2或3所述的三维集成正面感风的热式风速风向传感器装置，其特 征在于：通过CMOS电路芯片（7)向加热元件⑵施加电压，使加热元件⑵发热；CMOS电 路芯片（7)通过CMOS工艺加工有信号的初步放大电路，对测温元件（3)的信号进行初步放 大并发送给印制电路基板（8)，印制电路基板（8) -方面为CMOS电路芯片（7)和热式风速 风向传感器提供物理支撑，另一方面通过板上的信号放大、滤波和处理电路实现风速风向 的计算。
6. -种三维集成正面感风的热式风速风向传感器装置封装方法，其特征在于：包括如 下步骤： (1) 使用紫外激光器产生的局部高温气化的方式在衬底（1)上加工出通孔（6)的一段， 并填充金属钨，形成导通电路； (2) 首先对步骤（1)得到的衬底（1)进行抛光处理，然后在衬底（1)的正面溅射或热蒸 发一层金属层，再利用光刻和刻蚀工艺对金属层进行图形化，接着去除光刻胶形成加热元 件（2)、测温元件（3)和焊盘（4)，最后在衬底（1)的表面淀积一层二氧化硅作为钝化保护 层（5);焊盘⑷和金属钨电连接； (3) 制备CMOS电路芯片（7)，在CMOS电路芯片（7)上使用深度反应离子刻蚀的方法刻 蚀通孔（6)的另一段，并填充金属钨，形成导通电路； (4) 制备印制电路基板（8)，通过丝网印刷工艺，在印制电路基板（8)上通孔（6)对应 位置加工出焊球凸点； (5) 将热式风速风向传感器的焊盘（4)、CMOS电路芯片（7)的通孔（6) -段和印制电 路基板（8)的通孔（6)另一段位置对应，通过回流焊的方式实现三维集成。
7. 根据权利要求6所述的三维集成正面感风的热式风速风向传感器装置封装方法，其 特征在于：所述步骤⑶中，通过电镀或化学气相淀积的方式在CMOS电路芯片（7)上填充 金属鹤。
【文档编号】G01P5/10GK104090121SQ201410325164
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2014年7月9日
【发明者】秦明, 朱雁青, 陈蓓, 黄庆安 申请人:东南大学