一种新型贴片式热释红外传感器及其封装方法与流程

1.本发明涉及红外传感器技术领域，具体涉及一种新型贴片式热释红外传感器及其封装方法。


背景技术：

2.热释电红外传感器，是一种利用热释电性良好的材料为核心制成的探测红外热辐射的传感器，主要应用于探测人和动物或其他带热辐射的物体的红外线，以判断在一定空间是否存在人或其他动物。广泛应用于感应式照明、入侵式报警、安防、智能家居等领域。
3.当前市面上技术成熟的热释电红外传感器封装类型主要是直插型，直插型传感器制造及测试设备复杂、工序繁琐，传感器应用时不利于自动化作业，生产效率低成本高。现有市面上唯数不多的贴片式红外传感器，其通过传感器基板直接贴片焊接在外部控制电路板上，焊接过程中回流焊的热量难以抵达贴片的中心位置，容易造成回流焊虚焊；管采用单一导电胶固定，经回流焊过炉后管帽容易松动甚至脱落，严重影响传感器的气密性和品质；同时，现有贴片型传感器基板直接暴露在空间电磁环境当中，容易受到电磁干扰从而影响传感器性能；另外，现有贴片型传感器采用基板直接紧密贴着所在应用板，应用板上的热量容易传导到传感器的基板，而由于热释电红外传感器是受热量或温度变化极其敏感的传感器件，所以这样的设计很容易影响传感器的热稳定性能。
4.综述，为解决直插型传感器的种种弊端，贴片型传感器是一个重要的方向，然而目前市上存在的极少数贴片式热释电红外传感器也存在上述各种缺点，行业内急需一种即能稳定实现smt贴片回流焊工艺进行自动化生产，又不损失或影响热释电红外传感器所需要的固有性能的热释电红外传感器。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷和不足，本发明的第一种目的在于提供一种新型贴片式热释红外传感器，有利于简化传感器制造和测试设备工序以降低传感器制造成本，有利于传感器应用时实现smt贴片自动化生产以提高效率降低成本，同时保证贴片回流焊焊接质量，保证回流焊后不影响传感器气密性性能；同时在热稳定性及抗电磁干扰性能方面也有明显优势。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种新型贴片式热释电红外传感器，包括：管帽和基板，所述管帽的上表面上设置有窗口，所述窗口上镶嵌有红外滤光片；所述基板与所述管帽装配，且所述管帽具有收容空间，所述收容空间内封装有红外敏感元件和信号处理零部件；所述红外敏感元件和所述信号处理零部件均直接固定在基板上；所述基板上设置有bga球，所述bga球凸出于所述基板，且与所述基板电连接，所述bga球用于实现传感器对外电气连接与smt贴片自动化生产。
7.进一步地，所述管帽与所述基板形成密闭空间，所述信号处理零部件和所述红外敏感元件均封装于密闭空间内。
8.进一步地，所述热释电红外传感器还包括底板，所述底板固定安装在所述基板的下端面。
9.进一步地，所述热释电红外传感器还包括底板，且所述底板与所述管帽形成密闭空间，所述信号处理零部件和所述红外敏感元件均封装于密闭空间内。
10.进一步地，所述热释电红外传感器还包括底座，且所述底座与所述管帽形成密闭空间，所述信号处理零部件和所述红外敏感元件均封装于密闭空间内；所述底座上靠近管帽一侧设置有凹陷安装槽，所述基板安装于所述凹陷安装槽内。
11.进一步地，所述热释电红外传感器还包括支撑部件，所述支撑部件设置于所述红外敏感元件与所述基板之间，红外敏感元件固定于支撑部件上且电连，所述支撑部件固定于所述基板上且电连。
12.进一步地，所述信号处理零部件可以是jfet或智能集成电路或mcu或放大器或adc器件；所述基板为环氧树脂pcb电路板或陶瓷基板；所述基板的形状为圆形、矩形或其他多边形中任意一种，所述环氧树脂pcb电路板为双面板或多层板；所述红外敏感元件为单元或多元，所述红外敏感元件的数量为单个或多个；所述管帽外形为圆形、矩形或其他多边形，所述管帽上表面窗口数量可以是一个或多个，所述管帽上表面窗口形状可以是圆形、矩形或其他多边形；所述红外滤光片为透红外滤光片，所述滤光片基材可以是硅、锗、砷化镓或红外玻璃，所述滤光片可以是具有聚光光学特性的硅、锗、砷化镓或红外玻璃。
13.进一步地，所述底板为金属板或表面镀金属膜层的非金属板；所述底板的形状为圆形、矩形或其他多边形；所述底板上设置有开口，所述开口供所述bga球容置，所述开口数量为一个或多个。
14.进一步地，所述底座为金属板或表面镀金属膜层的非金属板；所述底座的形状为圆形、矩形或其他多边形；所述底座上设置有开口，所述开口位于凹陷安装槽的底部，所述开口供所述bga球容置。
15.进一步地，所述bga球，可以是锡球、铜球、钢球或非球形块状、柱状物，所述bga球表面为易上锡的焊接物，所述bga球为金属导体或表面镀可导电层的非导体；所述bga球数量为两个或两个以上。
16.进一步地，所述基板上设置有外围零部件，所述外围零部件位于所述管帽内部和/或外部，所述外围零部件至少包括：电源稳压芯片、输出信号控制元器件、光敏元器件、模拟或数字信号处理芯片、二极管、三极管、无源器件中的任意一种或多种；其中，所述输出信号控制元器件至少包括三极管、场效应管、可控硅、继电器中的任意一个或多个，所述无源器件至少包括电阻、电容、电感中的任意一个或多个；所述外围零部件用于构成高集成度、多功能一体化的热释电红外传感器。
17.进一步地，所述底板为金属板且电连接地，且所述底板为加厚底板，厚度至少为1mm以上，加厚金属底板用来提高传感器的整体热容，以提高传感器的热稳定性能；所述底板上设置有开口，所述开口供所述bga球容置；所述基板为多层pcb电路板，且电路板顶和底面除有线路以外的地方均设置有接地敷铜，电路板还可设置有金属化包边敷铜和金属化开槽敷铜且包边和开槽的金属铜均接地，以避免或减少电路板暴露在空间电磁环境当中，以提高传感器抗电磁干扰的性能。
18.采用上述技术方案后，本发明有益效果为：
19.1、通过在传感器基板的安装侧设置bga球，使得传感器应用时实现了smt贴片自动化生产以提高效率降低成本，保证了贴片回流焊焊接质量；同时由于bga球的存在使得传感器基板与其所在的应用板之间存在间隙且接触面积小，大大增加了应用板与传感器基板之间的热阻，减少应用板上的热量传导到传感器基板，提高了传感器抵抗所在空间环境温度变化的能力，提高了传感器的热稳定性能。
20.2、在基板上设置金属底板或底座，能进一步提高传感器的整体热容以进一步提高传感器的热稳定性能；同时由于采用金属底板或底座构成密闭空间的传感器几乎达到全金属封装，避免了传感器基板暴露在空间电磁环境，提高了传感器抗电磁干扰性能。
21.3、基板采用金属化包边和金属化开槽工艺，以及进一步的采用四层板设计，减少了敏感元件所在密闭空间暴露在空间电磁环境当中的尺寸，避免空间电磁波进入到敏感元件所在密闭空间，提高了传感器抗电磁干扰性能。
22.4、通过在传感器基板上设置外围零部件，其中主要包括电源稳压芯片、输出信号控制元器件、光敏元器件、模拟或数字信号处理芯片、二极管、三极管、无源器件等，可以非常方便的构成客户需要的特定功能或是更系统完整功能的，高集成度和多功能一体化的热释电红外传感器，如，可以构成带电源稳压的、带光控、带输出信号驱动控制、带模拟或数字信号处理芯片构成更多功能更智能的，各种功能系统和完整的高集成度一体化热释电红外传感器。
23.针对现有技术的缺陷和不足，本发明的第二种目的在于提供一种封装方法，采用该封装方法对热释红外传感器进行封装，能够有效避免管帽构成的密闭空间的气密性甚至管帽脱落的问题，保证管帽与基板或底板或底座之间稳固装配，具有封装牢固，气密性强，电磁屏蔽功能强的优势。
24.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种封装方法，其用于新型贴片式热释电红外传感器的管帽封装，其特征在于，所述热释电红外传感器包括：基板、红外滤光片、管帽、红外敏感元件、bga球以及信号处理零部件；其中，所述热释电红外传感器还可以包括底板或底座，所述管帽的下端面设置有环形封装部位，所述环形封装部位上凸出设置有凸出部位，所述凸出部位设置有一个或多个，所述封装方法包括以下步骤：
25.s1、在所述基板上使用锡膏钢网刷或涂覆导电锡膏，该导电锡膏用于焊接固定所述bga球，或者bga球和底板，或者bga和底座；
26.s2、根据热释电红外传感器结构是否有底板或底座，选择执行此步骤，若热释电红外传感器具有底板或底座结构，则在所述基板上使用阶梯钢网刷或涂覆对底板或底座进行机械密封固定的固定胶粘剂，其中所述固定胶粘剂包括smt电子红胶、环氧树脂胶粘剂等不可逆或高tg胶粘剂，否则执行步骤s4；
27.s3、根据热释电红外传感器结构是否有底板或底座，选择执行此步骤：若热释电红外传感器具有底板或底座结构，则将底板或底座安装到基板上，否则执行步骤s4；
28.s4、放上值锡网，把所述bga球值入到基板上；
29.s5、取下值锡网，并把值好所述bga球的基板放入回流焊炉或专用bga球焊接设备，进行熔锡焊接或和固化所述固定胶粘剂；
30.所述封装方法还包括以下步骤：
31.s61、在所述管帽环形封装部位与基板或底板或底座合盖重叠的管帽或基板或底
板或底座的位置上使用钢网刷或涂覆以上所述固定胶粘剂；
32.s71、在所述管帽凸出部位与基板或底板或底座合盖重叠的管帽或基板或底板或底座的位置上采用阶梯钢网刷或涂覆导电胶粘剂或者采用点胶工艺点导电胶粘剂，或者不执行步骤s71而直接往下操作；
33.s81、把管帽与基板或底板或底座合盖在一起；
34.s91、对合盖在一起的传感器进行烘烤固化，烘烤固化可采用烤箱或隧道炉工具；
35.s101、如果以上没有执行步骤s71，则执行此步骤：对所述管帽凸出部位采用储能电阻碰焊、激光焊接等工艺，使管帽与基板电连接。
36.或者，所述封装方法还包括以下步骤：
37.s62、在所述管帽环形封装部位与基板或底板或底座合盖重叠的管帽或基板或底板或底座的位置上使用钢网刷或涂覆导电胶粘剂；
38.s72、在所述管帽凸出部位与基板或底板或底座合盖重叠的管帽或基板或底板或底座的位置上采用阶梯钢网刷或涂覆以上所述固定胶粘剂或者采用点胶工艺点以上所述固定胶粘剂；或者不执行步骤s72而直接往下操作；
39.s82、把管帽与基板或底板或底座合盖在一起；
40.s92、对合盖在一起的传感器进行烘烤固化，烘烤固化可采用烤箱或隧道炉工具；
41.s102、如果以上没有执行步骤s72，则执行此步骤：对所述管帽凸出部位采用储能电阻碰焊、激光焊接等工艺，加强管帽与基板的机械连接强度。
42.以上所述封装方法，分别使用所述固定胶粘剂对管帽与基板或底板或底座进行机械密闭封装和使用导电胶粘剂或电阻焊或激光焊等工艺进行电连接，即保证了管帽所构成的密闭空间经回流焊高温后的结构或气密完整性，又达到了管帽电连接地屏蔽的效果；使得所述新型贴片热释电红外传感器即满足smt贴片过回流焊炉的工艺品质要求，又保证了完整的气密性及抗电磁干扰性能要求。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1是实施例1的整体结构示意图；
45.图2是实施例1的第一种爆炸图；
46.图3是实施例1的第二种爆炸图；
47.图4是实施例1中管帽的第一种结构示意图；
48.图5是实施例1中管帽的第二种结构示意图；
49.图6是实施例2的爆炸图；
50.图7是实施例3的爆炸图；
51.图8是实施例4的整体结构示意图；
52.图9是实施例5的爆炸图；
53.图10是实施例6的爆炸图；
54.图11是热电堆结构的爆炸图。
55.附图标记说明：101、窗口；102、凹陷安装槽；103、安装口；110、管帽；111、环形封装部位；112、凸出部位；120、基板；130、红外滤光片；140、红外敏感元件；150、支撑部件；160、信号处理零部件；170、底座；180、底板；190、bga球；200、外围零部件；210、热电堆芯片；220、热敏电阻；230、接地敷铜；240、金属化开槽敷铜；250、金属化包边敷铜。
具体实施方式
56.以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
57.本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
58.实施例1：
59.本实施例涉及一种贴片式热释电红外传感器，如图1-3所示，包括：管帽110和基板120。管帽110的上表面上设置有窗口101，窗口101上镶嵌有红外滤光片130。基板120与管帽110装配，且管帽110具有收容空间。收容空间内封装有红外敏感元件140和信号处理零部件160。红外敏感元件140和信号处理零部件160均直接固定在基板120上。基板120上设置有bga球190，bga球190凸出于基板120，且与基板120电连接。在本实施例中，热释电红外传感器还包括支撑部件150，支撑部件150设置于红外敏感元件140与基板120之间，红外敏感元件140靠支撑部件150固定在基板120上。
60.进一步地，如图1-3所示，热释电红外传感器还包括底座170，且底座170与管帽110形成密闭空间。信号处理零部件160和红外敏感元件140均封装于密闭空间内。底座170上靠近管帽110一侧设置有凹陷安装槽102，基板120安装于凹陷安装槽102内。
61.优选地，如图1-3所示，底座170为金属板或表面镀金属膜层的非金属板；底座170的形状为圆形、矩形或多边形；底座170上设置有开口，开口位于凹陷安装槽102的底部。
62.优选地，管帽110可以有圆形、矩形或多边形。管帽110上表面的窗口101可以是一个、两个或两个以上，且窗口101的形状可以为圆形、矩形或多边形。
63.优选地，红外滤光片130为透红外线滤光片，滤光片基材可以是硅、锗、砷化镓或其他红外玻璃。滤光片形状可以是圆形、矩形、多边形。滤光片可以具有聚光的光学特性。
64.优选地，红外敏感元件140为单元的红外敏感元件140或多元的红外敏感元件140。红外敏感元件140的数量是单个、两个或多个。信号处理零部件160可以是jfet、放大器、mcu或智能集成电路或adc器件。
65.需要说明的是，如图1-3所示，在本实施例中，管帽110的外形为圆柱形。窗口101设置有一个，且为矩形。红外滤光片130为矩形片体，其基材为硅。红外敏感元件140为双元的红外敏感元件，且其数量为一个。信号处理零部件160为jfet、放大器、mcu或智能集成电路或adc器件。在本实施例中，信号处理零部件160为智能集成电路。底座170为金属板，且形状为圆形。基板120为环氧树脂pcb电路板。另外，bga球190为锡球、铜球、钢球或非球形块状、柱状物，在本实施例中，bga球190为锡球。安装口103为圆形开口，圆形开口对应bga锡球设置有六个。基板120固定安装在凹陷安装槽102内，bga锡球穿过圆形开口于基板120且电连接，其中bga的全称为ball grid array package，中文名字为球栅网格阵列封装。
66.优选地，基板120上设置有外围零部件200，外围零部件200位于管帽110内部或外部。外围零部件200至少包括：电源稳压芯片、输出信号控制元器件、光敏元器件、模拟或数字信号处理芯片、无源器件中的任意一种或多种。其中，输出信号控制元器件包括三极管、场效应管、可控硅、继电器的任意一个或多个，无源器件至少包括电阻、电容、电感的任意一种或多种。
67.基于上述方案，本实施例还提供一种封装方法，其用于新型贴片式热释电红外传感器的管帽110封装，热释电红外传感器包括：基板120、底板180或底座170、红外滤光片130、管帽110、红外敏感元件140、bga球190以及信号处理零部件160；其中，如图4、5所示，管帽110的下端面设置有环形封装部位111，环形封装部位111上凸出设置有一个或多个凸出部位112，封装方法包括以下步骤：
68.s1、在所述基板上使用锡膏钢网刷或涂覆导电锡膏，该导电锡膏用于焊接固定bga球190，或者bga球190和底板180，或者bga和底座170；
69.s2、根据热释电红外传感器结构是否有底板180或底座170，选择执行此步骤，若热释电红外传感器具有底板180或底座170结构，则在所述基板上使用阶梯钢网刷或涂覆对底板180或底座170进行机械密封固定的固定胶粘剂，其中固定胶粘剂包括smt电子红胶、环氧树脂胶粘剂等不可逆或高tg胶粘剂，否则执行步骤s4；
70.s3、根据热释电红外传感器结构是否有底板180或底座170，选择执行此步骤：若热释电红外传感器具有底板180或底座170结构，则将底板180或底座170安装到基板120上，否则执行步骤s4；
71.s4、放上值锡网，把bga球190值入到基板120上；
72.s5、取下值锡网，并把值好bga球190的基板120放入回流焊炉或专用bga球焊接设备，进行熔锡焊接或和固化固定胶粘剂；
73.封装方法还包括以下步骤：
74.s61、在管帽110环形封装部位111与基板120或底板180或底座170合盖重叠的管帽110或基板120或底板180或底座170的位置上使用钢网刷或涂覆以上固定胶粘剂；
75.s71、在管帽110凸出部位112与基板120或底板180或底座170合盖重叠的管帽110或基板120或底板180或底座170的位置上采用阶梯钢网刷或涂覆导电胶粘剂或者采用点胶工艺点导电胶粘剂，或者不执行步骤s71而直接往下操作；
76.s81、把管帽110与基板120或底板180或底座170合盖在一起；
77.s91、对合盖在一起的传感器进行烘烤固化，烘烤固化可采用烤箱或隧道炉工具；
78.s101、如果以上没有执行步骤s71，则执行此步骤：对管帽110凸出部位112采用储能电阻碰焊、激光焊接等工艺，使管帽110与基板120电连接。
79.或者，封装方法还包括以下步骤：
80.s62、在管帽110环形封装部位111与基板120或底板180或底座170合盖重叠的管帽110或基板120或底板180或底座170的位置上使用钢网刷或涂覆导电胶粘剂；
81.s72、在管帽110凸出部位112与基板120或底板180或底座170合盖重叠的管帽110或基板120或底板180或底座170的位置上采用阶梯钢网刷或涂覆以上固定胶粘剂或者采用点胶工艺点以上固定胶粘剂；或者不执行步骤s72而直接往下操作；
82.s82、把管帽110与基板120或底板180或底座170合盖在一起；
83.s92、对合盖在一起的传感器进行烘烤固化，烘烤固化可采用烤箱或隧道炉工具；
84.s102、如果以上没有执行步骤s72，则执行此步骤：对管帽110凸出部位112采用储能电阻碰焊、激光焊接等工艺，加强管帽110与基板120的机械连接强度。
85.实施例2：
86.本实施例与实施例1的区别在于，如图6所示，在本实施例中，底座170采用底板180替代，且底板180固定安装在基板120的下端面。底板180设置有开口，bga球190容置在开口内。
87.实施例3：
88.本实施例与实施例1的区别主要在于，如图7所示，在本实施中，热释电红外传感器上未设置有底座170或底板180。管帽110与基板120形成密闭空间，且基板120的形状为矩形。信号处理零部件160和红外敏感元件140均封装于密闭空间内。
89.实施例4：
90.本实施例与实施例3的区别主要在于，如图8所示，在本实施例中，管帽110与基板120形成密闭空间，信号处理零部件160和红外敏感元件140均封装于密闭空间内。基板120为矩形，且基板120的下端面上固定安装有底板180，底板180的形状与基板120的形状相同。
91.实施例5：
92.本实施例与实施例1的区别主要在于，如图9所示，取消设置底座170，管帽110与基板120形成密闭空间，信号处理零部件160和红外敏感元件140均封装于密闭空间内。基板120上还设置有外围零部件200，所述外围零部件200设置在管帽110的内部和/或外部空间，该外围零部件200用于构成高集成度、多功能一体化的热释电红外传感器。具体地，外围零部件200包括：电源稳压芯片、输出信号控制元器件、光敏元器件、模拟或数字信号处理芯片、二极管、三极管、无源器件中的任意一种或多种。其中，输出信号控制元器件包括：三极管、场效应管、可控硅、继电器中的任意一个或多个。无源器件包括：电阻、电容、电感中的任意一个或多个。
93.在本实施例中，信号处理零部件160使用jfet，采用带支撑部件150和管帽110与基板120组成密闭空间的结构，基板120采用pcb电路板，管帽110密闭空间内增加电阻电容，管帽110密闭空间外的pcb电路板的上表面增加电源稳压器、模拟信号处理芯片、光敏器件、输出信号控制元器件选为场效应管、电阻电容，管帽110密闭空间外的pcb电路板下表面增加电阻电容。
94.实施例6：
95.本实施例与实施例1的区别主要在于，如图10所示，在本实施例中，底座170采用底板180替代，且底板180固定安装在基板120的下端面。底板180为金属板且电连接地。底板180为加厚板，厚度至少为1mm以上。该加厚金属板用来提高传感器的整体热熔，以提高传感器的热稳定性能。底板180上开设有开口，开口供bga球190容置。
96.进一步地，基板120为pcb电路板，且pcb电路板板顶和地面除有线路以外的地方均设置有接地敷铜230。
97.进一步地，电路板还可设置有金属化包边敷铜250和金属化开槽敷铜240且包边和开槽的金属铜均接地，以避免或减少电路板暴露在空间电磁环境当中，以提高传感器抗电磁干扰的性能；以此设计构成高热稳定性能和抗电磁干扰性能强的热释电红外传感器。
98.其他实施例：
99.本实施例与上述实施例的区别主要在于，在本实施例中，上述结构还可用于热电堆等其他同类传感器。此处以热电堆为例，如图11所示，热电堆包括有：管帽110、基板120、底板180或底座170、红外滤光片130、热敏电阻220、热电堆芯片210以及bga球190。其中热敏电阻220和热电堆芯片210安装在基板120上，且与基板120电连接。
100.以上，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。