一种MEMS热风速计的系统级封装

　　经过十几年的发展, MEMS 芯片已相当成熟,封装成为制约MEMS 器件产品化的瓶颈。与传统的IC 封装相比较, MEMS 传感器的封装必须考虑很复杂的参数要求: 首先必要保证敏感元件免受非被测量的环境影响; 其次能提供良好的电信号, 和后续电路有可靠的电气连接; 最重要的一点是使传感部分能够与被测量的物理量能够发生作用。这些意味着MEMS 传感器的封装没有标准, 往往都是针对某一个具体的芯片, 又常常被称为/ 专用封装0[ 1] 。

　　在MEMS 热风速计的封装方面, 人们做了很多研究。荷兰Delft 理工大学提出了采用芯片背面贴薄层陶瓷片的封装方法[ 2] , 瑞士ETH Zurich 大学采用将风速计的敏感元件暴露在环境中, 将周边电路封装保护的方法实现封装[ 3] , 本实验室的研究生提出了将芯片引线键合到PCB 上, 在PCB 开孔以便芯片通过其自身背面感风的封装方案[ 4] 。但是这些都是针对传感芯片本身, 考虑到信号在传输给后续的外部电路过程中可能出现的干扰, 芯片的灵敏度和精度都将受到一定程度的影响。

　　本文提出的封装结构将传感器芯片与后续的处理芯片封装在同一管壳内, 只要在其后接上显示装置, 就可以得知风速风向的信息, 基本实现了系统级封装的功能。通过ANSYS 软件建模求解, 得到封装前后的风速计在风速和风向上的性能数据。并将之与实验数据和理想数据[ 5] 比较, 结果基本相符, 但是芯片灵敏度下降。

　　1 封装结构及封装过程

　　图1 是本文要封装的风速计芯片结构[ 6] , 其中白色部分是由Pt 金属制成的加热电阻和测温电阻( 中央的圆形结构是加热电阻, 四周的扇形是测温电阻) , 黑色部分是陶瓷基板。本文提出的封装结构剖面如图2 所示。封装完成的风速计芯片在外观上呈现表面贴装器件( SMT ) 。封装管壳( 斜线部分) 采用陶瓷材料, 管壳正面、背面中央均开有腔体。正面腔体用于放置传感器芯片( 网格线部分) , 背面腔体用于放置后续的处理芯片( 竖线部分) 。正面腔体底部有倒装焊所需的金属突点, 背面腔体底部有引线键合所需的焊点, 两者之间由封装管壳内的金属互连( 粗黑线) 实现电连接。封装管脚与背面腔体底部的焊点也通过管壳内的金属互连实现电连接。当环境中风速风向发生变化, 传感器芯片将物理信号转变成电信号传递给后续处理电路, 电路将模拟量转换成数字量输出。

　　封装先从固定风速计芯片开始, 将芯片倒装焊在封装管壳正面腔体内。由于芯片四周留有空隙,灌入绝热胶实现加热电阻与测温电阻良好的热隔离。然后将管壳倒置, 在管壳背面的腔体内采用引线键合方式固定信号处理电路。最后用胶将电路封包保护, 将背面腔体封盖。