压力测量模块及其封装方法与流程

本发明涉及压力测量技术领域，尤其涉及一种压力测量模块及其封装方法。

背景技术：

在压力测量中，mems(microelectromechanicalsystems：微机电系统)压力传感器因其测量范围广、响应特性好、尺寸小以及价格低廉等优点，越来越广泛地应用在工业、医疗和汽车电子等领域。但mems元件本身难以与外界直接互联，一般需要通过封装结构建立其与外部的机械和电气连接，同时封装结构还可以起到保护mems元件的作用。

发明人发现，目前用于封装压力传感器的结构通常为so封装(包括sop封装和soic封装)，然而，该封装结构却存在如下问题：

一是该封装结构只能封装一个mems传感元，这是因为其内部通过金属框架来进行电气互联，难以实现复杂电气线路的布置，因此很难集成额外的元器件，除此之外，内部的asic(专用集成电路)也只能处理一路压力信号，故只能用来测量一处外界压力；

二是该封装结构中很难集成电容、电阻等被动器件，具体原因同上，如此一来，导致其集成度低，也无法保证其emc性能，而且，还需要在下级封装中集成相关被动器件，使得后续封装和装配过程变得复杂化。

显然，传统的封装模式已不能满足新的应用要求。举例来说，基于功能安全考虑，需要同时使用两个传感元来测量同一处压力，实现压力信号的冗余校验。又例如，在车载颗粒捕捉器应用中，基于obd(车载诊断系统)要求，也需要同时测量颗粒捕捉器的上下游压差和下游压力。

因此，有必要开发一种新的压力测量模块以及相对应的封装方法，从而克服目前压力测量封装所存在的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种压力测量模块及其封装方法，不仅能够封装两个mems传感元，实现两路外界压力的测量，而且还能够集成电阻、电容等被动器件，集成度高，增强了压力测量模块的emc性能，并简化了后续封装和装配过程。

进而为实现上述目的，本发明提供了一种压力测量模块，使用lga封装，其包括基板、环氧树脂基体、专用集成电路芯片、被动器件以及两个mems传感元；

所述专用集成电路以及所述被动器件均固定设置在所述基板的上表面，并与所述基板电连接；所述环氧树脂基体置于所述基板上，用以包裹设置在所述基板上的所述专用集成电路芯片以及所述被动器件；两个所述mems传感元均固定设置在所述环氧树脂基体上，并与所述基板电连接；

所述专用集成电路分别与两个所述mems传感元通信连接，两个所述mems传感元分别用以感测一测量介质的压力信息并反馈给所述专用集成电路芯片，所述专用集成电路芯片用以对接收到的两路压力信息进行数字化处理。

优选地，在所述的压力测量模块中，所述环氧树脂基体形成有两个腔室，每个所述腔室内均放置一个所述mems传感元。

优选地，在所述的压力测量模块中，每个腔室的底部形成有一台阶，在所述台阶上固定设置有所述mems传感元。

优选地，在所述的压力测量模块中，所述基板上形成有金属焊盘，每个所述mems传感元均通过金质绑定线与所述基板上对应的金属焊盘连接。

优选地，在所述的压力测量模块中，每个所述腔室内灌注有保护凝胶，所述保护凝胶包裹对应腔室内的所述mems传感元、金质绑定线以及金属焊盘。

优选地，在所述的压力测量模块中，所述基板与所述mems传感元相绑定的位置处涂覆有环氧树脂，用以提高绑定连接处的卤素耐抗性。

优选地，在所述的压力测量模块中，所述保护凝胶为含氟硅胶。

优选地，在所述的压力测量模块中，所述环氧树脂基体的热膨胀系数为mems传感元热膨胀系数的1.0～3.0倍。

优选地，在所述的压力测量模块中，所述环氧树脂基体的热膨胀系数小于10ppm/c。

优选地，在所述的压力测量模块中，所述专用集成电路芯片为未经封装的裸片。

优选地，在所述的压力测量模块中，所述裸片以倒装芯片方式与所述基板连接，或者，所述裸片贴装在所述基板上，并通过金质绑定线与所述基板连接。

优选地，在所述的压力测量模块中，两个所述mems传感元布置在所述专用集成电路芯片的相对两侧。

优选地，在所述的压力测量模块中，所述基板具有中央区域以及位于所述中央区域两侧的边缘区域，所述专用集成电路芯片以及所述被动器件均设置于所述中央区域，两个所述mems传感元正对对应的所述边缘区域设置。

优选地，在所述的压力测量模块中，所述基板连同所述基板上的所述被动器件以及所述专用集成电路芯片整体被改性环氧树脂材料包裹，形成所述环氧树脂基体。

优选地，在所述的压力测量模块中，所述基板的下表面设置有多个金属平面，用以与外部电连接。

优选地，在所述的压力测量模块中，所述专用集成电路芯片还用以将数字化处理后的两路压力信息编码为单边半字节数字通信协议，以通过一路电路向外部输出所述压力信息。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种压力测量模块的封装方法，所述压力测量模块包括基板、环氧树脂基体、被动器件、专用集成电路芯片及两个mems传感元，所述封装方法包括：

将所述被动器件固定设置在所述基板的上表面，并使其与所述基板电连接；

将所述专用集成电路芯片固定设置在所述基板的上表面，并使其与所述基板电连接；

在所述基板上注塑形成所述环氧树脂基体，并使所述环氧树脂基体包裹设置在所述基板上的所述被动器件以及所述专用集成电路芯片；

将两个所述mems传感元固定设置在所述环氧树脂基体上，并通过所述基板使两个所述mems传感元分别与所述专用集成电路芯片通信连接。

优选地，在所述的压力测量模块的封装方法中，所述将两个所述mems传感元固定设置在所述环氧树脂基体上，并通过所述基板使两个所述mems传感元分别与所述专用集成电路芯片通信连接的具体步骤包括：

在所述基板上注塑形成所述环氧树脂基体时，在所述环氧树脂基体上形成有两个腔室；

之后，在每个腔室内固定设置一个所述mems传感元，并通过金质绑定线将所述mems传感元与基板上对应的金属焊盘连接；

然后，向每个腔室灌注保护凝胶并执行固化，使保护凝胶包裹对应腔室内的mems传感元、金质绑定线以及金属焊盘。

优选地，在所述的压力测量模块的封装方法中，在向每个腔室灌注保护凝胶之前，还包括：在所述基板与所述mems传感元相绑定的位置处涂覆环氧树脂并执行固化，以提高绑定连接处的卤素耐抗性。

优选地，在所述的压力测量模块的封装方法中，所述在每个腔室内固定设置一个所述mems传感元，并通过金质绑定线将该mems传感元与基板上对应的金属焊盘连接的具体步骤包括：

将所述mems传感元固定于形成在腔室之底部上的台阶上，并利用台阶与腔室壁之间的通道供金质绑定线穿设，以连接mems传感元以及对应的金属焊盘。

优选地，在所述的压力测量模块的封装方法中，所述将专用集成电路芯片固定设置在所述基板的上表面，并使其与所述基板电连接的具体步骤包括：

提供未经封装的裸片，该裸片作为专用集成电路芯片；

将裸片的表面贴装在所述基板的上表面，并通过金质绑定线将裸片与所述基板上对应的金属焊盘连接。

与现有技术相比，本发明提供的压力测量模块及其封装方法具有如下有益效果：

第一、本发明的压力测量模块包含了基板、两个mems传感元、专用集成电路芯片以及被动器件，并通过环氧树脂基体实现了注塑封装，不仅集成度高，结构紧凑，成本低，而且emc性能好，还可以简化后续封装和装配的过程，提高生产效率，特别的，可以实现两路压力信号的测量，故能满足用户的各种测量要求；

第二、两个mems传感元均固定设置在环氧树脂基体上，不与基板直接接触，避免了基板与mems传感元热膨胀不匹配的问题，有效的确保了压力测量的准确性；

第三、将mems传感元设置在环氧树脂基体的腔室中并灌注保护凝胶，保护凝胶优选为含氟硅胶，一方面含氟硅胶较软，不会影响压力的正常传递，另一方面，氟硅胶具有较好的介质耐抗性，可以较好的保护传感元件在恶劣介质环境中正常且稳定地工作。

附图说明

附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：

图1是本发明一个实施例提供的压力测量模块的分解示意图；

图2是本发明一个实施例提供的压力测量模块的组装示意图；

图3是本发明一个实施例提供的压力测量模块的俯视示意图；

图4是图3所示的压力测量模块沿a-a连线的剖面示意图；

图5是本发明一个实施例提供的压力测量模块在去除环氧树脂基体时的俯视示意图；

图6是本发明一个实施例提供的压力测量模块的封装流程图。

图中：

压力传测量模块10，基板11，金属平面111；环氧树脂基体12，腔室121，台阶122，mems传感元13，专用集成电路芯片14，被动器件15，金质绑定线16；通孔-1a、1b。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

遍及说明书和所附权利要求书使用了表示特定系统组件的某些术语。如本领域的技术人员将理解的，不同公司可能用不同的名称来表示一组件。本文不期望在名称不同但功能相同的组件之间进行区分。在说明书和所附权利要求书中，术语“包括”和“包含”按开放式的方式使用，且因此应被解释为“包括，但不限于…”。空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

如本申请和所附权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。另外，以下说明内容的各个实施例分别具有一或多个技术特征，然此并不意味着使用本发明者必需同时实施任一实施例中的所有技术特征，或仅能分开实施不同实施例中的一部或全部技术特征。换句话说，在实施为可能的前提下，本领域技术人员可依据本发明的公开内容，并视设计规范或实作需求，选择性地实施任一实施例中部分或全部的技术特征，或者选择性地实施多个实施例中部分或全部的技术特征的组合，借此增加本发明实施时的弹性。

以下参考附图进行描述。图1是本发明一个实施例提供的压力测量模块的分解示意图，图2是本发明一个实施例提供的压力测量模块的组装示意图，图3是本发明一个实施例提供的压力测量模块的俯视示意图，图4是图3所示的压力测量模块沿a-a连线的剖面示意图，图5是本发明一个实施例提供的压力测量模块在去除环氧树脂基体时的俯视示意图。

如图1至图5所示，本发明实施例提供的压力测量模块10包括基板11、环氧树脂基体12、mems传感元13、专用集成电路芯片14以及被动器件15。其中，专用集成电路芯片14以及被动器件15均固定设置在基板11的上表面。基板11的上表面具体分布有金属焊盘(未图示，优选金属焊盘表面设置有镍金镀层)，使的这些元器件直接与对应的金属焊盘固定连接即可。这里，被动器件15可以表面贴装在基板11上，而专用集成电路芯片14既可以通过倒装芯片方式与基板11连接，也可以通过表面贴装结合线绑定的方式与基板11连接。此外，被动器件15主要包括电阻、电容等外围电路器件，其设置可以增强压力测量模块10的emc性能，确保压力测量的可靠性。但是，本发明对于被动器件15的具体数量、具体类型以及布局不作特别的限制，用户可以根据自身的需求来选择性设置，以满足各自的使用要求。

另外，还应知晓的是，前述固定设置在基板11上的各元器件，应理解为均与基板11实现了机械和电气上的互连。除了这些，在基板11的选材上，不限于pcb板、bt板、ltcc板、htcc板、金属薄膜溅射或厚膜印刷陶瓷板等。并且，需要特别说明的是，本发明中，运用了lga封装技术实现了压力测量模块10的封装，为此，如图4所示，在基板11的下表面设置了裸露的多个金属平面111(pad)，用以与外界电连接，例如通过绑定或贴装等方式与外界电连接，但金属平面111的数量不限于图4中所示的三个，本领域技术人员可以根据实际需要来自行设置金属平面111的具体数量以及分布方式。

进一步地，mems传感元13为两个，分别与专用集成电路芯片14通信连接，这里，两个mems传感元13通过基板11实现了与专用集成电路芯片14的通信连接。从而，两个mems传感元13分别感测一测量介质的压力并反馈给专用集成电路芯片14，进而专用集成电路芯片14对接收到的两路压力信息进行相应的数字化处理，这里的数字化处理包括但不限于非线性以及温度漂移补偿处理，还可以是其他运算处理，例如对两路压力信息进行运算比较，输出诊断信息，或者将两路压力信息转换为压力差、压力、压力比等信息，本发明对数字化处理的方式不作限定，这样可实现多种形式的压力测量，以满足用户的各种测量要求，优选，可通过软件烧入灵活地配置专用集成电路芯片14的数字化处理功能，例如在研发端或用户端便可自行烧入相应的软件，这样灵活性更高，使用更为方便。

进而，发明人为了克服基板的热膨胀系数与mems传感元的热膨胀系数不一致对压力测量造成的影响，故而将两个mems传感元13直接固定设置在环氧树脂基体12上，而不是直接设置在基板11上，以避免mems传感元13与基板11相接触。具体的，环氧树脂基体12设置在基板11上，具体通过注塑工艺在基板11上形成环氧树脂基体12，这样可以通过环氧树脂基体12包裹设置在基板11上的专用集成电路芯片14以及所有的被动器件15，从而对基板表面上的元器件进行保护，防止这些元器件在恶劣介质环境中受到腐蚀，确保它们正常且稳定地工作。同时，两个mems传感元13均固定设置在环氧树脂基体12上后，还与基板11实现了电气互连，并优选通过金质绑定线16与基板11上对应的金属焊盘连接。这里，环氧树脂基体12的热膨胀系数优选为mems传感元13的热膨胀系数的1.0～3.0倍，更优选的，环氧树脂基体12的热膨胀系数小于10ppm/c，如此，基体12在使用过程中不会对压力测量造成额外的热应力，可以较好的保证压力测量的准确性。

此外，本发明对两个mems传感元13所能实现的压力测量功能不作具体的限定，该两个mems传感元13中的任意一个可以是绝对压力传感元，也可以是相对压力传感元，举例来说，两个mems传感元13可以是如下几种组合方式：

1、绝对压力传感元与相对压力传感元；这里的绝对压力传感元用于测量介质的绝对压力，而相对压力传感元用于测量测量介质在不同位置的压力差；比如，绝对压力传感元测量颗粒捕捉器之下游的绝对压力，而相对压力传感元测量颗粒捕捉器之上下游之间的压力差；

2、绝对压力传感元与绝对压力传感元；这里，两个绝对压力传感元既可以测量同一处位置测量介质的绝对压力，而实现压力信号的冗余校验，也可以分别测量不同位置测量介质的绝对压力，比如同时测量颗粒捕捉器之下游或上游的绝对压力，或者一个测量颗粒捕捉器之上游的绝对压力，另一个测量颗粒捕捉器之下游的绝对压力；

3、相对压力传感元与相对压力传感元；与第二种组合相似的，两个相对压力传感元既可以实现压力信号的冗余校验，也可以各自独立测量不同位置的压力差。

这样一来，通过使用本发明实施例提供的压力测量模块10，可以实现多个压力的测量，从而满足用户的各种测量要求。并且，压力测量模块10通过环氧树脂基体12实现了注塑封装，内部集成有两个mems传感元，一个专用集成电路芯片以及若干被动器件，而专用集成电路芯片可以处理多路压力信号，便于实现多个压力的测量，因此，不仅集成度高，结构紧凑，成本低，而且emc性能好，还可以简化后续封装和装配的过程。

以下结合附图1至图5，对压力测量模块10的具体结构再做进一步的说明。

本发明实施例中，专用集成电路芯片14优选将数字化处理后的多路压力信息编码为单边半字节(sent)数字通信协议，以通过一路电路向外部输出多路压力信息，比如通过一个pin针向车辆控制器输出颗粒捕捉器的下游压力以及上下游之间的压力差，这样可以简化输出端口的配置，也减少连接线路的配置，从而简化结构，降低成本。

进一步地，专用集成电路芯片14优选为未经封装的裸片，这样可降低封装成本。更进一步地，裸片形式的专用集成电路芯片14与基板11的连接方式，如前所述，可以采用倒装芯片的方式，也可以采用表面贴装结合线绑定的方式，具体来说，专用集成电路芯片14的表面贴装在基板11的上表面，并通过金质绑定线与基板11上对应的金属焊盘连接。

接着参考图5，基板11具有中央区域以及位于中央区域两侧的边缘区域。优选，专用集成电路芯片14以及被动器件15均设置在所述中央区域，而两个mems传感元13正对边缘区域设置并分布在专用集成电路芯片14的相对两侧，这样有利于下级封装中实现对测量介质物理上的隔离作用。

进一步地，环氧树脂基体12上优选形成有两个腔室121，在每个腔室121内放置有一个mems传感元13，进而优选在每个腔室121内灌封保护凝胶并高温固化，以使固化后的保护凝胶包裹对应腔室内的mems传感元13以及其他相关部件，其他相关部件包括相应的金质绑定线16，还有与金质绑定线16相绑定处的金属焊盘，以此提高这些器件的介质耐抗性。优选的，保护凝胶为含氟硅胶，一方面氟硅胶较软，不会影响压力的正常传递，另一方面，氟硅胶具有较好的介质耐抗性，可以保护传感元以及线路和连接点在恶劣介质环境中正常稳定工作。更优选的，当mems传感元13通过金质绑定线16与基板连接时，在金质绑定线16与金属焊盘相绑定的位置处设置有钝化保护胶水，优选钝化保护胶水为环氧树脂保护胶水，以此提高绑定连接处的卤素耐抗性。

较佳地，通过低压注塑的方式将改性环氧树脂材料填充在基板11的上表面，并整体上包裹基板11上表面的所有被动器件15以及专用集成电路芯片14，从而对基板上表面上的元器件进行环氧树脂封装，并形成环氧树脂基体12。改性环氧树脂材料中优选含有sio2，以确保环氧树脂基体12具有较小的热膨胀系数，避免造成热应力效应，影响压力的准确测量。

进一步地，为了方便安装，环氧树脂基体12在每个腔室121中优选注塑形成有一个台阶122，而在台阶122上固定设置了mems传感元13，固定的方式可通过硅胶粘结。可选的，台阶122具体形成在腔室121的底部(靠近基板11)，且台阶122和腔室121的侧壁之间预留有通道，供金质绑定线16穿设，从而将mems传感元13与通道尽头的金属焊盘连接。

此外，参考图4，当mems传感元13为相对压力传感元时，其上的应变膜片的两相对表面分别感测测量介质的压力，因此，可在台阶122上设置通孔1a与基板11上的另一通孔1b相连通，从而将测量介质由该两个连通的通孔1a、1b引入至应变膜片的下表面(靠近基板11)。而当mems传感元13为绝对压力传感元时，由于其内部自身设置有真空腔室，因此可利用应变膜片的上表面(远离基板11的表面)感测测量介质的绝对压力。

接下去，本发明实施例还提供了对压力测量模块10进行封装的方法，具体包括如下步骤：

步骤一：提供一基板；

步骤二：将被动器件固定设置在所述基板的上表面，并使其与所述基板电连接；

步骤三：将专用集成电路芯片固定设置在所述基板的上表面，并使其与所述基板电连接；

步骤四：在所述基板上注塑形成一环氧树脂基体，并使所述环氧树脂基体包裹设置在所述基板上的所述被动器件以及所述专用集成电路芯片；

步骤五：将两个mems传感元固定设置在所述环氧树脂基体上，并通过所述基板使两个mems传感元分别与所述专用集成电路芯片通信连接。

进一步的，实现步骤五的过程优选为：

在所述基板上注塑形成所述环氧树脂基体时，在所述环氧树脂基体上形成有两个腔室；

之后，在每个腔室内固定设置一个所述mems传感元，并通过金质绑定线将该mems传感元与基板上对应的金属焊盘连接；

然后，向每个腔室灌注保护凝胶并执行固化，使保护凝胶包裹对应腔室内的mems传感元、金质绑定线以及金属焊盘。

更进一步的，在向每个腔室灌注保护凝胶之前，还包括：在所述基板与所述mems传感元相绑定的位置处涂覆环氧树脂并执行固化，以提高绑定连接处的卤素耐抗性。

再进一步的，实现步骤三的过程优选为：

提供未经封装的裸片，该裸片作为专用集成电路芯片；

将裸片的表面贴装在所述基板的上表面，并通过金质绑定线将裸片与所述基板上对应的金属焊盘连接。

接下去结合图6更具体来说，压力测量模块10的封装过程优选包括如下步骤：

步骤11：被动器件贴装；具体在基板的上表面印刷锡膏，形成多个金属焊盘，并将被动器件贴装在基板的上表面；

步骤12：回流焊固定被动器件；

步骤13：专用集成电路芯片贴装(asic贴装)；具体使用环氧树脂将专用集成电路芯片14贴装在基板的上表面；

步骤14：使用金质绑定线将专用集成电路芯片与基板电连接；

步骤15：注塑封装；具体通过低压注塑的方式将基板上表面的元器件进行环氧树脂封装，并形成两个腔室；

步骤16：mems传感元贴装；具体将两个mems传感元放置在腔室内的台阶上并固定；

步骤17：使用金质绑定线将mems传感元与基板电连接；

步骤18：保护凝胶灌封；向两个腔室内灌注含氟硅胶；

步骤19：保护凝胶高温固化；

步骤20：标定测试。

最后，进行编程和标定即可。

优选的，在步骤18之前，还包括：在基板上与mems传感元相绑定的位置处涂覆环氧树脂并固化。即在金属焊盘与金质绑定线相连接处涂覆环氧树脂胶水，以提高绑定连接处的卤素耐抗性。

另需要说明的是，本发明较佳实施例如上所述，但不限于上述实施例所公开的范围，例如本发明对于mems传感元在环氧树脂基体上的设置方式不作具体限定，只要能够使其不与基板接触并能够通过金质绑定线与基板电连接即可，此外，本发明对专用集成电路芯片及被动器件与基板的连接方式也不作具体限定。

综上，本发明实施例的压力测量模块10可与外界连接，实现压力的测量，尤其适用于在侵蚀性环境中测量，比如在车辆排放的尾气环境中实现压力测量。

与现有技术相比，本发明提供的压力测量模块包含了基板、两个mems传感元、专用集成电路芯片以及被动器件，并通过环氧树脂基体实现了注塑封装，不仅集成度高，结构紧凑，成本低，而且emc性能好(集成了被动器件)，还可以简化后续封装和装配的过程，提高生产效率，特别的，可以实现两路压力信号的测量，故能满足用户的各种测量要求。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。