MEMS传感器封装结构的制作方法

本发明涉及微电子机械系统技术领域，尤其涉及微电子机械系统的电路布线及封装结构，具体涉及一种mems传感器封装结构。

背景技术：

mems(micro-electromechanicalsystem，微型电子机械系统)传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器，与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点，因此其被广泛的应用于一些电子产品中。

而pcb(printedcircuitboard，印制电路板)基板结构工艺成熟、成本适中，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的载体。因此，现有技术中的mems传感器普遍采用pcb基板设计，其具备微型化、扁平化的特征。

下面以mems压力传感器为例进行说明，现有技术中主要有以下两种封装方式：

一种为采用lga(landgridarray，栅格阵列)封装的高度计等压力传感器，其基板采用4层以上pcb(printedcircuitboard，印制电路板)结构，该采用lga封装的高度计等压力传感器的pcb结构线路布线复杂、制版设计成本高。pcb的后期制造成本占比高、降本空间小，难以满足消费类产品不断降低成本的需求。同时，lga封装pcb的基板厚度薄、线路排版生成的过孔、通孔的附着层的气密性只能满足较低气压量程压力传感器气密性的要求，大量程气压量程的气密性和存在漏气等可靠性隐患。

另一种为采用pcb单层板封装的气压计等压力传感器模组，其采用传感器输入输出布线在pcb顶层布线结构。这种采用pcb单层板封装的气压计等压力传感器模组，由于布线金属层与基板存在高度差，在传感器封装金属盖板时，不能形成完全密封腔室，这种不平整pcb基板加装盖板后的气密性也只能满足较低气压量程、且漏气率要求低的压力传感器模组产品，限制了较高气密性要求和较大气压量程的压力传感器的应用。

随着消费类智能电子产品、智能医疗产品和汽车电子产品的便携式应用体验需求上升，对微型化、扁平化表面贴装封装结构的mems传感器的气密性和低制造成本提出了更高要求。

技术实现要素：

本发明为了克服至少一个上述现有技术的缺点，提供了一种结构简单、适用性好、成本较低的mems传感器封装结构。

为了实现上述目的，本发明的mems传感器封装结构具有如下构成：

该mems传感器封装结构包括传感器芯片，其主要特点是，所述的封装结构包括至少二层的pcb板以及传感器盖板；

各层所述的pcb板依次叠放连接，所述的传感器芯片设于位于最顶层的所述的pcb板的上表面上；所述的传感器盖板包围所述的传感器芯片，且所述的传感器盖板与位于最顶层的pcb板的上表面垂直连接，成封装腔；

各层所述的pcb板的下表面均设有金属布线层，且所述的位于最顶层的pcb板的上表面也设有金属布线层；

各层所述的pcb板上均设有贯穿该层pcb板的垂直的通孔，且所述的传感器盖板正下方的位置上不能设有垂直且一次贯穿各层所述的pcb板的通孔，其中，所述的通孔的两端分别位于两层不同的所述的金属布线层上，各层所述的金属布线层之间通过对应的通孔实现电气互联。

较佳的，所述的传感器盖板下方形成完整的环形布线，所述的传感器盖板通过所述的环形布线与所述的位于最顶层的pcb板连接。

更佳的，位于所述的环形布线的正下方位置设有下凹的呈封闭结构的环形凹槽，所述的环形凹槽的尺寸形状与所述的环形布线的尺寸形状相适应，所述的环形凹槽与所述的传感器盖板垂直对接粘连，所述的环形凹槽设于所述的位于最顶层的pcb板上。

较佳的，各层所述的金属布线层上均设有和与所述金属布线层相邻的两层金属布线层相连接且互不交叉的连线线路。

较佳的，所述的位于最顶层的pcb板上设有第一印刷电路板焊盘和第二印刷电路板焊盘；

其中，所述的第一印刷电路板焊盘为与外部电气连接的印刷电路板焊盘；

所述的传感器芯片通过金属丝线邦定与所述的第二印刷电路板焊盘互联，所述的第二印刷电路板焊盘下方和与该第二印刷电路板焊盘相邻的通孔相连接，其中，所述的与该第二印刷电路板焊盘相邻的通孔的上端与位于所述的位于最顶层的pcb板的上表面的金属布线层位于同一层，所述的与该第二印刷电路板焊盘相邻的通孔的下端与位于所述的位于最顶层的pcb板的下表面的金属布线层位于同一层。

较佳的，位于最底层的所述的pcb板上设有第三印刷电路板焊盘，所述的第三印刷电路板焊盘与位于最底层的所述的pcb板上的通孔形成与底层金属布线层的电气互联，其中，所述的底层金属布线层为位于最底层的所述的pcb板的下表面上的金属布线层。

较佳的，所述的封装结构中位于最顶层的所述的pcb板的上表面与位于最底层的所述的pcb板的下表面上均设有绝缘层。

较佳的，每一所述的pcb板和与所述pcb板相邻的pcb板之间均设有中间布线层。

较佳的，所述的传感器芯片为压力传感器芯片，所述的传感器盖板的上部设有进气测试口。

更佳的，所述的封装结构上包括一贯穿各层所述的pcb板的通气孔，所述的通气孔设于所述的压力传感器芯片的正下方。

采用该mems传感器封装结构，包括了至少二层的pcb板，在传感器芯片上方设传感器盖板，并在传感器盖板正下方不设有垂直且一次性贯穿各层所述的pcb板的通孔，减少传感器受到外部环境干扰的情况，提高检测精度，且该mems传感器封装结构成本较低，具有较高的性价比，适应范围广泛。

附图说明

图1为本发明的一实施例中的mems传感器封装结构的剖面结构示意图。

图2为本发明的一实施例中的mems传感器封装结构的俯视结构示意图。

图3为本发明的另一实施例中的mems传感器封装结构的剖面结构示意图。

附图标记

1传感器盖板

2进气测试口

3环形布线

4金属丝线

5压力传感器芯片

6装片胶涂覆区域

7第一下通孔

8绝缘油墨层

9第一层pcb板

10中间布线层

11第二下通孔

12第二层pcb板

13上通孔

14环形凹槽

15外部电气连接焊盘

16通气孔

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。下面参考附图详细描述本发明的各实施方式。

在该实施例中，本发明公开的一种mems传感器封装结构，包括传感器芯片，其中，所述的封装结构包括至少二层pcb板以及传感器盖板；

各层所述的pcb板依次叠放连接，所述的传感器芯片设于位于最顶层的所述的pcb板的上表面上；所述的传感器盖板包围所述的传感器芯片，且所述的传感器盖板与位于最顶层的pcb板的上表面垂直连接，成封装腔；

各层所述的pcb板的下表面均设有金属布线层，且所述的位于最顶层的pcb板的上表面也设有金属布线层；

各层所述的pcb板上均设有贯穿该层pcb板的垂直的通孔，其中，所述的通孔的两端分别位于两层不同的所述的金属布线层上，各层所述的金属布线层之间通过对应的通孔实现电气互联；

所述的传感器盖板正下方的位置上不能设有垂直且一次贯穿各层所述的pcb板的通孔，如：在一种包括二层pcb板的实施例中，各层所述的pcb板中位于所述的传感器盖板正下方位置上的通孔和与该层pcb板相邻层的pcb板中位于所述的传感器盖板正下方位置上的通孔的垂直位置相互错开。

在上述实施例中，所述的传感器盖板下方形成完整的环形布线，所述的传感器盖板通过所述的环形布线与所述的位于最顶层的pcb板连接。

在上述实施例中，所述的传感器盖板与所述的环形布线垂直对接粘连，所述的环形布线的尺寸形状与所述的传感器盖板的尺寸形状相适应。

在上述实施例中，位于所述的环形布线的正下方位置设有下凹的呈封闭结构的环形凹槽，所述的环形凹槽的尺寸形状与所述的环形布线的尺寸形状相适应，所述的环形凹槽与所述的传感器盖板垂直对接粘连，所述的环形凹槽设于所述的位于最顶层的pcb板上。

在上述实施例中，通过多层pcb板及相应的金属布线层的设计、位于所述的传感器盖板正下方位置错开设计的通孔结合完整的环形布线等设计增加了mems传感器封装结构的气密性，通过气密性的提供，扩展了量程。

在上述实施例中，各层所述的金属布线层上均设有和与该金属布线层相邻的两层金属布线层相连接且互不交叉的连线线路。

在上述实施例中，所述的位于最顶层的pcb板上设有第一印刷电路板焊盘和第二印刷电路板焊盘；

其中，所述的第一印刷电路板焊盘为与外部电气连接的印刷电路板焊盘；

所述的传感器芯片通过金属丝线邦定与所述的第二印刷电路板焊盘互联，其中，所述的邦定一词来源于bonding，意译为“芯片打线”或者“帮定，邦定是芯片生产工艺中一种打线的方式，一般用于封装前将芯片内部电路用金线或铝线与封装管脚或线路板镀金铜箔连接；

所述的第二印刷电路板焊盘下方和与该第二印刷电路板焊盘相邻的通孔相连接，其中，所述的与该第二印刷电路板焊盘相邻的通孔的上端与位于所述的位于最顶层的pcb板的上表面的金属布线层位于同一层，所述的与该第二印刷电路板焊盘相邻的通孔的下端与位于所述的位于最顶层的pcb板的下表面的金属布线层位于同一层。

在上述实施例中，位于最底层的所述的pcb板上设有第三印刷电路板焊盘，所述的第三印刷电路板焊盘与位于最底层的所述的pcb板上的通孔形成与底层金属布线层的电气互联，其中，所述的底层金属布线层为位于最底层的所述的pcb板的下表面上的金属布线层。

在上述实施例中，所述的封装结构中位于最顶层的所述的pcb板的上表面与位于最底层的所述的pcb板的下表面上均设有绝缘层。

在上述实施例中，所述的传感器封装结构包括外部电气连接焊盘，该外部电气连接焊盘通过一通孔上下贯穿所有所述的pcb板。

在上述实施例中，每一所述的pcb板和与该pcb板相邻的pcb板之间均设有中间布线层。

在上述实施例中，所述的传感器芯片为压力传感器芯片，所述的传感器盖板的上部设有进气测试口。

在一较佳的实施例中，上述封装结构上还包括一贯穿各层所述的pcb板的通气孔，所述的通气孔设于所述的压力传感器芯片的正下方，该设有通气孔的mems传感器封装结构可适用于表压和差压类型压力传感器封装(绝压类型压力传感器封装不设计通气孔)。

上述实施例中，通过在环形区域形成下刻蚀槽、确保环形区域的封闭完整，形成了物理等高面和等高线的闭环；并通过不在环形区域内设计直通所有pcb板的通孔的设计实现物理隔离，即采用纵向通孔在不同层间横向散布，形成有效物理隔离；兼容pcb制程下的2层以上的pcb和对应层数的金属层设计满足了电气互联，并实现上述隔离的目的。反之，小于2层的pcb设计，不能解决环形区域内做直接通孔，存在漏气隐患。

下面结合附图1至3，结合一包括二层pcb板的mems传感器封装结构对本发明进行进一步的举例说明，将mems传感器封装结构应用于压力传感器中，包括传感器芯片，所述的传感器芯片为压力传感器芯片5，其中，所述的封装结构包括二层pcb板以及传感器盖板1；

其中，位于最顶层的pcb板为第一层pcb板9，另一层pcb板为第二层pcb板12，所述的第一层pcb板9与第二层pcb板12的金属布线层为第二金属布线层(未在图中指明)；

各层所述的pcb板依次叠放连接，所述的传感器芯片设于位于最顶层的所述的pcb板的上表面上；所述的传感器盖板1包围所述的传感器芯片，且所述的传感器盖板1与位于最顶层的pcb板的上表面垂直连接，成封装腔。

在上述实施例中，构成本发明的mems传感器封装结构的pcb板由半固化材料和芯板材料构成，具体可根据实际的测量需求、密封要求、全温区的精度指标、应力和成本等实际情况选择半固化材料或芯板材料。

在上述实施例中，所述的传感器盖板1下方形成完整的环形布线3，即所述的环形布线为首尾相接的，整个环形结构中间无断开点，所述的传感器盖板1通过所述的环形布线3与位于最顶层的pcb板连接，所述的传感器盖板1与所述的环形布线3垂直对接粘连，所述的环形布线3的尺寸形状与所述的传感器盖板1的尺寸形状相适应。该环形布线3为结构完整的整体位于同一平面的结构。该实施例中，利用环形布线3保持环形区的等高和独立性，是该实施例中达到密封要求的主要手段之一。

在上述实施例中，位于所述的环形布线3的正下方位置设有下凹的呈封闭结构的环形凹槽14，所述的环形凹槽14的尺寸形状与所述的环形布线3的尺寸形状相适应，所述的环形凹槽14与所述的传感器盖板1垂直对接粘连。所述的环形凹槽14可以是通过刻蚀或压膜形成的。通过环形凹槽14可以形成更紧密的压力传感器承压腔室。

在上述实施例中，所述的封装结构中位于最顶层的所述的pcb板的上表面与位于最底层的所述的pcb板的下表面上均设有绝缘层8，所述的绝缘层8优选为绝缘油墨层。

在上述实施例中，所述的传感器芯片设于所述的位于最顶层的pcb板上的装片胶涂覆区域6，在该装片胶涂覆区域6设有传感器芯片装片岛。在该实施例中，所述的传感器芯片装片岛是金属装片岛，即为一种设计有金属层的传感器芯片装片岛，该传感器芯片装片岛一般与其他连接线隔离。在其他实施例中也可以为非金属层的传感器芯片装片岛，(如陶瓷的传感器芯片装片岛)。

在上述实施例中，所述的传感器封装结构包括外部电气连接焊盘15，该外部电气连接焊盘15通过一贯穿各层所述的pcb板的通孔上下贯穿所有所述的pcb板。

在上述实施例中，所述的位于最顶层的pcb板上还设有传感器芯片装片岛、第一印刷电路板焊盘(第一pad)以及第二印刷电路板焊盘(第二pad)；若与所述的位于最顶层的pcb板通过两根金属丝线4与所述的传感器芯片相连接，则所述的位于最顶层的pcb板中与所述的金属丝线4相连接的两个通孔分别为第一下通孔7和第二下通孔11，其中，所述的金属丝线可由金线构成；

所述的第一印刷电路板焊盘为与外部电气连接的印刷电路板焊盘(第一pad)，所述的第二印刷电路板焊盘为与所述的传感器芯片邦定的印刷电路板焊盘(第二pad)。

所述的传感器芯片通过金属丝线4邦定与第二印刷电路板焊盘实现互联，所述的第二印刷电路板焊盘下方可通过与所述的第一下通孔7相连接，形成第一金属布线层(未在图中指明)和所述的第二金属布线层的电气互联，或通过与所述的第二下通孔11相连接，形成第一金属布线层和所述的第二金属布线层的电气互联；

其中，所述的第一下通孔7和第二下通孔11中靠上的一端与所述的第一金属布线层在同一层；所述的第一下通孔7和第二下通孔11中靠下的一端与所述的第二金属布线层在同一层。在第二金属布线层所在一层中还包括一与其在同平面位置上的中间布线层10，该中间布线层10设为金属层和非金属层区域，电气互联线、印刷电路板焊盘(pad)等使用金属层构成中间布线层，其它为用非金属层构成中间布线层。

其具体结构可从图1中看出，图中的压力传感器芯片5的左右两边分别与二根金属丝线4对应相连，右边的金属丝线4与第一下通孔7中靠上的一端相连接，左边的金属丝线4与第二下通孔11中靠上的一端相连接，从图中可看出，第一下通孔和第二下通孔为两个相互平行设置的通孔。

在该实施例中的双层pcb板设计中，设计了三层金属布线层解决上层传感芯片邦定引线的金属布线与下层传感器输出引线的金属布线电气互联，以满足金属布线连线转接的要求。

在上述实施例中，所述的第二层pcb板12上包括第三印刷电路板焊盘和上通孔13，即其中所述的上通孔为位于所述的最底层的所述的pcb板上的通孔，如图1或3所示，在该实施例中，设有2个所述的上通孔，所述的第三印刷电路板焊盘(第三pad)与所述的上通孔13形成与第三金属布线层(未在图中指明)的电气互联，所述的第三金属布线层为位于所述的最底层的所述的pcb板下表面上的金属布线层，所述的上通孔13的下端与所述的第三金属布线层在同一层。如图1所示，其中，上通孔13的下端所在位置正是第三金属布线层所在位置。

在上述实施例中，所述的第二金属布线层上设有分别与所述的第一金属布线层和第三金属布线层相连接且互不交叉的连线线路，且所述的第二金属布线层上还设有分别与所述的第一金属布线层和第二金属布线层垂直对应的互联的通孔。

在该实施例中，在所述的第一金属布线层和第一金属布线层在所述的传感器盖板1下方形成的完整的环形布线3的区域的正下方不能设有直接垂直贯穿两层pcb板的通孔，即通孔在所述的第二金属布线层与上下两层pcb板独立设计的通孔垂直位置必须是错开的。

在上述实施例中，所述的传感器盖板1的上部设有进气测试口2。

在该实施例中，所述的mems传感器封装结构属于一种应用该mems传感器封装结构的mems压力传感器封装结构，在该实施例中采用了二层由半固化材料和芯板材料(增强材料)构成复合pcb板，该mems传感器封装结构还包括了三层金属布线层，在传感器盖板1正下方形成独立和完整的环形布线3，其具体结构如图1、2所示。在该实施例中，环形布线3与传感器盖板1垂直对接粘连，形成完全封闭的整体，满足压力传感器承压腔室气密性的需求，同时，选用了双层pcb板扩展压力传感器量程，解决了目前pcb封装气密性差和压力量程低的问题。采用该结构的mems传感器封装结构提升了压力传感器的气密性，扩展了压力量程。在解决pcb封装的压力传感器气密性差和压力量程低的适用性问题的同时，本实施例中的mems传感器封装结构采用双层pcb板的结构与多层pcb板材料的传感器封装结构相比大幅降低了pcb材料的成本，是一种气密性好、压力量程广、使用性能好、成本低、适用范围广泛的mems压力传感器封装结构。

在另一实施例中，在上述实施例的基础上，本实施例中的mems传感器封装结构还包括一贯穿各层所述的pcb板的通气孔16，所述的通气孔16设于所述的压力传感器芯片5的正下方，其具体结构如图3所示，该实施例中的mems传感器封装结构中的通气孔16作为表压、差压类型压力传感器参考压力通气通路。该实施例中的mems传感器封装结构也具备上述实施例中的mems传感器封装结构所具备的优点。

应用本发明的mems传感器封装结构的压力传感器，可将压力量程从40kpa-150kpa范围扩展到1mpa水平。pcb单位面积成本较4层及以上pcb材料的成本大幅下降，具有提升了压力传感器的气密性、扩展了压力量程，提高了压力传感器的性价比的特点，该实施例中的运用所述mems传感器封装结构的压力传感器，不仅可以应用于压力的测量，还可以作为气体传感器被应用，特别是局部处于大压力条件下，可被作为气体成分测量应用。

在其他实施例中，也可采用三层或者更多层pcb板进行设计，相应的金属布线层的数量也随之提高，但二层pcb板和三层金属布线层的设计是一种最优的设计，其中，采用三层或者更多层pcb板的设计时，仅需保证最顶层pcb板结构不变的基础上，增加下层pcb板及相应的金属布线层及相应的通孔结构即可。

采用该mems传感器封装结构，包括了至少二层的pcb板，在传感器芯片上方设传感器盖板，并在传感器盖板正下方不设有垂直且一次性贯穿各层所述的pcb板的通孔，减少传感器受到外部环境干扰的情况，提高检测精度，且该mems传感器封装结构成本较低，具有较高的性价比，适应范围广泛。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。