一种MEMS气体传感器芯片的封装结构的制作方法

本申请涉及封装技术领域，更具体地说，涉及一种mems气体传感器芯片的封装结构。

背景技术：

气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。目前气体传感器种类繁多，应用范围广泛，大致可分为半导体式、电化学式、催化燃烧式、固体电解质式和红外线式等。其中催化燃烧式气体传感器计量准确，响应快速，寿命较长。传感器输出与环境爆炸危险直接相关，在安全检测领域是一类重要传感器。

基于mems(micro-electro-mechanicalsystem，微机电系统)技术制备的气体传感器属于第三代气体传感器，其核心部件是沉积气敏材料的硅基微热板，采用半导体工艺制备技术，可以做到全流程自动化生产。

现有技术中对于mems气体传感器的封装方式成本较高，且气体传感器的两种芯片在贴装之前的配对误差大、成本高。因此如何降低mems气体传感器芯片在封装时的配对误差以及成本，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本申请提供一种mems气体传感器芯片的封装结构，以实现降低mems气体传感器芯片在封装时的配对误差以及成本的目的。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种mems气体传感器芯片的封装结构，包括：

传感器基座，所述传感器基座包括贯穿所述传感器基座的第一通孔以及相背设置的第一基座表面和第二基座表面；

位于所述第一基座表面的至少两个pcb板，所述pcb板包括相背设置的第一表面和第二表面，其中一个pcb板的第一表面用于设置第一芯片，另一个所述pcb板的第一表面用于设置第二芯片，所述第一芯片和所述第二芯片构成气体传感器芯片，所述pcb板的第二表面均设置于所述第一基座表面上；

位于所述第一通孔中的金属导电插针，所述金属导电插针电连接所述第一芯片或所述第二芯片。

可选的，还包括：传感器盖帽；

所述传感器盖帽包括与所述传感器基座的侧壁固定的防爆网，以及位于所述第一基座表面背离所述第二基座表面一侧上方的防水透气膜。

可选的，所述pcb板还包括：

贯穿所述pcb板的第二通孔，位于所述第一表面的芯片定位区、金属导热带、焊盘和金属导电结构；

所述芯片定位区用于设置所述第一芯片或所述第二芯片，所述第二通孔用于容纳所述金属导电插针，所述焊盘通过所述金属导电结构与所述第二通孔中的金属导电插针电连接；

所述金属导热带至少围绕所述芯片定位区的一边设置，且所述金属导热带靠近另一所述pcb板的金属导热带设置。

可选的，两个所述pcb板的金属导热带之间还包括传热缝隙。

可选的，所述传热缝隙的宽度的取值范围为0～1.0mm。

可选的，所述金属导电插针的一端延伸出所述传感器基座的第一基座表面，所述金属导电插针的另一端延伸出所述传感器基座的第二基座表面。

可选的，所述金属导电插针延伸出所述第一基座表面的长度的取值范围为0.5～6mm；

所述金属导电插针延伸出所述第二基座表面的长度的取值范围为5～20mm。

可选的，所述金属导电插针的横截面形状包括圆形或长方形。

可选的，所述pcb板的数量为两个，其中一个所述pcb板的第二表面还包括第一标识，另一个所述pcb板的第二表面还包括第二标识；

所述第一标识与所述第一芯片对应，所述第二标识与所述第二芯片对应。

可选的，所述pcb板的厚度的取值范围为0.5～5mm。

从上述技术方案可以看出，本申请提供了一种mems气体传感器芯片的封装结构，该封装结构借助于两个pcb板，将气体传感器芯片的第一芯片和第二芯片分别贴装于两个独立的pcb板上，在pcb板层面即可完成第一芯片和第二芯片的电阻配对工作，同时降低了封装成本，也可以方便地转移至塑料或金属基座，进而加装防爆外壳和放水透气膜，解决了现有技术中的封装结构的配对误差大，封装成本高，以及在贴装之后，无法进行二次更换的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请的一个实施例提供的所述mems气体传感器芯片的封装结构的剖面结构示意图；

图2为本申请的一个实施例提供的所述传感器基座的第一基座表面的示意图；

图3为本申请的一个实施例提供的所述传感器基座的第二基座表面的示意图；

图4为本申请的一个实施例提供的两个所述pcb板的第一表面的设置关系示意图；

图5为本申请的一个实施例提供的两个所述pcb板的第二表面的设置关系示意图；

图6为本申请的一个实施例提供的包括传感器盖帽的mems气体传感器芯片的封装结构的剖面结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术中所述，现有技术中基于mems技术的气体传感器封装结构存在配对误差大、成本高，以及贴装之后，无法进行二次更换的问题。

具体地，目前基于硅基微热板制备的气体传感器基本上采用陶瓷管壳贴片封装方式进行封装，这种封装方式成本较高，并且不利于加装防爆帽和防水透气膜，限制了其在工业领域和车载领域等严苛环境中的应用。其次，催化燃烧气体传感器由补偿元件和检测元件两种芯片组成，在进行封装时必须进行两种元件的电阻配对，只有电阻配对成功才能封装在一起；而两种芯片在贴装之前，配对误差大、成本高；贴装之后，无法进行二次更换，这是因为芯片级的配对需要精密且昂贵的探针台来完成，探针台的探针扎在信号电极上采集芯片电阻信号或者电压信号，探针与电极的接触力度由机械弹簧来控制，力度偏大或者偏小会存在测量误差，其次探针台价格比较昂贵。芯片配对完成后，需要用芯片粘接胶粘接在陶瓷管壳中，固化完成后，芯片和陶瓷管壳粘接为一体，如果此时，发现配对失误，需要二次更换芯片，只能通过暴力拆解的方法，把芯片从陶瓷管壳上去除，不仅芯片会报废掉，陶瓷管壳也会受到损伤。

因此由两种元件组成的催化燃烧传感器不适合于单一陶瓷管壳的封装。

为了解决这一问题，本申请实施例提供了一种mems气体传感器芯片的封装结构，包括：

传感器基座，所述传感器基座包括贯穿所述传感器基座的第一通孔以及相背设置的第一基座表面和第二基座表面；

位于所述第一基座表面的至少两个pcb板，所述pcb板包括相背设置的第一表面和第二表面，其中一个pcb板的第一表面用于设置第一芯片，另一个所述pcb板的第一表面用于设置第二芯片，所述第一芯片和所述第二芯片构成气体传感器芯片，所述pcb板的第二表面均设置于所述第一基座表面上；

位于所述第一通孔中的金属导电插针，所述金属导电插针电连接所述第一芯片或所述第二芯片。

该封装结构借助于两个pcb板，将气体传感器芯片的第一芯片和第二芯片分别贴装于两个独立的pcb板上，在pcb板层面即可完成第一芯片和第二芯片的电阻配对工作，同时降低了封装成本，也可以方便地转移至塑料或金属基座，进而加装防爆外壳和放水透气膜，解决了现有技术中的封装结构的配对误差大，封装成本高，以及在贴装之后，无法进行二次更换的问题。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种mems气体传感器芯片的封装结构，如图1-6所示，所述mems气体传感器芯片的封装结构包括：

传感器基座1，所述传感器基座1包括贯穿所述传感器基座1的第一通孔131以及相背设置的第一基座表面11和第二基座表面12；

位于所述第一基座表面11的至少两个pcb板2，所述pcb板2包括相背设置的第一表面21和第二表面22，其中一个pcb板2的第一表面21用于设置第一芯片，另一个所述pcb板2的第一表面21用于设置第二芯片，所述第一芯片和所述第二芯片构成气体传感器3芯片，所述pcb板2的第二表面22均设置于所述第一基座表面11上；

位于所述第一通孔131中的金属导电插针141，所述金属导电插针141电连接所述第一芯片或所述第二芯片。

在图1-图6中，图1为所述mems气体传感器芯片的封装结构的剖面结构示意图，图2为所述传感器基座1的第一基座表面11的示意图，图3为所述传感器基座1的第二基座表面12的示意图，图4为两个所述pcb板2的第一表面21的设置关系示意图，图5为两个所述pcb板2的第二表面22的设置关系示意图，图6为包括传感器盖帽4的mems气体传感器芯片的封装结构的剖面结构示意图。

结合图3和图4，可选的，所述pcb板2还包括：

贯穿所述pcb板2的第二通孔241，位于所述第一表面21的芯片定位区25、金属导热带26、焊盘231和金属导电结构221；

所述芯片定位区25用于设置所述第一芯片或所述第二芯片，所述第二通孔241用于容纳所述金属导电插针141，所述焊盘231通过所述金属导电结构221与所述第二通孔241中的金属导电插针141电连接；

所述金属导热带26至少围绕所述芯片定位区25的一边设置，且所述金属导热带26靠近另一所述pcb板2的金属导热带26设置。

所述第一通孔131和所述第二通孔241相互配合构成了金属导电插针141的容纳通道，结合图1-图4可知，所述第一通孔131的数量可以为多个，所述第二通孔241的数量与所述第一通孔131的数量相适应，在图1和图4中每个pcb板2的设置位置处均包括两个第一通孔131，每个所述pcb板2均包括两个第二通孔241。

在图3和图4所示的结构中，单个所述pcb板2的俯视形状为半圆形，两个所述pcb板2相背设置拼接为一个圆形结构，各个所述pcb板2上的金属导热带26相邻设置，所述金属导热带26的形状可以为长方形，长度的取值范围为5～7.5mm，宽度设置在0.5～1.0mm范围内，所述金属导热带26的材质可以是铂、金、银、铜、铝和铌中的一种或几种组成的合金。

在本申请的其他实施例中，所述pcb板2的俯视形状还可以为方形等其他形状，本申请对此并不做限定。

一般情况下，无论所述pcb板2的俯视形状为何种形状，所述pcb板2的芯片定位区25通常位于pcb板2的中心位置，金属导热带26设置于芯片定位区25的一侧，焊盘231和金属导电结构221则位于芯片定位区25的另一侧。

所述金属导电结构221可以是通过锡焊技术形成的导电结构，也可以是铜箔等导电结构，所述pcb板2的第二通孔241与所述金属导电插针141基于所述金属导电结构221形成电性连接。

可选的，所述pcb板2的数量为两个，其中一个所述pcb板2的第二表面22还包括第一标识，另一个所述pcb板2的第二表面22还包括第二标识；

所述第一标识与所述第一芯片对应，所述第二标识与所述第二芯片对应。

具体地，参考图4，所述第一标识可以为“c”，与补偿元件(即第一芯片)对应，即表示该pcb板2的芯片定位区25用于设置所述补偿元件，所述第二表示可以为“d”，与检测元件对应，即表示该pcb板2的芯片定位区25用于设置所述检测元件。

可选的，当所述气体传感器3为催化燃烧式气体传感器3，所述第一芯片包括检测元件，所述第二芯片包括补偿元件时，可以通过调控各个所述pcb板2的金属导热带26的材质、长度、宽度等参数来调控第一芯片和第二芯片之间的热平衡，从而调控气体传感器3的响应时间和恢复时间。

具体地，检测元件和补偿元件工作在洁净气体环境中，检测元件和补偿元件的工作温度相等，当有可燃气体出现时，检测元件表面会发生催化燃烧反应，使得检测元件核心区域的温度急剧升高，热量会不可避免的向芯片周围扩散，只有检测元件和补偿元件达到热平衡时，气体传感器3输出才能达到稳定值。

如果在检测元件和补偿元件之间提供一个快速传热通道，会使得两者之间快速达到热平衡，气体传感器3的输出也能迅速达到稳定值，使得气体传感器3具有更快的响应时间。

热传导的基本公式是：q＝k*a*t*l，q代表热量，k为材料的热传导系数，a代表传热的面积，t代表两端的温度差，l代表两端的距离。

在我们所熟知的材料体系中，金属材料具有优良的热传导系数k，因此金属导热带26可以采用铜为主体，然后通过在铜上面镀镍、金、银等导热系数高的金属，进一步提高导热速度，所以在材质上，我们可以通过选取不同的材质，来调控热传导系数k达到调控传热速度的目的。

同理，传热面积a和两端的距离l，可以通过改变金属导热带26的宽度和长度来实现，加大金属导热带26的宽度，等于加大了两端的距离l；在厚度不变的情况下，改变金属导热带26的长度，等于改变了传热面积；因此，可以通过金属导热带26的材质、长度、宽度来调控检测元件和补偿元件之间的热平衡。

可选的，仍然参考图3和图4，两个所述pcb板2的金属导热带26之间还包括传热缝隙27，传热缝隙27的宽度的可选取值范围为0～1.0mm。

可选的，所述pcb板2的厚度的取值范围为0.5～5mm。所述第二通孔241的横截面形状可以为圆形或者方形，边长或者直径的取值范围在0.5～1.5mm范围内。

可选的，所述芯片定位区25的形状可以为方形或圆形，与所述第一芯片或第二芯片的形状相适应，边长或者直径的取值范围为0.6～2.0mm范围内。

可选的，参考图6，所述mems气体传感器芯片的封装结构还包括：传感器盖帽4；

所述传感器盖帽4包括与所述传感器基座1的侧壁固定的防爆网41，以及位于所述第一基座表面11背离所述第二基座表面12一侧上方的防水透气膜42。

在本实施例中，所述防爆网41和防水透气膜42提供气体传感器3与外界的气流通道，同时保护内部的芯片免遭外力破坏。

可选的，所述金属导电插针141的一端延伸出所述传感器基座1的第一基座表面11，所述金属导电插针141的另一端延伸出所述传感器基座1的第二基座表面12。

所述金属导电插针141的两端均延伸出所述传感器基座1，有利于所述金属导电插针141与其他元件或电路的电连接，可选的，所述金属导电插针141延伸出所述第一基座表面11的长度的取值范围为0.5～6mm；

所述金属导电插针141延伸出所述第二基座表面12的长度的取值范围为5～20mm。

可选的，所述金属导电插针141的横截面形状包括圆形或长方形，即所述金属导电插针141可以为圆柱形或者长方体，材质选自铂、金、银、铜、铝和铌中的一种或者几种组成的合金，直径或者边长在0.5～1.5mm范围内。

相应的，本申请实施例还提供了一种mems气体传感器芯片的封装方法，在该封装方法中，具体涉及到对第一芯片和第二芯片的电阻配对；

s101：提供如上述任一实施例所述的mems气体传感器芯片的封装结构；

s102：将第一芯片和第二芯片分别设置在两个所述pcb板上，在不同环境和电学条件下，测试电阻时钟相等。

可选的，电阻测试环境下的空气气流设置在0～5000sccm范围内。

可选的，电阻测试环境温度设置在-50℃～120℃范围内，电阻测试环境湿度设置0％rh～95％rh范围内。

可选的，测试电阻的电流设置在0.1％工作电流～150％工作电流范围内。

可选的，测试电阻的电压设置在0.1％工作电压～150％工作电压范围内。

具体地，工作电流和工作电压均是指气体传感器的额定工作电流或者额定工作电压。工作电流取值范围在1ma-300ma，工作电压取值范围0.5v-5v.

综上所述，本申请实施例提供了一种mems气体传感器芯片的封装结构及封装方法，其中，所述mems气体传感器芯片的封装结构借助于两个pcb板，将气体传感器芯片的第一芯片和第二芯片分别贴装于两个独立的pcb板上，在pcb板层面即可完成第一芯片和第二芯片的电阻配对工作，同时降低了封装成本，也可以方便地转移至塑料或金属基座，进而加装防爆外壳和放水透气膜，解决了现有技术中的封装结构的配对误差大，封装成本高，以及在贴装之后，无法进行二次更换的问题。

本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。