基於高阻材料的電場傳感器封裝元件的製作方法
2023-09-18 19:47:45 1
基於高阻材料的電場傳感器封裝元件的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種基於高阻材料的電場傳感器封裝元件，包括：基板；第一封裝框，固定於所述基板；第一封裝蓋，固定於所述封裝框；至少一個電場傳感器晶片位於所述基板、第一封裝框和第一封裝蓋形成的內腔內；其中，所述基板、第一封裝框第一封裝蓋中的至少一種是電阻率大於或等於108Ω·cm的高阻值材料。本發明可以保證電場準確測量，並為環境適應性這一關鍵問題的解決提供了一種重要的途徑，提高了電場探測的穩定性和可靠性。
【專利說明】基於高阻材料的電場傳感器封裝元件
【技術領域】
[0001]本發明涉及電場檢測【技術領域】，尤其涉及一種基於高阻材料的電場傳感器封裝的元件。
【背景技術】
[0002]電場監測具有十分重要的意義。根據大氣電場變化的特徵規律，採用電場傳感器監測空間區域內或者設備周圍的電場強度，在航空航天、國防、智能電網、氣象和工業生產等領域具有非常重要的應用。藉助電場傳感器對近地面和空中大氣靜電場變化的監測，可以獲取準確的氣象信息，從而為飛彈和衛星等飛行器的發射升空提供重要的安全保障，也可進行雷電預警、森林防火、地震預報等。
[0003]隨著微納米加工技術和集成技術的快速發展，研製體積小、功耗低、易於批量化生產的新型電場傳感器成為電場探測【技術領域】中一個弓I人關注的方向。基於微納米技術的微型電場傳感器具有成本低、體積小、功耗低、可實現批量生產、易於集成化、工作頻帶寬，以及電場探測的空間解析度高等突出優點，逐漸成為電場探測中具有重要發展潛力的器件之一，得到國際上越來越多研究者的關注。
[0004]然而，在實際應用中，微型電場傳感器敏感晶片易受到灰塵、氣流、雨雪、高溼度等的影響而無法正常工作，因此，封裝是微型電場傳感器實用化面臨的重要挑戰。對於微型電場傳感器來說，由於其尺寸小，信號弱，極易受外界環境因素影響。在微型傳感器封裝方面，有多種方法，比如採用純金屬封帽、在金屬封蓋上表面開孔等封裝方案，但前者由於金屬與基板形成了封閉金屬倉，導致電場屏蔽，而後者又未能阻擋溼度、灰塵的進入，難於實現有效的封裝。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種基於高阻材料的電場傳感器封裝的元件。
[0006]為實現上述目的，一種基於高阻材料的電場傳感器封裝的元件，包括:
[0007]基板；
[0008]第一封裝框，固定於所述基板；以及
[0009]第一封裝蓋，固定於所述封裝框；
[0010]至少一個電場傳感器晶片位於所述基板、第一封裝框和第一封裝蓋形成的內腔內；
[0011]其中，所述基板、第一封裝框第一封裝蓋中的至少一種是電阻率大於或等於IO8 Ω.Cm的高阻值材料。
[0012]本發明可以保證電場準確測量，並為環境適應性這一關鍵問題的解決提供了一種重要的途徑，提高了電場探測的穩定性和可靠性；
【專利附圖】
【附圖說明】[0013]圖1A為根據本發明第一實施例的基於高阻材料的電場傳感器封裝元件的剖面示意圖；
[0014]圖1B為圖1A所示基於高阻材料的電場傳感器封裝元件第一種變形的剖面示意圖；
[0015]圖1C為圖1A所示基於高阻材料的電場傳感器封裝元件第二種變形的立體圖；
[0016]圖1D為圖1A所示基於高阻材料的電場傳感器封裝元件第三種變形的剖面示意圖；
[0017]圖2A為根據本發明第二實施例的基於高阻材料的電場傳感器封裝元件的剖面示意圖；
[0018]圖2B為根據本發明第二實施例的基於高阻材料的電場傳感器封裝元件的立體圖；
[0019]圖3為根據本發明第三實施例的基於高阻材料的電場傳感器封裝元件的剖面示意圖；
[0020]圖4為根據本發明第四實施例的基於高阻材料的電場傳感器封裝元件的剖面示意圖；
[0021]圖5為根據本發明第五實施例的基於高阻材料的電場傳感器封裝元件的剖面示意圖；
[0022]圖6為根據本發明第六實施例的基於高阻材料的電場傳感器封裝元件的剖面示意圖；
[0023]圖7為根據本發明第七實施例的基於高阻材料的電場傳感器封裝元件的剖面示意圖；
【具體實施方式】
[0024]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現方式，為所屬【技術領域】中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數的示範，但應了解，參數無需確切等於相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似於相應的值。此外，以下實施例中提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。
[0025]本發明提供了一種電場傳感器封裝元件。該電場傳感器封裝元件中，基板、封裝框、封裝蓋中至少有一種是採用高阻值材料製備，從而實現了穩定、準確可靠地電場檢測，滿足了實際應用需求。
[0026]在本發明的第一個示例性實施例中，提供了一種電場傳感器封裝元件。請參照圖1A，該電場傳感器封裝元件包括:基板I ;電場傳感器晶片2，固定於所述基板上；封裝框3，固定與所述基板I上，所述電場傳感器晶片的四周，其為封閉框狀結構，具有預設厚度；封裝蓋，固定於所述封裝框3的上方，所述基板1、封裝框3和封裝蓋4形成內腔以容納所述電場傳感器晶片2。其中，基板1、封裝框3或者封裝蓋4中的至少一種是高阻值材料。本發明中，高阻值材料是指電阻率大於或等於108Ω.cm的材料，其可以是陶瓷、藍寶石、有機高分子聚合物、二氧化矽或者其他高阻值材料的任一種或多種。
[0027]以下分別對本實施例電場傳感器封裝元件的各個組成元件進行詳細說明。
[0028]基板I可以為金屬基板、陶瓷基板、聚合物基板或其他基板的任一種，在基板I上應包含金屬焊盤與信號通路，以便於傳感器晶片2進行電氣交互連接。根據不同的基板類型，基板上可以含有管腳、焊盤、晶片槽、通孔、接插件等元件。
[0029]傳感器晶片2固定於基板I中心，並與基板I的金屬焊片通過引線鍵合。固定傳感器晶片2的方式有雙面膠粘接、焊料鍵合或其他固定晶片方式中的任一種；引線鍵合的方式包括金絲球焊、矽鋁絲焊或其他弓I線鍵合方式中的任一種。
[0030]傳感器晶片2是靜電場傳感器晶片或交流電場傳感器晶片，包括採用微納米加工技術製備而成的微機械結構晶片、微電子敏感晶片、光學敏感晶片，或其他類型的敏感晶片。
[0031]在圖1A所示的實施例中，位於由基板1、封裝框3和封裝蓋所組成的內腔中的傳感器晶片只有I枚。但本領域技術人員應當清楚，位於上述內腔的傳感器晶片還可以為兩枚或者多枚。請參照圖1B，在基板1、封裝框3和封裝蓋14所組成的內腔中，兩個傳感器晶片2a與2b被固定在基板I的同一面上，並分別鍵合相應的引線。
[0032]封裝框3固定於基板I上，呈圓環形，且具有一定高度，從而在封裝框3的內腔留有足夠空間以容納傳感器晶片2。本領域技術人員應當清楚，除了圖1所示的圓環形封裝框3之外，封裝框3還可以為方框形或其他不規則圖形，其所起的作用與上述的圓環形封裝框3相同，此處不再贅述。
[0033]封裝蓋4與封裝框3固定連接，可以是與基板I平行的圓形、方形或其他不規則形狀中的一種。基板1、封裝框3與封裝蓋4連接後，內部形成一個密閉的，用於容納及保護傳感器晶片2的空腔。封裝蓋4的形狀可以為平面的圓形、方形或其他不規則形狀的任一種，例如為朝向基板I方向開口的半球形，如圖1C所示。其中，半球形狀的封裝蓋7，能夠減少汙染物的堆積，維持電場傳感器的靈敏度。
[0034]封裝框3與基板1、封裝蓋4的連接方式為膠粘、焊料鍵合、焊接、螺紋旋接、機械壓接、電鍍或者其他緊密結合方式的任一種。採用膠粘的方式時，可對膠粘表面作打磨、表面預處理；採用焊料鍵合的方式時，可以對鍵合表面做表面拋光、金屬化預處理；採用螺紋擰接的方式時，需在連接處製作相匹配的螺紋，必要時在連接處增加突起或凹槽以便延長螺管長度；採用機械壓接的方式時，可在壓接處通過塗膠、墊膠墊以提高壓接的密封性，也可以通過螺絲固定增大壓接力。
[0035]此外，封裝框3和封裝蓋4也可以為一體加工而成的凹形空腔結構。因此，兩者的材料均為同一種高阻值材料或金屬材料製備。當該一體化結構13為金屬材料時，基板I為高阻值材料。在這種情況下，封裝框3和封裝該4將不必進行連接，如圖1D所示。
[0036]本實施例中，封裝框3與封裝蓋4兩者對應的材料組合為高阻值材料-金屬材料，或高阻值材料-高阻值材料，或金屬材料-高阻值材料，從而可以保證電場準確測量，並為環境適應性這一關鍵問題的解決提供了一種重要的途徑，提高了電場探測的穩定性和可靠性。此外，通過裝載晶片後的基板、封裝框與封裝蓋之間的疊層組合和嵌套方式實現緊密結合，從而達到保護傳感器、提高環境適應性的目的。
[0037]至此，本實施例電場傳感器封裝元件介紹完畢。[0038]在本發明的第二個示例性實施例中，還提供了另外一種電場傳感器封裝元件。請參照圖2A和圖2B，本實施例電場傳感器封裝元件的結構與圖1A所示電場傳感器封裝元件的結構大體類似，不同之處僅在於:封裝蓋7在平行於基板I的方向上向外側延長一段距離，然後向基板方向彎折；封裝框3與封裝蓋7的對應的材料組合為高阻值材料-金屬材料，或高阻值材料-高阻值材料，或金屬材料-高阻值材料。
[0039]在本發明的第三個示例性實施例中，還提供了另外一種電場傳感器封裝元件。請參照圖3，本實施例電場傳感器封裝元件的結構與圖1所示電場傳感器封裝元件的結構大體類似，不同之處僅在於:封裝蓋也可以由兩種材料構成。請參照圖1C，封裝蓋由封裝蓋上層6和封裝蓋下層5構成，兩層之間緊密結合，封裝蓋下層5直接與封裝框3接觸。
[0040]封裝框3與封裝蓋下層5、封裝蓋上層6的對應的材料組合為高阻值材料-高阻值材料-高阻值材料，或高阻值材料-高阻值材料-金屬材料，或高阻值材料-金屬材料-高阻值材料，或高阻值材料-金屬材料-金屬材料，或金屬材料-高阻值材料-高阻值材料，或金屬材料-高阻值材料-金屬材料。
[0041]在本發明的第四個示例性實施例中，還提供了另外一種電場傳感器封裝元件。請參照圖4，本實施例電場傳感器封裝元件的結構與圖2A和圖2B所示電場傳感器封裝元件的結構大體類似，不同之處僅在於:封裝蓋由封裝蓋上層9和封裝蓋下層8構成，兩層之間緊密結合。封裝蓋下層8呈平面的圓形或者方形形狀，直接與封裝框3接觸。封裝蓋上層9在平行於基板I的方向上向外側延長一段距離，然後向基板方向彎折。封裝蓋下層8在平行於基板I的方向上向外側延長一段距離，延伸的距離不大於封裝蓋上層9延伸的距離。封裝蓋上層9和封裝蓋下層8可以是平面型，也可以是朝向基板方向開口的半球形狀。封裝框3與封裝蓋下層8、封裝蓋上層9的對應的材料組合為高阻值材料-高阻值材料-高阻值材料，或高阻值材料-高阻值材料-金屬材料，或高阻值材料-金屬材料-高阻值材料，或高阻值材料-金屬材料-金屬材料，或金屬材料-高阻值材料-高阻值材料，或金屬材料-高阻值材料-金屬材料。
[0042]在本發明的第五個示例性實施例中，還提供了另外一種電場傳感器封裝元件。請參照圖5，本實施例電場傳感器封裝元件的結構與圖1所示電場傳感器封裝元件的結構大體類似，不同之處僅在於:封裝框3在垂直於基板I的方向上向外側延長一段距離，封裝蓋10固定於封裝框的中段。封裝框3與封裝蓋10的對應的材料組合為高阻值材料-金屬材料，或高阻值材料-高阻值材料，或金屬材料-高阻值材料。
[0043]在本發明的第六個示例性實施例中，還提供了另外一種電場傳感器封裝元件。請參照圖6，本實施例電場傳感器封裝元件的結構與圖5所示電場傳感器封裝元件的結構大體類似，不同之處僅在於:封裝蓋由封裝蓋上層12和封裝蓋下層11構成，兩層之間緊密結
八
口 ο
[0044]封裝框3在垂直於基板I的方向上向外側延長一段距離，封裝蓋上層12在平行於基板I的方向上向內縮減一段距離。封裝框3、封裝蓋下層11與封裝蓋上層12的材料聚合為高阻值材料-高阻值材料-高阻值材料，或高阻值材料-高阻值材料-金屬材料，或高阻值材料-金屬材料-高阻值材料，或高阻值材料-金屬材料-金屬材料，或金屬材料-高阻值材料-高阻值材料，或金屬材料-高阻值材料-金屬材料。
[0045]在本發明的第七個示例性實施例中，還提供了另外一種電場傳感器封裝元件。請參照圖7，傳感器晶片2被固定在基板I上並鍵合引線，本實施例中包含內外兩層隔開預設距離的封裝結構:為區別圖1所示的實施例，將封裝框21稱為第二封裝框，將封裝蓋22稱為第二封裝蓋。基板1-封裝框21-封裝蓋22，基板1-封裝框23-封裝蓋24，這兩層封裝的材料及結構方案均可以為圖1至圖4中的任一種。其中，由基板1-封裝框21-封裝蓋22構成的封裝元件位於由基板1-封裝框23-封裝蓋24構成的封裝元件內。
[0046]以上實施例1-7所述的為基於高阻值材料的單基板、傳感器晶片、封裝框或封裝蓋的電場傳感器封裝元件。依據以上描述，本領域技術人員應當對本發明電場傳感器封裝元件有了清楚的認識。
[0047]至此，已經結合附圖對本發明電場傳感器封裝組件進行了詳細描述。依據以上描述，本領域技術人員應當對本發明電場傳感器封裝組件有了清楚的認識。
[0048]此外，上述對各元件的定義並不僅限於實施方式中提到的各種具體結構或形狀，本領域的普通技術人員可對其進行簡單地熟知地替換。
[0049]綜上所述，本發明提供一種電場傳感器封裝元件及組件，含有至少一個傳感器晶片、基板、封裝環與封裝蓋，其中，基板、封裝環或者封裝蓋一種或多種是高阻值材料，基板、封裝環與封裝蓋之間的疊層組合和嵌套方式實現緊密結合。本發明由於封裝環或者封裝蓋至少有一種結構採用了高阻值材料，可以保證電場準確測量，並為環境適應性這一關鍵問題的解決提供了一種重要的途徑，從而提高電場探測的穩定性和可靠性。
[0050]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種基於高阻材料的電場傳感器封裝兀件，包括: 基板； 第一封裝框，固定於所述基板；以及 第一封裝蓋，固定於所述封裝框； 至少一個電場傳感器晶片位於所述基板、第一封裝框和第一封裝蓋形成的內腔內；其中，所述基板、第一封裝框第一封裝蓋中的至少一種是電阻率大於或等於108Ω.Cm的高阻值材料。
2.根據權利要求1所述的基於高阻材料的電場傳感器封裝元件，其特徵在於，所述高阻值材料選自於以下材料中的一種:陶瓷、藍寶石、有機高分子聚合物或二氧化矽。
3.根據權利要求1所述的基於高阻材料的電場傳感器封裝元件，其特徵在於，所述第一封裝蓋為平面結構的圓形、方形，或向基板方向彎折預設距離的圓形、方形，或朝向基板方向開口的半球形。
4.根據權利要求3所述的基於高阻材料的電場傳感器封裝元件，其特徵在於，所述第一封裝蓋呈朝向基板方向開口的半球形，該半球形封裝蓋向外側延長預設距離，從而覆蓋住所述的封裝框。
5.根據權利要求1所述的基於高阻材料的電場傳感器封裝元件，其特徵在於，當第一封裝框和第一封裝蓋採用相同材料時，所述第一封裝框和第一封裝蓋為一體加工的凹形空腔。
6.根據權利要求1所 述的基於高阻材料的電場傳感器封裝元件，其特徵在於，所述第一封裝蓋與第一封裝框對應的材料組合為:高阻值材料-高阻值材料、高阻值材料-金屬材料、金屬材料-高阻值材料。
7.根據權利要求1所述的基於高阻材料的電場傳感器封裝元件，其特徵在於，所述第一封裝蓋在平行於所述基板的方向上向外側延長預設距離，並向基板方向彎折。
8.根據權利要求1所述的基於高阻材料的電場傳感器封裝元件，其特徵在於，所述第一封裝蓋由包括上層和下層的兩種材料構成。
9.根據權利要求8所述的基於高阻材料的電場傳感器封裝元件，其特徵在於，所述第一封裝框、封裝蓋下層、封裝蓋上層對應的材料組合為:高阻值材料-高阻值材料-高阻值材料、高阻值材料-高阻值材料-金屬材料、高阻值材料-金屬材料-高阻值材料、高阻值材料-金屬材料-金屬材料、金屬材料-高阻值材料-高阻值材料，或金屬材料-高阻值材料-金屬材料。
10.根據權利要求8所述的基於高阻材料的電場傳感器封裝元件，其特徵在於，所述封裝蓋上層在平行於所述基板的方向上向外側延長預設距離，並向基板方向彎折，封裝蓋下層在平行於所述基板的方向上向外側延長預設距離，延伸的距離不大於裝蓋上層延長的距離。
11.根據權利要求1所述的基於高阻材料的電場傳感器封裝元件，其特徵在於，所述第一封裝框在垂直於基板的方向上向外側延長一段距離，所述第一封裝蓋固定於所述封裝框的中段。
12.根據權利要求11所述的基於高阻材料的電場傳感器封裝元件，其特徵在於，所述第一封裝框與第一封裝蓋對應的材料組合為:高阻值材料-金屬材料、或高阻值材料-高阻值材料，或金屬材料-高阻值材料。
13.根據權利要求11所述的基於高阻材料的電場傳感器封裝元件，其特徵在於，所述第一封裝蓋由封裝蓋上層和封裝蓋下層構成， 所述封裝蓋下層固定於所述封裝框的中段，所述封裝蓋上層在平行於基板的方向上向內縮減一段距離。
14.根據權利要求13所述的基於高阻材料的電場傳感器封裝元件，其特徵在於，所述封裝框、封裝蓋下層與封裝蓋上層的材料組合為:高阻值材料-高阻值材料-高阻值材料、高阻值材料-高阻值材料-金屬材料、高阻值材料-金屬材料-高阻值材料、高阻值材料-金屬材料-金屬材料、金屬材料-高阻值材料-高阻值材料，或金屬材料-高阻值材料-金屬材料。
15.根據權利要求1所述的基於高阻材料的電場傳感器封裝元件，其特徵在於所述第一封裝框為圓形或方框性。
16.、根據權利要求1所述的基於高阻材料的電場傳感器封裝元件，其特徵在於所述傳感器晶片為兩個或多個。
17.根據權利要求1所述的基於高阻材料的電場傳感器封裝元件，其特徵在於，還包括: 第二封裝框，固定於所述基板；以及 第二封裝蓋，固定於所述第二封裝框； 其中:所述基板、第二封裝框和第二封裝蓋構成的封裝元件位於所述基板、第一封裝框和第一封裝蓋構成的封裝元件內。`
【文檔編號】H01L23/29GK103633036SQ201310340888
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年8月7日 優先權日:2013年8月7日
【發明者】夏善紅, 聞小龍, 陳賢祥, 彭春榮, 楊鵬飛, 方東明 申請人:中國科學院電子學研究所