超声波传感器封装结构及其封装工艺的制作方法

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1.本说明书一个或多个实施例涉及传感器技术领域，尤其涉及超声波传感器封装结构及其封装工艺。

背景技术：

2.mems超声波传感器的核心结构是mems芯片，mems芯片包含了振膜结构、背腔结构、芯片表面电极等。
3.一般mems芯片的振膜结构很薄，厚度只有几个微米～几十微米，也就会导致振膜在脉冲激励电压结束后，振膜会依靠惯性振动较长一段时间，这段余振的时间也就是mems超声波传感器的盲区时间，会极大的限制mems超声波传感器的应用场景。
4.目前，市面上的超声波传感器几乎都是压电陶瓷类型，其抑制盲区时间的方法一般是外壳内填充声学材料，通过物理顶压的方式施加阻尼，这种方式的一致性、批量化都较差。物理顶压的方式很难移植到mems超声波传感器上，由于mems芯片的振膜很薄，物理顶压的方式容易造成mems芯片结构损坏，综上所述，本技术现提出超声波传感器及其封装工艺来解决上述出现的问题。

技术实现要素：

5.本发明旨在解决背景技术中提出的问题之一，本说明书一个或多个实施例的目的在于提出超声波传感器封装结构及其封装工艺，通过气压差对mems芯片振膜施加恒压力阻尼，并且大幅减小腔内声波，抑制腔内声波叠加，减小盲区时间。
6.基于上述目的，本说明书一个或多个实施例提供了超声波传感器封装结构，包括：mems芯片，所述mems芯片具有相对的正面和背面，所述背面设置有背腔；基板，所述基板与mems芯片的正面对应固定连接；焊接凸起，所述基板靠近mems芯片的表面上设置有焊接凸起，所述焊接凸起用于所述基板与所述mems芯片的电连接；密封胶，在真空环境下，所述mems芯片与基板之间填充有密封胶，所述基板与mems芯片之间的空间由密封胶限定出真空腔。
7.根据本发明实施例中的超声波传感器封装结构，在mems芯片与基板之间形成真空腔，mems芯片振膜前后存在压力差，振膜会持续受到恒压力阻尼，并且在现有的倒装的结构中，mems芯片的振膜振动的过程中，产生超声波，背腔的超声波从声波发出，正面的也会产生超声波，与腔体内壁不断的叠加，对振膜产生反作用力，延长振膜的余震时间，增大盲区时间，本发明利用真空腔内没有空气介质的特点，对振膜施加持续的恒压力阻尼，并且大幅减小腔内声波，抑制腔内声波叠加，减小盲区时间。
8.在一些实施例中，还包括吸气剂，所述吸气剂位于真空腔内部。
9.在一些实施例中，还包括：外壳，所述外壳具有收容腔，所述外壳与基板密封连接，所述mems芯片位于所述收容腔内。
10.在一些具体的实施例中，还包括灌封胶，所述外壳和mems芯片之间的缝隙中填充
有灌封胶。
11.在一些具体的实施例中，还包括盖板，所述盖板与外壳密封连接，且所述盖板具有声孔。
12.在一些实施例中，所述真空腔的厚度与焊接凸起的高度相同。
13.封装工艺，用于形成前文所述的超声波传感器封装结构，所述封装工艺包括：
14.从晶圆上切割取下mems芯片，所述mems芯片具有相对正面及背面，背面具有背腔；
15.设置与所述mems芯片的正面固定连接的基板；
16.在mems芯片的正面形成焊垫，在所述基板上形成与所述焊垫焊接的焊接凸起，所述焊接凸起分别与所述基板以及所述mems芯片电连接；
17.在所述mems芯片与所述基板之间的空间中填充密封胶，并固化胶水，在所述mems芯片与所述基板之间形成真空腔；
18.设置与所述基板固定的外壳，所述基板与所述外壳密封连接，所述外壳具有收容腔，所述mems芯片位于所述收容腔内；
19.设置与外壳密封连接的盖板，在所述盖板上开设声孔。
20.在一些具体的实施例中，还包括：在所述基板与所述mems芯片之间的空间内设置吸气剂。
21.在一些具体的实施例中，还包括：对封装后的产品进行测试及包装。
22.下面结合本发明实施例的技术方案及附图来描述本发明的有益效果。
附图说明
23.为了更清楚地说明本说明书一个或多个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说明书一个或多个实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明实施例中超声波传感器的外部结构示意图；
25.图2为本发明实施例中超声波传感器的内部结构示意图；
26.图3为本发明实施例中超声波传感器的截面图；
27.图4为本发明实施例中基板的结构示意图；
28.图5-图6为本发明实施例中气压为mems芯片的振膜施加阻尼的示意图；
29.图7为本发明实施例中封装工艺的流程框图；
30.图8为本发明另一种实施例中封装工艺的流程框图。
31.附图标记中：1.盖板；2.外壳；3.连接件；4.基板；5.吸气剂；6.mems芯片；7.密封胶；8.灌封胶；a.声孔；b.真空腔。
具体实施方式
32.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本公开进一步详细说明。
33.下面根据图1-图4来描述本发明实施例中的超声波传感器的具体结构。
34.根据本发明实施例中的超声波传感器封装结构，包括基板4、mems芯片6、外壳2、盖
板1和密封胶7。
35.mems芯片6具有相对的正面和背面，mems芯片6的背面具有背腔，mems芯片6倒装后由背腔发射超声波，可以减小超声波传感器的封装尺寸及视场。基板4与mems芯片6的正面固定连接，基板4靠近mems芯片6的表面设置有焊接凸起3，焊接凸起3用于基板4与mems芯片9的电连接。可选的，基板4为pcb基板或玻璃基板或金属基板或半导体衬底或聚合物柔性基板。可选的，基板4具有焊盘，图中未示出，焊接凸起3植于焊盘上。可选的，焊接凸起3为直径为50-150μm的锡球。可选的，焊接凸起3可以为导电胶、导电银浆或焊锡膏等其他材料。可选的，mems芯片6的正面设置有与mems芯片6电连接的第一焊垫，第一焊垫与焊接凸起3电连接，焊接凸起3与基板4电连接。在真空环境下，mems芯片6与基板4之间填充有密封胶，基板4与mems芯片6之间的空间由密封胶7限定出真空腔b。外壳2具有收容腔，外壳2与基板4密封连接，mems芯片6位于收容腔内。可选的，外壳2与mems芯片6之间的缝隙中填充灌封胶8，增加外壳2与mems芯片6的稳定性，同时增加缓冲阻尼，提升超声波传感器寿命，对外界冲击、震动等不利因素起到缓冲作用，提升超声波传感器的可靠性。盖板1设置在外壳2内部，且位于mems芯片6远离基板4的一侧，盖板1上开设有声孔a。可选的，盖板1为pcb基板或玻璃基板或金属基板或半导体衬底或聚合物柔性基板。可选的，盖板1上优选开设有多个孔径不同的声孔a。盖板1上声孔a与mems芯片6的背腔组合成赫姆霍兹共振腔，能够有效提升超声波的声压级，提升探测距离；赫姆霍兹共振腔的本质是一个窄带的滤波器，对频带内的信号有放大作用，对频带外的信号有抑制作用，腔体的共振频率可以用如下公式计算：
36.式中，f为腔共振频率；c空气中的声速；v为前腔容积；s为出音孔面积；t音孔壁厚；a为出音孔半径；λ为修正系数，取＝1.3，在封装工艺中，可通过调节声孔a的直径、数量以及厚度等参数，调节赫姆霍兹共振腔的频率。
37.根据本发明实施例中的超声波传感器封装结构，在mems芯片6与基板4之间形成真空腔b，利用真空腔b内没有空气介质的特点，对振膜施加持续的恒压力阻尼，如图5-图6所示，并且大幅减小腔内声波，抑制腔内声波叠加，减小盲区时间。
38.在一些实施例中，吸气剂5位于真空腔b内部，吸气剂5吸收腔内的气体，气体主要包含了真空腔b缝隙内等残余气体，胶水、基板4释放的少量气体，从而保持真空腔b的长期真空度。
39.请参阅图7，根据本发明实施例的超声波传感器的封装工艺，所述封装工艺包括：
40.步骤s1：从晶圆上切割取下mems芯片6；所述mems芯片6具有相对正面及背面，背面具有背腔。
41.步骤s2：设置与所述mems芯片6的正面固定连接的基板4。
42.步骤s3：在mems芯片6的正面形成焊垫，在所述基板4上形成与所述焊垫焊接的焊接凸起3；所述焊接凸起3分别与所述基板4以及所述mems芯片6电连接。
43.步骤s4：在真空环境下，在所述mems芯片6与所述基板4之间的空间中填充密封胶7，并固化胶水，在所述mems芯片6与所述基板4之间形成真空腔。
44.步骤s5：设置与所述基板4固定的外壳2，所述基板4与所述外壳2密封连接，所述外
壳2具有收容腔，所述mems芯片5位于所述收容腔内。
45.步骤s6：设置与外壳2密封连接的盖板1，在所述盖板1上开设声孔8。
46.请参阅图8，在一些实施例中，还包括步骤s7：在所述基板1与所述mems芯片6之间的空间内设置吸气剂5，吸气剂5可以吸收气体，气体主要包含了真空腔b缝隙内等残余气体，胶水、基板4释放的少量气体，从而保持真空腔b的长期真空度。
47.在一些实施例中，还包括步骤s8：对封装后的产品进行测试及包装；可选的，主要通过lcr表检测封装后的超声波传感器的电阻和电容等电学特征。可选的，主要通过声学测试系统检测封装后的超声波传感器的声压和灵敏度等声学特征。可选的，主要采用自动编带机对封装后的超声波传感器进行自动的包装。
48.本说明书一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

技术特征：

1.超声波传感器封装结构，其特征在于，包括：mems芯片(6)，所述mems芯片(6)具有相对的正面和背面，所述背面设置有背腔；基板(4)，所述基板(4)与mems芯片(6)的正面对应固定连接；焊接凸起(3)，所述基板(1)靠近mems芯片(6)的表面上设置有焊接凸起(3)，所述焊接凸起(3)用于所述基板(1)与所述mems芯片(6)的电连接；以及密封胶(7)，所述mems芯片(6)与基板(4)之间填充有密封胶(7)，所述基板(4)与mems芯片(6)之间的空间由密封胶(7)限定出真空腔(b)。2.根据权利要求1所述的超声波传感器封装结构，其特征在于，还包括吸气剂(5)，所述吸气剂(5)位于真空腔(b)内部。3.根据权利要求1所述的超声波传感器封装结构，其特征在于，还包括：外壳(2)，所述外壳(2)具有收容腔，所述外壳(2)与基板(1)密封连接，所述mems芯片(6)位于所述收容腔内。4.根据权利要求3所述的超声波传感器封装结构，其特征在于，还包括灌封胶(8)，所述外壳(2)和mems芯片(6)之间的缝隙中填充有灌封胶(8)。5.根据权利要求3所述的超声波传感器封装结构，其特征在于，还包括：盖板(1)，所述盖板(1)与外壳(2)密封连接，且所述盖板(1)具有声孔(a)。6.根据权利要求1所述的超声波传感器封装结构，其特征在于，所述真空腔(b)的厚度与焊接凸起(3)的高度相同。7.封装工艺，用于形成权利要求1-6任一项所述的超声波传感器封装结构，其特征在于，所述封装工艺包括：从晶圆上切割取下mems芯片(6)，所述mems芯片(6)具有相对正面及背面，背面具有背腔；设置与所述mems芯片(6)的正面固定连接的基板(4)；在mems芯片(6)的正面形成焊垫，在所述基板(4)上形成与所述焊垫焊接的焊接凸起(3)，所述焊接凸起(3)分别与所述基板(4)以及所述mems芯片(6)电连接；在真空环境下，在所述mems芯片(6)与所述基板(4)之间的空间中填充密封胶(7)，并固化胶水，在所述mems芯片(6)与所述基板(4)之间形成真空腔(b)；设置与所述基板(4)固定的外壳(2)，所述基板(4)与所述外壳(2)密封连接，所述外壳(2)具有收容腔，所述mems芯片(5)位于所述收容腔内；设置与外壳(2)密封连接的盖板(1)，在所述盖板(1)上开设声孔(8)。8.根据权利要求7所述的超声波传感器的封装工艺，其特征在于，还包括：在所述基板(1)与所述mems芯片(6)之间的空间内设置吸气剂(5)。9.根据权利要求7所述的超声波传感器的封装工艺，其特征在于，还包括：对封装后的产品进行测试及包装。

技术总结

本发明提供超声波传感器封装结构，包括MEMS芯片；基板，基板与MEMS芯片的正面对应固定连接；焊接凸起，焊接凸起用于基板与MEMS芯片的电连接；外壳，外壳与基板密封连接；盖板，盖板与外壳密封连接，且盖板具有声孔；密封胶，MEMS芯片与基板之间填充有密封胶，基板与MEMS芯片之间的空间由密封胶限定出真空腔；其封装工艺，包括以下步骤；取芯片；芯片与基板固定；芯片与基板电气联通；在芯片与基板之间形成真空腔；固定外壳；固定盖板，并在盖板上开设声孔。本发明使MEMS芯片于基板之间形成真空腔，MEMS芯片振膜前后的压力差对振膜施加恒压力阻尼，并且真空腔减少腔内声波，抑制腔内声波叠加，减少背部声波对振膜的影响。减少背部声波对振膜的影响。减少背部声波对振膜的影响。