封装环境传感器的制作方法

本公开涉及一种封装环境传感器。

背景技术：

众所周知，环境传感器是使得能够检测外部环境的诸如压力或湿度之类的量的传感器。环境传感器的使用领域极其不同。除其他应用外，最近，在诸如手表、手镯和智能手环之类的所谓的可穿戴设备中广泛使用环境传感器，这些可穿戴设备也使得能够检测身体参数。

环境传感器通常包括例如mems(微机电系统)类型的传感器裸片、以及集成在单独控制芯片中的控制电路，该控制芯片也称为asic(专用集成电路)芯片。传感器裸片和控制芯片被包围在封装结构(通常称为封装)内，该封装结构包括通常为陶瓷的支撑结构、以及盖子。在支撑结构中限定了腔，传感器裸片和控制芯片被容纳在该腔中。传感器裸片通常堆叠在控制芯片上。布置盖子以便部分地使腔闭合，并且该盖子具有检测端口，该检测端口使得传感器裸片与外部环境能够耦合，以使得能够测量待检测的量。在其他情况下，例如由于盖子本身的形状，可以在支撑结构与盖子之间限定腔。而且，一般来说，腔填充有保护材料，例如灌封凝胶，该保护材料具有传输待检测的量的特性，同时防止传感器和控制芯片直接暴露于外部环境，这种直接暴露可能对电子部件和电连接(诸如接合接线)有害。此外，在通常作为可穿戴设备被使用的设备的情况下，实际上，环境传感器可能会暴露于侵蚀性试剂，例如游泳池的水中的氯、海水、矿物油、或皮肤上存在的物质(诸如汗液或一些香水)。虽然对于传感器裸片和控制设备而言，常常仅利用凝胶就可以获得可接受的保护水平，然而，出现了也对其中包含环境传感器的设备进行密封的问题。实际上，在环境传感器与设备外壳之间存在间隙，应当把该间隙密封以防止侵蚀性试剂进入。已知环境传感器的封装结构使该任务成问题。已知解决方案使用垫圈和壳体，该壳体包围传感器和垫圈两者，从而保持它们被预先加载。其他解决方案使用复杂的金属盖子，该金属盖子具有圆顶形部分，该圆顶形部分覆盖控制芯片(其面积比传感器裸片的面积大得多)并且呈弧形至基本上柱形的颈部。该颈部具有双重功能：确保传感器裸片与外部环境耦合，以及限定用于接纳垫圈(o形环等)的密封表面。然而，不仅因为盖子复杂且生产成本高，而且由于在焊接步骤期间出现的问题，该解决方案存在限制。实际上，灌封材料的热膨胀系数远大于形成盖子的材料的热膨胀系数。在焊接期间，灌封材料可能会在圆顶形部分上施加力，该力倾向于使盖子与支撑结构脱离。结果就是盖子与支撑结构之间的连接失效或变弱的巨大风险。

技术实现要素：

在各种实施例中，本公开提供了一种封装环境传感器，其将使得能够克服或至少减轻所描述的限制。

在本公开的至少一个实施例中，提供了一种封装环境传感器，其包括支撑结构和传感器裸片，该传感器裸片包含环境传感器，并且被布置在支撑结构的第一侧面上。控制芯片耦合到传感器裸片，并且被布置在支撑结构的与第一侧面相反的第二侧面上。盖子接合到支撑结构的第一侧面，并且在与支撑结构相反的方向上朝向外部开口，传感器裸片被容纳在盖子内部。

在至少一个实施例中，提供了一种电子系统，该电子系统包括外壳以及在该外壳内的处理单元。封装环境传感器耦合到处理单元。封装环境传感器包括支撑结构和传感器裸片，该传感器裸片包含环境传感器，并且被布置在支撑结构的第一侧面上。控制芯片耦合到传感器裸片，并且被布置在支撑结构的与第一侧面相反的第二侧面上。盖子接合到支撑结构的第一侧面，并且在与支撑结构相反的方向上朝向外部开口，传感器裸片被容纳在盖子内部。

在至少一个实施例中，提供了一种设备，该设备包括支撑结构，该支撑结构具有第一侧面以及与第一侧面相反的第二侧面。支撑结构限定从第二侧面延伸到支撑结构中的腔。环境传感器裸片被设置在支撑结构的第一侧面上，并且控制芯片被设置在腔内并且附接到支撑结构。盖子附接到支撑结构的第一侧面，并且在与支撑结构相反的方向上朝向外部开口。传感器裸片被容纳在盖子与支撑结构之间。

附图说明

为了更好地理解本公开，现在，将仅通过非限制性示例的方式并参考附图，对本公开的一些实施例进行描述，其中：

图1是包含封装环境传感器的电子系统的简化框图；

图2是图1的电子系统的、在纵向平面中截取的侧视图；

图3是被包含在图1的电子系统中的根据本公开的一个实施例的封装环境传感器的、在图4的迹线iii-iii的平面中截取的前视图；

图4是从图3的封装环境传感器的下面看的平面图；

图5是图3的封装环境传感器的顶视图；

图6是根据本公开的一个不同实施例的封装环境传感器的、在横向平面中截取的前视图，该封装环境传感器可以用于图1的电子系统中；以及

图7是根据本公开的又一实施例的封装环境传感器的、在横向平面中截取的前视图，该封装环境传感器可以用于图1的电子系统中。

具体实施方式

参考图1，电子设备作为一个整体由附图标记1指定，并且可以是任何类型的电子设备，特别地但不排他地，可以是可穿戴设备(诸如手表、手镯或智能手环)、计算机(诸如大型机、个人计算机、膝上型电脑或平板电脑)、智能手机、数字音乐播放器、数字相机、或适于处理、存储、传输或接收信息的任何其他设备。电子设备1可以是通用计算机系统，或可以被嵌入在设备、装置或其他系统中。

电子设备1包括处理单元2、数据存储介质3、以及封装环境传感器10，而且还可以设有输入/输出(i/o)设备5(例如，小键盘、鼠标或触摸屏)、无线接口6、外围设备7.1，…，7.n、以及可能的其他辅助设备(这里未图示)。电子设备1的部件可以通过总线8直接和/或间接地彼此通信耦合。而且，电子设备1可以包括电池9。应当指出，本公开的范围不限于必须具有一个或所有列出的设备的实施例。

根据设计偏好，处理单元2可以包括例如一个或多个微处理器、微控制器等。

数据存储介质3可以包括各种种类的易失性存储器设备和非易失性存储器设备，例如，在易失性存储器的情况下为sram和/或dram，而在非易失性存储器的情况下为固态存储器、以及磁盘和/或光盘。

参考图2，电子设备1包括外壳11，该外壳11容纳印刷电路板(pcb)12和部件中的至少一部分部件。特别地，封装环境传感器10直接地或经由托座13被安装在pcb12上。另外，封装环境传感器10通过外壳11中的开口15与外界连通。开口15的边缘与封装环境传感器10之间的间隙由垫圈16(例如，o形环)密封。

封装环境传感器10可以是适于检测外部环境的参数或量的任何传感器。通过非限制性示例的方式，封装环境传感器10可以是压力传感器、湿度传感器、温度传感器、或某种其他环境传感器。

如图3至图5所示，封装环境传感器10包括支撑结构17、传感器裸片18、控制或asic芯片20、以及项圈形盖子21。盖子可以是项圈、环等。

支撑结构17例如是陶瓷的，并且具有第一面17a和第二面17b，传感器裸片18通过裸片附接区域22被固定到该第一面17a，并且该面17b与第一面17a相反。

例如金属焊料膏的盖子附接区域23a-23c在传感器裸片18周围被布置在支撑结构17的第一面17a上。在一个实施例中，盖子附接区域23a-23c沿着相应闭合连续路径延伸。特别地，盖子附接区域23a-23c呈彼此相似的几何关系，并且盖子附接区域23a-23c中的一个盖子附接区域与盖子21的、和支撑结构17接合的边缘共形。此外，盖子附接区域23a-23c彼此嵌套，而不相互接触。比如，盖子附接区域23a-23c可以是三个圆形同心环或椭圆形同心环，并且彼此分离。然而，要理解，盖子附接区域23a-23c的形状和数目可以根据设计偏好而自由选择，例如，以便与可用的或在任何情况下使用的盖子的形状和尺寸相对应。比如，盖子附接区域23a-23c可以具有多边形形状。转而，根据垫圈16的尺寸选择盖子的尺寸。

传感器裸片18包含环境传感器19。特别地，传感器裸片18可以包含例如膜结构的mems检测结构，该膜结构可以用作压力传感器、或用于检测某种其他环境量(诸如温度或湿度)的传感器。

腔24形成在支撑结构17的第二面17b中，并且容纳控制芯片20。在一个实施例中，台阶25形成在控制芯片20的一个或多个侧面周围。因此，实际上，控制芯片20被容纳在腔24的底部上的凹部中，并且因此被容纳在支撑结构17的相对于传感器裸片18的相反侧面上。控制芯片20可以包括控制电路，该控制电路用于驱动mems结构，并且用于将物理量变换为有用信号的转换。

传感器裸片18和控制芯片通过接合接线29、连接线32和接合接线35而耦合在一起，接合接线29在传感器裸片18的接触焊盘30与支撑结构17的第一面17a上的接触焊盘31之间，连接线32在接触焊盘31与接触焊盘34之间被嵌入在支撑结构17中，接触焊盘34位于支撑结构17的、在控制芯片20周围的台阶25上，接合接线35在接触焊盘34与控制芯片20的接触焊盘37之间。进一步地，接触焊盘37、接合接线35、接触焊盘34和连接线32将控制芯片连接到导电焊料焊盘40，支撑结构17利用该导电焊料焊盘40被接合到pcb41。转而，pcb41机械和电耦合到托座13(或在没有托座13的情况下，直接耦合到pcb12)。可替代地，支撑结构17可以直接焊接到pcb12。

保护结构45(例如，团块顶部结构)填充腔24的至少一部分，并且包含或覆盖控制芯片20和接合接线35。

盖子21由环形壁限定，并且接合到盖子附接区域23a-23c中的一个盖子附接区域(在图3的示例中，接合到中间固定区域23b，盖子21的边缘相对于该中间固定区域23b是共形的)。在一个实施例中，盖子21具有截头圆锥形形状，并且其母线g与和支撑结构17的第一面17a平行的平面(在外部)形成大于80°的角α。可替代地，盖子21可以是柱形的。盖子21的周围布置有垫圈16，该垫圈16密封在外壳11的开口15的边缘与封装环境传感器10之间的间隙。

盖子21在其两个基底上均开口。盖子21的小基底21a接合到支撑结构17的第一面17a，并且具有与盖子附接区域23a-23c中的一个盖子附接区域、特别是与中间盖子附接区域23b共形的轮廓。盖子21的大基底21b在与支撑结构17相反的方向上朝向外部开口。盖子21的高度使得传感器裸片18完全被包含在盖子21内。

而且，盖子21至少部分地填充有保护层43，该保护层43将传感器裸片18和接合接线完全包入。保护层43是具有将传感器裸片18耦合到待测量环境量的特点的材料的，并且同时保护传感器裸片18、接合接线29和焊盘31免受侵蚀性外部试剂影响。比如，保护层43可以是有机硅灌封凝胶。

如所提及的，盖子21的尺寸与待密封的开口15的尺寸和垫圈16的尺寸有关。

在图6的实施例中，除了盖子的尺寸之外，封装环境传感器100与已经描述的封装环境传感器10相同，盖子在这里由附图标记121指定。在这种情况下，盖子121的尺寸与最外面的盖子附接区域23a的尺寸兼容，并且通过最外面的盖子附接区域23a，盖子121接合到支撑结构17的第一面17a。

图7表示根据本公开的一个不同实施例的封装环境传感器200，其中已经描述的元件由相同的附图标记指定。封装环境传感器200包括支撑结构217、传感器裸片18、以及控制芯片20。在这种情况下，控制芯片20使用倒装芯片技术接合到支撑结构217。在支撑结构217的第二面217b中获得腔224，并且腔224容纳控制芯片20，该腔224无需控制芯片20本身周围的台阶。而且，连接线232将支撑结构217的第一面217a上的接触焊盘31连接到控制芯片20的接触焊盘37的第一集合，并且将接触焊盘37的第二集合连接到支撑结构217的焊料焊盘240。在支撑结构217的第一面217a上形成有盖子附接区域223a-223c，在这种情况下，三个盖子附接区域也具有圆形形状并且相对于彼此同心。盖子221接合到最里面的盖子附接区域223c。

所描述的封装环境传感器具有几个优点。首先，相对于传感器裸片位于支撑结构的相反侧面上的控制芯片被包围在如下空间中：使用时，可以利用在项圈与电子设备的外壳中的开口的边缘之间的垫圈方便地密封该空间，其中安装了封装环境传感器。因此，封装环境传感器绝不会暴露于物理和/或化学侵蚀性外部环境。因此，与已知环境传感器相比，不仅控制电路处于本质上更安全的条件下，而且选择嵌入控制电路的保护材料的自由度更大。此外，控制芯片与外部光隔离，以便即使其表面可能对光敏感，也保持不受外部光影响。

盖子的形状和尺寸与控制芯片的尺寸无关，该控制芯片的面积通常是传感器裸片的面积的五到六倍大。控制芯片可以方便地容纳在陶瓷的支撑结构的腔中，并且可以仅在传感器裸片的结构特点和尺寸特点的基础上，方便地选择盖子的尺寸。

与一些已知环境传感器中(尤其是在广阔的并且具有矩形形状的、保护控制芯片的区域与用于和用作垫圈的o形环耦合的圆形颈部之间)发生的情况相反，因为无需任何特定连接器，所以盖子的形状可以极其简单。

盖子附接区域的形状、尺寸和数目可以根据设计偏好以最高的灵活性来选择。因此，可以大规模生产支撑结构本身的大量示例，从而有利于制造成本。在存在多个盖子附接区域的情况下，相同类型的支撑结构可以与各种大小的盖子和垫圈一起使用，无需任何昂贵的定制干预。

在焊接步骤期间，盖子的形状(无论是柱形的还是截头圆锥形的，其中小基底接合到支撑结构)使得能够适应灌封材料的更高的热膨胀程度(与形成盖子的材料的热膨胀程度相比)，而不会造成对结构本身的损坏。如图3中的箭头所表示的，特别地，在与支撑结构的第一面平行的方向上、由不同的热膨胀系数生成的力释放在侧壁上，该侧壁可以承受负载而没有任何风险。相反，在与支撑结构的第一面垂直的方向上，灌封材料可以自由地向外膨胀，而不会施加倾向于使盖子与支撑结构脱离的力。

最后，显而易见的是，可以对所描述的封装环境传感器做出修改和变型，而不会由此脱离本公开的范围。

可以组合上文所描述的各种实施例以提供其他实施例。可以根据以上详细描述对实施例做出这些和其他改变。一般而言，在所附权利要求书中，所使用的术语不应解释为将权利要求限制为说明书和权利要求书中所公开的特定实施例，而是应当解释为包括所有可能实施例以及这种权利要求所享有的等同物的全部范围。因而，权利要求不受本公开的限制。