一种有效减小超声波传感器盲区的双腔结构及其封装工艺的制作方法

1.本发明属于超声波传感器技术领域，具体涉及一种有效减小超声波传感器盲区的双腔结构及其封装工艺。


背景技术：

2.盲区是指当发射超声波时，发射信号虽然只维持一个极短时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定余振或拖尾(由于机械惯性作用)；在盲区时间内，回波信号的强度是远小于拖尾信号强度的，从而屏蔽了近距离的回波信号。
3.目前常用的抑制盲区的方法：
4.一是从电路上进行盲区抑制，如1)外接衰减电阻；2)降低超声波发射功率；3)时变增益放大电路；以上方法没有对传感器盲区本质有大的改变，治标不治本，而且1)和2)方法同时也会损耗回波信号强度。
5.二是通过封装对传感器本身的盲区进行抑制，对于压电陶瓷类的超声波测距传感器，减小探头的盲区一般是在壳体内填充声学材料，如压电陶瓷类的超声波测距传感器的封装工艺流程包含了装毛毡、填充硅胶、装盖板、外形密封等步骤；或者是采用分体式换能器、阵列，如市场上常见的一发一收超声波测距模组；装配吸声材料的方法的是需要通过人工来完成的，加工效率低，无法适用于大批量生产，而且装配的一致性也会比较差；而分体式或阵列换能器的方法会增大传感器的体积，并且成本也会成倍提升。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于：提供一种有效减小超声波传感器盲区的双腔结构及其封装工艺，解决现有技术产品性能不佳、生产效率低、装配一致性差、生产成本较高的问题。
7.本发明采用的技术方案如下：
8.一种有效减小超声波传感器盲区的双腔结构，包括外部封装外壳、内部封装外壳、芯片、基板，所述外部封装外壳粘接于基板边缘并与基板围合形成有第一空腔，所述芯片粘接设置于基板上，所述芯片通过键合金线与基板电连接，所述内部封装外壳粘接设置于基板上且所述内部封装外壳的底部边缘位于外部封装外壳的底部边缘与芯片边缘之间，所述内部封装外壳与基板围合形成有第二空腔，所述外部封装外壳顶部开设有圆形出音孔，所述内部封装外壳的侧壁上均开设有方型出音孔。
9.进一步地，所述外部封装外壳上还设置有防水防尘膜。
10.进一步地，所述芯片为压电超声芯片。
11.进一步地，所述基板的材料为fr4板材。
12.一种有效减小超声波传感器盲区的双腔结构的封装工艺，使用了所述的一种有效减小超声波传感器盲区的双腔结构，包括以下步骤：
13.s1,将芯片从晶圆上取下；
14.s2,在基板上表面涂胶，然后将取下的芯片粘接到基板上；
15.s3,根据胶水的固化参数，在对应温度下保温对应时间，使胶水完全固化；
16.s4，使用金丝键合机通过键合金线将芯片与基板上的焊盘联通；
17.s5，在基板上涂胶，使用自动贴帽机将内部封装外壳与基板涂胶处对准，并将内部封装外壳粘接到基板上，根据胶水的固化参数，在对应温度下保温对应时间，使胶水完全固化；
18.s6，在基板边缘处涂胶，使用自动贴帽机将外部封装外壳与基板边缘对准，并将外部封装外壳粘接到基板上，根据胶水的固化参数，在对应温度下保温对应时间，使胶水完全固化；
19.s7,完成封装后进行超声波传感器测试；
20.s8，测试完成后，对封装完成的超声波传感器进行包装。
21.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
22.1、本发明中，结构及封装工艺简单，各结构件加工一致性高，可以适用于自动化封装工艺，提升封装效率以及封装一致性；结构件只包含了外部封装外壳和内部封装外壳、芯片、基板，并且外部封装外壳和内部封装外壳可以通过一体化开模注塑或者机械冲压的方式批量加工；芯片是通过半导体加工工艺加工；基板可以选用常规fr4板材，以上结构件都可以批量化加工保证一致性以及加工效率。
23.2、本发明中，通过设计第一腔体和第二腔体的尺寸可以达到不同组合效果，如：
24.根据远距离测距的需求，外部封装外壳和内部封装外壳都可以设计成与芯片同频率的赫姆霍兹共振腔，可以有效的增强发射声压级，增强回波信号，并且对盲区时间没有太大影响；
25.根据近距离测距的需求，内部封装外壳也可设计成与芯片同频率的赫姆霍兹共振腔，外部封装外壳的共振频率做一定偏移，通过外部封装外壳的滤波作用，可以大幅减小盲区时间，但是回波信号强度也会衰减；由于内部封装外壳的增幅效果，又可以有效增强芯片的发射声压级，综合外部封装外壳和内部封装外壳的作用，盲区时间会有减小，但不会对回波信号强度造成较大的影响。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图，其中：
27.图1为本发明双腔结构的爆炸示意图；
28.图2为本发明封装工艺流程图；
29.图3为本发明的外部封装外壳的结构图；
30.图4为本发明的内部封装外壳的结构图
31.图5为本发明声波传播示意图；
32.图6为本发明芯片的裸片性能测试图；
33.图7为本发明内部封装外壳和外部封装外形成的双腔结构同时作用芯片的性能测视图。
34.图中标记：1-外部封装外壳、2-内部封装外壳、3-芯片、4-键合金线、5-基板、6-圆形出音孔、7-方形出音孔、8-第一空腔、9-第二空腔。
具体实施方式
35.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
36.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
37.应注意到：标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
38.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
39.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
40.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以使机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个原件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.一种有效减小超声波传感器盲区的双腔结构，包括外部封装外壳、内部封装外壳、芯片、基板，所述外部封装外壳粘接于基板边缘并与基板围合形成有第一空腔，所述芯片粘接设置于基板上，所述芯片通过键合金线与基板电连接，所述内部封装外壳粘接设置于基板上且所述内部封装外壳的底部边缘位于外部封装外壳的底部边缘与芯片边缘之间，所述内部封装外壳与基板围合形成有第二空腔，所述外部封装外壳顶部开设有圆形出音孔，所述内部封装外壳的侧壁上均开设有方型出音孔。
42.进一步地，所述外部封装外壳上还设置有防水防尘膜。
43.进一步地，所述芯片为压电超声芯片。
44.进一步地，所述基板的材料为fr4板材。
45.一种有效减小超声波传感器盲区的双腔结构的封装工艺，使用了所述的一种有效减小超声波传感器盲区的双腔结构，包括以下步骤：
46.s1,将芯片从晶圆上取下；
47.s2,在基板上表面涂胶，然后将取下的芯片粘接到基板上；
48.s3,根据胶水的固化参数，在对应温度下保温对应时间，使胶水完全固化；
49.s4，使用金丝键合机通过键合金线将芯片与基板上的焊盘联通；
50.s5，在基板上涂胶，使用自动贴帽机将内部封装外壳与基板涂胶处对准，并将内部封装外壳粘接到基板上，根据胶水的固化参数，在对应温度下保温对应时间，使胶水完全固化；
51.s6，在基板边缘处涂胶，使用自动贴帽机将外部封装外壳与基板边缘对准，并将外部封装外壳粘接到基板上，根据胶水的固化参数，在对应温度下保温对应时间，使胶水完全固化；
52.s7,完成封装后进行超声波传感器测试；
53.s8，测试完成后，对封装完成的超声波传感器进行包装。
54.本发明在实施过程中，如图1所示，本发明由外部封装外壳、内部封装外壳、芯片、基板组成，键合金线将芯片与基板进行联通，外部封装外壳上有单个圆形出音孔，内部封装外壳的每个侧壁都有1个方形出音孔。
55.具体封装工艺流程如图2所示，包括以下步骤：
56.s1,将芯片从晶圆上取下；
57.s2,在基板上表面涂胶，然后将取下的芯片粘接到基板上；
58.s3,根据胶水的固化参数，在对应温度下保温对应时间，使胶水完全固化；
59.s4，使用金丝键合机通过键合金线将芯片与基板上的焊盘联通；
60.s5，在基板上涂胶，使用自动贴帽机将内部封装外壳与基板涂胶处对准，并将内部封装外壳粘接到基板上，根据胶水的固化参数，在对应温度下保温对应时间，使胶水完全固化；
61.s6，在基板边缘处涂胶，使用自动贴帽机将外部封装外壳与基板边缘对准，并将外部封装外壳粘接到基板上，根据胶水的固化参数，在对应温度下保温对应时间，使胶水完全固化；
62.s7,完成封装后进行超声波传感器测试；
63.s8，测试完成后，对封装完成的超声波传感器进行包装。
64.以上封装工艺流程，可以完全由自动化设备兼容，实现自动化批量加工。
65.外部封装外壳和内部封装外壳的本质是赫姆霍兹共鸣腔，而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，空腔的共振频率可以用以下公式计算：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。
66.下面介绍各个结构的功能：
67.外部封装外壳：如图3所示，外部封装外壳的选材要有一定的刚度，其功能一是物理环境隔离，保护内部结构不易损坏；二是可以根据公式1，设计空腔体积与圆形出音孔的
厚度及半径，可以将外部封装外壳加工成所需频率的赫姆霍兹共振腔，起到调节超声波传感器盲区的作用；此外，外部封装外壳上还可以通过粘贴防水防尘膜等方式，起到一定的防水防尘作用；
68.内部封装外壳：如图4所示，4个方形出音孔被设计到内部封装外壳的侧壁中间，通过公式1设计空腔体积与方形出音孔的边长及厚度，将内部封装外壳的共振频率设计到与芯片相同，用于增强芯片的发射声压级；
69.键合金线：键合金线是封装领域常见的键合材料，主要功能是将芯片与基板电气连通，减小接触电阻、寄生电容等寄生参数对信号的影响；
70.芯片：其原理为逆压电效应，在基板的电极上加激励信号，因为逆压电效应，压电陶瓷片会产生机械变形的伸展和收缩，产生振动，发出超声波；
71.基板：用于芯片的贴片封装以及外部电信号交互，最常见的基板为fr4板材；
72.声波的产生及传播路径如图5所示，对芯片施加激励信号后，芯片会产生振动，发出超声波信号c，超声波信号c有4条传播路径，图5中显示两条传播路径a和b来解释声波传播路径，当超声波信号c在内部封装外壳中叠加共振后从方形出音孔发出，超声波信号c沿路径a和b在外部封装外壳中传播，当超声波信号c到达圆形出音孔时，由于圆形出音孔在外部封装外壳的中心，所以声波路径a和b传播的声波相位差为0，不会造成超声波信号c在圆形出音孔处有所损耗。
73.其中，通过设计第一腔体和第二腔体的尺寸可以达到不同组合效果，如：根据远距离测距的需求，外部封装外壳和内部封装外壳都可以设计成与芯片同频率的赫姆霍兹共振腔，可以有效的增强发射声压级，增强回波信号，并且对盲区时间没有太大影响。
74.根据近距离测距的需求，内部封装外壳也可设计成与芯片同频率的赫姆霍兹共振腔，外部封装外壳的共振频率做一定偏移，通过外部封装外壳的滤波作用，可以大幅减小盲区时间，但是回波信号强度也会衰减；由于内部封装外壳的增幅效果，又可以有效增强芯片的发射声压级，综合外部封装外壳和内部封装外壳的作用，盲区时间会有减小，但不会对回波信号强度造成较大的影响。测试结果如图6-图7所示，其中，图6为芯片的裸片性能，(a)表示回波性能结果；(b)表示发射声压级结果；图7为内部封装外壳和外部封装外形成的双腔结构同时作用时芯片的实测效果，(a)表示回波性能结果；(b)表示发射声压级结果。
75.实施例1
76.一种有效减小超声波传感器盲区的双腔结构，包括外部封装外壳、内部封装外壳、芯片、基板，所述外部封装外壳粘接于基板边缘并与基板围合形成有第一空腔，所述芯片粘接设置于基板上，所述芯片通过键合金线与基板电连接，所述内部封装外壳粘接设置于基板上且所述内部封装外壳的底部边缘位于外部封装外壳的底部边缘与芯片边缘之间，所述内部封装外壳与基板围合形成有第二空腔，所述外部封装外壳顶部开设有圆形出音孔，所述内部封装外壳的侧壁上均开设有方型出音孔。
77.实施例2
78.在实施例1的基础上，所述外部封装外壳上还设置有防水防尘膜。
79.实施例3
80.在上述实施例的基础上，所述芯片为压电超声芯片。
81.实施例4
82.在上述实施例的基础上，所述基板的材料为fr4板材。
83.实施例5
84.一种有效减小超声波传感器盲区的双腔结构的封装工艺，使用了所述的一种有效减小超声波传感器盲区的双腔结构，包括以下步骤：
85.s1,将芯片从晶圆上取下；
86.s2,在基板上表面涂胶，然后将取下的芯片粘接到基板上；
87.s3,根据胶水的固化参数，在对应温度下保温对应时间，使胶水完全固化；
88.s4，使用金丝键合机通过键合金线将芯片与基板上的焊盘联通；
89.s5，在基板上涂胶，使用自动贴帽机将内部封装外壳与基板涂胶处对准，并将内部封装外壳粘接到基板上，根据胶水的固化参数，在对应温度下保温对应时间，使胶水完全固化；
90.s6，在基板边缘处涂胶，使用自动贴帽机将外部封装外壳与基板边缘对准，并将外部封装外壳粘接到基板上，根据胶水的固化参数，在对应温度下保温对应时间，使胶水完全固化；
91.s7,完成封装后进行超声波传感器测试；
92.s8，测试完成后，对封装完成的超声波传感器进行包装。
93.如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明的验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。