CN107510509A - 一种微型传感器封装结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型传感器封装结构，包括壳体组件，所述壳体组件内安装有片芯组件，所述的壳体组件包括圆筒型空心管，所述圆筒型空心管的一端连接有圆头，所述圆筒型空心管上开设有用于至少漏出部分所述片芯组件的窗口，所述片芯组件包括传感器芯片，所述传感器芯片上设有涂层，所述涂层与所述窗口周围的圆筒型空心管连接，所述传感器芯片上远离圆头的一端通过各项异性导电膜连接柔性电路板的前端，所述柔性电路板的后端连接有电路漆包线。本发明的微型传感器封装方法不仅简化了探头结构形式，简化了工艺流程，同时有效地减小了探头的尺寸，对多种形式传感器封装具有普适性。

Description

一种微型传感器封装结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及硬质导管型传感器技术领域，具体来说，涉及一种微型传感器封装结构及其制造方法。

背景技术

硬质导管型探头作为微型传感器载体广泛应用于医疗诊断中，这种探头的结构一般是最外面为圆筒型的金属或陶瓷材质的空心管，表面涂覆上生物相容性材料，内部放置合适的传感器，传感器检测的信号通过空心管内的导线传输到后面的监护仪内。

这种类型的探头的封装工艺一般包括载板粘接和引线连接。载板的作用是作为传感器芯片的支撑，有的载板还布有焊盘和导线用于传感器与外部的电路连接。带有载板的探头结构封装工艺是先将传感芯片粘接到载板上，然后采用引线键合技术用直径非常小的金属线两端分别连接芯片和载板电路焊盘，从而形成电气连接，最后将载板装入空心管壳体，采用载板的方式能在传感器装入壳体的时候起到定位的作用。典型的应用实例有美国通用电器公司专利US20090299178介绍的一种导管尖端设备及其生产工艺。

但由于使用了载板还是导致许多问题，首先载板制造属于精细加工，在一定成本限制下难以获得理想的尺寸；另外，载板不仅需要与传感器芯片还要与后端电路做电气连接，由此必将使整个探头尺寸变大；最后，载板与传感器焊盘之间采用引线键合技术不仅工艺复杂，键合尺寸的减小降低了键合点强度，容易引起引线开路、短路等一系列问题。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种微型传感器封装结构及其制造方法，能够克服现有技术的上述不足。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种微型传感器封装结构，包括壳体组件，所述壳体组件内安装有片芯组件，所述的壳体组件包括圆筒型空心管，所述圆筒型空心管的一端连接有圆头，所述圆筒型空心管上开设有用于至少漏出部分所述片芯组件的窗口，所述片芯组件包括传感器芯片，所述传感器芯片上设有涂层，所述涂层与所述窗口周围的圆筒型空心管连接，所述传感器芯片上远离圆头的一端通过各项异性导电膜连接柔性电路板的前端，所述柔性电路板的后端连接有电路漆包线。

进一步的，所述涂层通过医用级胶水与所述圆筒型空心管连接。

进一步的，所述传感器芯片的后端通过胶水与所述柔性电路板连接。

进一步的，所述的传感器芯片的上侧设有若干相互分离的引脚焊盘二，所述柔性电路板的前端设有若干与所述引脚焊盘二对应的引脚焊盘一，所述柔性电路板和传感器芯片之间以及所述引脚焊盘一和引脚焊盘二之间均通过各项异性导电膜连接，所述各项异性导电膜中均匀分散有若干的导电微粒。

进一步的，所述柔性电路板的后端设有焊盘，所述柔性电路板通过所述焊盘与电路漆包线连接。

本申请还提供一种所述的微型传感器封装结构的制造方法，包括如下步骤：

S401：将所述圆筒型空心管和所述圆头拼接组装成壳体组件；

S402：将传感器芯片、各项异性导电膜、柔性电路板和电路漆包线通过固定在一起，组装成片芯组件；

S403：将片芯组件插入壳体组件中封装成完整的结构，即完成微型传感器封装结构的制造。

进一步的，步骤S402具体包括：

S4021：将带状的各项异性导电膜先粘在柔性电路板上，将其放置在工作台上，调整位置使键合面对准热压头尖端并进行固定，然后设置热压设备工作参数进行预贴工艺；

S4022：进行本压工艺，具体为：将预贴工艺后的组件固定到工作台并对准热压头设置好热压设备参数完成各项异性导电膜的固化反应和物理反应；

S4023：将涂层均匀的涂覆在传感器芯片上；

S4024：将胶水涂在传感器芯片的后端固定支撑所述柔性电路板；

S4025：将电路漆包线焊接到柔性电路板后端的焊盘上。

进一步的，步骤S403具体为：将步骤S402中组装的片芯组件涂上医用级胶水，等医用级胶水稍干后将片芯组件送入步骤S401中装配好的壳体组件中，使传感器敏感面对准壳体组件的窗口，等待胶水变干后固定。

本发明的有益效果：本发明的微型传感器封装方法不仅简化了探头结构形式，简化了工艺流程，同时有效地减小了探头的尺寸，对多种形式传感器封装具有普适性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

图1是根据本发明实施例所述的微型传感器封装结构的整体结构图；

图2是根据本发明实施例所述的微型传感器封装结构中柔性电路板部分的结构示意图；

图3是图2中A处的局部放大图；

图4为本发明的微型传感器封装方法中的热压示意图；

图5是本发明的微型传感器封装方法的流程图；

图中：1000、探头；101、圆头；102、圆筒型空心管；103、窗口；104、医用级胶水；105、涂层；106、电路漆包线；107、胶水；108、焊盘；201、柔性电路板；202、传感器芯片；205、各项异性导电膜；206、导电微粒；301、热压头；302、工作台。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示，根据本发明实施例所述的一种微型传感器封装结构，包括壳体组件，所述壳体组件内安装有片芯组件，所述的壳体组件包括圆筒型空心管102，所述圆筒型空心管102的一端连接有圆头101，所述圆筒型空心管102上开设有用于至少漏出部分所述片芯组件的窗口103，所述片芯组件包括传感器芯片202，所述传感器芯片202上设有涂层105，所述涂层105与所述窗口103周围的圆筒型空心管102连接，所述传感器芯片202上远离圆头101的一端通过各项异性导电膜205连接柔性电路板201的前端，所述柔性电路板201的后端连接有电路漆包线106。

在一具体实施例中，所述涂层105通过医用级胶水104与所述圆筒型空心管102连接。

在一具体实施例中，所述传感器芯片202的后端通过胶水107与所述柔性电路板201连接。

在一具体实施例中，所述的传感器芯片202的上侧设有若干相互分离的引脚焊盘二204，所述柔性电路板201的前端设有若干与所述引脚焊盘二204对应的引脚焊盘一203，所述柔性电路板201和传感器芯片202之间以及所述引脚焊盘一203和引脚焊盘二204之间均通过各项异性导电膜205连接，所述各项异性导电膜205中均匀分散有若干的导电微粒206。

在一具体实施例中，所述柔性电路板201的后端设有焊盘108，所述柔性电路板201通过所述焊盘108与电路漆包线106连接。

本发明还提供一种微型传感器封装结构的制造方法，如图5所示,包括如下步骤：

S401：将所述圆筒型空心管102和所述圆头101拼接组装成壳体组件；

S402：将传感器芯片202、各项异性导电膜205、柔性电路板201和电路漆包线106通过固定在一起，组装成片芯组件；

S403：将片芯组件插入壳体组件中封装成完整的结构，即完成微型传感器封装结构的制造。

在一具体实施例中，如图4所示，步骤S402具体包括：

S4021：将带状的各项异性导电膜205先粘在柔性电路板201上，将其放置在工作台302上，调整位置使键合面对准热压头301尖端并进行固定，然后设置热压设备工作参数进行预贴工艺；

S4022：进行本压工艺，具体为：将预贴工艺后的组件固定到工作台（302）并对准热压头设置好热压设备参数完成各项异性导电膜（205）的固化反应和物理反应；

S4023：将涂层105均匀的涂覆在传感器芯片202上；

S4024：将胶水107涂在传感器芯片202的后端固定支撑所述柔性电路板201；

S4025：将电路漆包线106焊接到柔性电路板201后端的焊盘108上。

在一具体实施例中，步骤S403具体为：将步骤S402中组装的片芯组件涂上医用级胶水104，等医用级胶水104稍干后将片芯组件送入步骤S401中装配好的壳体组件中，使传感器敏感面对准壳体组件的窗口，等待胶水变干后固定。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。

在具体使用时，根据本发明所述的一种微型传感器封装结构，包括探头1000，所述探头包括壳体组件和片芯组件，所述的片芯组件包括传感器芯片，传感器芯片可以是各种能感受外部边界环境（如压力、温度、PH值等）变化并产生电信号输出的传感器，探头1000可以通过手术的方式植入人体中用于测量各种生理信号，例如测量颅内压等。

圆头101和圆筒型空心管102是探头的外壳，要求具有一定的刚度能够给予内部传感器芯片202很好的保护，防止受到外界应力的冲击和碰撞等导致整个探头的报废，圆头101和圆筒型空心管102应由具有生物兼容性的材料制成，如高分子塑料、钛合金、陶瓷等。探头在植入需要经过人体表层的一些空洞到达内部的组织，为防止对人体组织造成伤害增加病人痛苦，探头外壳应制成平滑的曲面，尽量减少棱角的存在，在图1给出的实例中，圆头末端与圆筒型空心管一端连接。在圆筒型空心管102的中间开有一个窗口，此窗口的作用是让传感器芯片202的敏感面与外界环境直接接触以保证测量的精度，根据传感器体积的不同窗口相对于圆筒型空心管中心的圆心角角度可在50°到120°不等；医用级胶水104用于将传感器芯片202固定于圆筒型空心管102中，可以选用各种医用级胶水，如双组份UV胶、RTV等，不同的胶水具有不同的固化特性和吸水特性，可以根据传感器芯片测量生理信号的具体特性选择合适的胶水；涂层105为传感器表面涂覆材料用于保护传感器，防止人体组织液成分对传感器芯片产生腐蚀作用进而影响测量精度。涂层105应该具有高介电强度、良好的防水汽渗透性能等特定，可以选用Parylene、环氧树脂、有机硅树脂等材料，涂层105是在热压工艺完成之后涂覆上去的。

传感器芯片202与柔性电路板201是通过各向异性导电膜连接的，如图2所示，柔性电路板201的一端有引脚焊盘一用于与传感器芯片202的电气连接，其形状和大小主要取决于传感器芯片上引脚焊盘二的位置，柔性电路板上的引脚焊盘一应与传感器芯片上引脚焊盘二大小和位置保持一致，焊接时所有焊盘键合能一次成型，为保证柔性电路板与传感器芯片的稳定粘接，可在传感器后端涂覆胶水107作为支撑；在柔性电路板的另一端也有焊盘108用于与后端电路漆包线106连接，焊盘108布局可以是沿柔性电路板纵向延伸，当焊盘数目较少而柔性电路板横向尺寸足够大可以将焊盘横向平铺，这样有利于电路漆包线受拉扯时各根线受力均匀；电路漆包线可以选用直径50μm到150μm不等，材料可以金线、银线、铜线等，漆包线通过焊接的方式与焊盘固定。

其中，引脚焊盘一与引脚焊盘二之间的粘接与电气导通是依靠各项异性导电膜205来实现的，其中导电微粒206是各项异性导电膜能导电的原因，导电微粒的材料有传统的金、银、铜等金属材料，也有炭黑、石墨、低熔点合金等新型环保材料，在各项异性导电膜中单位体积的导电粒子数量都是经过科学的计算添加的，在经过热压工艺后，Z方向由于导电微粒压扁变形直接与焊盘接触而导通，XY方向上由于数目的限制，均匀分散之后避免导电微粒相互接触，实现单方向导通，如图3中局部放大图所示；不同规格的各项异性导电膜材料会对传感器芯片与柔性电路板键合效果产生影响，导电微粒206的大小会直接影响最终键合阻值，如果导电微粒直径过大会导致一个引脚上的导电粒子数减少甚至发生横向导通的现象，实际选取导电微粒直径大小时应综合考虑传感器芯片上引脚焊盘二尺寸和间距的影响，使用各项异性导电膜进行键合是通过热压工艺实现的，热压过程中产生的高温会对传感器芯片202产生影响，因根据传感器芯片的特性选择具有合适热压温度的各项异性导电膜材料。

微型传感器封装结构的制造工艺中的核心工艺是热压，热压对工作的温度和压力等要求较高，本发明中热压工艺是在特定的热压工作台上进行的，热压示意图如图4所示。图中301为热压头，要求热压头能快速升温并保持温度稳定，输出温度可在0-600℃之间连续可调，温度能够在10s内达到目标温度的90%；同时热压头输出一定压力，压力为范围在0-10N之间连续可调，并且在80s之内的变化量不超过±0.3N；热压头尖端用于压传感器芯片的面积不小于传感器芯片表面焊区面积，302为热压时放置传感器芯片的工作台，要求工作台302表面光滑、无尘，具有定位装置配合热压头进行热压过程，同时有用于夹持传感器芯片的夹具；对于某些平台，工作台302具有测量热压头产生的压力的功能，根据实时压力测量值可对热压头上的压力进行必要的调整。

图5为本发明的微型传感器封装工艺的装配流程图，步骤S401为壳体组件装配，是将圆头101和圆筒型空心管102连接，根据所使用的材料不同，圆头101和圆筒型空心管102可以采用不同的方式连接，例如塑形焊接、电弧焊或使用胶水粘接等。

步骤S402为片芯组件装配，主要是通过热压工艺将传感器芯片202、各项异性导电膜205和传感器芯片201固定在一起，热压工艺包括预贴和本压两个过程；预贴是让带状各项异性导电膜先粘在传感器芯片上面，将组件放置在工作台302上，调整位置使键合面对准热压头301尖端并进行固定，然后设置热压设备工作参数温度80℃、压力0.5N，时间2s，通过预贴可以使各项异性导电膜的导电微粒与传感器芯片表面接触，本压是热压工艺中最重要的环节，该过程中各项异性导电膜材料完成整个固化反应和物理反应，将预贴中生成的组件固定到工作台并对准热压头，设置好热压设备参数进行本压过程，设备参数会对热压效果产生较大影响，如压力提高时会导致引脚间阻值减小，温度较高、键合时间过长会产生过多气泡，适合传感器芯片与各项异性导电膜的参数范围为压力：2.5-3.2N,温度：150-210℃，时间：60s左右，热压完成后进行涂覆处理，将涂层105均匀地涂覆在传感器敏感面上，将胶水107涂在传感器后端固定支撑柔性电路板，最后将电路漆包线106焊接到柔性电路板上的焊盘108上。

步骤S403进行整体装配，在S402中装配的片芯组件涂上医用级胶水104，等胶水稍干后将片芯组件送入S401中装配好的壳体组件中，使传感器敏感面对准壳体窗口，等待胶水变干固定。

综上所述，本发明的微型传感器封装方法不仅简化了探头结构形式，简化了工艺流程，同时有效地减小了探头的尺寸，对多种形式传感器封装具有普适性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微型传感器封装结构，其特征在于，包括壳体组件，所述壳体组件内安装有片芯组件，所述的壳体组件包括圆筒型空心管（102），所述圆筒型空心管（102）的一端连接有圆头（101），所述圆筒型空心管（102）上开设有用于至少漏出部分所述片芯组件的窗口（103），所述片芯组件包括传感器芯片（202），所述传感器芯片（202）上设有涂层（105），所述涂层（105）与所述窗口（103）周围的圆筒型空心管（102）连接，所述传感器芯片（202）上远离圆头（101）的一端通过各项异性导电膜（205）连接柔性电路板（201）的前端，所述柔性电路板（201）的后端连接有电路漆包线（106）。

2.根据权利要求1所述的一种微型传感器封装结构，其特征在于，所述涂层（105）通过医用级胶水（104）与所述圆筒型空心管（102）连接。

3.根据权利要求1所述的一种微型传感器封装结构，其特征在于，所述传感器芯片（202）的后端通过胶水（107）与所述柔性电路板（201）连接。

4.根据权利要求3所述的一种微型传感器封装结构，其特征在于，所述的传感器芯片（202）的上侧设有若干相互分离的引脚焊盘二（204），所述柔性电路板（201）的前端设有若干与所述引脚焊盘二（204）对应的引脚焊盘一（203），所述柔性电路板（201）和传感器芯片（202）之间以及所述引脚焊盘一（203）和引脚焊盘二（204）之间均通过各项异性导电膜（205）连接，所述各项异性导电膜（205）中均匀分散有若干的导电微粒（206）。

5.根据权利要求1所述的一种微型传感器封装结构，其特征在于，所述柔性电路板（201）的后端设有焊盘（108），所述柔性电路板（201）通过所述焊盘（108）与电路漆包线（106）连接。

6.一种如权利要求1-5任一所述的微型传感器封装结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S401：将所述圆筒型空心管（102）和所述圆头（101）拼接组装成壳体组件；

S402：将传感器芯片（202）、各项异性导电膜（205）、柔性电路板（201）和电路漆包线（106）通过固定在一起，组装成片芯组件；

S403：将片芯组件插入壳体组件中封装成完整的结构，即完成微型传感器封装结构的制造。

7.根据权利要求6所述的一种微型传感器封装结构的制造方法，其特征在于，步骤S402具体包括：

S4021：将带状的各项异性导电膜（205）先粘在柔性电路板（201）上，将其放置在工作台（302）上，调整位置使键合面对准热压头（301）尖端并进行固定，然后设置热压设备工作参数进行预贴工艺；

S4022：进行本压工艺，具体为：将预贴工艺后的组件固定到工作台（302）并对准热压头设置好热压设备参数完成各项异性导电膜（205）的固化反应和物理反应；

S4023：将涂层（105）均匀的涂覆在传感器芯片（202）上；

S4024：将胶水（107）涂在传感器芯片（202）的后端固定支撑所述柔性电路板（201）；

S4025：将电路漆包线（106）焊接到柔性电路板（201）后端的焊盘（108）上。

8.根据权利要求6所述的一种微型传感器封装结构的制造方法，其特征在于，步骤S403具体为：将步骤S402中组装的片芯组件涂上医用级胶水（104），等医用级胶水（104）稍干后将片芯组件送入步骤S401中装配好的壳体组件中，使传感器敏感面对准壳体组件的窗口，等待胶水变干后固定。