风速传感器的发展经历了很长的历史。从最初的纯机械装置到现在使用CMOS+MEMS技术实现的热风速传感器,MEMS热风速传感器芯片已经相对成熟。因此对MEMS热风速传感器的封装技术研究变得很有必要。由于MEMS传感器结构的特殊性,它的封装难度要比集成电路大。尤其是测量风速风向的传感器,对它的封装除了基本的保护芯片结构和可靠的电气连接功能以外,还要求芯片能够与被测量的物理环境充分的接触。包括作者所在的实验室在内,国内外的众多科研机构都围绕着这个课题做了大量的工作。本文首先总结了目前MEMS热风速传感器的封装现状,分析了它们各自存在的优缺点。针对所要封装的风速传感器芯片,在了解芯片的结构基础上提出了三种封装结构：采用引线键合工艺实现的封装、采用倒装焊工艺实现的封装和将传感器芯片与后续的信号处理电路一体封装的电路集成封装。由于芯片采用热导率较高的陶瓷薄片作为衬底,三种封装结构都采用芯片背面作为与流体接触的感风面。与现有的MEMS热风速传感器封装结构相比,这既对芯片的正面进行了必要的保护又减少了使用额外过渡基板的热损耗,对于减小传感器功耗和提高传感器的灵敏度都有积极意义。本文提出的三种封装结构中前两种是针对芯片本身的单体封装,而第三种结构集成了处理电路完成了系统的功能。 ⑴采用ANSYS-CFX软件成功的解决了传感器芯片热分析过程中存在的流-固耦合模拟精度不够的问题,较为精确的实现了对传感器芯片和封装结构的热分析。同时也给出了使用该软件进行流-固耦合模拟的一般方法和流程。论文对封装前后的传感器芯片风速和风向性能进行了仿真模拟,模拟结果与理论吻合。 ⑵针对提出的封装结构,进行了相关封装工艺的实验,其中主要讨论倒装焊工艺。利用SEC-850热压焊机,经过反复试验得到了成熟的工艺参数,保证了倒装焊较高的成功率。在此基础上,进行电路集成封装实验。论文从最小化封装体积角度出发,采用ABS工程塑料设计制作了电路集成封装所需的管壳。另外,从绿色封装的角度出发进行了各向异性导电胶的尝试性试验,虽然实验结果不是很理想,但是论文对试验结果进行了合理的分析,以期对以后这方面的工作有所帮助。 ⑶在恒功率控制模式下对电路集成封装后的传感器芯片风速和风向两方面的性能进行了大量反复测试。论文采用三角函数测试法进行风向测试；对于风速,论文基于热损失和热温差两种原理进行了测试。从测试结果可以看出,封装后的芯片仍然能够按照原来的工作原理运行,并且和理想情况吻合；芯片的滞回特性也相当稳定。由于传感器本身工作原理上的限制,测试得到的风速量程是8m/s,风向测试范围为360°.最大误差控制在6％以内。为了考察封装结构对传感器性能的影响,论文对封装前的芯片做了相应的测试。从封装前后的测试数据看,封装结构对芯片检测精度上影响很小,虽然降低了芯片的灵敏度但仍然能够达到预订指标。最后文章将测试得到的实验数据与模拟结果进行了比较,两者吻合较好,说明了软件模拟的精确和实验数据的可靠。 ⑷提出采用后成型塑料封装方法实现这两种结构,并且按照集成电路封装标准,进行了尺寸设计,为后续工作打下基础。对于电路集成封装结构,未来的工作在于将内部的信号处理电路用CMOS标准工艺实现,降低封装成本并且获得更好的信号处理效果,实现风速传感器系统的产业化。