基于系統(tǒng)級封裝技術(shù)的車用壓力傳感器

1、引言

　　經(jīng)過幾十年的研究與開發(fā)，MEMS器件與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造工藝逐步成熟，但產(chǎn)業(yè)化、市場化的MEMS器件的種類并不多，還有許多MEMS仍未能大量走出實(shí)驗(yàn)室，充分發(fā)揮其在軍事與民品中的潛在應(yīng)用，還需要研究和解決許多問題，其中封裝是制約MEMS走向產(chǎn)業(yè)化的一個重要原因之一[1,2]。

　　為了適應(yīng) MEMS技術(shù)的發(fā)展，人們開發(fā)了許多新的MEMS封裝技術(shù)和工藝，如陽極鍵合，硅熔融鍵合、共晶鍵合等，已基本建立起自己的封裝體系?，F(xiàn)在人們通常將 MEMS封裝分為以下幾個層次：即裸片級封裝（Die Level）、器件級封裝（Device Level）、硅圓片級封裝（Wafer Lever Packaging）、單芯片封裝（Single Chip Packaging）和系統(tǒng)級封裝（System in Packaging）。

　　系統(tǒng)級封裝（SIP）的目的主要是使MEMS器件滿足不同類型產(chǎn)品的需要。微系統(tǒng)用戶必須為器件定義環(huán)境和提出使用的條件，對復(fù)雜的MEMS系統(tǒng)，則要求設(shè)計(jì)、制造和封裝等各方面的專家一起制定解決方案，確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和制造流程等。

　　本文在對擴(kuò)散硅壓力傳感器的工作原理和傳統(tǒng)封裝形式分析的基礎(chǔ)上，在壓力傳感器的設(shè)計(jì)中借鑒系統(tǒng)級封裝的基本思想，將擴(kuò)散硅壓力敏感芯片及其相應(yīng)的驅(qū)動放大電路等附屬電路系統(tǒng)集成在一塊特殊設(shè)計(jì)的印刷電路板上，再運(yùn)用專門設(shè)計(jì)的MEMS系統(tǒng)級封裝工藝將其封裝在一個金屬殼體中，形成完整的壓力傳感器。

2、擴(kuò)散硅壓力傳感器及其封裝

　　半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)是在1954年由Smith C. S.發(fā)現(xiàn)的[3]。之后，MEMS壓力傳感器的研究一直持續(xù)不衰,出現(xiàn)了集成壓力傳感器、柔性基低壓力傳感器以及圓片級封裝的壓力傳感器等[4-10]。

　　利用壓阻效應(yīng)原理，采用集成工藝技術(shù)經(jīng)過摻雜、擴(kuò)散，沿單晶硅片上的特定晶向，制成應(yīng)變電阻，構(gòu)成惠斯通電橋，利用硅材料的彈性力學(xué)特性，在同一硅材料上進(jìn)行各向異性微加工，就制成了一個集力敏與力電轉(zhuǎn)換檢測于一體的擴(kuò)散硅傳感器，如圖1所示。

圖1 壓阻壓力傳感器原理
　　擴(kuò)散硅壓力敏感芯片本身并不能完成壓力測量或者說從壓力到電信號的轉(zhuǎn)換，必須有合適的封裝和配套的電路系統(tǒng)。

　　概括起來，壓力傳感器的封裝應(yīng)該滿足以下幾方面的要求：1）機(jī)械上是堅(jiān)固的，抗振動，抗沖擊；2）避免熱應(yīng)力對芯片的影響；3）電氣上要求芯片與環(huán)境或大地是絕緣的；4）電磁上要求是屏敝的；5）用氣密的方式隔離腐蝕氣體或流體，或通過非氣密隔離方式隔離水氣。6）低的價格，封裝形式與標(biāo)準(zhǔn)制造工藝兼容。壓力傳感器常用的封裝形式有TO封裝、氣密充油的不銹鋼封裝、小外形塑料封裝（SOP）等。

3、基于SIP技術(shù)的車用壓力傳感器

3.1 系統(tǒng)級封裝

　　在某型車用壓力傳感器的設(shè)計(jì)中，借鑒了SIP技術(shù)的基本思想，將擴(kuò)散硅壓力敏感芯片、放大器芯片和其他外圍電子元器件集成于一片基板上，一起植入氣密充油的不銹鋼外殼中，從而得到一個系統(tǒng)級封裝的壓力傳感器。系統(tǒng)級封裝的具體結(jié)構(gòu)及其與傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)的區(qū)別如圖3所示。

　　由圖2可以看到，傳統(tǒng)的壓力敏感頭的封裝內(nèi)部只有擴(kuò)散硅壓力芯片，必須外接驅(qū)動放大電路，因此必須有一塊外接電路板。通常情況下，敏感頭和電路板再一起放入一個金屬外殼中形成一個完整的壓力傳感器。

(a)傳統(tǒng)壓力傳感器的封裝
1.金屬膜片 2.金屬殼體 3.TO管座 4.電路板 5.引腳 6.轉(zhuǎn)接板 7.填充陶瓷片 8.擴(kuò)散硅壓力敏感芯片
(b) 基于系統(tǒng)級封裝的壓力傳感器的封裝
　　1.金屬膜片 2.金屬殼體 3.引腳 4.電路板 5.填充陶瓷片 6.擴(kuò)散硅壓力敏感芯片
圖2 傳統(tǒng)封裝與系統(tǒng)級封裝

　　由于有兩層殼體，造成壓力傳感器體積大，成本也不易降低，同時由于將敏感頭和電路板放入外殼的過程中需要加壓、卷邊，將導(dǎo)致敏感頭產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，出現(xiàn)零點(diǎn)飄移。

　　當(dāng)應(yīng)用SIP技術(shù)將敏感芯片和電路一起植入外殼中時，體積明顯比傳統(tǒng)封裝工藝小，省掉一道外殼也降低了成本。只需要將膜片上的壓環(huán)設(shè)計(jì)成需要的螺紋接口，同時將殼體另一端壓接合適的輸出和電源接頭就能滿足不同場合的需要。

3.2 陶瓷基板實(shí)現(xiàn)敏感元件和電路的一體化

　　封裝首先在位置上要固定敏感器件，其次要能夠進(jìn)行必須的電路連接，常用的封裝形式有TO封裝、氣密充油的不銹鋼封裝、小外形塑料封裝等。

　　擴(kuò)散硅壓力芯片和玻璃載體之間的靜電封接工藝是MEMS芯片封裝中常用的工藝。為了避免芯片在封接時是產(chǎn)生大的熱應(yīng)力，通常選用熱膨脹系數(shù)與硅相近的材料作芯片的載體。為減小壓力傳感器的體積，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級封裝，必須將擴(kuò)散硅壓力芯片和相關(guān)電路集成在一塊電路基板上，也就是電路板本身作為擴(kuò)散硅壓力芯片的載體，達(dá)到此目的的首要條件是電路基板材料的熱膨脹系數(shù)與硅片的熱膨脹系數(shù)相近，在普通電路板所使用的基板材料中只有陶瓷基板滿足要求，因此在電路板設(shè)計(jì)中選用陶瓷基板，并根據(jù)體積和結(jié)構(gòu)的要求，選用0402封裝的電阻、電容和電感，極大地縮小了電路系統(tǒng)的體積和外形尺寸ipi.sooq.cn版權(quán)所有，實(shí)現(xiàn)敏感元件和電路的一體化，綁定好壓力芯片、焊接了驅(qū)動放大電路的電路板如圖3所示。

圖3 印刷電路板和陶瓷填充片

3.3 陶瓷填充片有效減少硅油填充量

　　不銹鋼隔膜片封裝的硅壓阻壓力傳感器的結(jié)構(gòu)為氣密封裝，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)非常有利于發(fā)展成系列化的、通用型的傳感器?；赟IP技術(shù)的系統(tǒng)級封裝壓力傳感器也采用這類基本封裝形式。

　　這種隔離膜壓力傳感器頭由金屬基座、管殼、硅油、傳感器壓力芯片及不銹鋼膜片組成。其主要的制造工藝為：硅芯片直接幫定在陶瓷電路基板上，與恒流原激勵電路、放大電路、溫度補(bǔ)償電路和其他電路一起構(gòu)成完整的電路基板，電路基板用膠接工藝固定在不銹鋼管殼內(nèi)的基座上；不銹鋼隔膜與殼體采用熔焊工藝進(jìn)行焊接, 焊接工藝可用激光焊接、氬弧焊接或電子束焊接等。硅油灌充工藝一般采用真空灌充技術(shù)，可基本消除殘余氣體對隔離測壓系統(tǒng)的影響，提高傳感器的精度及穩(wěn)定性。

　　在保證壓力傳感器內(nèi)部電路基板安裝間隙、幫定引線安全，并且保證壓力可靠有效傳遞的前提下，專門設(shè)計(jì)了陶瓷填充片，圖4中白色物體即陶瓷填充片，它能有效減少壓力傳感器內(nèi)部充油空間，降低傳感器的飄移。

3.4 硅油的凈化和真空灌注

　　硅油灌充工藝采用真空灌充技術(shù)，可基本消除殘余氣體對隔離測壓系統(tǒng)的影響，提高傳感器的精度及穩(wěn)定性。

　　在傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，利用電路板將殼體內(nèi)部的空間分隔為兩個部分（參見圖2），不銹鋼膜片1和電路板4之間的空間是硅油灌注空間，為減少硅油灌充量，在此空間安放了陶瓷環(huán)片5，同時采用先焊接不銹鋼膜片后灌充硅油的工藝，將電路板和陶瓷環(huán)片放入殼體中，然后利用氬弧滾焊將壓環(huán)和不銹鋼膜片焊接完成，再采用真空灌充技術(shù)完成硅油的灌充。

3.5 多點(diǎn)溫度補(bǔ)償技術(shù)

　　壓力芯片、恒流激勵源、放大電路及其封裝材料等不可避免的溫度特性最終導(dǎo)致壓力傳感器的輸出隨溫度的變化而有飄移，這種溫度飄移如果不加補(bǔ)償，將使傳感器的輸出隨溫度而變化，導(dǎo)致傳感器輸出的不確定性，從而無法使用。

　　硅壓阻壓力傳感器本身有一個固有的特性，就是溫度系數(shù)較大；因此需要對其進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償。常用的溫補(bǔ)方式是在應(yīng)變電橋上附加電阻網(wǎng)絡(luò)，通過測試及計(jì)算其高低溫特性，確定網(wǎng)絡(luò)阻值，以達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

　　車用壓力傳感器要求在-40℃～+125℃的超寬工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，常用的溫度補(bǔ)償方法難以實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，為此，在附加電阻網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過多個熱敏電阻分別對應(yīng)變電橋、恒流激勵源、放大電路增益進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而保證在-40℃～+125℃的超寬工作溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定工作。

　　由于系統(tǒng)采用多點(diǎn)溫度補(bǔ)償技術(shù)，相應(yīng)增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，尤其是電路的調(diào)試，針對該問題通過大量的實(shí)驗(yàn)、調(diào)試以及數(shù)據(jù)分析，相應(yīng)設(shè)計(jì)并建立了一套完善的調(diào)試方法，批量生產(chǎn)中可以根據(jù)該方法設(shè)計(jì)壓力傳感器溫度補(bǔ)償測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)該工作的自動化。

4、測試結(jié)果
　　
　　根據(jù)SIP的基本思想和上述封裝工藝，設(shè)計(jì)試制了一小批壓力傳感器樣品，如圖4所示。

圖4 基于SIP的壓力傳感器
　　圖5表示樣品1、2、3的輸出特性，通過對三個樣品的比較，我們可以看到三個壓力傳感器輸出信號隨壓力變化的趨勢基本一致。
　　樣品４加入了溫度補(bǔ)償電路，并做了初步的溫度補(bǔ)償調(diào)試。由圖6可以看出，經(jīng)過溫度補(bǔ)償后的壓力傳感器輸出電壓隨著壓力變化的斜率稍微有點(diǎn)下降，但是零點(diǎn)的輸出特性有了很好的改觀如圖7所示，達(dá)到了溫度補(bǔ)償?shù)哪康?。曲線顯示樣品溫度補(bǔ)償稍微偏大，使無溫度補(bǔ)償時隨溫度增大而上漂的特性變?yōu)榱寺晕⒇?fù)漂，但足以證明補(bǔ)償方法是完全可行的。

圖7 溫度補(bǔ)償后的零點(diǎn)電壓隨溫度變化曲線

５、結(jié)束語

　　本文以系統(tǒng)級封裝技術(shù)為基礎(chǔ)，提出了將擴(kuò)散硅壓力敏感芯片和相應(yīng)的驅(qū)動放大電路集成在一塊電路板上并直接放入金屬殼體形成一個完整的壓力傳感器的方案，并通過完成電路設(shè)計(jì)、封裝工藝設(shè)計(jì)、溫度補(bǔ)償電路調(diào)試等試制了小批樣品，經(jīng)測試完全滿足車用壓力傳感器的技術(shù)要求。

　　采用SIP技術(shù)的壓力傳感器與傳統(tǒng)的壓力傳感器封裝形式相比，將壓力敏感芯片和驅(qū)動放大電路合為一個整體，減少了一層外殼，因而傳感器的體積和成本大大降低。

　　進(jìn)一步可以設(shè)計(jì)將模數(shù)轉(zhuǎn)換和CPU一起集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)字輸出的傳感器，如果再集成無線發(fā)送芯片則可以實(shí)現(xiàn)無線壓力傳感網(wǎng)絡(luò)。