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1、引言 經(jīng)過(guò)幾十年的研究與開(kāi)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(chǎng)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(wèn)題，其中封裝是制約MEMS走向產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)重要原因之一。 為了適應(yīng)MEMS技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)發(fā)了許多新的MEMS封裝技術(shù)和工藝，如陽(yáng)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。現(xiàn)在人們通常將MEMS封裝分為以下幾個(gè)層次：即裸片級(jí)封裝（Die Level）、器件級(jí)封裝（Device Level）、硅圓片級(jí)封裝（Wafer Lever Packaging）、單芯片封裝（Single Chip Packaging）和系統(tǒng)級(jí)封裝（System in Packaging）。 系統(tǒng)級(jí)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(duì)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(duì)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(jí)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(dòng)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(mén)設(shè)計(jì)的MEMS系統(tǒng)級(jí)封裝工藝將其封裝在一個(gè)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。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(jí)封裝的壓力傳感器等。 利用壓阻效應(yīng)原理，采用集成工藝技術(shù)經(jīng)過(guò)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(gè)集力敏與力電轉(zhuǎn)換檢測(cè)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(cè)量或者說(shuō)從壓力到電信號(hào)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(lái)，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nc.qoos.www，抗振動(dòng)，抗沖擊；2）避免熱應(yīng)力對(duì)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(guò)非氣密隔離方式隔離水氣。6）低的價(jià)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(jí)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(gè)系統(tǒng)級(jí)封裝的壓力傳感器。系統(tǒng)級(jí)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(dòng)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(gè)金屬外殼中形成一個(gè)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(jí)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(jí)封裝 由于有兩層殼體，造成壓力傳感器體積大SooQ.com.cn，成本也不易降低，同時(shí)由于將敏感頭和電路板放入外殼的過(guò)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(shí)，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(shí)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(chǎng)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(shí)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(jí)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搜企網(wǎng)版權(quán)所有，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，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(dòng)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。基于SIP技術(shù)的系統(tǒng)級(jí)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(lì)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)行焊接漢陽(yáng)科技版權(quán)所有, 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(duì)隔離測(cè)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(mén)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(duì)隔離測(cè)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(gè)部分（參見(jiàn)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ZAOCHE168.com版權(quán)所有，為減少硅油灌充量，在此空間安放了陶瓷環(huán)片5，同時(shí)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(lì)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(wú)法使用。 硅壓阻壓力傳感器本身有一個(gè)固有的特性，就是溫度系數(shù)較大；因此需要對(duì)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(guò)測(cè)試及計(jì)算其高低溫特性moc.861ehcoaz.www，確定網(wǎng)絡(luò)阻值，以達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹? 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(gè)目標(biāo)，為此，在附加電阻網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過(guò)多個(gè)熱敏電阻分別對(duì)應(yīng)變電橋、恒流激勵(lì)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(duì)該問(wèn)題通過(guò)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(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)該工作的自動(dòng)化。 4、測(cè)試結(jié)果 根據(jù)SIP的基本思想和上述封裝工藝moc.861ehcoaz.www，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(guò)對(duì)三個(gè)樣品的比較，我們可以看到三個(gè)壓力傳感器輸出信號(hào)隨壓力變化的趨勢(shì)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(guò)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)哪康摹Ｇ�顯示樣品溫度補(bǔ)償稍微偏大，使無(wú)溫度補(bǔ)償時(shí)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5 壓力傳感器輸出特性 圖6 無(wú)溫補(bǔ)和有溫補(bǔ)的輸出特性比較 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(yǔ) 本文以系統(tǒng)級(jí)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(dòng)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(gè)完整的壓力傳感器的方案，并通過(guò)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MMSonline.com.cn，經(jīng)測(cè)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(dòng)放大電路合為一個(gè)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(wú)線發(fā)送芯片則可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線壓力傳感網(wǎng)絡(luò)。 |
