背压式高过载压力传感器芯片的设计及应用_李树成.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering115MEMS 硅压力传感器广泛应用于消费电子、工业、医疗和汽车等多领域压力的测量。在实际应用中，压力传感器的可靠性要求越来越高，如汽车领域的压力测量，压力传感器常会出现过载、压力冲击等恶劣工况，压力传感器的寿命设计要求达到 10 年。针对越来越严苛的应用工况，对传感器的要求越来越高。传统的硅压力传感器芯片使用正面受压的方式，封装方式一般使用胶水进行 die-bonding，然后进行 wire-bonding 和胶水保护。传统的硅正面受压封装结构，其正面的电路和键合连接线长期暴露于压力交变的介质中，传感器容易失效。使用正面受压封装方式，使用的die-bonding 胶水通常为硬度较低的硅胶。wire-bonding连接的邦定线通过胶水保护，但是需要和测量的介质长期接触，在压力交变的影响下，邦定线长期处于往复的动作状态，经过一定次数的压力交变后，邦定线由于压力疲劳导致断裂失效。传感器所用的保护胶水需要考虑是否和使用的介质兼容，针对一些具有侵入性介质，需要特殊材质的保护胶水，应用的范围有限。因此正面受压封装方式的介质一般为洁净的空气，应用的范围有限，而使用在严苛介质中必须要经过复杂的封装，其工艺复杂，成本高，竞争力低。目前国内研发的压力传感器，如表压式压力传感器，膜片的结构通常使用湿法刻蚀，膜片的只能承受 3 倍的过载压力，部分可以实现背压式封装，但是大多都使用胶水粘接的方式，其可靠性取决于胶水的本身特性以及粘接的工艺，长期在恶劣的环境使用，如高温交变或者有侵蚀性的介质，将会使胶水失效，因此现阶段背压应用的胶水封装方式可靠性不高。本文研制一种背压式高过载的压力传感器，该传感器使用背压式共晶结构，具有较好的介质兼容性，机械限位结构提高抗过载能力，能够显著的提高传感器可靠性。1 背压式高过载压力传感器芯片的结构设计设计的传感器芯片如图1所示，其中a 为窄梁区，b为宽梁区，c为梁宽，d为岛宽。中心宽梁区布置两背压式高过载压力传感器芯片的设计及应用李树成李海全阮炳权（广东和宇传感器有限公司 广东省江门市 529100）摘要：本文研制一种背压式高过载的压力传感器，该传感器使用背压式共晶结构，具有较好的介质兼容性，机械限位结构提高抗过载能力，能够显著的提高传感器可靠性。使用背压式测量压力的方式和共晶焊接结构提高了传感器的介质兼容能力。使用梁膜岛结构，提高传感器的线性度。试制了量程为 2.5MPa 的传感器芯片，并使用金锡共晶的方式实现封装，测试结果表明传感器芯片样品以及金锡共晶焊接封装结构的过载爆破压力可以达到 8倍基本量程。关键词：压力传感器；过载压力；金锡共晶(a)传感器俯视图(b)传感器剖视图图 1：传感器示意图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering116个力敏电阻，边缘两个窄梁区各布置一个力敏电阻。两个边梁区和中心宽梁区在应力的作用下变形，并且应力集中在两个边梁区和中心宽梁区。由于岛具有刚性，其起到了非线性补偿作用。当应力从正面作用时候，两个边梁区产生正应力，而中心宽梁产生负应力。在中心的宽梁区布置 R2，R3 两个力敏电阻，在两个边梁区布置力敏电阻 R1，R4，如图 2 所示的惠斯登电桥和梁膜区的应力变化曲线图1。1.1 背压式高过载压力传感器芯片电阻的设计根据设计芯片的量程，选取 SOI 晶圆表面单晶硅薄膜的厚度，表面单晶硅薄膜为 N 型硅，晶向为 100，电阻率为 0.81.2cm，硅片的厚度为 425um。使用离子注入技术，设计单个力敏电阻的阻值约为 5K。1.2 背压式高过载压力传感器芯片膜片的设计传感器的膜片采用梁岛膜结构，梁膜岛结构能够有效的提高传感器的线性度。梁膜岛结构膜片由 ICP 工艺加工，膜片在压力的作用下形变，起应力传递的作用；梁区为应力的集中点，力敏电阻布置在梁区，能够实现高灵敏度的应力测量；岛区为刚性体，和梁区组合使应力集中在梁区，实现应力的集中以提高灵敏度。梁岛膜结构使用干法工艺制作，梁岛膜区的光刻和力敏电阻的光刻均在单面完成，光刻精度高。背压腔体使用湿法刻蚀或者干法刻蚀制作，芯片使用 SOI 晶圆，BOX 氧化硅层对湿法刻蚀具有明显的自停止作用，能够有效的控制膜片的厚度并降低工艺的难度。传感器的灵敏度可以调整正面膜区 ICP 刻蚀的深度来进行匹配。1.3 背压式高过载压力传感器芯片盖板的设计盖板可实现绝压参考腔体和过载限位结构的功能。盖板使用多次光刻，薄膜溅射和深刻蚀加工而成，盖板的材质可以是高硼硅玻璃或者单晶硅。制作好盖板，可通过静电键合或者共晶的方式和传感器本体进行密封连接。传感器本体通过埋层引线的方式实现硅表面平坦化，再真空中静电键合或共晶键合2，可实现绝压参考腔的结构和过载限位结构。盖板中的凸台设计与传感器的弹性膜区的间距约 46um，保证传感器在 2 倍的量程压力下依然能够正常过载工作，在达到 3 倍的量程的压力后，膜区和盖板的凸台接触，实现膜片的过载限位。2 背压式高过载压力传感器芯片样品的制作采用设计的传感器芯片结构制作背压式高过载压力传感器芯片样品，制作工艺的主要步骤如下：（1）SOI 硅片在热氧化炉中以 900热氧化 30 分钟；（2）光刻浓硼层引线，光刻后离子注入，在浓硼埋层引线区中掺杂硼原子，使其形成导电层，同时保证晶圆表面平整；（3）光刻力敏电阻区，采用离子注入掺杂硼原子，形成 P 型导电层；（4）退火及再分布，调节电阻区的方阻，形成力敏电阻；（5）PECVD 淀积氮化硅；（6）光刻引线孔的氮化硅和氧化硅；（7）正面溅射铝；（8）光刻键合区的氮化硅；（9）正面，背面溅射铬镍金；（10）反刻铝焊盘和铝引线；（11）光刻背面的引压腔，刻蚀引压腔的金属层；（12）正面使用胶保护，背面腐蚀引压腔到氧化层终止；（13）盖板使用光刻、溅射铬镍金和 IBE、DRIE刻蚀；（14）盖板通过金锡共晶工艺和传感器本体键合。3 背压式高过载压力传感器芯片的应用使用制作出来的2.5MPa压力传感器芯片进行封装，封装的方式为背压式封装，使用金锡共晶焊接的方式。图 2：电桥组成和应力分布图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering117压力传感器芯片封装的有效性是直接影响压力传感器稳定性、综合精度指标的关键因数。压力传感器的稳定性，除了和传感器本身结构以及制作工艺的水平有关外，还和其封装技术工艺有密切的关系。压力传感器的封装方法，能够有效的避免封装的应力、安装的应力或者材料的应力对传感器的稳定性产生影响。封装的应力通常和封装的方法有关，在设计中需要考虑使用的封装材料和传感器具有相同的工作温度，相近的材料热膨胀系数，减少由于热交变或者蠕变产生的应力降低传感器的稳定性。对于安装应力的影响，主要考虑传感器封装后制作成压力变送器，所应用的环境的安装如扭矩，固定方式等，还能够设计有效的结构避免安装固定应力传递到压力传感器，有效的减少安装应力对传感器稳定性的影响。3.1 金锡共晶焊接的原理本试验使用金锡共晶的方式对传感器进行封装。其中使用的金锡焊料为 Au80Sn20 焊料，Au80Sn20 金锡合金焊料具有较好的热导率、强度高，润湿性好，抗氧化性能好，耐腐蚀性强，抗热疲劳和蠕变性能优良。它与高铅焊料熔点最相近，在金焊盘、和钯银焊盘上使用该钎料时还可避免吃金问题和焊盘脱落现象。该焊料与低熔点的无铅共晶焊料相比，具有更高的稳定性和可靠性。Au80Sn20 共晶焊料在封装焊接中无需助焊剂，避免了因使用助焊剂对半导体芯片形成的污染和腐蚀。Au80Sn20 焊料具有较低的熔点，它的共晶点在280，在此温度下，共晶反应为液相 L +,其结构具有（Au5Sn）镁型六角密排结构的（Au5Sn）相，和（AuSn）金属间化合物组成，相是一种金属间化学物，其熔点为 419.3，具有 NiAs 型六角结构。在焊接的过程中，金锡焊料与芯片的背金层产生原子扩散，形成具有 相与 相金属间化合物的共晶体。此过程就是共晶焊接的基本原理4。3.2 背压式高过载压力传感器芯片金锡焊接压力座的设计考虑背压式高过载压力传感器芯片的结构特点，本试验使用高温不锈钢材料加工压力座，高温不锈钢的热膨胀系数和硅的热膨胀系数接近，压力座设计有共晶面和焊接面，压力座设计有有应力隔离结构，能够避免压力座安装应力传递到压力传感器芯片上。压力座的共晶面要求加工的粗糙度较低，通过电镀的方式在共晶面镀金属镍和金。3.2 背压式高过载压力传感器芯片共晶焊接工装的设计设计的传感器封装结构为共晶焊接，需要设计工装进行定位进行焊接。本试验中使用共晶工装对压力座进行装配，要求共晶的工装必须能够耐高温且结构稳定且不容易变形。本试验中使用石墨导热材料制作，也可以使用如不锈钢等材料制作，石墨工装具有高温结构稳定，导热快等特点，工装能够在共晶的时候快速的吸热并传递到压力座上。通过使用共晶工装固定压力座，金锡材料，压力传感器，形成稳固的结构，能够在共晶炉里面完成有效的共晶焊接。3.3 背压式高过载压力传感器芯片共晶焊接空洞率的控制传感器芯片共晶的质量是影响传感器稳定性决定性因素。其中压力传感器共晶的空洞率是影响压力传感器密封可靠性的关键因素，控制传感器共晶焊接的空洞率，尤其是需要控制整个焊接面共晶的空洞不形成压力的泄露通道。通过调节压力传感器共晶焊接的工艺，如调节共晶炉共晶时候的共晶温度曲线、真空率，保护气体的压力等，可以有效的减少空洞率3。3.3.1 共晶焊接温度曲线的控制共晶焊接的温度曲线的控制，直接决定共晶焊接的质量。共晶焊接温度曲线的确定通常受多个因素的影响，第一考虑因素为所使用材料的共晶温度点，材料的回流的温度点。第二因素为工件的数量，工件的大小、吸热效率等，第三因素为共晶炉内气体含量对共晶温度的传图 3：共晶焊接温度曲线电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering118递的有效性。本试验中使用的共晶炉温曲线如图 3 所示。3.3.2 真空率和保护气体的控制通过调节真空度，能够有效的减少压力传感器芯片共晶时的氧气含量，利用反复调节真空度和充氮气的方法，去除真空共晶炉里面的氧气，减少氧气在高温条件下对共晶焊料的氧化作用，同时充氮气的操作能够有效的利用氮气作为热量的传递媒介，实现加热器和工件的有效热量传递和对焊料的保护。在共晶焊料的熔融回流状态，通过抽真空处理，能够有效的去除熔融焊料的气泡，实现减少共晶焊接空洞率的目的。4 测试结果和讨论使用 2.5 MPa 压力传感器芯片样品通过共晶焊接的方式进行封装，压力的加压方向为背压式：测试设备：可编程恒压 5V 电源，威卡压力控制器一台，60 MPa 活塞式压力计一台，高低温箱 1 台，福禄克 5 位半数字万用表；在 25下，传感器封装好后，使用威卡压力控制器给传感器组件分别施加 0 MPa，0.5 MPa，1.5 MPa，2 MPa，2.5 MPa 的压力，正向和反向各 3 个行程，计算传感器的灵敏度，非线性，重复性和迟滞；分别把传感器防止在-40和125中，测试传感器的0 MPa，2.5MPa压力下的输出电压，计算传感器的热零点漂移和热灵敏度漂移，结果如表 1 所示。表 1：压力传感器的测试结果参数测试结果单位备注灵敏度4.8mV/V/MPa25非线性0.15%FS25（最小二乘法）重复性0.09%FS25（Bessel 公式）迟滞0.08%FS25（Bessel 公式）零点热漂移-0.01%FS/灵敏度热漂移-0.13%FS/在常温的条件下，使用威卡压力控制器施加 0