李 瑜， 劉志遠(yuǎn)， 王曉光， 丁文波， 王明偉

(1.中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇 無錫 214063; 2.中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 引 言

高頻響耐高溫微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system，MEMS)壓力傳感器不僅用于飛機、坦克、艦船等發(fā)動機的壓力檢測，而且還可用于各種高溫的火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等耐熱腔體和表面的壓力檢測，是系統(tǒng)中的關(guān)鍵基礎(chǔ)元件，壓力傳感器內(nèi)部核心器件為感壓元件(芯體)。

含油封裝的感壓元件其封裝體內(nèi)部含有二甲基硅油，各個牌號硅油的工作溫度范圍在-55～320 ℃范圍之間。而含油封裝感壓元件內(nèi)的芯片電極一般為鋁電極，引線連接一般使用金絲鍵合，當(dāng)溫度達(dá)到200 ℃以上時金開始變得活躍，芯片鋁電極金絲鍵合處會發(fā)生金遷移，當(dāng)溫度超過300 ℃時金遷移的速度會大幅增加，導(dǎo)致在金絲鍵合處出現(xiàn)大量孔洞，最終產(chǎn)生感壓元件輸出電阻變大或電氣連接失效現(xiàn)象。所以含油封裝感壓元件很難應(yīng)用在300 ℃以上的高溫環(huán)境下。 導(dǎo)電燒結(jié)及絕緣燒結(jié)是制作高溫封裝MEMS感壓元件的關(guān)鍵技術(shù)，本文研究了應(yīng)用納米銀漿同B2O3·ZnO·PbO系玻璃粉進(jìn)行無引線芯片Cr/Pt/Au多層電極與管座可伐轉(zhuǎn)接端子的無引線封裝導(dǎo)電燒結(jié)技術(shù)。

耐高溫封裝感壓元件由于其特殊的芯片背面感壓方式，可以做到無油封裝，并且不需要引線鍵合實現(xiàn)電氣連接，故最高使用溫度可以達(dá)到350 ℃以上，現(xiàn)在國外耐高溫封裝MEMS壓力傳感器的最高工作高溫可以達(dá)到538 ℃[1]。

1 結(jié)構(gòu)分析

從圖1的仿真結(jié)果可以看出對于同樣尺寸的芯片敏感膜(量程相同)，含油封裝感壓元件的固有頻率(約為58 kHz)是高溫封裝感壓元件固有頻率(約為416 kHz)的1/7左右。

圖1 含油封裝與高溫封裝感壓元件仿真分析結(jié)果

高頻響耐高溫壓力傳感器[2]探頭部分的結(jié)構(gòu)見圖2(a)所示。其中最為核心的部件是耐高溫感壓元件，它是由耐高溫壓力芯片燒結(jié)在高溫管座上制成的，高溫封裝MEMS感壓元件示意圖見圖2(b)所示。

圖2 結(jié)構(gòu)示意

2 耐高溫MEMS感壓芯片、管座制備

選用絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)硅片按光刻版圖(見圖3)制備電阻條及其他圖形，采用蒸鍍?yōu)R射Cr/Pt/Au多層金屬制備高溫電極，通過濕法腐蝕工藝制作感壓芯片的敏感膜[3，4]。采用硼硅玻璃(具有4個通孔及1個方形淺槽)通過靜電鍵合與SOI硅片封接在一起[5～7]，玻璃上4個通孔將SOI片上的4個高溫電極裸露出來，方形淺槽正對芯片敏感膜用作敏感膜的形變空間。

圖3 感壓芯片光刻版圖

高溫管座采用瓷封合金管殼、氮化鋁陶瓷基座、可伐合金轉(zhuǎn)接端子制作。陶瓷基座外柱面及轉(zhuǎn)接端子過孔要做高溫金屬鍍層，采用高溫釬焊料將管殼、基座、轉(zhuǎn)接端子燒結(jié)成一個整體。

3 耐高溫封裝感壓元件制作

耐高溫感壓芯片及耐高溫管座制備完成后，必須通過絕緣燒結(jié)體及導(dǎo)電燒結(jié)體將二者連接在一起形成感壓元件才能應(yīng)用在高頻響耐高溫傳感器中。絕緣燒結(jié)體是通過玻璃粉高溫?zé)Y(jié)實現(xiàn)，導(dǎo)電燒結(jié)體是銀粉玻璃粉高溫?zé)Y(jié)實現(xiàn)。按表1內(nèi)的材料成分、燒結(jié)溫度等參數(shù)進(jìn)行感壓元件制作，驗證燒結(jié)體熱膨系數(shù)(coefficient of thermal expansion,CTE)值、燒結(jié)可靠性等指標(biāo)對感壓元件輸出的影響。

表1 高溫封裝MEMS感壓元件制作

4 導(dǎo)電燒結(jié)體CTE值對感壓元件應(yīng)力影響

圖4為分析3組不同CTE值導(dǎo)電燒結(jié)體，分別是純納米銀漿(CTE=19×10-6℃)、納米銀漿+少量玻璃粉(CTE=13×10-6℃)、納米銀漿+適量玻璃粉(CTE=9×10-6℃)。

圖4(g)是芯片與管座之間只有絕緣燒結(jié)體的感壓元件殘余熱應(yīng)力分布，圖4(a)～(f)是芯片與管座之間既有絕緣燒結(jié)體又有導(dǎo)電燒結(jié)體的感壓元件殘余熱應(yīng)力分布。從仿真結(jié)果可以得出：導(dǎo)電燒結(jié)體的CTE值都會使得感壓元件上的芯片敏感膜殘余熱應(yīng)力增大；導(dǎo)電燒結(jié)體的CTE值越小引入到芯片敏感膜上的殘余熱應(yīng)力越小，芯片高溫電極處的殘余熱應(yīng)力也越小。

圖4 不同CTE值導(dǎo)電燒結(jié)體分析

5 實驗測試

5.1 高溫封裝感壓元件測試

對制作出來的感壓元件(如圖5(a)所示)進(jìn)行室溫下的壓力測試及長時間高溫性能考核試驗。常溫壓力測試曲線見圖5(b)所示，長時高溫測試數(shù)據(jù)及常壓輸出曲線如圖5(c)所示。通過圖5(b)可以看出絕緣燒結(jié)體引入的應(yīng)力不會明顯改變芯片輸出曲線的線性及斜率。通過圖5(c)可以看出，具有絕緣燒結(jié)體和沒有絕緣燒結(jié)體的感壓元件其高溫下的常壓輸出變化趨勢是不一致的，這也反映出絕緣燒結(jié)體會對芯片敏感膜引入較大的應(yīng)力。沒有絕緣燒結(jié)體的感壓元件其高溫下輸出波動較大，尤其在第一個高溫后再次進(jìn)入下個高溫時，因為沒有絕緣燒結(jié)體的保護空氣中的氧會進(jìn)入導(dǎo)體燒結(jié)燒結(jié)體與芯片高溫電極上造成局部氧化影響輸出穩(wěn)定性。

圖5 感壓元件測試結(jié)果

5.2 高頻響耐高溫壓力傳感器測試

所有感壓元件經(jīng)過5個循環(huán)的-55,350 ℃沖擊后，在進(jìn)行高溫常壓輸出測試時1—3,1—4,1—5,1—6產(chǎn)品輸出異常。原因分析：1—5,1—6失效是因為納米銀漿燒結(jié)后形成的導(dǎo)電燒結(jié)體熱脹系數(shù)與芯片不一致，導(dǎo)致冷熱沖擊后導(dǎo)電燒結(jié)體與芯片及轉(zhuǎn)接端子界面出現(xiàn)分層，可靠電氣連接被破壞，空氣中的氧會進(jìn)一步氧化分層界面。1—3,1—4失效是因為冷熱沖擊造成導(dǎo)電燒結(jié)體與芯片電極分層。

按圖2(a)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造高頻響耐高溫壓力傳感器的接口及外殼，并將經(jīng)過測試后的1—1,1—2感壓元件焊接在接口上，制作出來的傳感器如圖6所示。

圖6 高頻響高溫壓力傳感器(實物)

對產(chǎn)品進(jìn)行常溫、-55 ℃低溫、350 ℃高溫的3循環(huán)壓力性能標(biāo)定。從圖7可以看出傳感器在各高低溫下都能正常工作并且非線性、重復(fù)性、精度等指標(biāo)都能滿足使用要求；并且非線性、重復(fù)性、精度指標(biāo)會跟隨溫度升高而改善，因為傳感器的感壓元件是在550 ℃下燒結(jié)制成的，所以越接近550 ℃溫度芯片敏感膜上的殘余應(yīng)力越小。

圖7 不同溫度下1—1的輸出(5VDC供電)

6 結(jié) 論

通過研究驗證，確定了納米銀漿同B2O3·ZnO·PbO系玻璃粉進(jìn)行無引線芯片Cr/Pt/Au多層電極與管座可伐轉(zhuǎn)接端子的無引線封裝導(dǎo)電燒結(jié)的技術(shù)可行性。通過該技術(shù)，感壓元件可以工作在-55～350 ℃的溫度環(huán)境下，并且350 ℃高溫下傳感器的非線性可以達(dá)到±0.1 %FS以內(nèi)、準(zhǔn)確度±0.15 %FS以內(nèi)，-55 ℃低溫下傳感器非線性可以達(dá)到±0.2 %FS以內(nèi)、準(zhǔn)確度±0.5 %FS以內(nèi)。