龐雅文， 張叢春， 雷 鵬 , 黃漫國, 梁曉波

(1.上海交通大學(xué) 微米/納米加工技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240;2.航空工業(yè)北京長城航空測(cè)控技術(shù)研究所，北京 101111)

電阻溫度傳感器是利用敏感材料的電阻值隨溫度單值變化制得的測(cè)溫元件。其中，鉑電阻具有靈敏度高、精度高、線性度好、測(cè)量溫區(qū)大、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于溫度測(cè)控領(lǐng)域。鉑是貴金屬，早期的線繞型鉑電阻成本高，應(yīng)用受限。隨著薄膜技術(shù)的發(fā)展，鉑薄膜電阻在保留線繞型鉑電阻優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上極大地降低了成本，該電阻體積小、響應(yīng)速度快、一致性好、使用方便靈活，市場(chǎng)需求旺盛。鉑機(jī)械性能差，鉑薄膜電阻在生產(chǎn)應(yīng)用過程中很容易發(fā)生機(jī)械損傷，且實(shí)際應(yīng)用時(shí)電阻薄膜直接暴露于高溫環(huán)境下存在熱揮發(fā)和薄膜團(tuán)聚等問題，影響電阻性能[1-2]，因此對(duì)薄膜電阻進(jìn)行封裝保護(hù)非常有必要。鉑薄膜電阻技術(shù)由國外少數(shù)幾家公司壟斷，有著嚴(yán)格保密措施。我國鉑薄膜電阻幾乎全靠進(jìn)口且供不應(yīng)求，因此自主進(jìn)行鉑薄膜電阻溫度傳感器封裝研究，對(duì)器件性能提升和鉑薄膜電阻國產(chǎn)化，以及我國傳感器技術(shù)水平提升均具有重要意義。

薄膜電阻封裝材料有塑料、金屬和陶瓷。商用碳膜電阻封裝材料為聚合樹脂或絕緣漆，封裝工藝簡單、價(jià)格低廉，材料絕緣性好，但密封性差，不耐高溫。金屬封裝材料有Al、Cu、Kovar合金等，材料熱傳導(dǎo)率高、機(jī)械強(qiáng)度高，但是金屬材料與Al2O3陶瓷襯底性能不匹配，導(dǎo)致封裝工藝復(fù)雜、可靠性低、性能較差[3]。Al2O3與陶瓷襯底性能匹配，是理想的封裝材料[4]，但是Al2O3脆性大，高溫環(huán)境下容易蠕變產(chǎn)生微裂紋從而失去保護(hù)作用[5]。Zhao等[6]以Al2O3/ZrBN-SiC/Al2O3復(fù)合薄膜封裝薄膜熱電偶(Thin-Film Thermocouple,TFTC)。1000 ℃保溫6 h后封裝材料內(nèi)部生成Al2SiO5晶體，相比于Al2O3，Al2SiO5具有更高的抗蠕變性和抗氧化性，Al2O3/ZrBN-SiC/Al2O3復(fù)合薄膜封裝的TFTC在20～1000 ℃熱循環(huán)測(cè)試中展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和可靠性。Sch?ssler采用氧化硅(SiOx)膜對(duì)鉑薄膜電阻進(jìn)行封裝，封裝后電阻在250 ℃保溫480 h后電阻變化率為-1000 ppm，表現(xiàn)出優(yōu)秀的穩(wěn)定性，但是Sch?ssler沒有研究電阻高溫性能，電阻溫度系數(shù)(Temperature Coefficient of Resistance,TCR)也較低，為2810 ppm/℃[7-8]。以上封裝保護(hù)層均為薄膜，商用鉑電阻多采用厚膜形式封裝以提升器件壽命和長期穩(wěn)定性。王守緒等[9]用玻璃釉料成功封裝鉑薄膜電阻，封裝層厚40～80 μm，由于采用低溫釉料，電阻應(yīng)用溫度被限制在500 ℃以下。調(diào)整玻璃組分可制備高溫玻璃釉料，但是高溫玻璃釉料燒結(jié)溫度高，燒結(jié)溫區(qū)大，釉料熱膨脹系數(shù)(Coefficient of Thermal Expansion,CTE)變化大，玻璃釉料與鉑薄膜CTE失配嚴(yán)重，燒結(jié)過程中釉料變形嚴(yán)重，導(dǎo)致鉑薄膜電阻斷路。高溫釉料封裝的另一個(gè)問題是高溫環(huán)境下玻璃釉料在測(cè)試電流通過時(shí)容易發(fā)生化學(xué)分解，影響鉑電阻性能[10]。上述問題可通過在玻璃釉料與鉑薄膜之間引入中間層來解決，中間層可以是PTF材料、玻璃、玻璃-陶瓷雙層結(jié)構(gòu)或雙層陶瓷。褚家寶等[11]以Al2O3作為中間層，采用釉料/氧化鋁雙層結(jié)構(gòu)封裝鉑薄膜電阻，電阻在0～1000 ℃時(shí)具有良好的線性。K·韋南德等[12]提出一種多層封裝結(jié)構(gòu)，封裝材料為硅硼玻璃或鈦酸鎂，電阻在500 ℃以上具有良好的穩(wěn)定性。上述多層封裝研究均只展示了封裝結(jié)構(gòu)，并未介紹封裝層具體成分和工藝參數(shù)，未研究封裝對(duì)電阻性能的影響。

本文旨在對(duì)鉑薄膜電阻溫度傳感器進(jìn)行封裝，提升電阻綜合性能。采用玻璃釉料/高溫陶瓷膠/氧化鋁三層復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)鉑薄膜電阻溫度傳感器進(jìn)行封裝，設(shè)計(jì)封裝結(jié)構(gòu)，選擇封裝材料，根據(jù)加和性系數(shù)計(jì)算公式設(shè)計(jì)玻璃配方，制備玻璃釉料，優(yōu)化工藝參數(shù)，調(diào)整封裝流程，完成鉑薄膜電阻封裝。分析封裝層結(jié)構(gòu)形貌，測(cè)量封裝前后電阻TCR、響應(yīng)時(shí)間和高溫穩(wěn)定性，分析封裝對(duì)電阻的影響。實(shí)驗(yàn)表明，封裝顯著提升了電阻TCR和高溫穩(wěn)定性。

1 鉑薄膜電阻封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉑薄膜電阻如圖1所示，包括Al2O3陶瓷襯底，氧化鉑薄膜過渡層和鉑薄膜，電阻薄膜厚度為680 nm，電阻工作溫度范圍為-150～850 ℃。

圖1 鉑薄膜電阻

1.1 重要參數(shù)

為保證封裝結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，各層封裝材料之間、封裝材料與電阻之間CTE需匹配，封裝材料需具有良好的溫度穩(wěn)定性。

(1) CTE。

CTE是度量物體受熱膨脹的物理量，定義為溫度每變化 1 ℃被測(cè)物長度或體積的相對(duì)變化量，即線膨脹系數(shù)α或體膨脹系數(shù)β。工程實(shí)驗(yàn)中通常采用線膨脹系數(shù)α：

(1)

式中,L為材料長度；T為材料溫度。

封裝結(jié)構(gòu)需滿足上層材料 CTE 比下層材料小，以保證上層材料在降溫過程中受壓應(yīng)力，避免材料開裂和脫落，建議兩層材料CTE相差應(yīng)在10%內(nèi)[11]。

高溫領(lǐng)域的封裝材料一般為玻璃釉料。玻璃CTE由各氧化物共同決定，可采用CTE加和性計(jì)算公式估算[13]：

(2)

式中,m，n分別為各氧化物加和性系數(shù)，可通過查表得到；pi為各氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

(2) 熔融溫度。

封裝材料應(yīng)在電阻工作溫度范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，熔點(diǎn)高于電阻工作溫度上限。玻璃沒有固定熔點(diǎn)，隨著溫度升高玻璃逐漸軟化，黏度降低。生產(chǎn)實(shí)踐中一般將黏度為102dPa·s對(duì)應(yīng)溫度作為玻璃熔融溫度。

玻璃熔融溫度根據(jù)俞氏加和性系數(shù)法估算[13]，計(jì)算公式如下：

TR=1400+∑CnPn

(3)

式中，TR為玻璃熔融溫度;Cn為各組分系數(shù)，可通過查表得到；Pn為各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.2 封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高溫器件封裝材料為玻璃釉料。由于玻璃釉料熔融燒結(jié)時(shí)形變嚴(yán)重，形變產(chǎn)生的應(yīng)力容易導(dǎo)致鉑薄膜斷路，因此玻璃釉料與鉑薄膜不能直接接觸，需在兩者中插入中間層。Al2O3性能穩(wěn)定、熔點(diǎn)高(2054 ℃)，絕緣性好，CTE(7.3 ppm/℃)與鉑電阻匹配，因此選用Al2O3作為中間層。但是Al2O3脆性大，高溫下容易蠕變產(chǎn)生微裂紋，釉料通過微裂紋與鉑薄膜接觸，影響電阻性能。因此在Al2O3與玻璃釉料之間插入結(jié)構(gòu)致密的隔離層，實(shí)驗(yàn)選用高溫陶瓷膠，該材料高溫(<1500 ℃)穩(wěn)定性好、機(jī)械性能優(yōu)良，CTE(6.2 ppm/℃)小于Al2O3(7.3 ppm/℃)滿足設(shè)計(jì)要求。Al2O3和高溫陶瓷膠封裝層均只覆蓋電阻絲，漏出電阻引腳，方便測(cè)量電阻值。封裝釉料時(shí)，釉料燒結(jié)溫度很高，若電阻引腳直接暴露于高溫環(huán)境下引腳薄膜熱損耗非常嚴(yán)重，因此封裝釉料前先焊引線，以鉑漿料保護(hù)引腳。玻璃釉料則最后施加，包覆整個(gè)電阻。

鉑薄膜電阻溫度傳感器封裝結(jié)構(gòu)包括玻璃釉料、高溫陶瓷膠和氧化鋁三層，如圖2所示。根據(jù)CTE匹配原則，玻璃釉料CTE為5.6～6.2 ppm/℃，實(shí)驗(yàn)自行設(shè)計(jì)和制備玻璃釉料。各層材料CTE如表1所示。

圖2 電阻封裝結(jié)構(gòu)示意圖

表1 各層材料CTE參數(shù)

2 玻璃釉料成分設(shè)計(jì)與制備

2.1 玻璃釉料成分設(shè)計(jì)

釉料按制備方法分為生料釉和熔塊釉。生料釉是將各氧化物直接混合，加載體(如水)調(diào)制而成。熔塊釉是先將原料混合燒結(jié)熔融成塊，再粉碎制成粉末，加水配制而成。相比于生料釉，熔塊釉各組分已熔融混合均勻，因此玻璃成分均一、穩(wěn)定性好，不會(huì)出現(xiàn)成分偏析。且由于原料已預(yù)熔成玻璃，釉料封裝時(shí)燒結(jié)溫度低，可降低薄膜電阻熱損耗[14]。實(shí)驗(yàn)采用熔塊釉封裝電阻。施釉方式選用操作簡便、厚度可控的絲網(wǎng)印刷法。該方法要求釉料有一定的黏度，為不引入雜質(zhì)，選用有機(jī)載體作為玻璃粉末的溶劑。

玻璃釉料由玻璃粉末與有機(jī)載體組成?，F(xiàn)分別對(duì)其進(jìn)行成分設(shè)計(jì)。

(1) 玻璃成分設(shè)計(jì)。

玻璃由多種氧化物組成，如SiO2、Al2O3、CaO等，玻璃成分通常指玻璃各氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。每種氧化物對(duì)玻璃多種性能均有影響，玻璃性能由各組分共同決定。玻璃目標(biāo)性能為：CTE為5.6～6.2 ppm/℃，熔融溫度大于850 ℃，具有良好的機(jī)械性能、絕緣強(qiáng)度、合適的高溫黏度，此外玻璃成分與生產(chǎn)工藝應(yīng)節(jié)能環(huán)保，符合標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)要求。

玻璃成分設(shè)計(jì)步驟為：選定玻璃體系；確定玻璃組分；選擇玻璃添加劑，完善玻璃配方。

玻璃體系有磷酸鹽玻璃、硫系玻璃、鹵化物玻璃、硅酸鹽玻璃等[15]。其中，磷酸鹽玻璃性能穩(wěn)定，常用作化學(xué)、醫(yī)療儀器；硫系玻璃常用作半導(dǎo)體材料；鹵化物玻璃具有獨(dú)特的光學(xué)性能，常用作光學(xué)材料；硅酸鹽主成分為SiO2，是最常見的玻璃，其性能優(yōu)良，性質(zhì)穩(wěn)定，應(yīng)用廣泛。本文選擇硅酸鹽玻璃中的 CaO-Al2O3-SiO2系玻璃。

玻璃成分應(yīng)多元化且靠近相圖共熔點(diǎn)或相界線，這樣玻璃由于存在多種可能的析晶傾向，相互干擾反而可抑制玻璃析晶，降低燒結(jié)溫度[16]。生產(chǎn)過程中，為保證玻璃熔制、淬火等工藝順利進(jìn)行，玻璃應(yīng)具有合適的黏度。玻璃黏度通過助熔劑來調(diào)節(jié)，助熔劑選用BaO、MgO、Na2O等堿金屬氧化物。根據(jù)玻璃組分，由玻璃CTE和熔融溫度加和性系數(shù)計(jì)算公式計(jì)算玻璃配方。

實(shí)際制備過程中，為降低玻璃黏度，促進(jìn)玻璃內(nèi)部氣體排出，增加玻璃致密性和表面平整度，玻璃配方中需添加澄清劑。常用澄清劑有As2O3、Sb2O3、氟化物、CeO2、鹵素化合物等，由于前3種價(jià)格昂貴且有毒有害，故實(shí)驗(yàn)選用CeO2和NaCl。

綜上所述，玻璃包括主成分SiO2、Al2O3、CaO，助熔劑 BaO、MgO、Na2O等，澄清劑為CeO2和NaCl。

(2) 有機(jī)載體成分設(shè)計(jì)。

有機(jī)載體包含有機(jī)溶劑和添加劑兩部分。有機(jī)溶劑為主要成分，用于分散和承載玻璃粉末。選取有機(jī)溶劑時(shí)主要考慮沸點(diǎn)和揮發(fā)性。沸點(diǎn)不能太低，否則玻璃釉料很容易由于有機(jī)載體揮發(fā)而變得黏稠，不易印刷。沸點(diǎn)也不能太高，否則玻璃釉料不易干燥，影響印刷圖案精度。通常選取多種不同沸點(diǎn)的有機(jī)溶劑混合配制有機(jī)載體，如松油醇(沸點(diǎn) 209 ℃)、丁基卡必醇(沸點(diǎn) 230 ℃)、檸檬酸三丁酯(沸點(diǎn) 343 ℃)，避免有機(jī)溶劑同時(shí)揮發(fā)影響釉料平整度。添加劑用于改善釉料性能，如增稠劑、觸變劑、表面活性劑等。增稠劑能夠提高釉料均勻性和穩(wěn)定性，避免釉料分層。觸變劑用于改善釉料黏度，提高可印刷性。表面活性劑用于改善釉料中分子間作用力，防止粉體聚集、結(jié)塊、沉積，提升釉料穩(wěn)定性。參考相關(guān)研究[17]確定有機(jī)載體配方如表2所示。

表2 有機(jī)載體配方

2.2 制備玻璃釉料

玻璃釉料制備方法為分別制備玻璃粉末和有機(jī)載體，將兩者按一定配比混合均勻。制備流程如圖3所示。

圖3 玻璃釉料制備流程

玻璃原料有礦物原料和化工原料，其中礦物原料成分復(fù)雜，能顯著降低玻璃燒結(jié)溫度?；ぴ铣煞謫我唬?jì)算方便，實(shí)驗(yàn)礦物原料和化工原料混合使用。按配方和原料純度計(jì)算用量，稱取原料，球磨混合均勻后烘干。將原料粉末放入剛玉坩堝，置于淬火爐中熔融煅燒，待玻璃熔化后快速取出，將玻璃液倒入冷水中淬火，得到玻璃塊。將玻璃塊粉碎制成直徑為80 μm的粉末。

根據(jù)有機(jī)載體配方按比例稱取各原料，將3種有機(jī)溶劑倒入燒杯中，90 ℃水浴加熱并攪拌均勻，再依次加入增稠劑、觸變劑和表面活性劑，水浴加熱攪拌至原料完全溶解。

將玻璃粉末和有機(jī)載體按一定比例混合均勻制成玻璃釉料。

2.3 玻璃粉末與有機(jī)載體配比優(yōu)化

用于絲網(wǎng)印刷的釉料需具有合適的黏度，保證釉料轉(zhuǎn)移到電阻表面時(shí)能夠快速流平，消除絲網(wǎng)痕跡，同時(shí)保證圖案精度。玻璃粉末與有機(jī)載體的配比影響釉料黏度，圖4為相同印刷條件下，玻璃粉與有機(jī)載體質(zhì)量比對(duì)印刷效果的影響，設(shè)計(jì)比例為1.8∶1和1.5∶1。玻璃粉末∶有機(jī)載體=1.8∶1 制備的釉料黏度較大，絲網(wǎng)印刷釉料烘干后釉料表面有明顯網(wǎng)痕，絲網(wǎng)印刷最開始的地方，即圖4(a)電阻左側(cè)，釉料較厚。降低玻璃粉與有機(jī)載體比例至 1.5∶1，釉料黏度適中，印刷后釉料流平，烘干后釉料表面平整，如圖 4(b)所示。繼續(xù)降低玻璃粉與有機(jī)載體比例，發(fā)現(xiàn)釉料黏度較小，流動(dòng)性大，印刷后釉料沿印刷方向洇出，影響印刷精度。此外釉料中玻璃粉末含量低，為達(dá)到相同厚度，需多次印刷，增加工藝復(fù)雜性。因此本實(shí)驗(yàn)中玻璃粉與有機(jī)載體比例選擇 1.5∶1。

圖4 玻璃粉與有機(jī)載體配比對(duì)印刷效果的影響

3 玻璃釉料燒結(jié)曲線設(shè)計(jì)

3.1 玻璃釉料燒結(jié)溫度

燒結(jié)是釉料封裝過程中非常重要的一項(xiàng)工藝，燒結(jié)過程中，隨著溫度升高，釉料經(jīng)歷有機(jī)載體揮發(fā)、玻璃軟化、熔化、澄清的過程，冷卻后玻璃粉末形成穩(wěn)定、致密的結(jié)構(gòu)。合適的燒結(jié)程序可以促進(jìn)玻璃致密化和平整化，減小缺陷。

對(duì)玻璃粉末進(jìn)行熱分析，測(cè)試結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯Ａв粤显?0～1300 ℃整個(gè)過程中有1.13%的質(zhì)量損失。DSC曲線在40 ℃出現(xiàn)明顯吸熱峰，質(zhì)量曲線在此處有明顯變化，對(duì)應(yīng)玻璃中結(jié)合水、吸附水、自由水或吸附雜質(zhì)的揮發(fā)。隨著溫度增加，DSC曲線趨于平緩。從695 ℃開始DSC曲線向吸熱方向移動(dòng)，表明玻璃開始玻璃化轉(zhuǎn)變，由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，玻璃逐漸軟化，表面張力增加。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度范圍為 695～735 ℃。曲線在873 ℃出現(xiàn)吸熱峰，對(duì)應(yīng)玻璃軟化溫度，此時(shí)玻璃黏度明顯降低。976 ℃處出現(xiàn)放熱峰，此為玻璃晶化溫度，玻璃在此溫度點(diǎn)析晶概率最大。1144 ℃處出現(xiàn)吸熱峰，此為玻璃熔化溫度，玻璃熔化后變得澄清透明。

圖5 玻璃粉末熱重曲線

為驗(yàn)證玻璃各變化溫度點(diǎn)，取少量玻璃粉末放入馬弗爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度分別為480 ℃、800 ℃、1000 ℃、1150 ℃、1200 ℃，保溫30 min。燒結(jié)后玻璃形貌如圖6所示?？梢钥吹?，480 ℃燒結(jié)的玻璃粉末未熔融連接成塊，可以直接刮下；800 ℃燒結(jié)的玻璃粉末已逐漸軟化形成黏滯流體，顆粒粉末相互連接形成塊體，玻璃與陶瓷基底有較強(qiáng)的附著性，但釉料表面仍有明顯顆粒，說明800 ℃溫度下玻璃粉末還未完全軟化；1000 ℃燒結(jié)后玻璃粉已完全軟化，但玻璃表面存在少量凹凸缺陷；1150 ℃燒結(jié)的玻璃呈半透明狀，燒結(jié)時(shí)玻璃黏度降低，玻璃液流平，玻璃表面平滑，釉面性能提高；1200 ℃燒結(jié)后玻璃表面光滑，結(jié)構(gòu)致密，玻璃完全透明澄清。

圖6 不同溫度燒結(jié)的玻璃形貌

為降低薄膜熱揮發(fā)和團(tuán)聚，鉑薄膜熱處理溫度通常不超過1000 ℃，因此釉料燒結(jié)溫度不能太高。同樣釉料燒結(jié)溫度也不能太低，否則玻璃粉末不能完全軟化，釉面平整度差。本實(shí)驗(yàn)分別在1100 ℃和1000 ℃溫度下保溫30 min燒結(jié)釉料完成封裝。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1100 ℃燒結(jié)后電阻斷路，斷路部位如圖7所示。電阻薄膜斷開的原因可能是釉料透過高溫陶瓷膠缺陷和Al2O3裂紋與鉑薄膜接觸，燒結(jié)溫度高導(dǎo)致釉料形變嚴(yán)重，熱應(yīng)力作用于鉑薄膜造成電阻斷路?？赏ㄟ^提高高溫陶瓷膠層致密性，同時(shí)在保證釉料軟化的基礎(chǔ)上盡量降低燒結(jié)溫度來解決。1000 ℃燒結(jié)釉料封裝的電阻完好，釉料表面平整度較好。

圖7 1100 ℃燒結(jié)釉料封裝后電阻斷路

3.2 燒結(jié)曲線

釉料燒結(jié)過程是有機(jī)載體揮發(fā)和玻璃釉軟化、流平的過程。有機(jī)載體揮發(fā)處于低溫區(qū)，如升溫速率太快，有機(jī)載體于同一時(shí)間段內(nèi)集體揮發(fā)，容易造成揮發(fā)不完全，釉料內(nèi)部存在大量氣泡，影響釉料平整性[17]。從節(jié)能環(huán)保角度考慮，燒結(jié)速率也不能過慢。因此燒結(jié)第1階段為20～500 ℃，升溫速率為2 ℃/min，目的是排除有機(jī)載體。隨著溫度繼續(xù)升高，釉料經(jīng)歷玻璃化轉(zhuǎn)變、軟化過程，升溫速率可適當(dāng)提高，因此第2階段為500～900 ℃，升溫速率為5 ℃/min。高溫熔化時(shí)，玻璃黏度降低，有助于排除氣體，因此第3階段為900～1000 ℃，升溫速率為2 ℃/min。玻璃在1000 ℃需保溫一段時(shí)間，促進(jìn)玻璃流平，但保溫時(shí)間不能太長，否則物料揮發(fā)影響玻璃配方。第4階段為1000 ℃保溫30 min。釉料燒結(jié)曲線如圖8所示。

圖8 釉料燒結(jié)曲線

4 鉑薄膜電阻表征

4.1 鉑薄膜電阻封裝

電阻封裝流程如下：采用硬掩膜覆蓋電阻絲，露出引腳；采用雙離子束沉積系統(tǒng)在鉑薄膜電阻表面制備1.5～2.5 μm厚的氧化鋁薄膜，將薄膜電阻于800 ℃下退火2 h；接著采用絲網(wǎng)印刷法在電阻表面印刷高溫陶瓷膠并固化，高溫陶瓷膠厚度為60 μm；然后采用高溫?zé)Y(jié)導(dǎo)電鉑漿的方法連接電阻引腳和鉑絲，實(shí)現(xiàn)電氣連接；最后采用絲網(wǎng)印刷法涂覆玻璃釉料，覆蓋整個(gè)電阻表面，燒結(jié)釉料，完成封裝。玻璃釉料厚度約為100～200 μm。

4.2 鉑薄膜電阻表征

(1) 電阻形貌。

使用超景深顯微系統(tǒng)、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察電阻形貌。

(2) 電阻值。

數(shù)字萬用表測(cè)量電阻值。

(3) TCR。

TCR定義為溫度每變化1 ℃電阻值的相對(duì)變化量，它是衡量電阻溫度傳感器性能的重要指標(biāo)。測(cè)量溫度較低時(shí)，TCR計(jì)算公式為

(4)

式中,ΔR/ΔT為電阻-溫度曲線(R-T曲線)斜率；RT1為20 ℃時(shí)的電阻值。R-T曲線由控溫油槽和萬用表測(cè)得，測(cè)試溫度范圍為20～150 ℃。

(4) 響應(yīng)時(shí)間。

響應(yīng)時(shí)間是當(dāng)溫度出現(xiàn)階躍變化時(shí)，鉑薄膜電阻值變化相當(dāng)于整個(gè)變化過程中的某個(gè)百分?jǐn)?shù)所需的時(shí)間，一般以整個(gè)變化過程的50%所需的時(shí)間來表示，記為t0.5，也可以采用10%和90%所需的時(shí)間，即t0.1和t0.9[18]。響應(yīng)時(shí)間用于衡量鉑薄膜電阻對(duì)溫度變化的敏感度。測(cè)試方法為將電阻從室溫環(huán)境(20 ℃)迅速放入100 ℃水中，并等待電阻值穩(wěn)定，記錄整個(gè)過程電阻值隨時(shí)間的變化，每個(gè)樣品測(cè)5次，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值。為排除人為操作在電阻投入熱水時(shí)造成的時(shí)間延遲，更精確地表征電阻的響應(yīng)時(shí)間，以t0.9與t0.1之差Δt表征電阻響應(yīng)時(shí)間。

(5) 穩(wěn)定性。

溫度循環(huán)測(cè)試指鉑薄膜電阻按一定規(guī)律反復(fù)經(jīng)受不同溫度的過程，實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備為數(shù)據(jù)采集卡和馬弗爐，測(cè)試溫度范圍是20～850 ℃，記錄R-T曲線，每個(gè)電阻測(cè)4次，以R-T曲線的重復(fù)性來表征鉑薄膜電阻穩(wěn)定性。

5 結(jié)果與討論

采用玻璃釉料/高溫陶瓷膠層/氧化鋁層復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)鉑薄膜電阻進(jìn)行封裝，封裝后電阻未斷路。對(duì)電阻進(jìn)行性能測(cè)試，探究封裝對(duì)電阻的影響。

(1) 電阻形貌。

封裝后的電阻如圖9所示，電阻表面平整度不高，存在凹坑等缺陷，但電阻焊點(diǎn)之間區(qū)域釉料平整光滑，呈半透明態(tài)。電阻表面粗糙是因?yàn)殡娮杞z由3層材料包覆，各層材料的缺陷共同導(dǎo)致電阻表面不平整。

圖9 玻璃釉料/高溫陶瓷膠層/氧化鋁層復(fù)合

將環(huán)氧樹脂和固化劑按比例混合均勻，澆注固化電阻，再用砂紙打磨出電阻截面，如圖10所示?？梢钥闯?層封裝材料分界面并不明顯，推測(cè)高溫陶瓷膠與玻璃釉料部分互熔。玻璃釉料內(nèi)部含有直徑為 50～150 μm的孔洞，且越靠近封裝層與電阻界面處孔洞越多。圖10中的孔洞是氣泡。玻璃釉料并未完全熔融澄清，黏度較大，內(nèi)部的氣泡無法全部排出。實(shí)際上，燒制的玻璃內(nèi)部存在氣泡是無法避免的，工業(yè)生產(chǎn)中即使在玻璃燒結(jié)時(shí)定時(shí)攪拌、加入澄清劑也還是無法完全排除氣泡，只能通過提升燒結(jié)溫度，改進(jìn)玻璃成分或優(yōu)化燒結(jié)曲線盡量減少氣泡。玻璃釉料施加在表面不平整的高溫陶瓷膠表面，陶瓷膠表面吸附的大量氣體是造成界面處氣泡多的原因之一。

封裝層與電阻結(jié)合緊密，封裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，機(jī)械性能好。由圖10(b)氣泡截面形貌可以看出，玻璃釉料結(jié)構(gòu)致密。

圖10 封裝后截面圖

(2) 電阻變化率。

電阻封裝過程中，電阻值不斷變化，如表3所示。

表3 封裝對(duì)電阻值的影響

隨著封裝流程的不斷推進(jìn)，電阻值不斷增加，制備玻璃釉料后電阻值增幅最大，封裝后電阻值相比于退火后增加5.48%。電阻增大是因?yàn)榉庋b材料與電阻、封裝材料之間總是存在應(yīng)力，應(yīng)力使得電阻薄膜產(chǎn)生形變或裂紋，導(dǎo)致電阻值增大。釉料燒結(jié)過程中形變嚴(yán)重，產(chǎn)生的熱應(yīng)力最大，因此燒結(jié)玻璃釉料后電阻值變化最大。

(3) TCR。

對(duì)比封裝后電阻和裸電阻的TCR，如表4所示。封裝導(dǎo)致電阻阻值增大，但封裝后電阻R-T斜率更大， TCR 更高，封裝后電阻具有更好的性能。

表4 封裝對(duì)電阻TCR的影響

(4) 響應(yīng)時(shí)間。

圖11為裸電阻和封裝后電阻的響應(yīng)時(shí)間曲線，響應(yīng)時(shí)間t0.1，t0.5，t0.9和Δt見表5?？梢钥闯雎汶娮韬头庋b后電阻均具有10-1s級(jí)響應(yīng)時(shí)間，兩種電阻對(duì)溫度均具有較高的靈敏度。封裝后電阻Δt更大，說明相比于裸電阻，封裝后電阻響應(yīng)時(shí)間更長。裸電阻t0.1，t0.5，t0.9較長與電阻在階躍響應(yīng)開始時(shí)R-T曲線斜率較小有關(guān)(圖11(a)中已圈出)，這是因?yàn)槁汶娮鑼?duì)溫度更靈敏，在放入沸水的過程中受水蒸氣的影響更大。此外，相比于裸電阻，封裝后電阻在階躍曲線末端過沖現(xiàn)象更明顯，圖11(b)已圈出，說明其熱慣性較大。

表5 裸電阻和封裝后電阻響應(yīng)時(shí)間 單位：s

(5) 高溫穩(wěn)定性。

圖12為裸電阻和封裝后電阻熱循環(huán)測(cè)試曲線，每個(gè)樣品測(cè)4次?？梢钥闯龇庋b后電阻R-T曲線重復(fù)性好，而裸電阻隨著測(cè)量次數(shù)增加電阻值不斷增大，曲線不斷上移，在高溫環(huán)境下曲線分離程度更大。以 850 ℃時(shí)電阻值方差定量分析R-T曲線重合情況，封裝后電阻方差為0.19，小于裸電阻的5.23，說明封裝后電阻值穩(wěn)定性更好，封裝顯著提升了電阻的穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語

研究鉑薄膜電阻溫度傳感器封裝技術(shù)，設(shè)計(jì)玻璃釉料/高溫陶瓷膠/氧化鋁3層復(fù)合結(jié)構(gòu)，優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)，選擇封裝材料，調(diào)整封裝工藝，設(shè)計(jì)玻璃釉料成分和燒結(jié)曲線，完成鉑薄膜電阻封裝。封裝材料熱匹配好，溫度穩(wěn)定性高。封裝層結(jié)構(gòu)致密，機(jī)械性能好。封裝后電阻TCR為3422 ppm/℃，高于裸電阻(3389 ppm/℃)，20～100 ℃響應(yīng)時(shí)間為0.23 s，比裸電阻(0.16 s)略慢。20～850 ℃熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)顯示封裝后電阻R-T曲線重復(fù)性更高。封裝改善了鉑薄膜電阻高溫穩(wěn)定性，為Pt薄膜電阻的工業(yè)應(yīng)用提供了解決方案。

圖11 響應(yīng)時(shí)間曲線

圖12 熱循環(huán)測(cè)試