李樹(shù)成 李海全 阮炳權(quán)

（廣東和宇傳感器有限公司 廣東省江門(mén)市 529100）

MEMS 硅壓力傳感器廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、工業(yè)、醫(yī)療和汽車(chē)等多領(lǐng)域壓力的測(cè)量。在實(shí)際應(yīng)用中，壓力傳感器的可靠性要求越來(lái)越高，如汽車(chē)領(lǐng)域的壓力測(cè)量，壓力傳感器常會(huì)出現(xiàn)過(guò)載、壓力沖擊等惡劣工況，壓力傳感器的壽命設(shè)計(jì)要求達(dá)到10年。針對(duì)越來(lái)越嚴(yán)苛的應(yīng)用工況，對(duì)傳感器的要求越來(lái)越高。

傳統(tǒng)的硅壓力傳感器芯片使用正面受壓的方式，封裝方式一般使用膠水進(jìn)行die-bonding，然后進(jìn)行wirebonding 和膠水保護(hù)。傳統(tǒng)的硅正面受壓封裝結(jié)構(gòu)，其正面的電路和鍵合連接線長(zhǎng)期暴露于壓力交變的介質(zhì)中，傳感器容易失效。使用正面受壓封裝方式，使用的die-bonding 膠水通常為硬度較低的硅膠。wire-bonding連接的邦定線通過(guò)膠水保護(hù)，但是需要和測(cè)量的介質(zhì)長(zhǎng)期接觸，在壓力交變的影響下，邦定線長(zhǎng)期處于往復(fù)的動(dòng)作狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的壓力交變后，邦定線由于壓力疲勞導(dǎo)致斷裂失效。傳感器所用的保護(hù)膠水需要考慮是否和使用的介質(zhì)兼容，針對(duì)一些具有侵入性介質(zhì)，需要特殊材質(zhì)的保護(hù)膠水，應(yīng)用的范圍有限。因此正面受壓封裝方式的介質(zhì)一般為潔凈的空氣，應(yīng)用的范圍有限，而使用在嚴(yán)苛介質(zhì)中必須要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的封裝，其工藝復(fù)雜，成本高，競(jìng)爭(zhēng)力低。目前國(guó)內(nèi)研發(fā)的壓力傳感器，如表壓式壓力傳感器，膜片的結(jié)構(gòu)通常使用濕法刻蝕，膜片的只能承受3 倍的過(guò)載壓力，部分可以實(shí)現(xiàn)背壓式封裝，但是大多都使用膠水粘接的方式，其可靠性取決于膠水的本身特性以及粘接的工藝，長(zhǎng)期在惡劣的環(huán)境使用，如高溫交變或者有侵蝕性的介質(zhì)，將會(huì)使膠水失效，因此現(xiàn)階段背壓應(yīng)用的膠水封裝方式可靠性不高。

本文研制一種背壓式高過(guò)載的壓力傳感器，該傳感器使用背壓式共晶結(jié)構(gòu)，具有較好的介質(zhì)兼容性，機(jī)械限位結(jié)構(gòu)提高抗過(guò)載能力，能夠顯著的提高傳感器可靠性。

1 背壓式高過(guò)載壓力傳感器芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的傳感器芯片如圖1所示，其中a’為窄梁區(qū)，b’為寬梁區(qū)，c’為梁寬，d’為島寬。中心寬梁區(qū)布置兩個(gè)力敏電阻，邊緣兩個(gè)窄梁區(qū)各布置一個(gè)力敏電阻。兩個(gè)邊梁區(qū)和中心寬梁區(qū)在應(yīng)力的作用下變形，并且應(yīng)力集中在兩個(gè)邊梁區(qū)和中心寬梁區(qū)。由于島具有剛性，其起到了非線性補(bǔ)償作用。當(dāng)應(yīng)力從正面作用時(shí)候，兩個(gè)邊梁區(qū)產(chǎn)生正應(yīng)力，而中心寬梁產(chǎn)生負(fù)應(yīng)力。在中心的寬梁區(qū)布置R2，R3 兩個(gè)力敏電阻，在兩個(gè)邊梁區(qū)布置力敏電阻R1，R4，如圖2所示的惠斯登電橋和梁膜區(qū)的應(yīng)力變化曲線圖[1]。

圖1：傳感器示意圖

圖2：電橋組成和應(yīng)力分布圖

1.1 背壓式高過(guò)載壓力傳感器芯片電阻的設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)芯片的量程，選取SOI 晶圓表面單晶硅薄膜的厚度，表面單晶硅薄膜為N 型硅，晶向?yàn)?00，電阻率為0.8～1.2Ω?cm，硅片的厚度為425um。使用離子注入技術(shù)，設(shè)計(jì)單個(gè)力敏電阻的阻值約為5KΩ。

1.2 背壓式高過(guò)載壓力傳感器芯片膜片的設(shè)計(jì)

傳感器的膜片采用梁島膜結(jié)構(gòu)，梁膜島結(jié)構(gòu)能夠有效的提高傳感器的線性度。梁膜島結(jié)構(gòu)膜片由ICP 工藝加工，膜片在壓力的作用下形變，起應(yīng)力傳遞的作用；梁區(qū)為應(yīng)力的集中點(diǎn)，力敏電阻布置在梁區(qū)，能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度的應(yīng)力測(cè)量；島區(qū)為剛性體，和梁區(qū)組合使應(yīng)力集中在梁區(qū)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的集中以提高靈敏度。梁島膜結(jié)構(gòu)使用干法工藝制作，梁島膜區(qū)的光刻和力敏電阻的光刻均在單面完成，光刻精度高。背壓腔體使用濕法刻蝕或者干法刻蝕制作，芯片使用SOI 晶圓，BOX 氧化硅層對(duì)濕法刻蝕具有明顯的自停止作用，能夠有效的控制膜片的厚度并降低工藝的難度。傳感器的靈敏度可以調(diào)整正面膜區(qū)ICP 刻蝕的深度來(lái)進(jìn)行匹配。

1.3 背壓式高過(guò)載壓力傳感器芯片蓋板的設(shè)計(jì)

蓋板可實(shí)現(xiàn)絕壓參考腔體和過(guò)載限位結(jié)構(gòu)的功能。蓋板使用多次光刻，薄膜濺射和深刻蝕加工而成，蓋板的材質(zhì)可以是高硼硅玻璃或者單晶硅。制作好蓋板，可通過(guò)靜電鍵合或者共晶的方式和傳感器本體進(jìn)行密封連接。傳感器本體通過(guò)埋層引線的方式實(shí)現(xiàn)硅表面平坦化，再真空中靜電鍵合或共晶鍵合[2]，可實(shí)現(xiàn)絕壓參考腔的結(jié)構(gòu)和過(guò)載限位結(jié)構(gòu)。蓋板中的凸臺(tái)設(shè)計(jì)與傳感器的彈性膜區(qū)的間距約4～6um，保證傳感器在2 倍的量程壓力下依然能夠正常過(guò)載工作，在達(dá)到3 倍的量程的壓力后，膜區(qū)和蓋板的凸臺(tái)接觸，實(shí)現(xiàn)膜片的過(guò)載限位。

2 背壓式高過(guò)載壓力傳感器芯片樣品的制作

采用設(shè)計(jì)的傳感器芯片結(jié)構(gòu)制作背壓式高過(guò)載壓力傳感器芯片樣品，制作工藝的主要步驟如下：

（1）SOI 硅片在熱氧化爐中以900℃熱氧化30 分鐘；

（2）光刻濃硼層引線，光刻后離子注入，在濃硼埋層引線區(qū)中摻雜硼原子，使其形成導(dǎo)電層，同時(shí)保證晶圓表面平整；

（3）光刻力敏電阻區(qū)，采用離子注入摻雜硼原子，形成P 型導(dǎo)電層；

（4）退火及再分布，調(diào)節(jié)電阻區(qū)的方阻，形成力敏電阻；

（5）PECVD 淀積氮化硅；

（6）光刻引線孔的氮化硅和氧化硅；

（7）正面濺射鋁；

（8）光刻鍵合區(qū)的氮化硅；

（9）正面，背面濺射鉻鎳金；

（10）反刻鋁焊盤(pán)和鋁引線；

（11）光刻背面的引壓腔，刻蝕引壓腔的金屬層；

（12）正面使用膠保護(hù)，背面腐蝕引壓腔到氧化層終止；

（13）蓋板使用光刻、濺射鉻鎳金和IBE、DRIE刻蝕；

（14）蓋板通過(guò)金錫共晶工藝和傳感器本體鍵合。

3 背壓式高過(guò)載壓力傳感器芯片的應(yīng)用

使用制作出來(lái)的2.5MPa壓力傳感器芯片進(jìn)行封裝，封裝的方式為背壓式封裝，使用金錫共晶焊接的方式。

壓力傳感器芯片封裝的有效性是直接影響壓力傳感器穩(wěn)定性、綜合精度指標(biāo)的關(guān)鍵因數(shù)。壓力傳感器的穩(wěn)定性，除了和傳感器本身結(jié)構(gòu)以及制作工藝的水平有關(guān)外，還和其封裝技術(shù)工藝有密切的關(guān)系。壓力傳感器的封裝方法，能夠有效的避免封裝的應(yīng)力、安裝的應(yīng)力或者材料的應(yīng)力對(duì)傳感器的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。封裝的應(yīng)力通常和封裝的方法有關(guān)，在設(shè)計(jì)中需要考慮使用的封裝材料和傳感器具有相同的工作溫度，相近的材料熱膨脹系數(shù)，減少由于熱交變或者蠕變產(chǎn)生的應(yīng)力降低傳感器的穩(wěn)定性。對(duì)于安裝應(yīng)力的影響，主要考慮傳感器封裝后制作成壓力變送器，所應(yīng)用的環(huán)境的安裝如扭矩，固定方式等，還能夠設(shè)計(jì)有效的結(jié)構(gòu)避免安裝固定應(yīng)力傳遞到壓力傳感器，有效的減少安裝應(yīng)力對(duì)傳感器穩(wěn)定性的影響。

3.1 金錫共晶焊接的原理

本試驗(yàn)使用金錫共晶的方式對(duì)傳感器進(jìn)行封裝。其中使用的金錫焊料為Au80Sn20 焊料，Au80Sn20 金錫合金焊料具有較好的熱導(dǎo)率、強(qiáng)度高，潤(rùn)濕性好，抗氧化性能好，耐腐蝕性強(qiáng)，抗熱疲勞和蠕變性能優(yōu)良。它與高鉛焊料熔點(diǎn)最相近，在金焊盤(pán)、和鈀銀焊盤(pán)上使用該釬料時(shí)還可避免吃金問(wèn)題和焊盤(pán)脫落現(xiàn)象。該焊料與低熔點(diǎn)的無(wú)鉛共晶焊料相比，具有更高的穩(wěn)定性和可靠性。Au80Sn20 共晶焊料在封裝焊接中無(wú)需助焊劑，避免了因使用助焊劑對(duì)半導(dǎo)體芯片形成的污染和腐蝕。

Au80Sn20 焊料具有較低的熔點(diǎn)，它的共晶點(diǎn)在280℃，在此溫度下，共晶反應(yīng)為液相L ←→ξ+δ,其結(jié)構(gòu)具有ξ（Au5Sn）鎂型六角密排結(jié)構(gòu)的ξ（Au5Sn）相，和δ（AuSn）金屬間化合物組成，δ 相是一種金屬間化學(xué)物，其熔點(diǎn)為419.3℃，具有NiAs 型六角結(jié)構(gòu)。在焊接的過(guò)程中，金錫焊料與芯片的背金層產(chǎn)生原子擴(kuò)散，形成具有ξ 相與δ 相金屬間化合物的共晶體。此過(guò)程就是共晶焊接的基本原理[4]。

3.2 背壓式高過(guò)載壓力傳感器芯片金錫焊接壓力座的設(shè)計(jì)

考慮背壓式高過(guò)載壓力傳感器芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本試驗(yàn)使用高溫不銹鋼材料加工壓力座，高溫不銹鋼的熱膨脹系數(shù)和硅的熱膨脹系數(shù)接近，壓力座設(shè)計(jì)有共晶面和焊接面，壓力座設(shè)計(jì)有有應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)，能夠避免壓力座安裝應(yīng)力傳遞到壓力傳感器芯片上。壓力座的共晶面要求加工的粗糙度較低，通過(guò)電鍍的方式在共晶面鍍金屬鎳和金。

3.2 背壓式高過(guò)載壓力傳感器芯片共晶焊接工裝的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的傳感器封裝結(jié)構(gòu)為共晶焊接，需要設(shè)計(jì)工裝進(jìn)行定位進(jìn)行焊接。本試驗(yàn)中使用共晶工裝對(duì)壓力座進(jìn)行裝配，要求共晶的工裝必須能夠耐高溫且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且不容易變形。本試驗(yàn)中使用石墨導(dǎo)熱材料制作，也可以使用如不銹鋼等材料制作，石墨工裝具有高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，導(dǎo)熱快等特點(diǎn)，工裝能夠在共晶的時(shí)候快速的吸熱并傳遞到壓力座上。通過(guò)使用共晶工裝固定壓力座，金錫材料，壓力傳感器，形成穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，能夠在共晶爐里面完成有效的共晶焊接。

3.3 背壓式高過(guò)載壓力傳感器芯片共晶焊接空洞率的控制

傳感器芯片共晶的質(zhì)量是影響傳感器穩(wěn)定性決定性因素。其中壓力傳感器共晶的空洞率是影響壓力傳感器密封可靠性的關(guān)鍵因素，控制傳感器共晶焊接的空洞率，尤其是需要控制整個(gè)焊接面共晶的空洞不形成壓力的泄露通道。通過(guò)調(diào)節(jié)壓力傳感器共晶焊接的工藝，如調(diào)節(jié)共晶爐共晶時(shí)候的共晶溫度曲線、真空率，保護(hù)氣體的壓力等，可以有效的減少空洞率[3]。

3.3.1 共晶焊接溫度曲線的控制

共晶焊接的溫度曲線的控制，直接決定共晶焊接的質(zhì)量。共晶焊接溫度曲線的確定通常受多個(gè)因素的影響，第一考慮因素為所使用材料的共晶溫度點(diǎn)，材料的回流的溫度點(diǎn)。第二因素為工件的數(shù)量，工件的大小、吸熱效率等，第三因素為共晶爐內(nèi)氣體含量對(duì)共晶溫度的傳遞的有效性。本試驗(yàn)中使用的共晶爐溫曲線如圖3所示。

圖3：共晶焊接溫度曲線

3.3.2 真空率和保護(hù)氣體的控制

通過(guò)調(diào)節(jié)真空度，能夠有效的減少壓力傳感器芯片共晶時(shí)的氧氣含量，利用反復(fù)調(diào)節(jié)真空度和充氮?dú)獾姆椒?，去除真空共晶爐里面的氧氣，減少氧氣在高溫條件下對(duì)共晶焊料的氧化作用，同時(shí)充氮?dú)獾牟僮髂軌蛴行У睦玫獨(dú)庾鳛闊崃康膫鬟f媒介，實(shí)現(xiàn)加熱器和工件的有效熱量傳遞和對(duì)焊料的保護(hù)。在共晶焊料的熔融回流狀態(tài)，通過(guò)抽真空處理，能夠有效的去除熔融焊料的氣泡，實(shí)現(xiàn)減少共晶焊接空洞率的目的。

4 測(cè)試結(jié)果和討論

使用2.5 MPa 壓力傳感器芯片樣品通過(guò)共晶焊接的方式進(jìn)行封裝，壓力的加壓方向?yàn)楸硥菏剑?/p>

測(cè)試設(shè)備：可編程恒壓5V 電源，威卡壓力控制器一臺(tái)，60 MPa 活塞式壓力計(jì)一臺(tái)，高低溫箱1 臺(tái)，福祿克5 位半數(shù)字萬(wàn)用表；

在25℃下，傳感器封裝好后，使用威卡壓力控制器給傳感器組件分別施加0 MPa，0.5 MPa，1.5 MPa，2 MPa，2.5 MPa 的壓力，正向和反向各3 個(gè)行程，計(jì)算傳感器的靈敏度，非線性，重復(fù)性和遲滯；分別把傳感器防止在-40℃和125℃中，測(cè)試傳感器的0 MPa，2.5MPa壓力下的輸出電壓，計(jì)算傳感器的熱零點(diǎn)漂移和熱靈敏度漂移，結(jié)果如表1所示。

表1：壓力傳感器的測(cè)試結(jié)果

在常溫的條件下，使用威卡壓力控制器施加0 MPa，0.5 MPa，1.5 MPa，2 MPa， 2.5 MPa，3 MPa，3.5 MPa，4 MPa，4.5 MPa，5 MPa 壓力給傳感器，測(cè)試傳感器的輸出電壓，記錄傳感器的輸出電壓，結(jié)果表明傳感器能夠滿足2 倍的過(guò)載壓力使用要求。

在常溫的條件下，使用60 MPa 活塞式壓力計(jì)給傳感器以1 MPa 為間隔施加壓力，直到傳感器出現(xiàn)泄露，試驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器在24 MPa 左右出現(xiàn)破裂，膜片和蓋板均爆裂，傳感器和基座的共晶結(jié)構(gòu)均完好無(wú)損，證明所設(shè)計(jì)的壓力傳感器和共晶結(jié)構(gòu)能夠滿足8 倍爆破的要求，實(shí)現(xiàn)了背壓式高過(guò)載。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)的背壓式高過(guò)載壓力傳感器，通過(guò)設(shè)置梁島膜結(jié)構(gòu)，能夠有效的保證傳感器的線性度。通過(guò)設(shè)置蓋板限位結(jié)構(gòu)，背部濺射鉻鎳金金屬層，能夠?qū)崿F(xiàn)背壓式共晶焊接測(cè)量，在保證傳感器線性度和滿足2 倍過(guò)載使用壓力的前提下，提高了傳感器的過(guò)載爆破保護(hù)能力。實(shí)際測(cè)試證明，設(shè)計(jì)的傳感器過(guò)載爆破壓力可達(dá)量程的8倍。