MEMS耐高温压力传感器封装工艺研究

MEMS耐高温压力传感器封装工艺研究 第21卷第2期 2008年2月 传感技术 OFSENSORSANDACTUATORS Vo1.2lNo.2 Feb.2008 ResearchonPackagingTechnologyofHiTemperaturePressureTransducer bo,CHENXiao—nan,JIANGZhuang—de HEQian,ZHAOYu—long,ZHAOLi— (InstituteofPrecisionEngineering,Xi'anJiaotongUniversity,Xi'an710049,China) Abstract:Threeadvancedpackagingmethodswhichcouldstandhightemperatureupto20o~Cwereraised topackagesomepressuretransducerswithspecialstructure.Bystimulatingusingfiniteelementmethod, wedecidedtotakelowtemperatureglassfritsbondingtechnologytopackagepressuretransducersandde— terminedtheappropriatethicknessoftheintermediabondinglayer.Wechoseaalloysubstratematerial withhighstrengthandlowexpansioncoefficientanddesignedthetechnologicalprocessoflowtemperature glassfritsbonding,usingadvancedscreenprintingtechnologytoensuretheintermediatebondinglayer thickness.Experimentsshowthatbythepackagingprocess,pressuretransducershavereliableperform— anceinhightemperatureandcanmeettheneedsofmodernindustrialmeasurements. Keywords:MEMS;Hightemperaturepressuretransducer;Packaging;Glassfritsbonding EEACC:2575;7230;732OV MEMS耐高温压力传感器封装工艺研究 何潜,赵玉龙,赵立波,陈晓南,蒋庄德 (西安交通大学精密 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 研究所,西安710049) * 摘要:为解决特种压力传感器结构的封装难题,提出了三种能够适用于2oo~C高温条件下的先进封装技术.通过有限元模 拟,确定了采用低温玻璃键合技术对多种压力传感器进行封装, 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 得出了适合的中间键合层厚度.选定了高强度低膨胀基 底合金材料,制定了低温玻璃键合的工艺 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 ,采用先进的丝网印刷工艺确保中间键合层厚度.实验表明经过该工艺封装的 压力传感器在高温下具有可靠的性能,能满足现代工业测量需求. 关键词:微机电系统;高温压力传感器;封装;低温玻璃键合 中图分类号:TP212.12文献标识码:A文章编号:1004—1699(2OO8)O2-031OO4 为了满足航空航天,石油化工,内燃机等高温恶 劣工矿条件下的压力测试需求,基于硅隔离S0I (SilicononInsulator)技术的耐高温压力传感器得 到了广泛应用[】].传统的扩散硅压阻式压力传感器 采用p-n结隔离应变电桥与应变膜,p-n结漏电流随 着温度升高而急剧增大导致基于p-n结隔离的压力 传感器难于在高于120?高温情况下工作.本文所 述耐高温压力传感器敏感元件采用MEMS工艺,基 于先进的高能氧离子注入SIMOX(Separationby ImplantationofOxygen)技术,在单晶硅100nm表 面下形成埋层二氧化硅层l7],以隔离作为测量电路 的顶部硅层与作为支撑的体硅之间因温度升高而造 成的漏电流L4J. 本单位依据国家863 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 一"面向石化等重要行 业的MEMS耐高温压力传感器制造技术与实用化 研究"项目, 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了多种基于SOI敏感元件的具有 特殊结构的压力传感器,主要包括具有耐瞬时超高 温冲击特点的梁膜结合结构传感器,高压高过载特 点的平膜结构传感器和高精度,高频响的齐平膜结 构传感器.其中梁膜结合结构传感器由于采用了特 殊的压力传递结构,能够承受长达2S的瞬时 2000oC高温冲击,其结构示意图如图1. 基金项目:国家自然科学基金项目资助(50535030,50475085);国家863计划项目" 面向石化等重要行业的MEMS耐高温压力 传感器制造技术与实用化研究"项目资助(2004AA404221) 收稿日期:2007—09—30修改日期:2008—01—01 第2期何潜,赵玉龙等:MEMS耐高温压力传感器封装工艺研究311 1:基座:2:承压膜片:3:传递粱: 4:悬臂梁:5:SOl芯片6:引线 图1耐瞬时超高温冲击的梁膜结合传感器 1传感器封装结构 前述三种特种压力传感器结构中,实现压力 敏感元件SO1芯片与基底材料有效封装并保证敏 感元件输出信号不失真地反映待测介质压力是传 感器封装的关键所在.对于梁膜结合传感器,由 于待测介质仅直接作用承压膜片2上(如图1), SO1芯片通过感测压力传递机构部件悬臂梁上的 应力与应变来间接感测待测介质压力,其简化封 装结构如图2. 芯片 图2梁膜结合传感器封装结构 高压高过载的平膜传感器结构与梁膜结合传感 器封装结构比较接近,流体介质压力作用在承压膜 片上,SOI芯片直接封接在承压膜片的另一侧,取代 了压力传递机构.对于高频响的齐平膜结构传感 器,将已经经过静电键合后的玻璃环与SOI芯片结 构直接封接在金属基座上,或者直接将SOI芯片封 接在金属基座上. 1 1:金丝引线:2:玻璃环 3:SOl芯片;4:基座 图3高频响齐平膜传感器封装结构 2封装技术的选择 2.1适用的特种封装技术 对于上述特种传感器结构,必须采用适用的特 殊封装技术,以满足传感器在200?高温下工作要 求.可以考虑采用的封装技术主要有以下三种. 2.1.1基于聚酰亚胺胶的粘胶技术 在传感器领域,粘胶技术适用于硅芯片与玻璃, 陶瓷,金属之间的相互连接[5].能够长时间在 250?高温下工作的胶粘剂主要有聚酰亚胺胶,聚酰 亚胺胶是以芳香族二胺和二酐在二甲基乙酰胺中缩 聚而成的,对各种金属材料和无机非金属材料的粘 结性能最好.聚酰亚胺胶常需在较高温度下固化以 达到较高的封接强度. 2.1.2基于AuSn焊料的共晶键合技术 共晶键合技术利用共晶成分的液相具有最低熔 点,通过共晶液相合金冷凝形成中间介质层实现芯 片与基底材料的封接[6].常用的共晶材料包括Au— Si,Au—Sn,In-Sn,Pb-Sn等.共晶键合层连接牢固, 机械强度高,封接气密性好,但是键合需要高的作业 温度,冷却时会引入较大的热应力,易导致芯片开 裂. 2.1.3基于低温玻璃焊料的键合技术 玻璃键合技术是指依靠玻璃浆料在高温炉中烧 结形成的致密化强固体中间介质层实现芯片与基底 材料的封接[2].该封接工艺需要满足以下三个条 件: 玻璃焊料的热膨胀系数与待封接材料匹配,即 满足与硅片,基底金属材料的热膨胀系数相差在0.6 *10/K以内. 封接温度应低于硅片耐热极限,若温度较高,易 导致硅片与硅片上引线层形成共晶,导致引线脱落. 熔融玻璃介质与待封接件良好浸润性,即要求 熔融玻璃具有良好的流动性[3]. 键含形成的玻璃态物质SOl芯片 图4低温玻璃键合后芯片的SEM照片 2.2封装技术对传感器性能的影响 各种封装技术最终形成的中间键合层对传感器 输出性能具有重要影响,本文应用ANSYS有限元 分析软件对传感器输出进行模拟和预测[8],以确定 最适合的封装技术. 2.2.1中间层材料性能参数 312传感技术2008晕 表1材料性能参数表 2.2.2传感器灵敏度影响分析 SOI芯片上力敏电阻条位置的最大应力,应变 率是决定传感器灵敏度的最重要因素,最大应力或 应变率越大,传感器反应越灵敏.通过有限元模拟 高压高过载平膜结构传感器在40MPa压力,同样 厚度中间键合层80m的情况下,最大应力和应变 率的计算结果为表2. 表2力敏电阻条的最大应力和应变率 从上表中可以得出,基于玻璃焊料的封接制作 成的传感器的灵敏度最高. 2.3中间层厚度对传感器的影响 采用低温键合工艺对高温高过载压力传感器 进行封装,通过模拟比较不同键合层厚度下的传 感器力敏电阻条处的最大应力和剪切应力随输入 压力的变化,最终得出键合层厚度对传感器性能 的影响. 图5中问链合层厚度对传感器灵敏度影响 如前所述,传感器力敏电阻条处的最大应力越 大,传感器输出越灵敏.从图5中很明显看出,中间 键合层厚度在其他同等情况下越小,最大应力值越 大,传感器反应越灵敏.但是从图6中同样很明显 可以看出,中间键合层厚度越小,压力导致的剪切应 力就越大,就越容易导致芯片从基低材料上脱落,从 而引起传感器的完全失效. 考虑到传感器灵敏度与剪切应力的相互制约, 最终确定中间键合层的厚度为60,80ITI之间为 宜. 芯片位昼'机/um 图6中间链合层厚度对芯片上剪切应力的影响 3低温玻璃键合工艺流程 3.1基底材料,玻璃焊料的选择 为满足热膨胀系数与硅材料匹配和传感器结构 设计的力学要求,基底材料采用美国Ni—SpanC902 或北京金属研究院HT-100高强度低膨胀合金.另 外键合层材料采用德国Schott公司的G017-339玻 璃粉. 表3封接材料热膨胀系数表I/K 3.2低温玻璃键合工艺流程 3.2.1烧结前对基底材料表面处理 机械打磨,抛光; 脱脂,清除被粘物表面的油污,可使用有机碱溶 液或者超声波设备进行; 用无机酸溶液浸泡去处表面氧化物; 用酒精进行最后的清洗; 在高温炉中保温50?,时间30min. 3.2.2玻璃烧结具体工艺流程: 浆料调和,按确定的比例将无水乙醇与玻璃粉 混合,配制成浆料.适当的比例能够保证焊料在高 温下熔融状态下有良好的侵润性和流动性; 涂敷成型工艺,采用丝网印刷工艺将浆料涂敷 在待封接件上.使用适当的丝网印刷工具保证前述 设计的中间键合层厚度; 在高温炉中烘干刚涂敷的浆料层,温度200?, 时间10mint 预烧结工艺,按照图7所示温度曲线进行预烧结. SOI芯片封接位置定位与加压,采用设计好的 加压装置给予待封接件一定的压力,大约50KPa 左右,以保证键合强度. 烧结,回火过程,按照图8温度曲线在可控高温 炉中进行烧结与回火处理. 在升温和降温过程中,应严格控制升温和降温 速度在5K/rain以内.至此,SOl耐高温芯片已被 何潜,赵玉龙等:MEMS耐高温压力传感器封装工艺研究313 }装在传感器承压基座上. me,min 图7预烧结温度曲线 AppliedPressure/MPa 图9高压高过载传感器在200?高温下测试数据 llme/mm 图8烧结与回火温度曲线 论 [感元件经过热压焊金丝,激光焊接等工序,制 的耐高温压力传感器.经过温度补偿后,传 I灵敏度温度系数和零点温度系数均在3× C以下,非线性误差在,重复性误差和迟滞误 :0.2FS以内,传感器的输入输出曲线如图 式结果表明经过低温玻璃键合封装的耐高温 感器在高温下具有可靠的性能,能够满足现 压力测量需求. 何潜(1982一),男,2001年7月毕业于 重庆大学机械工程学院获学士学位. 现为西安交通大学机械工程学院精密 工程研究所硕士研究生.主要研究方 向为CI/CAE,MEMS传感器及其工 艺研究,cqheqian@stu.xjtu.edu.CFL [3] [4] [5] [6] [7] [8] RoyKnechte1.GlassFritsbonding:AnUniversalTechnology forWaferLevelEncapsulationandPacking.MicrosystTechn— ol[J].2005,12:63—68. 颜鹰.MEMS高温压力传感器若干关键技术的研究[D].华中 科技大学,2005年3月,华中科技大学. 孙以材,刘玉玲,孟庆浩.压力传感器的设计,制造与应用 [M3.北京:冶金工业出版社,2000年,293—304. 李科杰.新编传感器技术手册[M].北京:国防工业出版社, 2002,77—93.118—166. 李乃平.微电子器件工艺[M].武汉:华中理工大学出版社, 1995. 谭建国.使用ANSYS6.0进行有限元分析[M].北京:北京大 学出版社,2002,192—232. 赵玉龙(1968一),男,2002年7月毕业于 西安交通大学获博士学位.现为西安 交通大学机械工程学院教授,陕西省 MEMS研究中心副主任,中国仪器仪表 学会传感器分会常务理事,微纳器件与 系统分会理事,全国高校传感器技术研 究会理事.主要从事MEMS传感器及 其工艺研究,近年来,发表相关论文5O余篇,获授权国家发 明专利l4项,授权实用新型专利3项,zhaoyulong@mail.Xj— tu.edu.el1. ?卯柏如加m0 >吕,】jd】j00B】一,_ p\2j?g.-1.