一种压阻式压力传感器敏感芯片硬封接方法

[摘 要]针对表压或负压压阻式压力传感器在进行负压测量时，敏感芯片承受拉伸力作用的使用工况，若固片工艺采用胶类的软连接固定，封接界面存在密封性差、抗拉伸能力低等问题，开展敏感芯片硬封接技术研究，在芯片玻璃底座上进行多层金属镀覆，采用低应力结构，使用钎焊固片的工艺，达到压阻式负压压力传感器对敏感芯片封接的特殊要求，实现压阻式负压压力传感器敏感芯片的可靠硬封接，满足负压、表压测量时对压阻式压力传感器的特殊要求。

[关键词]钎焊；多层金属镀覆；芯片封接；压阻式压力传感器；低应力结构

中图分类号：S951.4+3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）17-0375-01

1 引言

鹤枋窖沽Υ感器是目前应用最为广泛的一种压力传感器，具有体积小、重量轻、工作可靠、灵敏度高等特点，广泛应用在军事、石油、化工、汽车等各个领域，通过压阻效应将压力信号转变成电信号，从而实现压力的测量和自动控制的目的。压阻式压力传感器由压力敏感芯片、管座、波纹膜片等零部件组成，压力敏感芯片一般通过硅酮类胶与管座连接，由于硅酮类胶的强度较弱，在测量负压的情况下，敏感芯片受到拉力的作用，芯片易从管座上脱离或发生内部传压液体泄漏的现象，可靠性低，易出现故障。若敏感芯片采用强度较高的胶结剂粘接固定，由于线胀系数差别较大，在环境温度变化较大时易出现胶结面分离、开裂等现象，导致故障的发生。

根据压阻式压力传感器固片结构和封接界面的受力状态，敏感芯片封接时，其封接界面不仅要有足够抗拉伸强度、较好的密封性，保证传感器的测压功能，同时，还要有较小的封接应力，减小封接对敏感芯片性能和稳定性的影响。

开展压阻式压力传感器硬封接技术的研究，采用钎焊实现压力敏感芯片与基体的密封刚性连接代替原有的胶结固定，满足压阻式压力传感器在负压测量时的特殊要求，提高产品的可靠性，是非常必要的。

本文主要是解决现有的压阻式压力传感器封装敏感芯片的方法易使芯片从管座上脱离而发生故障的问题，提供一种压阻式压力传感器敏感芯片气密性硬封接方法。

2 硬封接原理

根据压阻式负压压力传感器固片结构和封接界面的受力状态，敏感芯片封接时，其封接界面不仅要有足够抗拉伸强度、较好的密封性，保证传感器的测压功能，同时，还要有较小的封接应力，减小封接对敏感芯片性能和稳定性的影响。采用钎焊固片的方式实现压力敏感芯片与基体的密封刚性连接，代替原有的胶结固定，可以提高产品的可靠性。敏感芯片钎焊封接结构示意图如图1所示。

3 钎焊封接结构

采用钎焊硬连接固片时，由于连接强度较高，钎焊连接的敏感芯片玻璃底座与管座壳体（不锈钢）材料的线膨胀系数差别较大，钎焊完成后会产生较大的焊接应力失配，影响敏感芯片的输出稳定性，必须采取隔离钎焊焊接应力的措施。为减少焊接应力对芯片性能的影响，也为了避免钎焊过程时不锈钢管座上的镀金电极引线键合端面受到沾污、降低引线键合的可焊性和强度，采用了在敏感芯片与管座之间增加钎焊转接件进行过渡的方法，即避免了敏感芯片与不锈钢管座直接钎焊封接应力大的问题，又可以保证不锈钢密封界面的气密性和耐压强度，转接件的材料使用可伐合金。为了增加钎焊时的浸润性和可焊性，可以在转接件的钎焊表面制备镀金过渡层。

由于芯片钎焊面积小，在芯片钎焊固片时，若固片位置发生较大偏差，将影响钎焊的强度和密封性，影响产品的可靠性，而且在样品传感器的组装时，各部分之间的间隙很小，若芯片的位置偏移较大，会影响到整体的组装，导致产品的成品率的下降。为此，在本项目中采取了敏感芯片钎焊定位的技术途径解决这一问题。

为此，在钎焊转接件上设计加工带孔的定位凸台，该凸台与敏感芯片导压孔相配合，从而达到芯片在转接件上准确定位的目的。在芯片的中心通气孔处设计此凸台结构，能有效的防治钎焊焊料熔化时流淌进入转接件或芯片的通气孔中，保证芯片的通气孔能与大气相通，提高了产品的可靠性。

4 敏感芯片玻璃衬底的钎焊过渡层

为了增加钎料与玻璃表面的湿润和向玻璃表层的扩散，有助于芯片玻璃衬底与金属转接件之间形成均匀致密的钎焊界面，需要在玻璃衬底上增加镀覆层。

由于玻璃属于硅酸盐类氧化物，线性膨胀系数小，为在一定程度上避免钎焊时过大的热应力失配，要实现敏感芯片与金属转接件之间可靠钎焊，必须在敏感芯片玻璃衬底形成附着力强、热失配小、可焊性好、焊后耐压能力强和气密性高的钎焊层，单层过渡不能同时满足这些要求，采用三层镀覆的结构可以很好的解决这一问题，具体为在玻璃衬底上先蒸发第一层过渡层（铬Cr），再蒸发第二层过渡层（铂Pt），最后蒸发一层钎焊层（金Au），利用多层镀覆的方法，实现玻璃与金属之间的钎焊，隔离钎焊时产生的热应力，使敏感芯片牢固的固定在基座上，来确保镀覆层能够满足气密性与耐压强度的要求。

5 钎焊焊料选择

钎焊焊料的选择条件主要是两点，一是与芯片的温度性能相匹配，二是与敏感芯片玻璃衬底镀覆金属层和钎焊转接件镀覆金属层相匹配。

对于SOI芯片，根据压力敏感芯片玻璃衬底镀覆层的特性，并考虑焊接时的工艺性，合理选择钎焊焊料，尽量减少钎焊加热过程中对芯片性能的影响，考虑到压力敏感芯片能够承受的最高温度（450℃左右）和静电封接的温度（360℃），焊片应选择熔化温度小于360℃的低温钎焊焊料。

为了使钎焊焊料在钎焊时具有更好的流淌性，能够均匀的附着在被钎焊件的表面，可以选择加入松香作为钎焊时的助焊剂，加入助焊剂后，钎焊焊片能够更好、更快的不满被钎焊件的表面，也很好的避免了钎焊焊料熔化不充分导致空洞和裂纹的产生。而且松香在前韩式的高温条件下会挥发干净，不会再钎焊层表面或内部产生残留物，不会将有机物引入到钎焊结构中而导致影响产品的性能，保证了产品的可靠性。

结束语

针对压阻式负压压力传感器的工作状态，提供了一种压力敏感芯片与管座连接的新方法，采用钎焊固片工艺，应用敏感芯片玻璃衬底钎焊过渡层的多层蒸发和镀覆、低应力钎焊结构设计等关键技术，将压阻式压力传感器的敏感芯片与管座进行刚性密封连接，有效解决了使用硅酮类胶进行传统软连接的压阻式压力传感器在测量负压时敏感芯片受到拉伸力的作用，敏感芯片具有从被固定的管座基面脱离的趋势，其封接界面存在密封性差、耐拉伸能力低、塑性变形、易蠕变、易机械劣化的诸多局限性，从而提高了压阻式压力传感器负压测量时的可靠性和性能的稳定性，彻底避免了负压测量时内部传压液体泄漏故障的发生。

参考文献

[1] 压阻式微型压力传感器敏感结构设计[J].易选强，苑伟政，马炳和，陈爽，邓进军.西北工业大学学报.2008（06）.