封装黏合材料对高温压力传感器性能影响研究

Effect Study of Encapsulating Adhesive Materials on the Performance of High⁃Temperature Pressure Sensors

摘要

SOI（Silicon-on-Insulator））高温压力传感器的封装结构是影响其在高温环境下稳定工作的重要因素， 基于SOI基芯片分别采用无机高温胶、 环氧树脂、 玻璃浆料作为封装黏合材料， 每种材料各制备3支高温压力传感器， 经过300 ℃@100 h带电考核实验。结果显示， 无机高温胶、 环氧树脂、 玻璃浆料作为封装黏合材料制备的高温压力传感器在300 ℃@100 h内平均零点输出时漂分别约为0.019 05、 1.649 65、 0.066 93 mV/h， 其平均综合重复性、 迟滞性、 线性度分别约为1.062%、 4.932%和1.857%。实验结果表明封装黏合材料热膨胀系数越小， 在高温环境下对传感器输出性能影响越小。

Abstract

The packaging structure of SOI high-temperature pressure sensors is an important factor affecting its stable operation in high-temperature environments. In this paper， based on an SOI chip， inorganic high-emperature adhesive， epoxy resin and glass paste were used as packaging and bonding materials， and three high-temperature pressure sensors were prepared from each material. After a 300 ℃@100 h online test， the results showed that the average zero output drift of the high-temperature pressure sensor prepared by inorganic high-temperature adhesive， epoxy resin and glass paste was about 0.019 05， 1.649 65 and 0.066 93 mV/h， within 300 ℃@100 h， respectively. The average integrated repeatability， hysteresis and linearity were 1.062%， 4.932% and 1.857%， respectively. The experimental results show that the smaller the coefficient of thermal expansion， the smaller the influence on the output performance of the sensor at high temperatures.

Graphical abstract

关键词

SOI高温压力传感器 / 封装黏合材料 / 热膨胀系数

Key words

SOI high-temperature pressure sensor / encapsulation bonding material / coefficient of thermal expansion

0 引　言

高温压力传感器在航空航天^［1］、 军事国防^［2］、 能源化工^［3］等领域广泛应用。随着半导体技术与MEMS技术的快速发展^［4］， 基于MEMS技术的高温压力传感器在军事和民用领域的高温压力测量中发挥着巨大作用^［5］。虽然以碳化硅^［6］、 金刚石^［7］和蓝宝石^［8］为衬底的压力传感器已被证明在300 ℃以上的高温环境下应用是可行的， 但它们在高温环境下的测量精度和灵敏度不高^［9］， 且成本巨大^［10］。

其中， SOI（Silicon-on-Insulator）基压阻式压力传感器凭借其材料结构本身的介质隔离方法、 成熟的MEMS加工工艺手段、 较低的工艺加工成本和在高温环境下展现的优异性能， 占据了较大的高温压力传感器市场份额^［11］。

封装结构是影响高温压力传感器性能的重要因素^［12］， 而不同的封装黏合材料会影响传感器在高温环境下的使用^［13］。因此， 本文从制备完成的SOI基高温压力芯片出发， 分别采用无机高温胶、 环氧树脂、 玻璃浆料作为封装黏合材料将压力敏感芯片与耐高温基座烧结固定， 之后采用金引线键合方法制备出完整的高温压力传感器^［14］， 通过对高温压力传感器进行300 ℃@100 h高温考核实验以及常温标定测试， 得出不同封装黏合材料对传感器输出性能的影响^［15］。

1 传感器工作原理及结构分析

压阻式压力传感器基于压阻效应， 将多个经过掺杂或离子注入工艺后的电阻排布在敏感膜片的应力集中区， 并经由金属引线连接成惠斯通电桥， 如图 1 所示。无外部载荷作用时， 敏感结构不发生形变， 压敏电阻阻值不变， 电桥处于平衡状态， 无电压输出； 当敏感结构受到外部载荷作用时， 结构应力分布发生变化， 应力的变化导致电桥不平衡， 从而输出电压信号， 完成力学量信号到电学量信号的转换^［14］。图 1 中的U_in为电桥输入电压， U_out为电桥输出电压， R₁~R₄为压敏电阻， ΔR₁~ΔR₄为压敏电阻的改变量， 根据其受力情况其值为正数或负数。传感器的输出电压表达式为

U_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}=\frac{U_{\mathrm{i}\mathrm{n}}}{\mathrm{4}}\left(\frac{∆R_{\mathrm{1}}}{R_{\mathrm{1}}}-\frac{∆R_{\mathrm{2}}}{R_{\mathrm{2}}}-\frac{∆R_{\mathrm{3}}}{R_{\mathrm{3}}}+\frac{∆R_{\mathrm{4}}}{R_{\mathrm{4}}}\right)\mathrm{。}（1）

SOI高温压力传感器的封装结构如图 2 所示。

整体封装结构如图 2（a） 所示， 耐高温敏感元件如图 2（b） 所示。其中最重要的部分为耐高温敏感元件， 它是用封装黏合材料将高温压力敏感芯片与耐高温基座烧结制成的^［16］。采用金引线键合方法将高温压力敏感芯片焊盘上的电信号引至耐高温基座的接线柱上^［17］。

2 敏感芯片及管座制备

高温压力传感器敏感芯片基用SOI材料制备， 采用深硅浅刻蚀制备电阻条^［18］； 通过溅射-剥离工艺制备金属引线， 后续采用退火工艺形成欧姆接触^［19］； 通过深硅刻蚀完成背腔刻蚀； 最后采用阳极键合技术将SOI晶圆片与BF33玻璃片键合， 形成绝压参考腔^［20］。划片完成的芯片如图 3 所示。

耐高温管座采用304不锈钢管壳、 绝缘玻璃、 可伐合金引线制作而成。为方便后续金引线键合， 可伐合金引线需要镀金处理。通过封装黏合材料把压力敏感芯片与耐高温基座烧结固定， 最后采用金引线键合技术， 将压力敏感芯片焊盘上的电信号引至耐高温基座接线柱上。如图 4 所示为耐高温敏感元件实物图。

3 封装黏合材料对敏感芯片应力影响

在传感器封装中， 黏合材料与芯片直接接触， 不同的黏合材料可能会对传感器输出造成较大影响， 因此， 分别选用无机高温胶、 环氧树脂、 玻璃浆料3种封装黏合材料， 每种材料分别制备3个传感器开展研究。3种封装黏合材料参数如表 1 所示。

图 5 为不同黏合材料模型在300 ℃下的应力分布云图。从图 5 仿真结果可以得出： 无机高温胶、 环氧树脂和玻璃浆料作为黏合材料层处的应力分别为171.71、 415.33和216.06 MPa， 仿真结果表明无机高温胶的热膨胀系数相对较小， 黏合材料的热膨胀系数越小， 引入到芯片敏感膜片上的残余热应力也越小。

4 实验测试

为验证不同封装黏合材料在高温环境下对传感器输出性能的影响， 现选取同一晶圆上电阻值相近的9颗芯片， 每种封装黏合材料各制备3支传感器， 随后搭建高温考核系统。将9支传感器同时放入高温烘箱进行300 ℃@100 h带电考核。采用可编程直流稳压电源对传感器提供5 V输入电压， 利用高精度数据采集卡完成电学输出信号的监测。高温考核系统如图 6 所示。

300 ℃@100 h带电考核数据如图 7 所示。

由图 7 高温考核数据可得： 由无机高温胶作为封装黏合材料制作的3支传感器在300 ℃@100 h考核时间里零点输出时漂分别为0.007 49， 0.022 01， 0.027 65 mV/h， 平均时漂约为0.019 05 mV/h； 由环氧树脂作为封装黏合材料制作的3支传感器在300 ℃@100 h考核时间里零点输出时漂分别为3.663 29， 0.885 04， 0.400 61 mV/h， 平均时漂约为1.649 65 mV/h； 由玻璃浆料作为封装黏合材料制作的3支传感器在300 ℃@100 h考核时间里零点输出时漂分别为0.033 74， 0.094 52， 0.072 52 mV/h， 平均时漂约为0.066 93 mV/h。

实验数据表明， 无机高温胶作为封装黏合材料所制备的高温压力传感器在300 ℃@100 h里零点输出时漂最小。

为进一步验证不同封装黏合材料对传感器性能的影响， 搭建常温静态压力测试平台， 利用康斯特台式气压泵设备， 分别对高温考核后的3种封装黏合材料制成的9支传感器进行常温静态压力测试。测试平台如图 8 所示。

常温标定条件： 利用可编程直流稳压电源为传感器提供5 V电压输入， 采用台式气压泵为传感器提供0~1 MPa压力输入载荷， 设置步长为0.2 MPa， 共6个测试点， 测试过程中采用高精度万用表采集传感器输出信号。图 9（a）~图 9（c）所示分别为3种不同封装黏合材料制成的9支传感器在常温状态下的压力-输出曲线。

由图 9 可知各传感器线性度良好， 根据国家计量检定规程《JJG860-2015压力传感器静态》^［21］对所测数据进行处理， 如表 2 所示。

从表 2 中数据可得， 无机高温胶作为封装黏合材料所制的3支传感器综合重复性、 迟滞性、 线性度分别为1.048%、 1.103%、 1.036%， 3支传感器平均综合三性约为1.062%； 玻璃浆料作为封装黏合材料所制的3支传感器综合重复性、 迟滞性、 线性度分别为1.801%、 1.687%、 2.084%， 3支传感器平均综合三性约为1.857%； 环氧树脂作为封装黏合材料所制的3支传感器综合重复性、 迟滞性、 线性度分别为6.642%、 5.168%、 2.986%， 3支传感器平均综合三性约为4.932%。由测试结果表明， 无机高温胶作为封装黏合材料所制高温压力传感器的静态性能更加优异。

5 结　论

高温压力传感器在制备过程中， 敏感芯片和金属基座之间采用封装黏合材料封接， 敏感芯片的周围存在着较大的应力， 即使经过退火处理， 应力也不能完全消除。当温度发生变化时， 由于金属基座、 封装黏合材料和敏感芯片热膨胀系数的不同， 会产生热应力， 使传感器的零点发生漂移影响传感器的输出性能。

本文基于SOI高温压力传感器芯片， 设计并制作了3种不同封装黏合材料的9支压力传感器， 在300 ℃@100 h高温长时间带电考核测试结果表明， 相比于环氧树脂和玻璃浆料， 无机高温胶作为封装黏合材料制成的3支高温压力传感器在300 ℃@100 h高温环境下平均零点输出时漂更小， 约为0.019 05 mV/h。并且传感器在高温考核过后测试其静态性能指标结果表明， 由无机高温胶作为封装黏合材料制成的3支传感器平均综合重复性、 迟滞性、 线性度约为1.062%， 性能较其他两种材料更加优异， 说明封装黏合材料的热膨胀系数越小， 在高温环境下对传感器输出性能影响越小。

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基金资助

国家重点研发计划资助项目(2023YFB3208500)

中央引导地方科技发展资金项目(YDZJSX20231B006)