硅壓阻式壓力充油芯體封裝工藝設(shè)計(jì)改良與創(chuàng)新

潘佩佩

（南京薩特科技發(fā)展有限公司，江蘇南京 210049）

0 引言

現(xiàn)今社會(huì)已進(jìn)入“信息化”時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)是“信息化”的重要標(biāo)志。而物聯(lián)網(wǎng)的核心就是通過傳感器等設(shè)備進(jìn)行物與互聯(lián)網(wǎng)信息的互通。其中壓力傳感器應(yīng)用較廣泛，為了制造出高精度、高可靠性的壓力傳感器，必須對(duì)硅壓阻式壓力充油芯體制造工藝進(jìn)行嚴(yán)格的控制，任一工序出現(xiàn)問題都有可能影響產(chǎn)品的靜態(tài)性能指標(biāo)、非線性和精度等重要性能參數(shù)。

1 芯體工作原理

硅壓阻式壓力充油芯體[1]，是將MEMS硅壓阻壓力敏感芯片封裝在316L不銹鋼外殼中，外加壓力從不銹鋼膜片通過硅油傳遞到敏感芯片上[2]，具有高性能、高靈敏度、高精度和高穩(wěn)定性并提供OEM應(yīng)用。

硅壓阻壓力敏感元件的電路原理如圖1所示，硅壓阻式壓力充油芯體的工作原理如圖2所示。

圖1硅壓阻壓力敏感元件電路原理

圖2硅壓阻式充油芯體工作原理

2 產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

硅壓阻式壓力芯體采用隔離膜片充油結(jié)構(gòu)，壓力敏感元件粘接在燒結(jié)不銹鋼外殼上，通過金絲鍵合，將壓力敏感元件的壓焊點(diǎn)與不銹鋼外殼的引腳相連接；不銹鋼外殼的引腳通過玻璃燒結(jié)成一體，既保證了壓力敏感元件的電信號(hào)傳輸，又保證了密封。硅壓阻式壓力芯體利用氬弧焊接工藝將焊環(huán)、波紋膜片及燒結(jié)不銹鋼外殼連接起來，壓力敏感元件被封裝在空腔中，通過與腔體連接的小孔，將硅油充入其中，用鋼珠將小孔封住，這樣壓力芯片被封裝在一個(gè)充滿硅油的環(huán)境中，被測(cè)介質(zhì)的壓力通過膜片及硅油準(zhǔn)確地傳遞到壓力芯片上[3-4]，同時(shí)，壓力芯片與被測(cè)介質(zhì)之間有良好的隔離。

2.1.2可靠性工藝

由于硅壓阻式壓力充油芯體應(yīng)用范圍較廣，使用環(huán)境寬泛，這需要產(chǎn)品具備高穩(wěn)定性和高可靠性，可通過下列制造工藝確保。

（1）波紋膜片、焊環(huán)、316L不銹鋼外殼選用氬弧焊接，氬弧焊接能量調(diào)節(jié)為20～21A，焊接4/5圈，焊縫寬度為1.0±0.1mm。

（2）316L不銹鋼外殼與合金引腳采用玻璃絕緣子燒結(jié)，顯微鏡下觀察玻璃絕緣子無氣泡。

（3）316L不銹鋼外殼充入適量硅油后，選用適合尺寸的鋼珠，使用貯能點(diǎn)焊機(jī)，調(diào)節(jié)合適的焊接能量，顯微鏡下觀察，鋼珠與不銹鋼殼體緊密連接，無間隙。

2.2 工藝流程

2.2.1壓敏元件粘貼工藝

由于壓敏元件較敏感，微變形即可造成測(cè)試數(shù)據(jù)的偏差，粘貼壓敏元件的膠水選用需謹(jǐn)慎。A、B雙組份環(huán)氧膠，硬度為邵氏D84，此膠水較硬，具有變形小等優(yōu)點(diǎn)，但高低溫沖擊時(shí)易開裂，單組份氟硅膠硬度為邵氏A37，此膠水偏軟。綜合粘度、剪切強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度等指標(biāo)，氟硅膠更適用壓敏元件的粘貼。

涂覆膠水時(shí)要求膠量適中，粘貼過程需謹(jǐn)慎避免觸碰壓敏元件電路層。為確保粘合度，可使用膠棒等軟性材質(zhì)按壓壓敏元件。

2.2.2充硅油工藝

由于壓敏元件腔體內(nèi)充滿硅油，而測(cè)量壓力的媒介即為波紋膜片及硅油，故要求充硅油過程中不得進(jìn)入空氣，謹(jǐn)防熱脹冷縮導(dǎo)致波紋膜片空鼓，造成產(chǎn)品失效。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，制訂以下充硅油工藝要求。

（1）硅油放入真空干燥箱內(nèi)，烘抽1h，去除硅油內(nèi)氣泡。

（2）設(shè)置真空鍍膜設(shè)備，真空度達(dá)到6.0E-3Pa以下時(shí)，進(jìn)行充硅油。

（3）充硅油完成后，避免空氣灌入，鋼珠焊接均在硅油液面下操作。

3 關(guān)鍵工藝控制

3.1 金絲鍵合工藝控制

3.1.1設(shè)備預(yù)熱

超聲熱壓球焊機(jī)預(yù)熱10min，避免出現(xiàn)設(shè)備焊接能量不穩(wěn)定現(xiàn)象。

3.1.2參數(shù)設(shè)定

（1）劈刀與鍵合點(diǎn)高度調(diào)節(jié)為4.5±0.2mm。

（2）壓敏元件內(nèi)鍵合焊接能量為10W，焊接時(shí)間為6s。

（3）不銹鋼外殼內(nèi)引腳鍵合焊接能量為7W，焊接時(shí)間為7s。（4）設(shè)備溫度調(diào)節(jié)為 90±5℃。

3.1.3金絲安裝

由于金絲直徑為φ0.038mm，故金絲鍵合過程中，應(yīng)避免尖銳工具劃傷金絲表面，從而造成產(chǎn)品失效。

3.1.4拉力試驗(yàn)

首件使用拉力計(jì)，作用于金絲中間部分，拉力應(yīng)＞0.1N，方可滿足設(shè)計(jì)需求。

3.1.5銀漿涂覆

鍵合完成后，應(yīng)使用銀漿涂覆于鍵合點(diǎn)，提高金絲鍵合強(qiáng)度。

3.2 氬弧焊接工藝控制

3.2.1設(shè)備預(yù)熱

氬弧焊接機(jī)預(yù)熱10min，避免出現(xiàn)設(shè)備焊接能量不穩(wěn)定現(xiàn)象。

3.2.2參數(shù)設(shè)定

（1）氬氣流量調(diào)節(jié)為 7.5～10L/min。

（2）設(shè)備轉(zhuǎn)速設(shè)置為13秒/轉(zhuǎn)。

（3）焊接能量設(shè)定為20～21A。

（4）使用鎢針進(jìn)行焊接，鎢針與焊縫距離應(yīng)為0.5mm。

（5）由于波紋膜片較薄，故氬弧焊接為一次成型，不得進(jìn)行補(bǔ)焊。

3.2.3焊接要求

焊后焊縫應(yīng)平滑，無縫隙、無空洞，焊縫寬為1.0±0.1mm。

3.2.4焊接試驗(yàn)

為確保焊接質(zhì)量，焊后應(yīng)進(jìn)行過載測(cè)試，使用滿量程5倍壓力值，持續(xù)加壓5min，顯微鏡下觀察焊縫無滲漏硅油，波紋膜片無變形，方可滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

4 工藝改良與創(chuàng)新

4.1 常規(guī)芯體充硅油工藝過程

（1）將待充油芯體放于容器內(nèi)置于鼓風(fēng)干燥箱，100±5℃烘干1h，硅油放于真空箱內(nèi)烘抽1h。

（2）將裝置芯體的容器及硅油置于真空罩內(nèi)，打開機(jī)械泵。

（3）真空度大于6.0E-0Pa時(shí)，打開擴(kuò)散泵。

（4）真空度大于1.0E-1Pa時(shí)，保持1h，測(cè)試高真空。

（5）真空度大于6.0E-3Pa時(shí)，打開電磁閥，是硅油流全部流至裝芯體容器內(nèi)。

（6）關(guān)閉真空計(jì)，停止擴(kuò)散泵及機(jī)械泵，升真空罩，硅油經(jīng)芯體充油孔流入芯體內(nèi)。

4.2 常規(guī)芯體充硅油工藝過程弊病

表壓芯體需要裝置表壓柯閥管，完全浸入硅油時(shí)，柯閥管內(nèi)亦充滿硅油。因?yàn)楸韷汗芰硪欢诉B接壓敏元件表壓孔，故在不觸碰壓敏元件的同時(shí)，很難清洗干凈表壓柯閥管內(nèi)硅油，造成芯體穩(wěn)定性及溫漂指標(biāo)差。

4.3 工藝改良方案

使用針管打油至芯體表面內(nèi)腔，通過真空泵，將表面的硅油抽入芯體內(nèi)腔，避免柯閥管內(nèi)接觸硅油，旨在提高芯體穩(wěn)定性及溫漂。

4.4 測(cè)試分析

（1）選用表壓芯體（0～17kPa）8只進(jìn)行兩種充硅油工藝驗(yàn)證，1#～4#使用常規(guī)充硅油工藝，5#～8#使用改良后充硅油工藝。

結(jié)論：對(duì)比兩種工藝零位變化量均小于等于（0±0.05）mV，非線性均小于（0±0.25）%FS，精度均小于（0±0.2）%FS，遲滯、重復(fù)性均小于（0±0.1）%FS，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

（2）選用表壓芯體（0-17）kPa，400只，40只/批次，共計(jì) 10 批次，改進(jìn)前批次編號(hào)為1#～5#，改進(jìn)后批次為6#～10#。

結(jié)論：改進(jìn)前產(chǎn)品溫漂合格率為90.3%，改進(jìn)后產(chǎn)品溫漂合格率達(dá)99.5%（凹痕等不良數(shù)量不計(jì)入合格率計(jì)算）。改進(jìn)前成品合格率為83.7%，改進(jìn)后成品合格率達(dá)99.4%（凹痕等不良數(shù)量不計(jì)入合格率計(jì)算）。綜上充油工藝改良可提高表壓芯體溫漂及產(chǎn)品合格率。

5 結(jié)語

為了制造出高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性的硅壓阻式壓力充油芯體，制造單位除了有相應(yīng)高精度的制作設(shè)備，還需加強(qiáng)產(chǎn)品制造工藝，嚴(yán)格按照作業(yè)指導(dǎo)書操作，保證產(chǎn)品焊接可靠性、消除焊接應(yīng)力等相關(guān)試驗(yàn)，并對(duì)產(chǎn)品防護(hù)及操作環(huán)境嚴(yán)加控制，杜絕人為或環(huán)境導(dǎo)致產(chǎn)品性能的偏差。