背壓式高過載壓力傳感器芯片的設計及應用

李樹成 李海全 阮炳權

（廣東和宇傳感器有限公司 廣東省江門市 529100）

MEMS 硅壓力傳感器廣泛應用于消費電子、工業、醫療和汽車等多領域壓力的測量。在實際應用中，壓力傳感器的可靠性要求越來越高，如汽車領域的壓力測量，壓力傳感器常會出現過載、壓力沖擊等惡劣工況，壓力傳感器的壽命設計要求達到10年。針對越來越嚴苛的應用工況，對傳感器的要求越來越高。

傳統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行die-bonding，然后進行wirebonding 和膠水保護。傳統的硅正面受壓封裝結構，其正面的電路和鍵合連接線長期暴露于壓力交變的介質中，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連接的邦定線通過膠水保護，但是需要和測量的介質長期接觸，在壓力交變的影響下，邦定線長期處于往復的動作狀態，經過一定次數的壓力交變后，邦定線由于壓力疲勞導致斷裂失效。傳感器所用的保護膠水需要考慮是否和使用的介質兼容，針對一些具有侵入性介質，需要特殊材質的保護膠水，應用的范圍有限。因此正面受壓封裝方式的介質一般為潔凈的空氣，應用的范圍有限，而使用在嚴苛介質中必須要經過復雜的封裝，其工藝復雜，成本高，競爭力低。目前國內研發的壓力傳感器，如表壓式壓力傳感器，膜片的結構通常使用濕法刻蝕，膜片的只能承受3 倍的過載壓力，部分可以實現背壓式封裝，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，長期在惡劣的環境使用，如高溫交變或者有侵蝕性的介質，將會使膠水失效，因此現階段背壓應用的膠水封裝方式可靠性不高。

本文研制一種背壓式高過載的壓力傳感器，該傳感器使用背壓式共晶結構，具有較好的介質兼容性，機械限位結構提高抗過載能力，能夠顯著的提高傳感器可靠性。

1 背壓式高過載壓力傳感器芯片的結構設計

設計的傳感器芯片如圖1所示，其中a’為窄梁區，b’為寬梁區，c’為梁寬，d’為島寬。中心寬梁區布置兩個力敏電阻，邊緣兩個窄梁區各布置一個力敏電阻。兩個邊梁區和中心寬梁區在應力的作用下變形，并且應力集中在兩個邊梁區和中心寬梁區。由于島具有剛性，其起到了非線性補償作用。當應力從正面作用時候，兩個邊梁區產生正應力，而中心寬梁產生負應力。在中心的寬梁區布置R2，R3 兩個力敏電阻，在兩個邊梁區布置力敏電阻R1，R4，如圖2所示的惠斯登電橋和梁膜區的應力變化曲線圖[1]。

圖1：傳感器示意圖

圖2：電橋組成和應力分布圖

1.1 背壓式高過載壓力傳感器芯片電阻的設計

根據設計芯片的量程，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，晶向為100，電阻率為0.8～1.2Ω?cm，硅片的厚度為425um。使用離子注入技術，設計單個力敏電阻的阻值約為5KΩ。

1.2 背壓式高過載壓力傳感器芯片膜片的設計

傳感器的膜片采用梁島膜結構，梁膜島結構能夠有效的提高傳感器的線性度。梁膜島結構膜片由ICP 工藝加工，膜片在壓力的作用下形變，起應力傳遞的作用；梁區為應力的集中點，力敏電阻布置在梁區，能夠實現高靈敏度的應力測量；島區為剛性體，和梁區組合使應力集中在梁區，實現應力的集中以提高靈敏度。梁島膜結構使用干法工藝制作，梁島膜區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整正面膜區ICP 刻蝕的深度來進行匹配。

1.3 背壓式高過載壓力傳感器芯片蓋板的設計

蓋板可實現絕壓參考腔體和過載限位結構的功能。蓋板使用多次光刻，薄膜濺射和深刻蝕加工而成，蓋板的材質可以是高硼硅玻璃或者單晶硅。制作好蓋板，可通過靜電鍵合或者共晶的方式和傳感器本體進行密封連接。傳感器本體通過埋層引線的方式實現硅表面平坦化，再真空中靜電鍵合或共晶鍵合[2]，可實現絕壓參考腔的結構和過載限位結構。蓋板中的凸臺設計與傳感器的彈性膜區的間距約4～6um，保證傳感器在2 倍的量程壓力下依然能夠正常過載工作，在達到3 倍的量程的壓力后，膜區和蓋板的凸臺接觸，實現膜片的過載限位。

2 背壓式高過載壓力傳感器芯片樣品的制作

采用設計的傳感器芯片結構制作背壓式高過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，在濃硼埋層引線區中摻雜硼原子，使其形成導電層，同時保證晶圓表面平整；

（3）光刻力敏電阻區，采用離子注入摻雜硼原子，形成P 型導電層；

（4）退火及再分布，調節電阻區的方阻，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）光刻鍵合區的氮化硅；

（9）正面，背面濺射鉻鎳金；

（10）反刻鋁焊盤和鋁引線；

（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，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）蓋板通過金錫共晶工藝和傳感器本體鍵合。

3 背壓式高過載壓力傳感器芯片的應用

使用制作出來的2.5MPa壓力傳感器芯片進行封裝，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定性、綜合精度指標的關鍵因數。壓力傳感器的穩定性，除了和傳感器本身結構以及制作工藝的水平有關外，還和其封裝技術工藝有密切的關系。壓力傳感器的封裝方法，能夠有效的避免封裝的應力、安裝的應力或者材料的應力對傳感器的穩定性產生影響。封裝的應力通常和封裝的方法有關，在設計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，減少由于熱交變或者蠕變產生的應力降低傳感器的穩定性。對于安裝應力的影響，主要考慮傳感器封裝后制作成壓力變送器，所應用的環境的安裝如扭矩，固定方式等，還能夠設計有效的結構避免安裝固定應力傳遞到壓力傳感器，有效的減少安裝應力對傳感器穩定性的影響。

3.1 金錫共晶焊接的原理

本試驗使用金錫共晶的方式對傳感器進行封裝。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率、強度高，潤濕性好，抗氧化性能好，耐腐蝕性強，抗熱疲勞和蠕變性能優良。它與高鉛焊料熔點最相近，在金焊盤、和鈀銀焊盤上使用該釬料時還可避免吃金問題和焊盤脫落現象。該焊料與低熔點的無鉛共晶焊料相比，具有更高的穩定性和可靠性。Au80Sn20 共晶焊料在封裝焊接中無需助焊劑，避免了因使用助焊劑對半導體芯片形成的污染和腐蝕。

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

3.2 背壓式高過載壓力傳感器芯片金錫焊接壓力座的設計

考慮背壓式高過載壓力傳感器芯片的結構特點，本試驗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和硅的熱膨脹系數接近，壓力座設計有共晶面和焊接面，壓力座設計有有應力隔離結構，能夠避免壓力座安裝應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，通過電鍍的方式在共晶面鍍金屬鎳和金。

3.2 背壓式高過載壓力傳感器芯片共晶焊接工裝的設計

設計的傳感器封裝結構為共晶焊接，需要設計工裝進行定位進行焊接。本試驗中使用共晶工裝對壓力座進行裝配，要求共晶的工裝必須能夠耐高溫且結構穩定且不容易變形。本試驗中使用石墨導熱材料制作，也可以使用如不銹鋼等材料制作，石墨工裝具有高溫結構穩定，導熱快等特點，工裝能夠在共晶的時候快速的吸熱并傳遞到壓力座上。通過使用共晶工裝固定壓力座，金錫材料，壓力傳感器，形成穩固的結構，能夠在共晶爐里面完成有效的共晶焊接。

3.3 背壓式高過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量是影響傳感器穩定性決定性因素。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焊接面共晶的空洞不形成壓力的泄露通道。通過調節壓力傳感器共晶焊接的工藝，如調節共晶爐共晶時候的共晶溫度曲線、真空率，保護氣體的壓力等，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量。共晶焊接溫度曲線的確定通常受多個因素的影響，第一考慮因素為所使用材料的共晶溫度點，材料的回流的溫度點。第二因素為工件的數量，工件的大小、吸熱效率等，第三因素為共晶爐內氣體含量對共晶溫度的傳遞的有效性。本試驗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 真空率和保護氣體的控制

通過調節真空度，能夠有效的減少壓力傳感器芯片共晶時的氧氣含量，利用反復調節真空度和充氮氣的方法，去除真空共晶爐里面的氧氣，減少氧氣在高溫條件下對共晶焊料的氧化作用，同時充氮氣的操作能夠有效的利用氮氣作為熱量的傳遞媒介，實現加熱器和工件的有效熱量傳遞和對焊料的保護。在共晶焊料的熔融回流狀態，通過抽真空處理，能夠有效的去除熔融焊料的氣泡，實現減少共晶焊接空洞率的目的。

4 測試結果和討論

使用2.5 MPa 壓力傳感器芯片樣品通過共晶焊接的方式進行封裝，壓力的加壓方向為背壓式：

測試設備：可編程恒壓5V 電源，威卡壓力控制器一臺，60 MPa 活塞式壓力計一臺，高低溫箱1 臺，福祿克5 位半數字萬用表；

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 個行程，計算傳感器的靈敏度，非線性，重復性和遲滯；分別把傳感器防止在-40℃和125℃中，測試傳感器的0 MPa，2.5MPa壓力下的輸出電壓，計算傳感器的熱零點漂移和熱靈敏度漂移，結果如表1所示。

表1：壓力傳感器的測試結果

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，測試傳感器的輸出電壓，記錄傳感器的輸出電壓，結果表明傳感器能夠滿足2 倍的過載壓力使用要求。

在常溫的條件下，使用60 MPa 活塞式壓力計給傳感器以1 MPa 為間隔施加壓力，直到傳感器出現泄露，試驗結果表明，傳感器在24 MPa 左右出現破裂，膜片和蓋板均爆裂，傳感器和基座的共晶結構均完好無損，證明所設計的壓力傳感器和共晶結構能夠滿足8 倍爆破的要求，實現了背壓式高過載。

5 結論

設計的背壓式高過載壓力傳感器，通過設置梁島膜結構，能夠有效的保證傳感器的線性度。通過設置蓋板限位結構，背部濺射鉻鎳金金屬層，能夠實現背壓式共晶焊接測量，在保證傳感器線性度和滿足2 倍過載使用壓力的前提下，提高了傳感器的過載爆破保護能力。實際測試證明，設計的傳感器過載爆破壓力可達量程的8倍。