经过数十年的设备研发和系统设计与制造技术的逐步成熟,但是设备的产业化和市场化有许多不同的种类,许多都未能大量退出实验室并充分发挥其作用。潜在的应用在军事和民用物品上,还需要研究和解决许多问题,其中包括封装是限制工业化的重要原因。
为了适应技术的发展,人们已经开发了许多新的包装技术和工艺,例如阳极键合,硅熔融键合,共晶键合等,并基本建立了自己的包装体系。如今,封装通常分为以下几个级别:裸芯片封装,设备级别封装,硅晶片级别封装,单芯片封装和系统级别封装。系统级封装(SIP)的目的主要是使设备能够满足不同类型产品的需求。微系统用户必须定义要使用的设备的环境和条件。对于复杂的系统,要求设计,制造和包装方面的专家共同努力以开发解决方案,确定系统结构和制造过程等。
基于扩散硅压力传感器的工作原理和传统封装形式的分析,为压力传感器系统级设计提供参考,封装的基本思想将是扩散硅压力敏感芯片及其对应的驱动放大器电路和其他辅助电路系统集成在特殊设计的印刷电路板上,并使用经过特殊设计的系统级工艺将其包装在金属外壳中,从而形成完整的压力传感器。 2.扩散硅压力传感器及其封装的半导体的压阻效应是史密斯在1954年发现的。自那时以来,对压力传感器的研究一直在持续,包括集成压力传感器,柔性基础低压传感器和封装在晶圆级的压力传感器。利用压阻效应原理,采用掺杂,扩散后的集成技术,将单晶硅在特定的晶体取向上制成耐应变性,构成惠斯通电桥,利用硅材料的弹性力学特性,将各向异性同样的硅微处理,是通过集成力敏感和力电转换来测试硅传感器的扩散而制成的。扩散的硅压敏芯片本身不能完成压力测量或从压力到电信号的转换,它必须具有合适的封装和支持电路系统。综上所述,压力传感器的包装应符合以下要求:1)机械强度高,耐振动,耐冲击; 2)避免热应力对芯片的影响; 3)芯片需要与环境或地面绝缘; 4)电磁要求为空白; 5)以气密方式隔离腐蚀性气体或流体,或以非气密方式隔离水和气体。 6)价格低廉,包装形式与标准制造工艺兼容。压力传感器的常用封装形式包括TO封装,气密性充油不锈钢封装,小形状塑料封装(SOP)等。
3,基于SIP技术的压力传感器系统级别3.1在设计中封装某种类型的汽车压力传感器,借鉴SIP技术的基本思想,将扩散硅压敏,放大器芯片和其他外围电子组件集成在一起在基板上,植入不透气的油填充的不锈钢外壳,以获得压力传感器的系统级包装。传统的压敏头在封装内部仅具有扩散的硅压力芯片,并且必须从外部驱动以放大电路,因此必须有外部电路板。通常,将传感器头和电路板放在金属盒中,以形成完整的压力传感器。由于采用了两层外壳,压力传感器的体积很大,成本也不容易降低。同时,将敏感头和电路板放入壳体的过程需要进行加压和法兰连接,这将导致敏感头的内部应力和零漂移。当采用SIP技术将敏感芯片和电路集成到外壳中时,其体积明显小于传统的封装工艺,并且通过消除一个外壳而降低了成本。只需将膜片上的压力环设计成所需的螺纹接口,并将壳体的另一端压入适当的输出和电源连接器,即可满足不同场合的需求。
3.2在陶瓷基板上集成敏感元件和电路的包装:首先,敏感元件应固定在该位置,其次,应进行必要的电路连接。常用的包装形式包括TO包装,气密性充油不锈钢包装,小尺寸塑料包装等。MEMS芯片包装中通常使用扩散硅压力芯片与玻璃载体之间的静电密封技术。为了避免密封期间芯片的高热应力,通常使用具有类似于硅的热膨胀系数的材料作为芯片的载体。为了减少压力传感器的体积,实现系统级封装,扩散硅压力必须集成在芯片和相关的电路基板上,该基板作为扩散硅压力芯片电路板本身的载体,要达到这一目的是基板材料的热膨胀系数和硅的热膨胀系数的第一个条件,在普通电路板中只有陶瓷基板中使用的基板材料符合要求,因此在PCB设计中选择陶瓷基板,并根据尺寸的要求在结构上,选择0402封装的电阻,电容和电感,保留所有权利,实现传感元件与电路的集成。
不锈钢膜片封装的硅压阻式压力传感器的结构为气密封装,其结构特点有利于一系列通用传感器的开发。基于SIP技术的系统级封装压力传感器也采用这种基本封装形式。隔离膜压力传感器头由金属底座,管壳,硅油,传感器压力芯片和不锈钢膜片组成。主要制造工艺如下:将硅芯片直接固定在陶瓷电气路基板上,与恒流原励磁电路,放大电路,温度补偿电路等电路一起形成完整的电气路基板。电气路基板通过粘合技术固定在不锈钢管壳的底座上。不锈钢膜片和外壳通过熔焊工艺焊接。焊接过程可以是激光焊接,氩弧焊或电子束焊接。硅油灌装技术一般采用真空灌装技术,可以基本消除残留气体对隔离压力测量系统的影响,提高传感器的精度和稳定性。在确保压力传感器内部的电气路基板安装间隙,固定导线的安全性以及可靠有效的压力传递的前提下,专门设计了陶瓷填充件,可以有效减少内部的注油空间压力传感器并减少传感器的漂移。真空填充技术可以基本消除残留气体对隔离式压力测量系统的影响,并提高传感器的精度和稳定性。在传感器的结构设计中,利用外壳内部电路板空间分成两部分,不锈钢膜片是空间1和电路板之间的空间4硅油填充空间,以减少硅油泵的用量,在此空间植入陶瓷环5,同时使用后首先要在不锈钢隔膜泵硅油焊接工艺中,将电路板和陶瓷环板装在外壳上,然后用氩弧焊缝将环和不锈钢隔膜压接完成,然后使用硅油泵的真空泵技术。
3.5多点温度补偿技术压力芯片,恒流源,放大电路和包装材料的温度特性等不可避免,最终会导致压力传感器的输出随温度的变化而漂移,温度漂移无补偿,会使输出传感器的温度和变化会导致传感器输出的不确定性,使其无法使用。硅压阻压力传感器本身具有固有的特性,即温度系数大。因此,有必要补偿温度误差。为了达到温度补偿的目的,通过测试和计算附着在应变桥上的电阻网络的高低温特性来确定网络的电阻值。汽车压力传感器要求在-40℃〜+ 125℃的超宽工作温度范围内稳定,常用的温度补偿方法很难达到这一目标,因此,在附加电阻网络的基础上,分别通过多个热敏电阻来应变桥,恒流源,放大器增益用于温度补偿,确保在-40℃〜+ 125℃的超宽工作温度范围内稳定工作。由于系统采用多点温度补偿技术,增加了系统的复杂性,尤其是电路的调试,针对这一问题通过大量的实验和数据分析,测试以及相应的设计,建立了一套完善的调试方法,可以按量产的方法设计压力传感器温度补偿系统,实现工作的自动化。