CN102928150A - 一种无引线封装的金属薄膜压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无引线封装的金属薄膜压力传感器及其制备方法。所述无引线封装的金属薄膜压力传感器包括金属薄膜压力传感器芯片，玻璃密封罩，导电金属引针和导电金属料。本发明替代了传统工艺中的引线、转接及封装等多个工艺步骤，大大简化了薄膜压力传感器的制作工艺，使薄膜压力传感器的外形尺寸大大缩小，为薄膜压力传感器的一些如超低温介质压力测量的特殊应用提供了可靠保证；并且采用这种发明的薄膜压力传感器制备工艺简单，结构可靠。

Description

一种无引线封装的金属薄膜压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于薄膜特种传感器技术领域，具体涉及一种无引线封装的金属薄膜压力传感器及其制备方法。通过采用半导体工艺技术中的键合和真空退火工艺，实现金属薄膜压力传感器的无引线封装，工艺简单，体积小巧，避免了传统引线方式存在的不可靠因素。
背景技术
金属薄膜压力传感器作为“第三代传感器”，由于取消了传统应变片的黏结，蠕变小，抗振抗冲击能力强，稳定性好，可靠性高，一直是各种恶劣环境下压力测量的优选传感器。
一些特殊场合，如火箭发动机液氢、液氧燃料压力的测量，导弹发动机燃烧压力参数的测量，需要压力传感器具有耐超低温、高温或小型化的特点，各种航天、航空等军事上的应用要求传感器具有高可靠性，传统的金属丝引线方式会带来不可预计的可靠性问题，尤其是在超低温或高振动等恶劣环境中。
因此，需要一种改变传统引线封装方式的全新设计，完成无引线封装。取消金属丝引线和内部转接的结构设计，提高金属薄膜压力传感器的可靠性，减小封装体积。
发明人曾在专利CN202382900 U中介绍了一种应变式压力传感器的绝压封装结构，金属薄膜压力传感器芯片焊接在基座上，芯片引线通过压焊硅铝丝，并利用导电胶辅助固定的方式；内部还设计有引线板，固定在焊接在基座上的下支架上，硅铝丝连接到引线板，再设计一种金属密封接头，利用电子束焊接在基座上，实现密封真空封装，金属密封接头上通过玻璃烧结有电气引针，实现从真空腔到外部调理电路的电信号输出连接，从而完成一个金属薄膜压力传感器的引线真空封装。该发明的应变式压力传感器体积较大，内部引线转接多次，存在一定的不可靠性，且金属丝连接容易结露、凝霜，造成短路或其他失效。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种无引线封装的金属薄膜压力传感器及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
参见图1和图2，所述无引线封装的金属薄膜压力传感器包括金属薄膜压力传感器芯片2，玻璃密封罩3，导电金属引针4和导电金属料5；所述金属薄膜压力传感器芯片2包括不锈钢杯21，设于不锈钢杯21上的不锈钢镜面圆环24；不锈钢杯21表面不锈钢镜面圆环24以外的区域设有多层薄膜22；所述多层薄膜22包括引线焊盘23；所述玻璃密封罩3上设有与引线焊盘23对应的通孔31；玻璃密封罩3与不锈钢杯21上的不锈钢镜面圆环24键合；所述通孔31中填充导电金属料5，导电金属引针4插入充满导电金属料5的通孔31中，通过导电金属料5实现通孔31的金属化，实现导电金属引针4与金引线焊盘23的无引线连接。
其中，所述玻璃密封罩3材料为LAZS系统微晶玻璃；所述导电金属引针4材料为4J29铁镍钴可伐合金；所述导电金属料5为Au；所述不锈钢镜面圆环24外径为15mm～22mm，内径为8mm～15mm；所述引线焊盘23材料为Au，厚度为0.2μm～0.5μm；所述通孔31为锥形。
上述金属薄膜压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
（1）加工玻璃密封罩，在玻璃密封罩上形成与引线焊盘对应的通孔；
（2）抛光、清洗、干燥不锈钢杯和玻璃密封罩；
（2）将不锈钢杯与不锈钢镜面圆环掩膜套装在一起并放于沉积镀膜系统的行星架上；
（3）依次在不锈钢杯表面淀积多层薄膜，沉积完成后即制得金属薄膜压力传感器芯片；
（4）将金属薄膜压力传感器芯片和玻璃密封罩按通孔与引线焊盘匹配安装，在玻璃密封罩与不锈钢镜面圆环接触的环区加压键合；
（6）在玻璃密封罩的通孔中注入导电金属料，插入金属引针，用特定夹具固定后，进行真空退火；制得无引线封装的金属薄膜压力传感器。
其中，步骤（1）是通过包括激光、超声波打孔、湿法或干法刻蚀技术等在内的物理或化学方法对玻璃密封罩加工；步骤（4）所述的键合为阳极键合，工艺条件是：键合温度为150℃～400℃，键合电压为200V～1000V，键合时间为10 min～50min；步骤（6）所述的真空退火条件是：温度为250～350℃；退火时间为10～20min，退火气氛为真空。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明由于采用无引线封装工艺技术，替代了传统金丝或其他金属丝引线的工艺方式，减少了压焊引线和金属丝自身的不可靠因素；本发明的使用直接替代了传统工艺中的引线、转接及封装等多个工艺步骤，大大简化了薄膜压力传感器的制作工艺，使薄膜压力传感器的外形尺寸大大缩小，为薄膜压力传感器的一些如超低温介质压力测量的特殊应用提供了可靠保证；并且采用这种发明的薄膜压力传感器制备工艺简单，结构可靠；本发明的传感器能可靠地应用在超低温、高温或一些高振动、高可靠度要求的压力测量场合。
附图说明
图1是本发明无引线封装的金属薄膜压力传感器的结构示意图；
图2是本发明无引线封装的金属薄膜压力传感器中金属薄膜压力传感器芯片的结构示意图。
图中：1、无引线封装的金属薄膜压力传感器；2、金属薄膜压力传感器芯片；3、玻璃密封罩；4、导电金属引针；5、导电金属料；21、不锈钢杯；22、多层薄膜；23、引线焊盘；24、不锈钢镜面圆环；31、通孔。
具体实施方式
实施例1
参见图1和图2，所述无引线封装的金属薄膜压力传感器1包括金属薄膜压力传感器芯片2，玻璃密封罩3，导电金属引针4和导电金属料5；所述金属薄膜压力传感器芯片2包括不锈钢杯21，设于不锈钢杯21上的不锈钢镜面圆环24；不锈钢杯21表面不锈钢镜面圆环24以外的区域设有多层薄膜22；所述多层薄膜22包括引线焊盘23；所述玻璃密封罩3上设有与引线焊盘23对应的通孔31；玻璃密封罩3与不锈钢杯21上的不锈钢镜面圆环24键合；所述通孔31中填充导电金属料5，导电金属引针4插入充满导电金属料5的通孔31中，通过导电金属料5实现通孔31的金属化，实现导电金属引针4与金引线焊盘23的无引线连接。
其中，所述玻璃密封罩3材料为LAZS系统微晶玻璃；所述导电金属引针4材料为4J29铁镍钴可伐合金；所述导电金属料5为Au；所述不锈钢镜面圆环24外径为15mm～22mm，内径为8mm～15mm；所述引线焊盘23材料为Au，厚度为0.2μm～0.5μm；所述通孔31为锥形。
实施例2
本发明所述一种无引线封装的金属薄膜压力传感器工艺方法包括以下步骤：
（1）加工玻璃密封罩，在玻璃密封罩上形成与引线焊盘对应的通孔；
（2）抛光、清洗、干燥不锈钢杯和玻璃密封罩；
（2）将不锈钢杯与不锈钢镜面圆环掩膜套装在一起并放于沉积镀膜系统的行星架上；
（3）依次在不锈钢杯表面淀积多层薄膜，制得金属薄膜压力传感器芯片；
（4）将金属薄膜压力传感器芯片和玻璃密封罩按通孔与引线焊盘匹配安装，在玻璃密封罩与不锈钢镜面圆环接触的环区加压键合；
（6）在玻璃密封罩的通孔中注入导电金属料，插入金属引针，用特定夹具固定后，进行真空退火；制得无引线封装的金属薄膜压力传感器。
其中，步骤（1）是通过包括激光、超声波打孔、湿法或干法刻蚀技术等在内的物理或化学方法对玻璃密封罩加工；步骤（4）所述的键合为阳极键合，工艺条件是：键合温度为150℃～400℃，键合电压为200V～1000V，键合时间为10 min～50min；步骤（6）所述的真空退火条件是：温度为250～350℃；退火时间为10～20min，退火气氛为真空。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。 

Claims (9)

1.一种无引线封装的金属薄膜压力传感器，其特征在于，所述无引线封装的金属薄膜压力传感器（1）包括金属薄膜压力传感器芯片（2），玻璃密封罩（3），导电金属引针（4）和导电金属料（5）；所述金属薄膜压力传感器芯片（2）包括不锈钢杯（21），设于不锈钢杯（21）上的不锈钢镜面圆环（24）；不锈钢杯（21）表面不锈钢镜面圆环（24）以外的区域设有多层薄膜（22）；所述多层薄膜（22）包括引线焊盘（23）；所述玻璃密封罩（3）上设有与引线焊盘（23）对应的通孔（31）；玻璃密封罩（3）与不锈钢杯（21）上的不锈钢镜面圆环（24）键合；所述通孔（31）中填充导电金属料（5），导电金属引针（4）插入充满导电金属料（5）的通孔（31）中。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述玻璃密封罩（3）材料为LAZS系统微晶玻璃；所述导电金属引针（4）材料为4J29铁镍钴可伐合金；所述导电金属料（5）为Au。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述不锈钢镜面圆环（24）外径为15mm～22mm，内径为8mm～15mm。
4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述引线焊盘（23）材料为Au，厚度为0.2μm～0.5μm。
5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述通孔（31）为锥形。
6.一种如权利要求1～5之一所述金属薄膜压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
（1）加工玻璃密封罩，在玻璃密封罩上形成与引线焊盘对应的通孔；
（2）抛光、清洗、干燥不锈钢杯和玻璃密封罩；
（2）将不锈钢杯与不锈钢镜面圆环掩膜套装在一起并放于沉积镀膜系统的行星架上；
（3）依次在不锈钢杯表面淀积多层薄膜，沉积完成后即制得金属薄膜压力传感器芯片；
（4）将金属薄膜压力传感器芯片和玻璃密封罩按通孔与引线焊盘匹配安装，在玻璃密封罩与不锈钢镜面圆环接触的环区加压键合；
（6）在玻璃密封罩的通孔中注入导电金属料，插入金属引针后固定，进行真空退火；制得无引线封装的金属薄膜压力传感器。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤（1）是通过激光、超声波打孔、湿法或干法刻蚀技术对玻璃密封罩加工。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤（4）所述的键合为阳极键合，工艺条件是：键合温度为150℃～400℃，键合电压为200V～1000V，键合时间为10 min～50min。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤（6）所述的真空退火条件是：温度为250～350℃；退火时间为10～20min，退火气氛为真空。
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