CN103759880B - 一种采用无引线封装结构的soi绝压敏感器件 - Google Patents

Abstract

一种采用无引线封装结构的SOI绝压敏感器件，本发明涉及采用无引线封装结构的压力敏感器件。本发明要解决现有技术或者存在高温和高压使用硅油易泄露，金属引线易断裂，电极系统脱键失效，受热应力影响的问题。一种无引线封装结构：在固体绝缘材料表面烧结金属化层，通过焊料与金属管壳烧结成密封结构。一种采用无引线封装结构的SOI绝压敏感器件：固体绝缘材料通过金属化层和焊料固定在管座上，引线向下穿出管座方向的固体绝缘材料外表面处设置有密封环，向上穿出管座方向的固体绝缘材料外表面处设置有多层复合材料、玻璃-金属复合材料和硼硅玻璃基座，引线顶端设置有金属电极，金属电极另一端为芯片。

Description

一种采用无引线封装结构的SOI绝压敏感器件

技术领域

本发明涉及采用无引线封装结构的压力敏感器件。

背景技术

现有的SOI绝压敏感器件主要有两种封装方式，一种是采用SOI硅敏感芯片正面作为感压面，对其内外腔形成的高、低压力信号敏感，输出与压力差成比例的应变，形成正、负两个应变区；同时材料由于压阻效应，其电阻率就要发生相应的变化，敏感芯片就会输出一个与被测压力成正比的电压信号，通过测量该电压信号的大小，即可实现压力的测量；这种封装方式需要引线(金丝、硅铝丝)将SOI硅敏感芯片正面的电极与支撑结构(管壳)电极通过超声波压焊等方法形成电气连接，同时需要(硅油)与被测介质隔离，以保证绝缘性能及避免电极腐蚀、氧化。这种方式的内部参考腔通过SOI硅敏感芯片背面的单晶硅与7740玻璃静电封装形成；通过粘接、烧结等方式与管座实现支撑结构。这种玻封外壳充油型压力敏感器件在高压、高温下硅油易泄露、金属引线强振动条件下易断裂和高温使用存在Au-Al电极系统脱键失效等问题。

一种是采用SOI硅敏感芯片背面作为感压面，工作原理与前述相同；芯片背面感压形式，一方面芯片背面可以直接接触被测介质，不需要其他的隔离封装，提高了传感器的动态指标；另一方面避免芯片图形接触被测介质，造成污染，同时满足耐高温的要求；采用芯片正面与玻璃基座静电封接，并在玻璃基座上利用微加工的方法制作外引线封装孔和参考压力腔结构；敏感芯片的玻璃基座与玻璃封装的管壳烧接在一起，同时玻璃封装管壳上的外引线与芯片的电极也用金属玻璃浆料烧结在一起，形成敏感元件。这种压力敏感器件在工作温度范围、抗过载能力、抗振动冲击能力等技术上具有优势，解决了前一种封装方式的缺点，但是SOI芯片对作用在薄膜上的外力非常敏感。器件主要受热机械应力的影响，由芯片粘合结构中的材料(SiO₂)、衬底材料与粘合材料的热膨胀系数(CTE)不匹配而引起，热应力可能会导致器件在热环境下做出异常的反应，在极端情况下，还会对芯片粘合结构造成永久的机械损伤。

发明内容

本发明的目的是提供一种无引线封装结构及采用无引线封装结构的SOI绝压敏感器件；以解决现有技术或者存在高温和高压使用硅油易泄露，金属引线强振动条件下易断裂，电极系统脱键失效，或者存在绝压敏感器件受热应力影响的问题。

一种无引线封装结构，采用固体绝缘材料，在固体绝缘材料表面高温烧结金属化层，并通过镍或Ag-Cu焊料作为过渡材料与金属管壳烧结形成密封结构。

一种采用无引线封装结构的SOI绝压敏感器件，它包括引线、金属化层、密封环、焊料、固体绝缘材料、过渡层、管座、多层复合材料、玻璃-金属复合材料、硼硅玻璃基座、金属电极和芯片，固体绝缘材料固定在管座上，固体绝缘材料与管座的连接面设置有金属化层，固体绝缘材料与金属化层通过高温烧结成一体，金属化层与管座之间通过焊料的烧结作用形成过渡层，引线贯穿固体绝缘材料，引线向下穿出管座方向的固体绝缘材料外表面处设置有密封环，密封环与固体绝缘材料之间通过焊料烧结成一体，引线与密封环的内孔表面通过焊料烧结成一体，引线向上穿出管座方向的固体绝缘材料外表面处设置有多层复合材料、玻璃-金属复合材料和硼硅玻璃基座，向上穿出管座方向的引线顶端设置有金属电极，金属电极的下表面与引线通过玻璃-金属复合材料烧结成一体，金属电极的上表面与芯片的下表面相贴合，玻璃-金属复合材料的外表面设置硼硅玻璃基座，硼硅玻璃基座外表面设置多层复合材料，芯片的下表面与硼硅玻璃基座静电封接，硼硅玻璃基座的四个外侧立面与多层复合材料的四个内侧立面烧结成一体，多层复合材料的底面与固体绝缘材料的上表面烧结成一体。

本发明的有益效果是：1、与采用SOI硅敏感芯片背面作为感压面、玻璃管座封装的敏感器件相比，无引线封装结构的SOI绝压敏感器件通过陶瓷高温烧结钨层及镍、Ag-Cu焊料作为过渡材料实现了与不同特性金属管壳的密封结构烧结，在硼硅玻璃与管座烧结的陶瓷之间采取了多层玻璃型材，使得各个过渡界面间的热膨胀系数差小于(5×l0^-7K^-1)，使应力分布更加合理，提高了产品的抗高温能力，并且极大地改善了整体结构的稳定性，使产品得以在较恶劣的环境条件下工作；2、管座上烧结的陶瓷介电常数较小(一般ε≤10)，有非常优良的高频特性而且具有优良的热传导性，适合高频设计，在航空、航天、雷达、无线通讯、光电子、MEMS等应用领域具有独特的技术优势，提高了压力敏感器件在高温条件下的电绝缘、密封性和耐压性能，封装材料的匹配性和结构的工艺合理性减小了残余应力的水平，最终提高了敏感器件的性和可靠性。3、无引线封装结构的SOI绝压敏感器件具有体积小、重量轻、抗过载能力强、耐高温、抗振动、精度高、抗恶劣环境等特点，具有较高的稳定性和可靠性，并且具有易于装配，可批量生产。

本发明用于一种无引线封装结构及采用无引线封装结构的SOI绝压敏感器件。

附图说明

图1是本发明一种采用无引线封装结构的SOI绝压敏感器件的结构示意图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式一：一种无引线封装结构，其特征在于它采用固体绝缘材料，在固体绝缘材料表面高温烧结金属化层，并通过镍或Ag-Cu焊料作为过渡材料与金属管壳烧结形成密封结构。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的固体绝缘材料为Al₂O₃、SiC、BeO、TiO₂、ZrO₂、MgO、AlN、Si₃N₄或BN及其上述所有材料的混合物。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：所述的金属化层的材料包括钨或钼及其上述所有材料的混合物。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：选用Ag-Cu作为焊料时，烧结温度为790℃。其它与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式的一种采用无引线封装结构的SOI绝压敏感器件，它包括引线1、金属化层2、密封环3、焊料4、固体绝缘材料5、过渡层6、管座7、多层复合材料8、玻璃-金属复合材料9、硼硅玻璃基座10、金属电极11和芯片12，固体绝缘材料5固定在管座7上，固体绝缘材料5与管座7的连接面设置有金属化层2，固体绝缘材料5与金属化层2通过高温烧结成一体，金属化层2与管座7之间通过焊料4的烧结作用形成过渡层6，引线1贯穿固体绝缘材料5，引线1向下穿出管座7方向的固体绝缘材料5外表面处设置有密封环3，密封环3与固体绝缘材料5之间通过焊料4烧结成一体，引线1与密封环3的内孔表面通过焊料4烧结成一体，引线1向上穿出管座7方向的固体绝缘材料5外表面处设置有多层复合材料8、玻璃-金属复合材料9和硼硅玻璃基座10，向上穿出管座7方向的引线1顶端设置有金属电极11，金属电极11的下表面与引线1通过玻璃-金属复合材料9烧结成一体，金属电极11的上表面与芯片12的下表面相贴合，玻璃-金属复合材料9的外表面设置硼硅玻璃基座10，硼硅玻璃基座10外表面设置多层复合材料8，芯片12的下表面与硼硅玻璃基座10静电封接，硼硅玻璃基座10的四个外侧立面与多层复合材料8的四个内侧立面烧结成一体，多层复合材料8的底面与固体绝缘材料5的上表面烧结成一体。

本实施方式采用硅压阻效应原理，在SOI芯片12上制作力敏电阻并形成惠斯通电桥，芯片12背面腐蚀并形成应力敏感薄膜；芯片12正面与硼硅玻璃基座10通过静电封接形成参考压力腔及应力隔离结构，并将硅片上的复合耐高温电极层通过玻璃基座上的预制通孔显现；芯片12与硼硅玻璃基座10通过静电封接实现密封结构，再通过多层复合材料8与固体绝缘材料5烧结，形成固态密封结构，提高了敏感器件的固有频率和稳定性；金属电极11与引线1通过玻璃-金属复合材料9烧结成一体形成电气互联网络，实现芯片12的金属电极11与引线1的连接，从而芯片12信号与外界的电气连接、芯片12结构与耐高压、高温气密封装管壳的刚性连接，从而形成敏感器件；敏感器件通过电子束、氩弧焊等焊接方法与金属安装结构和电缆连接，封装成无内引线的压力传感器。它具有体积小、重量轻、抗过载能力强、耐高温、抗振动、可靠性高、精度高、抗恶劣环境等特点。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述的固体绝缘材料5为Al₂O₃、SiC、BeO、TiO₂、ZrO₂、MgO、AlN、Si₃N₄或BN及其上述所有材料的混合物。其它与具体实施方式五相同。

本实施方式管座7上烧结的固体绝缘材料5为陶瓷时介电常数较小(一般ε≤10)，有非常优良的高频特性而且具有优良的热传导性，适合高频设计，在航空、航天、雷达、无线通讯、光电子、MEMS等应用领域具有独特的技术优势。

硼硅玻璃基座10与管座7上烧结的固体绝缘材料5陶瓷的热膨胀系数(7.0×l0^-6K^-1)相差较大，为了避免温度变化引起的热应力，在硼硅玻璃基座10与管座7烧结的固体绝缘材料陶瓷5之间采取了多层复合材料8，使得各个过渡界面间的热膨胀系数差小于(5×l0^-7K^-1)，使应力分布更加合理，提高了产品的抗高温能力，并且极大地改善了整体结构的稳定性，使产品得以在较恶劣的环境条件下工作。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六之一不同的是：所述的管座7的材质为可伐、不锈钢、钽或Inconel625合金。其它与具体实施方式五或六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五至七之一不同的是：所述的金属化层2的材料包括钨或钼及其上述所有材料的混合物。其它与具体实施方式五至七相同。

本实施方式为了实现与管座7的密封连接，需要在高温下烧结金属化层2钨层形成过渡层6。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五至八之一不同的是：所述的焊料4为镍或Ag-Cu。其它与具体实施方式五至八相同。

本实施方式并通过镍、Ag-Cu焊料4作为过渡材料与不同特性的金属管座7烧结成密封结构，实现对敏感芯片的支撑、保护、电气互联功能。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式五至九之一不同的是：所述的芯片12为SOI芯片，SOI芯片中心为硅敏感膜；所述的金属电极11为Pt₅Si₂-Ti-Pt-Au四层金属结构导电系统。其它与具体实施方式五至九相同。

本实施方式芯片12中心的硅敏感膜作为应力敏感部件,在受到外部压力时会产生位移，并通过在内部形成的惠斯通电桥，利用压阻效应将压力信号转化为电信号，通过芯片12内部电极、纳米银基低温玻璃烧结材料、陶瓷封装管座电极输出到后端系统；芯片12的硅敏感膜与硼硅玻璃基座10通过静电封接形成密封结构，硼硅玻璃基座10中心部位加工出凹槽，在真空环境下与SOI芯片的硅敏感膜形成参考压力腔；硼硅玻璃基座10(Pyrex7740)的热膨胀系数(2.85×l0^-6K^-1)与硅(2.62×l0^-6K^-1)相近，温度变化引起的热应力小，硼硅玻璃基座10与芯片12的硅敏感膜的封接是最理想的。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式五至十之一不同的是：所述的玻璃-金属复合材料9为圆锥形结构的纳米贵金属基低温玻璃烧结材料，烧结温度为420℃～650℃；所述的玻璃为硅酸盐、硼硅酸盐、磷酸盐、硼硅酸锌、钠钙玻璃、硅酸铅或硼酸铅锌；所述的金属为金、银、钯或铂。其它与具体实施方式五至十相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式五至十一之一不同的是：固体绝缘材料5与金属化层2在真空环境下高温烧结；引线1、密封环3、管座7在连接处电镀镍层；引线1、密封环3、管座7与固体绝缘材料通过焊料4在保护气氛下烧结；硼硅玻璃基座10的四个外侧立面与多层复合材料8的四个内侧立面在低温下烧结成一体，多层复合材料8的底面与固体绝缘材料5的上表面在低温下烧结成一体；金属电极11的下表面与引线1通过玻璃-金属复合材料9在低温下烧结成一体。其它与具体实施方式五至十一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式五至十二之一不同的是：引线1、密封环3的材料为可伐合金，其型号为4J29。其它与具体实施方式五至十二相同。

Claims (9)

1.一种采用无引线封装结构的SOI绝压敏感器件，其特征在于它包括引线(1)、金属化层(2)、密封环(3)、焊料(4)、固体绝缘材料(5)、过渡层(6)、管座(7)、多层复合材料(8)、玻璃-金属复合材料(9)、硼硅玻璃基座(10)、金属电极(11)和芯片(12)，固体绝缘材料(5)固定在管座(7)上，固体绝缘材料(5)与管座(7)的连接面设置有金属化层(2)，固体绝缘材料(5)与金属化层(2)通过高温烧结成一体，金属化层(2)与管座(7)之间通过焊料(4)的烧结作用形成过渡层(6)，引线(1)贯穿固体绝缘材料(5)，引线(1)向下穿出管座(7)方向的固体绝缘材料(5)外表面处设置有密封环(3)，密封环(3)与固体绝缘材料(5)之间通过焊料(4)烧结成一体，引线(1)与密封环(3)的内孔表面通过焊料(4)烧结成一体，引线(1)向上穿出管座(7)方向的固体绝缘材料(5)外表面处设置有多层复合材料(8)、玻璃-金属复合材料(9)和硼硅玻璃基座(10)，向上穿出管座(7)方向的引线(1)顶端设置有金属电极(11)，金属电极(11)的下表面与引线(1)通过玻璃-金属复合材料(9)烧结成一体，金属电极(11)的上表面与芯片(12)的下表面相贴合，玻璃-金属复合材料(9)的外表面设置硼硅玻璃基座(10)，硼硅玻璃基座(10)外表面设置多层复合材料(8)，芯片(12)的下表面与硼硅玻璃基座(10)静电封接，硼硅玻璃基座(10)的四个外侧立面与多层复合材料(8)的四个内侧立面烧结成一体，多层复合材料(8)的底面与固体绝缘材料(5)的上表面烧结成一体。

2.根据权利要求1所述的一种采用无引线封装结构的SOI绝压敏感器件，其特征在于所述的固体绝缘材料(5)为Al₂O₃、SiC、BeO、TiO₂、ZrO₂、MgO、AlN、Si₃N₄或BN及其上述所有材料的混合物。

3.根据权利要求1所述的一种采用无引线封装结构的SOI绝压敏感器件，其特征在于所述的管座(7)的材质为可伐合金、不锈钢、钽或Inconel625合金。

4.根据权利要求1所述的一种采用无引线封装结构的SOI绝压敏感器件，其特征在于所述的金属化层(2)的材料包括钨或钼及其上述所有材料的混合物。

5.根据权利要求1所述的一种采用无引线封装结构的SOI绝压敏感器件，其特征在于所述的焊料(4)为镍或Ag-Cu。

6.根据权利要求1所述的一种采用无引线封装结构的SOI绝压敏感器件，其特征在于所述的芯片(12)为SOI芯片，SOI芯片中心为硅敏感膜；所述的金属电极(11)为Pt₅Si₂-Ti-Pt-Au四层金属结构导电系统。

7.根据权利要求1所述的一种采用无引线封装结构的SOI绝压敏感器件，其特征在于所述的玻璃-金属复合材料(9)为圆锥形结构的纳米贵金属基低温玻璃烧结材料，烧结温度为420℃～650℃；所述的玻璃为硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃或磷酸盐玻璃；所述的金属为金、银、钯或铂。

8.根据权利要求1所述的一种采用无引线封装结构的SOI绝压敏感器件，其特征在于固体绝缘材料(5)与金属化层(2)在真空环境下高温烧结；引线(1)、密封环(3)、管座(7)在连接处电镀镍层；引线(1)、密封环(3)、管座(7)与固体绝缘材料通过焊料(4)在保护气氛下烧结；硼硅玻璃基座(10)的四个外侧立面与多层复合材料(8)的四个内侧立面在低温下烧结成一体，多层复合材料(8)的底面与固体绝缘材料(5)的上表面在低温下烧结成一体；金属电极(11)的下表面与引线(1)通过玻璃-金属复合材料(9)在低温下烧结成一体。

9.根据权利要求1所述的一种采用无引线封装结构的SOI绝压敏感器件，其特征在于引线(1)、密封环(3)的材料为可伐合金，其型号为4J29。