CN105651406B - 一种钨铼薄膜热电偶传感芯片的封装结构及其制作方法 - Google Patents

一种钨铼薄膜热电偶传感芯片的封装结构及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钨铼薄膜热电偶传感芯片的封装结构及其制作方法，该封装结构衬底上表面制有与传感器芯片尺寸相当的圆形凹陷，二者通过耐高温玻璃紧密键合；封帽内部上表面溅射有吸气剂，封帽通过键合环与衬底的上表面紧密键合；高温补偿线与传感器芯片的热电偶电极构成连接，凸出的高温补偿线缠绕在衬底下部的的螺柱处固定；封帽、传感器芯片、耐高温玻璃、衬底和高温补偿线共同与管外壳相向装配在一起，通过耐高温玻璃键合连接。本发明能够解决钨铼高温下易失效，热电偶薄膜受冲蚀脱落等造成的现有温度传感芯片测量范围小、寿命低的问题，实现可采集稳定信号的输出功能。

Description

一种钨铼薄膜热电偶传感芯片的封装结构及其制作方法
技术领域
本发明传感器封装技术领域，涉及一种传感芯片，尤其是一种钨铼薄膜热电偶传感芯片的封装结构及其制作方法。
背景技术
航空发动机使用中的健康监测和诊断是确保飞机安全的一个重要手段。通过测量涡轮前温度这一健康监测和诊断的关键参数，有助于实现航空发动机状态监控，为高温流道件损伤提供有效状态参数，为评价发动机健康状态提供重要依据。然而，发动机内部流道温度高、工作环境波动大，并伴有强氧化性气体的高速冲蚀，属于极端恶劣环境，实时准确的温度测量极为困难。针对航空发动机故障诊断中长期存在的流道高温测量难题，利用MEMS技术研发制造了钨铼薄膜热电偶。区别于传统的热电偶测温装置，薄膜热电偶独特的自身结构保证了其具有更快的响应速度、更高的测量精度和较小的流场扰动等一系列性能优势，因此在发动机高温测试技术中有着其独特的优越性。
然而，钨铼在1200K以上的空气环境下极易发生氧化中毒，使得温度传感芯片失效。并且在高温流道内的高速气流冲蚀下，热电偶薄膜会发生翘曲变形，从基底上脱落，这些都大大减小了温度传感芯片的测温范围和使用寿命，并且封装结构要实现稳定输出的功能。现有的传统封装结构，对此特殊应用环境缺乏适用性，故而专门针对钨铼薄膜热电偶在高温，高速流场下的应用，设计一种封装保护结构，显的十分必要。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种钨铼薄膜热电偶传感芯片的封装结构及其制作方法。其能够解决钨铼高温下易失效，热电偶薄膜受冲蚀脱落等造成的现有温度传感芯片测量范围小、寿命低的问题，实现可采集稳定信号的输出功能。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明提出一种上述钨铼薄膜热电偶传感芯片的封装结构的制作方法，包括以下步骤：
1)耐高温玻璃粉末作为键合材料；粉末颗粒的尺寸被控制在 50μm-300μm之间，软化温度为650-750℃，玻璃粉末和粘结剂一起被压入衬底的圆形凹陷中；
2)衬底上表面制有与传感器芯片尺寸相当的圆形凹陷，传感器芯片底面用酒精清洗，保证其光滑洁净；传感器芯片与衬底在低气压的加热炉中加热至800℃保持20min后，随低气压的加热炉冷却至室温，传感器芯片与衬底经熔融的耐高温玻璃紧密键合形成稳固连接；
3)在衬底的环形封接槽内嵌入由耐高温玻璃加工成的键合环；将衬底和封帽相向放置在各自的定位架上，封帽内部上表面溅射有吸气剂，移入低气压的加热炉中，加热至800℃保持10min，随后降温至500℃保持30min，以激活内部的吸气剂，再降温至室温；封帽通过键合环与衬底的上表面紧密键合；
4)所述封帽、传感器芯片、第一耐高温玻璃、衬底和高温补偿线共同构成一级封装结构，所述一级封装结构与管外壳相向装配在一起，通过夹具将管外壳、衬底和第二耐高温玻璃键合材料装配在一起，对准，在低气压的加热炉中，先从室温升到800℃，预加热30min，然后在960℃高温下加热45min进行键合，最后在室温下冷却；管外壳通过第二耐高温玻璃被封接在衬底上；第二耐高温玻璃在低气压的加热炉中融化，与管外壳和衬底之间的氧化层形成结合，钨铼薄膜热电偶传感芯片的封装结构制作完成。
一种钨铼薄膜热电偶传感芯片封装结构，包括封帽、传感器芯片、第一耐高温玻璃、第二耐高温玻璃、衬底、管外壳、高温补偿线、保护套管和键合环；
所述的衬底与传感器芯片的连接方式为：
衬底上表面制有与传感器芯片尺寸相当的圆形凹陷，二者通过第一耐高温玻璃紧密键合；所述的封帽内部上表面溅射有吸气剂，封帽通过键合环与衬底的上表面紧密键合；所述传感器芯片的两极用激光打孔，第一耐高温玻璃和衬底在传感器芯片两极打孔的相应位置也钻有小孔，传感器芯片和衬底利用高温绝缘水泥固定，高温导电银胶粘接；
所述高温补偿线与传感器芯片的热电偶电极构成连接，凸出的高温补偿线缠绕在衬底下部的螺柱处固定；所述封帽、传感器芯片、第一耐高温玻璃、衬底和高温补偿线共同构成一级封装结构，所述一级封装结构与管外壳相向装配在一起，通过第二耐高温玻璃键合连接；保护套管与衬底下部的螺柱进行螺纹连接。
进一步的，所述传感器芯片是钨铼热电偶。
进一步的，所述的高温补偿线采用与钨铼热电偶两极相同材料、成分的金属线。
本发明具有以下有益效果：
发明的封装结构能够耐受高温、高气流冲蚀等恶劣环境，改善了钨铼薄膜热电偶及其补偿线在高温下易失效、在高速流场下易冲蚀的问题，实现了可采集稳定信号的输出功能，提高了温度传感器的测温范围和使用寿命，优化了温度传感器的性能；本发明加工工艺简单，整体封装成本低；本发明解决了传统引线焊接连接无法长期工作于高温环境下的问题。
附图说明
图1是封装结构爆炸图；
图2是封装结构剖视图；
图3(a)是衬底零件主视图；
图3(b)是衬底零件左剖视图；
图3(c)是衬底零件俯剖视图。
图中，1.封帽，2.吸气剂，3.传感器芯片，4.第一耐高温玻璃，4＇. 第二耐高温玻璃，5.衬底，6.管外壳，7.高温补偿线，8.保护套管，9.键合环，10.键合环凹槽，11.连接螺纹，12.固线螺纹，13.引线通孔，14. 凹槽。
具体实施方式
本发明的钨铼薄膜热电偶传感芯片的封装结构，包括封帽1、传感器芯片3、第一耐高温玻璃4、衬底5、管外壳6、第二耐高温玻璃4＇、高温补偿线7、保护套管8和键合环9；所述的衬底5上表面制有与传感器芯片3尺寸相当的圆形凹陷，二者通过第一耐高温玻璃4紧密键合；所述的封帽1内部上表面溅射有吸气剂2，封帽1通过键合环9与衬底5 的上表面紧密键合；所述高温补偿线7与传感器芯片3的热电偶电极构成连接，凸出的高温补偿线7缠绕在衬底5下部的的螺柱处固定；所述封帽1、传感器芯片3、第一耐高温玻璃4、衬底5、第二耐高温玻璃4＇和高温补偿线7共同构成一级封装结构，所述一级封装结构与管外壳6 相向装配在一起，通过耐高温玻璃键合连接；保护套管8与衬底5下部的螺柱进行螺纹连接。所述传感器芯片3的两极用激光打孔，第一耐高温玻璃4、第二耐高温玻璃4＇和衬底5在传感器芯片3两极打孔的相应位置也钻有小孔，传感器芯片3和衬底5利用高温绝缘水泥固定，高温导电银胶粘接。传感器芯片3是钨铼热电偶。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
图1是本发明提供的一种针对钨铼薄膜热电偶温度传感芯片的封装结构示意图。在该封装结构当中，衬底5上表面加工的圆形凹陷通过第一耐高温玻璃4与传感器芯片3的底面键合。吸气剂2溅射于封帽1的内上表面。封帽1与衬底5通过键合环9进行连接。管外壳6与衬底5 通过第二耐高温玻璃4＇在高温键合之后，二者界面见会形成氧化层，其连接强度和可靠性由于氧化物和玻璃的融合而大大加强。
图2是本封装结构的整体剖视图。由图中可见，该结构的引线方式为：传感器芯片3基底的左右两角采用激光打孔，热电偶电极的高温补偿线经由衬底5的通孔引入至芯片的激光小孔内，与热电偶电极采用高温导电胶粘合，并用高温绝缘水泥固定。补偿线在衬底5底面的螺纹柱缠绕固定。最后，将底部同样溅射有吸气剂2的保护套管8与螺纹柱螺纹连接，以防止钨铼补偿线在高温下氧化，丧失补偿作用。
图3(a)，图3(b)和图3(c)为封装机构衬底5零件的三视图。衬底上表面加工有圆形凹陷，内部钻有引线用的细孔，下端的螺纹柱车有螺距不同的两段螺纹，分别用来连接保护套管8和缠绕固定高温补偿线7。
在材料选择方面，衬底、封帽和保护套管选择与传感器材料热机械特性相似的材料。传感器芯片为SiC，衬底、封帽和保护套管选择AlN。一种高温耐热材料，热导率高，接近SiC，是Al2O3的5-8倍，所以耐热冲击好，能耐2200℃的极热。热膨胀系数与SiC相近，机械性能好，强度高于Al2O3和BeO陶瓷，可常压烧结。十分适合用于高温封装材料。管外壳采用可伐合金材料，它是一种含镍29％，钴17％的硬玻璃铁基封接合金。该合金具有与玻璃相近的线膨胀系数，可与其进行有效的封接匹配。高温补偿线是钨铼金属线，分为正负极，分别与芯片上热电偶的正负两极相互匹配，以延长冷端，提高输出电压。
由于钨铼薄膜热电偶在高温氧气环境下极易被氧化失效，并且即使在真空封装下构成封装结构的各种材料在高温下会不断释放表面吸附的气体到微小腔体中进而加快了芯片电极的氧化失效，大大较少薄膜热电偶的使用寿命。因此，为了保持密封真空，防止芯片氧化失效，需要在密封腔体中封入吸气剂。吸气原理是，活性金属的纳米级颗粒对 H2,CO,O2，CO2等气体产生很强的化学吸附和较大的溶解能力。
本发明的封装结构中，吸气剂采用非蒸散型，主要由锆(Zr)、钒(V)、铁三种合金组成。采用磁控溅射技术，在封帽内顶部溅射一层5μm厚的合金薄膜。吸气剂的激活条件为：500℃下激活时间30min。
封装结构的制备方法为：
a)耐高温玻璃粉末作为键合材料。粉末颗粒的尺寸被控制在 50μm～300μm之间。软化温度大约在700℃。玻璃粉末和粘结剂一起被压入衬底5的凹陷中。
b)传感器芯片3底面用酒精清洗，保证其光滑洁净。在加热炉中加热至800℃保持20min后随炉冷却至室温，使传感器芯片3与衬底5经熔融的第一耐高温玻璃4形成稳固连接。
c)在衬底5的环形封接槽内嵌入由耐高温玻璃加工成的键合环9；将衬底5和封帽1相向放置在各自的定位架上，移入加热炉中，加热至 800℃保持10min，随后降温至500℃保持30min，以激活内部的吸气剂，再降温至室温。
d)通过夹具将管外壳6、衬底5和第二耐高温玻璃4＇等键合材料装配在一起，精确对准，在低气压的加热炉中，先从室温升到800℃，预加热30min，然后在960℃高温下加热45min进行键合，最后在室温下冷却。管外壳6通过第二耐高温玻璃4＇被封接在衬底5上。玻璃在加热炉中融化，与管外壳6和衬底5之间的氧化层形成结合。

Claims (4)

1.一种钨铼薄膜热电偶传感芯片封装结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)耐高温玻璃粉末作为键合材料；粉末颗粒的尺寸被控制在50μm-300μm之间，软化温度为650-750℃，玻璃粉末和粘结剂一起被压入衬底(5)的圆形凹陷中；
2)衬底(5)上表面制有与传感器芯片(3)尺寸相当的圆形凹陷，传感器芯片(3)底面用酒精清洗，保证其光滑洁净；传感器芯片(3)与衬底(5)在低气压的加热炉中加热至800℃保持20min后，随低气压的加热炉冷却至室温，传感器芯片(3)与衬底(5)经熔融的耐高温玻璃紧密键合形成稳固连接；
3)在衬底(5)的环形封接槽内嵌入由耐高温玻璃加工成的键合环(9)；将衬底(5)和封帽(1)相向放置在各自的定位架上，封帽(1)内部上表面溅射有吸气剂(2)，移入低气压的加热炉中，加热至800℃保持10min，随后降温至500℃保持30min，以激活内部的吸气剂，再降温至室温；封帽(1)通过键合环(9)与衬底(5)的上表面紧密键合；
4)所述封帽(1)、传感器芯片(3)、第一耐高温玻璃(4)、衬底(5)和高温补偿线(7)共同构成一级封装结构，所述一级封装结构与管外壳(6)相向装配在一起，通过夹具将管外壳(6)、衬底(5)和第二耐高温玻璃(4＇)键合材料装配在一起，对准，在低气压的加热炉中，先从室温升到800℃，预加热30min，然后在960℃高温下加热45min进行键合，最后在室温下冷却；管外壳(6)通过第二耐高温玻璃(4＇)被封接在衬底(5)上；第二耐高温玻璃(4＇)在低气压的加热炉中熔化，与管外壳(6)和衬底(5)之间的氧化层形成结合，钨铼薄膜热电偶传感芯片的封装结构制作完成。
2.一种利用权利要求1所述方法制作的钨铼薄膜热电偶传感芯片封装结构，其特征在于，包括封帽(1)、传感器芯片(3)、第一耐高温玻璃(4)、第二耐高温玻璃(4＇)、衬底(5)、管外壳(6)、高温补偿线(7)、保护套管(8)和键合环(9)；
所述的衬底(5)与传感器芯片(3)的连接方式为：
衬底(5)上表面制有与传感器芯片(3)尺寸相当的圆形凹陷，二者通过第一耐高温玻璃(4)紧密键合；所述的封帽(1)内部上表面溅射有吸气剂(2)，封帽(1)通过键合环(9)与衬底(5)的上表面紧密键合；所述传感器芯片(3)的两极用激光打孔，第一耐高温玻璃(4)和衬底(5)在传感器芯片(3)两极打孔的相应位置也钻有小孔，传感器芯片(3)和衬底(5)利用高温绝缘水泥固定，高温导电银胶粘接；
所述高温补偿线(7)与传感器芯片(3)的热电偶电极构成连接，凸出的高温补偿线(7)缠绕在衬底(5)下部的螺柱处固定；所述封帽(1)、传感器芯片(3)、第一耐高温玻璃(4)、衬底(5)和高温补偿线(7)共同构成一级封装结构，所述一级封装结构与管外壳(6)相向装配在一起，通过第二耐高温玻璃(4＇)键合连接；保护套管(8)与衬底(5)下部的螺柱进行螺纹连接。
3.根据权利要求2所述的钨铼薄膜热电偶传感芯片的封装结构，其特征在于，所述传感器芯片(3)是钨铼热电偶。
4.根据权利要求3所述的钨铼薄膜热电偶传感芯片的封装结构，其特征在于，所述的高温补偿线(7)采用与钨铼热电偶两极相同材料、成分的金属线。
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