CN108529553A - 一种石墨烯高温压力传感器封装方法 - Google Patents

一种石墨烯高温压力传感器封装方法 Download PDF

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Abstract

一种石墨烯高温压力传感器封装方法，主要结构包括纳米膜、基片、互连电极、互连凸点、互连焊盘、密封环、封装外壳、陶瓷基座、引线柱、无氧真空腔。基片上表面刻蚀形成倒梯形结构，基片下表面设置纳米膜，纳米膜由两层氮化硼及夹在其中的石墨烯组成，氮化硼可为石墨烯提供附着载体和隔离保护。采用Au‑Au直接键合技术使基片与基座形成真空腔，为纳米膜提供无氧环境，并可在900℃下保持密封。此封装方法封装结构可靠，保障无氧真空环境，将传感器的使用温度提高至900℃。

Description

一种石墨烯高温压力传感器封装方法
技术领域
本发明涉及一种石墨烯高温压力传感器封装方法，属MEMS器件封装技术领域。
背景技术
火箭发动机、航空发动机、重型燃气轮机、燃煤燃气锅炉等设备的喷嘴燃烧室、压气机、叶片等高温关键部位的工作温度能达到900℃。使用高温压力传感器对这些部位进行实时监测，可以有效提高燃烧效率和推进效率。
在高温压力传感器的设计和制造中，高温封装技术起着重要作用，一直受到MEMS领域的高度重视。高温封装的主要功能有：为芯片提供防护，避免高温环境损坏芯片；为芯片的输入和输出提供互连；为实现系统内外相关物质、能量和信息的交换提供接口。
常规高温压力传感器封装采用充油隔离式结构，利用焊接技术将金属管壳、金属隔离膜片及金属管座焊接形成密闭腔体，在金属隔离膜片和压力传感器之间的密闭腔体内充灌硅油，通过金属隔离膜片和硅油将外界压力传递至压力传感器。此类封装结构存在一定局限性：封装体积大，不利于产品的小型化；硅油与芯片之间热膨胀系数失配容易影响压力测量精度；封接中的非气密性容易导致渗油、漏油，损坏压力传感器。鉴于上述常规封装中存在的问题，无油密封式结构将成为高温压力传感器封装的主流方案，它的实现依靠各种键合方法完成。
目前，高温压力传感器常用的键合方法有阳极键合、玻璃浆料键合、共晶键合。阳极键合是在300℃～500℃、500V～1000V的条件下，依靠强静电力完成硅-玻璃之间的键合。该技术适用于硅基及其相关材料(SOS、SOI)压力传感器的密封腔构建，但受到键合材料自身特性的限制，封装允许的最高工作温度在600℃。玻璃浆料键合是以低熔点玻璃浆料作为键合的中间层，在键合温度为350℃～450℃下完成MEMS器件气密封装。该技术适用于绝大多数材料压力传感器的密封腔构建，但玻璃材料的使用限制了封装的工作温度在600℃以下。共晶键合是利用高熔点金属(如Au、Ag、Cu等)与低熔点金属(如In、Sn等)形成共晶合金以完成键合，该方法兼具有键合(或退火)温度低、键合压强小、工艺实现简单、工艺兼容性高等特点，但所形成的合金材料也无法使工作温度达到900℃。
经调研，石墨烯在无氧条件下可耐近3000℃高温，氮化硼纳米薄膜耐高温达2800℃中，SiC正常使用温度为1580℃，耐高温陶瓷材料如氧化铝、氮化铝陶瓷等熔点均在1500℃以上；金属W的熔点为3410℃，Mo的熔点为2610℃。Au-Au直接键合是Au-Au相互接触后在一定的压力和温度下通过同质扩散而结合在一起。在键合过程中，由于溅射金和SiC片的粘附性不好，一般以镍或钛作为粘附层，接着溅射Au层，根据不同的要求可以对溅射后的金再电镀加厚，Au-Au直接键合可承受900℃以上高温。
综上分析，本发明可采用SiC或者陶瓷耐高温陶瓷作为基片和基座，钨或者钼作为引线柱，采用Au-Au直接键合基片和基座，形成无氧真空腔结构，将氮化硼/石墨烯/氮化硼薄膜置于无氧真空腔中作为功能材料感应压力。这种方法可避免由于充灌硅油而引起的弊端，提升压力传感器的灵敏度，将压力传感器使用温度提升至900℃。封装的产品具有体积小、量程可调、结构合理等优点。
发明内容
本发明的目的就是针对背景技术的不足，提出一种石墨烯高温压力传感器封装方法，采用Au-Au直接键合技术实现石墨烯高温压力传感器的无氧真空封装，可以将传感器工作温度提升至900℃。
本发明的主要结构由：纳米膜、互连电极、引线柱、基片、封装外壳、陶瓷基座、密封环组成。在陶瓷基座9表面通过密封环4、5连接基片6，基片6下表面布置了纳米膜1，并通过电极22、23接牢固，所述电极22、23与互连凸点2、3电学连接，所述互连凸点2、3与互连焊盘7、21键合构成互连电极，引线柱11、12连接互连焊盘7、21贯穿陶瓷基座9连接外界；基片6上表面刻蚀倒梯形结构，倒梯形结构与纳米膜1之间有一层膜片10，隔绝了纳米膜1与外界的接触；封装外壳8与陶瓷基座9进行活性封接；基片6与封装外壳8粘接牢固。基片6选择SiC，密封环(4、5)、互连电极可选择Au等材料。
所述Au-Au直接键合一般在真空或氮气环境下进行。处理过程是在预键合的基片和基座，凸点和焊盘上溅射几十纳米的钛或镍作为粘附层，之后溅射一层金，根据不同的需求对金层电镀加厚，然后把两个面通过键合对准设备紧贴在一起，放入键合台中进行键合。
有益效果
本封装方法相比背景技术具有很大优势，通过Au-Au直接键合形成无氧真空腔，可在900℃下保持密封，为纳米膜提供无氧环境和高温防护。这种封装方法工艺简便易行，封装结构合理可靠，制作的传感器检测精度良好，抗高温能力强，工作温度提升至900℃。
附图说明
图1为本发明实施例的纵向截面图；
图2为本发明第一实施例的基片整体形状；
图3为本发明第一实施例的基底上部横向截面图；
图4为本发明第一实施例的基片下部横向截面图；
图5为本发明第二实施例的基片整体形状；
图6为本发明第二实施例的基底上部横向截面图；
图7为本发明第二实施例的基片下部横向截面图；
图8为本发明实施例的Au-Au键合示意图；
图9为本发明实施例的石墨烯截面图；
图10为本发明实施例的传感器整体结构图；
图11为本发明第二实施例提出的一种石墨烯高温压力传感器的外观立体示意图；
图中所示，附图标记清单如下：
1、氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜；2、互连凸点；3、互连凸点；4、密封环；5、密封环；6、基片；7、互连焊盘；8、封装外壳；9、陶瓷基座；10、膜片；11、引线柱；12、引线柱；13、阻挡层；14、阻挡层；15、阻挡层；16、阻挡层；17、下层氮化硼层；18、上层氮化硼层；19、石墨烯层；20、无氧真空腔；21、互连焊盘；22、电极；23、电极；24、外部互连电极；25、外部互连电极。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组合或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，本发明实施例的描述过程中，所有图中的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等器件位置关系，均以图1为标准。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，为本发明第一实施例提出的一种石墨烯高温压力传感器的整体结构截面图，所述内部检测空间底部设置有一个陶瓷基座9，所述陶瓷基座9外周侧与所述封装外壳8内侧面采用活性封接；
如图2所示，为本发明第一实施例提出一种石墨烯高温压力传感器的基片整体形状；上部开圆形凹腔。
所述凹腔制作工艺步骤:
(1)清洗：利用标准RCA清洗去除SiC片上的污染物；
(2)溅射种子层：将上述处理后的SiC片，送入磁控溅射台中，溅射铬层和金层；
(3)光刻图形化：在经过上述步骤处理后的SiC片，通过匀涂光刻胶，进行光刻处理；
(4)腐蚀铬层和金层：图形化种子层，将上述步骤处理过的SiC片先进行腐蚀液腐蚀金层处理，所述腐蚀液的成分比例KI:I:H20为4:1:10；之后再进行腐蚀液腐蚀铬层，所述腐蚀液的成分比例Ce(SO4)2:HNO3:H2O为3:3:10；
(5)去胶：将上述步骤处理过的SiC片使用丙酮浸泡并超声清洗，烘干；
(6)二次光刻：将上述步骤处理过的SiC片匀涂厚胶，进行光刻处理，提高电镀镍层的垂直度；
(7)制作镍掩模层：将上述步骤处理过的SiC片电镀一层镍；采用的电镀液为氨基磺酸镍镀液，所述氨基磺酸镍镀液的成分为：氨基磺酸镍300g/L、氯化镍30g/L、硼酸30g/L，配置成pH为4.2的溶液；
使用直流电源，采用高纯镍作为阴极，所述高纯镍的纯度为99.99％，电镀温度为室温，所述室温为25℃；
(8)去胶：将上述步骤处理过的SiC片使用丙酮浸泡并超声清洗，烘干；
(9)RIE刻蚀：将上述步骤处理过的SiC片进行刻蚀，采用气体为SF6和O2，优选为，SF6为50sccm，O2为10sccm；
(10)移除镍掩膜层：将上述步骤处理过的SiC片在腐蚀液中浸泡，所述腐蚀液的成分比例为HCl：HNO3：DI为1:1:3，使用超声波清洗；
(11)去除金属层：同工艺步骤(4)，腐蚀铬层和金层。
如图3所示，为本发明第一实施例的基片下部横向截面图；封装外壳8采用耐高温钨铜合金，上部开口，并在内侧设置基片6，基片6选择SiC。所述封装外壳8、陶瓷基座9及基片6共同界定一个内部检测空间，本发明提出的检测单元设置在所述内部检测空间内。所述膜片10的厚度为d，通过改变d的大小，可以调整传感器的量程和线性区间，同时，隔绝纳米膜与外界环境接触。
如图4所示，为本发明第一实施例的基底上部横向截面图；基底上部设置有互连焊盘7、21，互连焊盘采用钨。基底中设有凹槽，防止芯片与基板接触损坏。
如图5所示，为本发明第二实施例提出一种石墨烯高温压力传感器的基片整体形状，与第一实施例区别在于凹腔为方形。
如图6所示，为本发明第二实施例的基底上部横向截面图；与第一实施例区别在于密封环形状为方形；
如图7所示，为本发明第二实施例的基片下部横向截面图；与第一实施例区别在于使用的密封环连接形状为方型。
基片6选择SiC材料，密封环(4、5)互连电极(22、23)选择Au。
如图8所示,为本发明实施例的Au-Au键合示意图；所述Au-Au键合一般在真空或氮气环境下进行。
Au–Au复合键合通过如下工艺步骤实施：
(1)Au纳米颗粒沉积的掩模处理：利用负胶光刻，形成Au纳米颗粒沉积的掩模，光刻胶选择较易去除的负剥离胶；光刻胶的厚度以对Au纳米颗粒沉积不产生影响的效果为准；
(2)Au纳米颗粒沉积：通过磁控溅射控制Au纳米颗粒沉积，调节磁控溅射的压强为1.9pa，功率为150W，时间为1-2min,实现对Au纳米颗粒沉积的控制，避免出现Au纳米颗粒团簇的现象；
(3)剥离(Lift-off)，以形成图形化的Au纳米颗粒：以湿法工艺去胶，避免干法工艺去胶对传感器芯片核心结构的破坏，获得含Au纳米颗粒的密封环和微凸点；
(4)Au表面等离子体预处理：选择输出频率为13.56MHz的等离子体系统，可有效减小对Au表面的损伤；采用O2作为工作气体产生等离子体处理金表面，调节功率为200W、气流量为60sccm、时间为1-2min，实现Au表面预处理；
(5)Au表面自组装单分子层预处理：将等离子体处理之后的传感器芯片及基板置入硫醇溶液中进行自组装单分子层处理，避免Au表面污染；硫醇溶液的浓度为0.0125mol/L,置入时间大约为30min。
(6)Au–Au直接键合：采用SUSS公司的FC150型芯片级键合机，在充满N2的键合环境，温度控制在300℃以下，将芯片与基板自动或手动对准，施加压力10MPa，键合时间30min；
(7)退火：对所述Au-Au键合后的传感器，进行退火处理，进一步促进Au原子之间的扩散，改善键合性能。
在所述第一电极22、第二电极23、密封环4与基片6之间均相应的设置有阻挡层(13、14、15、16)，阻止高温下金属原子向基片扩散。
如图9所示为本发明实施例的石墨烯薄膜截图，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜1由上层氮化硼层18、下层氮化硼层17及夹在其中的石墨烯层19组成，在其他实施例中，所述上层、下层氮化硼(17、18)的层数大于等于1，石墨烯19为单层结构，所述上层氮化硼层18及石墨烯层19贴覆在所述第一互连电极2、第二互连电极3的上侧面，所述下层氮化硼层17两端与所述阻挡层(13、14、15、16)相互接触。
如图10所示，为本发明第一实施例提出的一种石墨烯高温压力传感器的外观立体示意图，所述传感器包括一个封装外壳8，所述封装外壳8整体为圆柱形。
如图11所示，为本发明第二实施例提出的一种石墨烯高温压力传感器的外观立体示意图，与第一实施例区别在于采用圆形凹腔。
本发明原理是：
本封装结构主要是利用石墨烯在无氧环境下的耐高温特性，采用耐高温材料氮化硼覆盖上下表面作为支撑和防护结构，制成的纳米膜可以在高温环境下感受压力。当压力作用时，石墨烯发生形变，打破了六角晶格的对称结构，使石墨烯的能带在狄拉克点打开能隙。能隙的产生会影响石墨烯的电导率，引起石墨烯电流发生改变。通过检测石墨烯面内的电流变化即可测得外部施加的压力值。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种石墨烯高温压力传感器封装方法，其特征在于，所述石墨烯压力传感器高温封装整体结构，所述石墨烯压力传感器包括外壳、基座、及基片，所述基座与所述外壳采用活性封接，所述基片与基座采用Au-Au复合键合形成无氧真空腔，所述Au–Au复合键合通过如下工艺步骤实施：
(1)负胶光刻，以形成Au纳米颗粒沉积的掩模：光刻胶选择较易去除的负剥离胶；
(2)Au纳米颗粒沉积：通过磁控溅射控制Au纳米颗粒沉积，通过调节磁控溅射的压强、功率及时间实现对Au纳米颗粒沉积的控制，实现对Au纳米颗粒沉积的控制，避免出现Au纳米颗粒团簇的现象；
(3)剥离(Lift-off)，以形成图形化的Au纳米颗粒：利用湿法工艺去胶，获得含Au纳米颗粒的密封环和微凸点；
(4)Au表面等离子体预处理：选择等离子体系统及工作气体，通过调节功率、气流量、时间工作参数，实现Au表面预处理；
(5)Au表面自组装单分子层预处理：将等离子体处理之后的传感器芯片、及基板置入硫醇溶液中进行自组装单分子层处理；
(6)Au–Au直接键合：在充满N2的键合环境，温度控制在300℃以下，调整键合机状态、水平及转角校准，将芯片与基板自动或手动对准后，进行键合处理；
(7)退火：对所述Au-Au键合后的传感器，进行退火处理，进一步促进Au原子之间的扩散，改善键合性能。
2.根据权利要求1所述一种石墨烯高温压力传感器封装方法，其特征在于，所述外壳为耐高温钨铜合金，所述基座和钨铜合金外壳采用活性封接；
基片采用SiC或者陶瓷，基座采用SiC或者陶瓷。
3.根据权利要求1所述一种石墨烯高温压力传感器封装方法，其特征在于，所述基片与基座间形成无氧真空腔，纳米薄膜在无氧环境中工作，将石墨烯高温压力传感器使用温度提升至900℃。
4.根据权利要求1所述一种石墨烯高温压力传感器封装方法，其特征在于，所述步骤(4)的选择输出频率为13.56MHz的等离子体系统。
5.根据权利要求1所述一种石墨烯高温压力传感器封装方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，硫醇溶液的浓度为0.0125mol/L,置入时间大约为30min，避免Au表面污染。
6.根据权利要求1所述一种石墨烯高温压力传感器封装方法，其特征在于，所述基片的上部开设有凹腔，所述凹腔制作工艺步骤：
(1)清洗：利用标准RCA清洗去除SiC片上的污染物；
(2)溅射种子层：将上述处理后的SiC片，送入磁控溅射台中，溅射铬层和金层；
(3)光刻图形化：在经过上述步骤处理后的SiC片，通过匀涂光刻胶，进行光刻处理；
(4)腐蚀铬层和金层：图形化种子层，将上述步骤处理过的SiC片进行腐蚀液腐蚀金层处理，所述腐蚀液的成分比例KI:I2:H2O为4:1:10；
将上述步骤处理过的SiC片进行腐蚀液腐蚀铬层，所述腐蚀液的成分比例Ce(SO4)2:HNO3:H20为3:3:10；
(5)去胶：将上述步骤处理过的SiC片使用丙酮浸泡并超声清洗，烘干；
(6)二次光刻：将上述步骤处理过的SiC片匀涂厚胶，进行光刻处理，提高电镀镍层的垂直度；
(7)制作镍掩模层：将上述步骤处理过的SiC片电镀一层镍；采用的电镀液为氨基磺酸镍镀液，所述氨基磺酸镍镀液的成分为：氨基磺酸镍300g/L、氯化镍30g/L、硼酸30g/L，配置成pH为4.2的溶液；
使用直流电源，采用高纯镍作为阴极，所述高纯镍的纯度为99.99％，电镀温度为室温，所述室温为25℃；
(8)去胶：将上述步骤处理过的SiC片使用丙酮浸泡并超声清洗，烘干；
(9)RIE刻蚀：将上述步骤处理过的SiC片进行刻蚀，采用气体为SF6和O2，优选为，SF6为50sccm，O2为10sccm；
(10)移除镍掩膜层：将上述步骤处理过的SiC片在腐蚀液中浸泡，所述腐蚀液的成分比例为HCl：HNO3：DI为1:1:3，使用超声波清洗；
(11)去除金属层：同工艺步骤(4)，腐蚀铬层和金层。
7.根据权利要求1所述一种石墨烯高温压力传感器封装方法，其特征在于，所述石墨烯高温压力传感器包括石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜由上层氮化硼层、下层氮化硼层、及夹在其中的石墨烯层组成；
所述基底上部设置有互连焊盘，所述互连焊盘采用钨。
8.根据权利要求7所述一种石墨烯高温压力传感器封装方法，其特征在于，所述石墨烯高温压力传感器还包括第一互连电极、第二互连电极，所述上层、下层氮化硼的层数大于等于1，石墨烯为单层结构，所述上层氮化硼层、及石墨烯层贴覆在所述第一互连电极、第二互连电极的上侧面，所述下层氮化硼层两端与所述阻挡层相互接触。
9.根据权利要求8所述一种石墨烯高温压力传感器封装方法，其特征在于，所述石墨烯高温压力传感器还包括第一电极、第二电极、密封环，在所述第一电极、第二电极、密封环、及基片之间都分别设置所述阻挡层。
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