CN112875637B - 一种耐高温压力传感器及制造方法 - Google Patents

一种耐高温压力传感器及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种耐高温压力传感器及制造方法涉及无引线封装结构半导体压力传感器和制造方法，目的是为了克服现有压力传感器的无引线封装对封装材料间的热膨胀系数匹配性要求高，无法长期稳定地在宽温区范围内使用的问题；其中耐高温压力传感器包括：MEMS芯片的正面设有多个槽孔；槽孔能够露出金属电极；管座包括管座外壳、导电管脚和内部支撑体；管座外壳为两端开口的中空柱状壳体；导电管脚的一端为圆柱螺旋线状，通过内部支撑体与管座外壳固定于一体；导电管脚的一端穿过并露出于内部支撑体的一端端面，形成凸出的插入连接部；MEMS芯片的正面通过软胶层固定于内部支撑体的一端端面；插入连接部一一对应地插入槽孔中与对应的金属电极电气连接。

Description

一种耐高温压力传感器及制造方法
技术领域
本发明涉及无引线封装结构半导体压力传感器和制造方法。
背景技术
传统压力传感器封装方式中，硅芯片和传感器管脚是通过细金属丝连接起来的。这些细金属线被焊接到传感器芯片的金属焊点上，然后再焊接到管脚上。这些细金属线或焊接处，易受高振动或快速的压力循环引起的疲劳而出故障，另外，硅芯片往往正面感受外界压力，需要进行充油保护，这会降低传感器的耐高温能力和动态性能，限制传感器的小型化。
而采用无引线封装方式可以避免上述问题。这种封装方式不需要使用金丝球焊和细金丝，而是使用一种高温金属浆料实现压力芯片和管座间的电气连接。该浆料可以是一种适当的物理组分的高导电性金属粉末和玻璃的混合物。芯片与管座间使用了玻璃粉结构。芯片与管座装配好后，整体在高温环境下进行烧结，可以实现芯片与管脚可靠的导电连接和芯片与管座的固定。这种封装方式利用芯片背面感受压力，整个传感器网络完全与外界待测介质隔离。
但是上述封装方式的缺点是芯片与管座通过硬封装在了一起，对封装材料间的热膨胀系数匹配性要求非常高，这限制了管壳材料的选用和应用领域。在宽温区范围内使用时封装界面易产生较大热应力，影响器件长期稳定性。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有压力传感器的无引线封装对封装材料间的热膨胀系数匹配性要求高，无法长期稳定地在宽温区范围内使用的问题，提供了一种耐高温压力传感器及制造方法。
本发明的一种耐高温压力传感器，包括MEMS芯片、管座和软胶层；
MEMS芯片的正面设有多个槽孔；
槽孔与MEMS芯片的金属电极数量相等且位置一一对应，使得槽孔能够露出金属电极；
管座包括管座外壳、导电管脚和内部支撑体，且导电管脚的数量与金属电极的数量相等；
管座外壳为两端开口的中空柱状壳体；
导电管脚的一端为圆柱螺旋线状，该导电管脚位于管座外壳中，且通过内部支撑体与管座外壳固定于一体；
导电管脚的一端穿过并露出于内部支撑体的一端端面，形成凸出的插入连接部，且插入连接部与槽孔的位置一一对应；
MEMS芯片的正面通过软胶层固定于内部支撑体的一端端面；
插入连接部一一对应地插入槽孔中与对应的金属电极电气连接。
本发明的制造上述的一种耐高温压力传感器的方法，方法具体步骤如下：
步骤一、分别制作MEMS芯片和管座；
步骤二、在MEMS芯片的槽孔中填充导电浆料；
步骤三、将导电管脚的插入连接部伸入MEMS芯片的通孔中；
步骤四、使用耐高温胶将MEMS芯片固定在导电管脚上；
步骤五、将固定好的MEMS芯片和导电管脚放置于烘箱中，以第一设定时间进行加热，并在加热后并以第二设定时间进行保温；使得导电浆料固化成为导电填充介质，耐高温胶固化成为软胶层，得到耐高温压力传感器。
本发明的有益效果是：
1、本发明对现有无引线高温压力传感器内部的导电管脚形式进行了重新设计，摒弃了传统的圆柱形状，改用了圆柱螺旋线形式，导电管脚的伸展性大大提高。使得MEMS芯片在管座表面发生移动时，也能维持电气连接的稳定性；
2、本发明使用耐高温软胶实现MEMS芯片与管座间的固定，摒弃了现有的硬封装方式。使得本装置在宽温区范围使用时，能够利用耐高温软胶的弹性，降低温变化过程中封装界面的热应力对输出的影响。可使本发明的耐高温压力传感器具有优良的热迟滞性能和长期稳定性。进而减少了这种封装结构对管座外壳的材料热膨胀系数的限制；因此，该封装结构可使传感器在高温环境稳定工作；
3、由于使用的耐高温软胶具有固化温度低的优势，本发明摒弃了现有的玻璃粉高温烧结工艺，采用了低温的导电浆料，使得整体的固化温度不高于225℃，这降低了MEMS芯片对耐高温能力的要求，使得MEMS芯片在制作过程中可以采用金电极、铝电极等常见的金属电极，而不必采用昂贵且工艺负杂的铂电极体系。
4、基于上述技术创新，本发明的耐高温压力传感器的封装工艺可与现有的压力传感器封装工艺体系兼容，便于推广应用，可迅速实现产业化。
附图说明
图1为本发明的一种耐高温压力传感器的结构示意图；
图2为本发明的一种耐高温压力传感器中MEMS芯片的结构示意图；
图3为本发明的一种耐高温压力传感器中管座的结构示意图；
图4为本发明的一种耐高温压力传感器的拆解结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一，本实施方式的一种耐高温压力传感器，包括MEMS芯片1、管座2和软胶层3；
MEMS芯片1的正面设有多个槽孔1-1；
槽孔1-1与MEMS芯片1的金属电极数量相等且位置一一对应，使得槽孔1-1能够露出金属电极；
管座2包括管座外壳2-1、导电管脚2-2和内部支撑体2-3，且导电管脚2-2的数量与金属电极的数量相等；
管座外壳2-1为两端开口的中空柱状壳体；
导电管脚2-2的一端为圆柱螺旋线状，该导电管脚2-2位于管座外壳2-1中，且通过内部支撑体2-3与管座外壳2-1固定于一体；
导电管脚2-2的一端穿过并露出于内部支撑体2-3的一端端面，形成凸出的插入连接部，且插入连接部与槽孔1-1的位置一一对应；
MEMS芯片1的正面通过软胶层3固定于内部支撑体2-3的一端端面；
插入连接部一一对应地插入槽孔1-1中与对应的金属电极电气连接。
具体地，如图1所示，本实施方式的高温压力传感器，采用无引线封装形式，包括耐高温的MEMS芯片1和管座2两部分。
其中，如图2和图4所示，MEMS芯片1的金属电极通过槽孔1-1(通孔)显露出来。
其中，如图3和图4所示，管座2由外部的管座外壳2-1、管座外壳2-1的导电管脚2-2和内部支撑体2-3组成。导电管脚2-2的端部呈螺旋线状，固定在内部支撑体2-3内部。导电管脚2-2采用圆柱螺旋结构，伸展性好，因此可以采用软胶层3固定MEMS芯片1和和管座2，这不但可以避免MEMS芯片1与管座2间的硬封接，而且可以避免温度较高的烧结过程，从而降低MEMS芯片1对耐高温能力要求。
外部的管座外壳2-1、内部的内部支撑体2-3和导电管脚2-2通过烧结方式形成一个整体，将圆柱螺旋线状的导电管脚2-2伸入MEMS芯片1表面的槽孔1-1中，MEMS芯片1使用耐高温软胶材质的软胶层3安装在内部支撑体2-3上。
然后使用烧结工艺实现高温软胶固化，实现MEMS芯片1与导电管脚2-2的导电连接和MEMS芯片1在管座2上的固定。
其中，软胶层3使用的耐高温软胶，伸长率大于30％。利用耐高温软胶的弹性，可以降低温变化过程中封装界面的热应力对输出的影响。可使本实施方式中的耐高温压力传感器具有优良的热迟滞性能和长期稳定性。这种封装结构对MEMS芯片1与内部支撑体2-3间的热膨胀系数匹配性有很好的兼容性，不要求管座2的内部支撑体2-3的热膨胀系数与MEMS芯片1的热膨胀系数匹配，从而降低了对内部内部支撑体2-3材料的限制，还可以根据具体应用情况选择玻璃、陶瓷和不锈钢等管座外壳2-1。
进一步地，MEMS芯片1包括至少两个基片，且两个基片分别为第一基片和第一基片；
MEMS芯片1的金属电极位于第一基片的正面；
第二基片上设有与金属电极数量相等且位置一一对应的通孔；
第一基片的正面与第二基片的一面键合固定组成MEMS芯片1，且第二基片的通孔成为MEMS芯片1的槽孔1-1。
具体地，如图2所示，MEMS芯片1由两层或多层基片通过键合方式形成一个整体，利用芯片背面感受待测压力，内部力敏电阻与外界待测介质隔离。MEMS芯片1正面基片与带孔基片键合，在内部密封真空参考腔。传感器敏感芯片真空参考腔采用键合方式形成，可靠性较高，加工简单。
MEMS芯片1的可以使用硅片、玻璃片、碳化硅片进行制作。
进一步地，管座内部支撑体2-3的热膨胀系数与MEMS芯片1的热膨胀系数的差大于等于1×10-6/℃。
其中，现有的压力传感器及制造方法，由于采用过硬封装，则要求管座内部支撑体2-3的热膨胀系数与MEMS芯片1的热膨胀系数的差小于1×10-6/℃，而本实施方式，由于采用了软胶层3，不要求管座2的内部支撑体2-3的热膨胀系数与MEMS芯片1的热膨胀系数匹配，从而降低了对内部内部支撑体2-3材料的限制。
进一步地，导电管脚2-2为表面镀金的可伐合金材质管脚，热膨胀系数为4.6×10-6/℃。
具体地，导电管脚2-2的材料可以是可伐合金，也可以是铂丝、铜丝等金属材料。
进一步地，内部支撑体2-3的材质为玻璃，热膨胀系数3.3×10-6/℃。
具体地，内部支撑体2-3的材料可以是玻璃，也可以是陶瓷和金属。
进一步地，还包括导电填充介质；
导电填充介质填充于槽孔1-1中，用于将插入连接部与金属电极电气连接。
具体地，利用导电浆料填充MEMS芯片1表面的槽孔1-1，实现MEMS芯片1与导电管脚2-2的导电连接。
导电浆料烧结温度不高于225℃，可以选择纳米银浆料、金浆料等低温烧结浆料。
具体实施方式二、制造实施方式一中的一种耐高温压力传感器的方法，方法具体步骤如下：
步骤一、分别制作MEMS芯片1和管座2；
步骤二、在MEMS芯片1的槽孔1-1中填充导电浆料；
步骤三、将导电管脚2-2的插入连接部伸入MEMS芯片1的通孔中；
步骤四、使用耐高温胶将MEMS芯片1固定在导电管脚2-2上；
步骤五、将固定好的MEMS芯片1和导电管脚2-2放置于烘箱中，以第一设定时间进行加热，并在加热后并以第二设定时间进行保温；使得导电浆料固化成为导电填充介质，耐高温胶固化成为软胶层3，得到耐高温压力传感器。
进一步地，第一设定时间内的加热是在225℃以下进行的。
进一步地，第一设定时间大于等于40min；第二设定时间大于等于90min。
具体地，如图1至图4所示，MEMS芯片1由玻璃基片和硅基片通过键合方式形成一个整体，MEMS芯片1正面的玻璃基片带有4个槽孔1-1，槽孔1-1内显露出来的金属电极是使用Cr/Au制成的多层金属电极。
利用纳米银导电浆料填充MEMS芯片1的表面槽孔1-1，将螺旋线状的导电管脚2-2伸入MEMS芯片1的槽孔1-1中。
使用704型耐高温软胶将MEMS芯片1固定在玻璃的内部支撑体2-3上。将组成的耐高温压力传感器放置到烘箱中，从室温缓慢升温至200℃(时间不少于40分钟)后，保温90分钟，使纳米银浆完成固化和耐高温软胶固化，实现MEMS芯片1与导电管脚2-2的导电连接，以及MEMS芯片1在管座2上的固定。
其中，上述制作过程未使用超声焊技术。并且MEMS芯片1与管座2进行封装时不需要225℃以上的高温条件。

Claims (9)

1.一种耐高温压力传感器，其特征在于，包括MEMS芯片(1)、管座(2)和软胶层(3)；
所述MEMS芯片(1)的正面设有多个槽孔(1-1)；
所述槽孔(1-1)与所述MEMS芯片(1)的金属电极数量相等且位置一一对应，使得所述槽孔(1-1)能够露出所述金属电极；
所述管座(2)包括管座外壳(2-1)、导电管脚(2-2)和内部支撑体(2-3)，且所述导电管脚(2-2)的数量与所述金属电极的数量相等；
所述管座外壳(2-1)为两端开口的中空柱状壳体；
所述导电管脚(2-2)的一端为圆柱螺旋线状，该导电管脚(2-2)位于所述管座外壳(2-1)中，且通过所述内部支撑体(2-3)与所述管座外壳(2-1)固定于一体；
所述导电管脚(2-2)的一端穿过并露出于所述内部支撑体(2-3)的一端端面，形成凸出的插入连接部，且所述插入连接部与所述槽孔(1-1)的位置一一对应；
所述MEMS芯片(1)的正面通过所述软胶层(3)固定于所述内部支撑体(2-3)的一端端面；
所述插入连接部一一对应地插入所述槽孔(1-1)中与对应的金属电极电气连接。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温压力传感器，其特征在于，所述MEMS芯片(1)包括至少两个基片，且所述两个基片分别为第一基片和第二基片；
所述MEMS芯片(1)的金属电极位于所述第一基片的正面；
所述第二基片上设有与所述金属电极数量相等且位置一一对应的通孔；
所述第一基片的正面与所述第二基片的一面键合固定组成MEMS芯片(1)，且所述第二基片的通孔成为所述MEMS芯片(1)的槽孔(1-1)。
3.根据权利要求1或2所述的一种耐高温压力传感器，其特征在于，管座内部支撑体(2-3)的热膨胀系数与MEMS芯片(1)的热膨胀系数的差大于等于1×10-6/℃。
4.根据权利要求1或2所述的一种耐高温压力传感器，其特征在于，导电管脚(2-2)为表面镀金的可伐合金材质管脚，热膨胀系数为4.6×10-6/℃。
5.根据权利要求1或2所述的一种耐高温压力传感器，其特征在于，所述内部支撑体(2-3)的材质为玻璃，热膨胀系数3.3×10-6/℃。
6.根据权利要求1或2所述的一种耐高温压力传感器，其特征在于，还包括导电填充介质；
所述导电填充介质填充于槽孔(1-1)中，用于将插入连接部与金属电极电气连接。
7.制造权利要求1所述的一种耐高温压力传感器的方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：
步骤一、分别制作MEMS芯片(1)和管座(2)；
步骤二、在MEMS芯片(1)的槽孔(1-1)中填充导电浆料；
步骤三、将导电管脚(2-2)的插入连接部伸入MEMS芯片(1)的通孔中；
步骤四、使用耐高温胶将MEMS芯片(1)固定在导电管脚(2-2)上；
步骤五、将固定好的MEMS芯片(1)和导电管脚(2-2)放置于烘箱中，以第一设定时间进行加热，并在加热后并以第二设定时间进行保温；使得导电浆料固化成为导电填充介质，耐高温胶固化成为软胶层(3)，得到所述耐高温压力传感器。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一设定时间内的加热是在225℃以下进行的。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，第一设定时间大于等于40min；第二设定时间大于等于90min。
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