CN114323406A - 基于倒装技术的压力传感器芯片、封装结构与制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于倒装技术的压力传感器芯片、封装结构与制备方法，适用于爆炸冲击波压力场高动态测量。本发明压力传感器芯片包括压力敏感芯片与转接板，其中压力敏感芯片采用压阻式原理，设置有感受外界压力变化的岛膜结构，通过将应力敏感梁、敏感电阻与背腔布置在非承压面，保证压力敏感面为平面，同时传感器整体采用齐平式封装的结构，保证与压力介质接触面为平面，避免传统倒装压力芯片在风动压测量过程中，压力介质须绕射芯片背腔到达压力敏感面，从而造成传感器动态测量精度低、频率响应不足的问题。而转接板采用硅通孔或玻璃通孔的方式，实现电信号的无引线传输，避免了常规金丝引线引起的断裂与短路状况，提升传感器的工作可靠性。
Description
技术领域
本发明属于微纳传感器技术领域，具体涉及基于倒装技术的高频响压力传感器芯片、封装结构与制备方法。
背景技术
在爆炸自由场以及风动压测试等场合，为评估自由场的压力分布状态，通常需要采用高动态压力传感器对自由场的气体压力进行测量，而该测试场合的环境往往较为恶劣，存在粉尘、水汽等杂质，现在常规的压力芯片通常采用金丝引线连接，而金丝引线在恶劣工况下，可靠性较低，通常会出现金丝引线断裂以及短路等状况，所以需要针对恶劣工况开发无引线高频响测试方案。
在目前现有的无引线连接方式中，压力芯片与介质接触一侧通常设置有背腔，而在自由场压力测试过程中，气压在经过背腔绕射之后存在一定的滞后性而存在较大的动态测量误差。
发明内容
本发明提供了基于倒装技术的压力传感器芯片、封装结构与制备方法，有效的解决基于传统倒装芯片的动态压力测量中，压力须绕射芯片背腔才能被测量难题，避免了压力测试动态性能不足以及精度差等问题，也解决了有引线封装压力传感器体积大、可靠性不足、动态测量误差大的问题。
为达到上述目的，本发明所述基于倒装技术的压力传感器芯片，包括压力敏感芯片键合的转接板，所述压力敏感芯片包括应力敏感梁、敏感电阻和金属引线，敏感电阻设置在应力敏感梁一端，相邻的敏感电阻通过金属引线连接，金属引线与掺杂引线一端连接，所述掺杂引线另一端与导线连接；所述应力敏感梁与背腔布置在键合面。
进一步的，敏感电阻布置在压力敏感梁的应力最大处。
进一步的，压力敏感芯片一侧设置有压力防过载间隙。
进一步的，转接板为TSV或TGV转接板。
上述的基于倒装技术的压力传感器芯片的封装结构，压力传感器芯片安装在基座中，压力传感器芯片和基座之间填充有环氧胶。
进一步的，基座底座上开设有若干安装孔，导线穿过安装孔伸出基座外。
进一步的，导线与安装孔之间填充有绝缘层。
上述的基于倒装技术的压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用热氧化工艺在清洗后的硅片两面均制备一层氧化硅；
S3、对氧化硅进行图形化，露出防过载间隙正下方的硅片；
S4、对硅片进行刻蚀，形成防过载间隙；
S5、在硅片上制备压敏电阻和掺杂引线；
S6、在S5得到的结构上制备金属引线；
S7、在S6得到的结构上刻蚀背腔，形成应力敏感梁，得到压力敏感芯片；
S8、采用激光打孔、电镀填充工艺用玻璃或单晶硅制备转接板；
S9、采用阳极键合或硅硅键合工艺将敏感芯片与转接板键合密封。
现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明压力传感器倒装芯片，感压面设计为平面，采用齐平式封装的传感器芯片结构，保证了与压力介质接触的感压面无背腔结构，感压面为平面，以有效的降低由于气流绕射引起的压力测量误差与响应延迟，同时提升传感器的环境适应性。同时，本发明采用硅通孔(TSV)或玻璃通孔(TGV)封装方式，与敏感硅器件相互键合，实现电信号的无引线引出，避免了常规金丝引线引起的引线断裂与短路状况。
进一步的，在压敏电阻一侧设计有应力敏感梁，压敏电阻布置在应力敏感梁的应力最大处，提升传感器的灵敏度。
本发明所述的封装方法，为了保证传感器的齐平式封装，封装芯片周围采用环氧填充，实现环氧面与感压面的齐平。保证了与压力介质接触的感压面为平面，以有效的降低由于气流绕射引起的压力测量误差与响应延迟。
本发明所述的制备方法，采用MEMS制备工艺，制备出上述齐平式封装的传感器芯片结构。
附图说明
图1为高频响高灵敏度倒装压力传感器芯片示意图；
图2为高频响高灵敏度倒装压力传感器封装图；
图3为键合前压力芯片示意图；
图4为压力敏感芯片面内示意图；
图5为键合后压力芯片局部剖面图；
图6为本发明提供的方法的工艺流程图。
附图中：1、压力敏感芯片，2、转接板，3、锡球，4、防过载间隙，5、基座，6、环氧胶，7、导线，8、绝缘层，9、应力敏感梁，10、压敏电阻，11、掺杂引线，12、金属引线，13、金属填充物，20、硅片，21、氧化硅，22、背腔。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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装置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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。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“安装”、“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。
本发明提出一种基于倒装技术的高频响高灵敏度无引线压力传感器，该传感器芯片主要应用于爆炸场高动态自由场压力测量，该测量方法同时集成了齐平式封装与无引线封装方式，该方法可以有效的降低由于气流绕射引起的压力测量误差与响应延迟，同时提升传感器的环境适应性。
参照图1，基于倒装技术的高频响压力传感器芯片包括：压力敏感芯片1、转接板2和锡球3。转接板2的A面与压力敏感芯片1键合，B面上连接有锡球3，A面B面为两个相对的面。压力敏感芯片1一侧设置有压力防过载间隙4。
在压力敏感芯片1结构中，为实现齐平式封装，压敏电阻10布置在与转接板2的A面相键合的一侧，从而保证了与键合面相对的背面为无任何结构的平面，该平面作为感压面与压力介质直接接触。
为了提升传感器的灵敏度，在压敏电阻同一侧设计有应力敏感梁9，即敏感电阻10与应力敏感梁9均布置在键合面一侧，压敏电阻10布置在应力敏感梁9的应力最大处，该结构可有效的提升传感器的灵敏度。在压力敏感芯片制备完毕后，通过键合工艺与转接板2实现连接，传感器信号则通过金属填充物13和锡球3与导线7实现连接，并通过导线7传输至后端电路板或者采集装置。
为了保证传感器整体封装结构的齐平特性，设计封装结构如图2所示，压力传感器芯片安装在基座5中，为提升传感器在自由场测试中的测量精度，压力传感器芯片的底部与侧面采用环氧填充，压力传感器芯片和基座5之间填充有环氧胶6，从而保证整体封装结构的齐平特性，避免了流场扰动对传感器的影响，最终保证传感器的频响。基座5底座上设置有若干导线7，锡球3与导线7连接，导线7伸出基座5外，导线7与基座5之间填充有绝缘层8，基座5为不锈钢基座。
参照图3至图5，压力敏感芯片1包括四个应力敏感梁9、四个压敏电阻10和四条金属引线12，四个应力敏感梁9两两相对设置，每个应力敏感梁9的一端设置有压敏电阻10，四条金属引线12将四个压敏电阻10连接起来。四条金属引线12分别与四个掺杂引线11连接。
转接板2为TSV转接板或TGV转接板，采用TSV或TGV实现传感器的无引线封装。
一种基于倒装技术的高频响压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、硅片清洗：采用标准清洗工艺对硅片20进行清洗；
S2、双面热氧：采用热氧化工艺在清洗后的硅片两面均制备300nm厚度氧化硅21；
S3、氧化硅图形化：对防过载间隙4进行图形化；
S4、湿法刻蚀，形成防过载间隙4：防过载间隙4深度＞2μm；
S5、制备压敏电阻与掺杂引线：采用压阻制备工艺在硅片上制备压敏电阻10，采用重掺工艺制备掺杂引线11；
S6、制备金属引线：采用刻蚀或剥离工艺在S5得到的结构上制备金属引线12；
S7、背腔刻蚀：采用DRIE工艺在S6得到的结构上刻蚀背腔22，形成应力敏感梁9，得到压力敏感芯片1；
S8、TSV/TGV转接板制备：采用激光打孔、电镀填充等工艺用BF33玻璃或单晶硅制备TSV或TGV转接板，TSV或TGV转接板上开设有填充孔，向填充孔内填入金属填充物13；
S9、压力敏感芯片1与转接板2键合：采用阳极键合或硅硅键合工艺将敏感芯片1与转接板2键合密封。
该发明提出了一种齐平式封装与无引线相结合的结构，该结构通过将敏感电阻与应力结构梁布置与键合面一侧，从而保证了传感器感压面的平整，同时为了保证传感器的无引线封装，提出采用TSV或TGV封装方式，避免了常规金丝引线引起的引线断裂与短路状况。同时为了保证传感器的齐平式封装，封装芯片周围采用环氧填充，实现环氧面与感压面的齐平。
传感器技术指标如下：
压力量程：0MPa～10MPa；
芯片频响：优于1MHz。以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于倒装技术的压力传感器芯片，其特征在于，包括压力敏感芯片(1)和转接板(2)，所述压力敏感芯片(1)包括应力敏感梁(9)、敏感电阻(10)和金属引线(12)，敏感电阻(10)设置在应力敏感梁(9)一端，相邻的敏感电阻(10)通过金属引线(12)连接，金属引线(12)与掺杂引线(11)一端连接，所述掺杂引线(11)另一端与导线(7)连接；所述应力敏感梁(9)与背腔(22)布置在键合面。
2.根据权利要求1所述的基于倒装技术的压力传感器芯片，其特征在于，所述敏感电阻(10)布置在压力敏感梁(9)的应力最大处。
3.根据权利要求1所述的基于倒装技术的压力传感器芯片，其特征在于，所述压力敏感芯片(1)一侧设置有压力防过载间隙(4)。
4.根据权利要求1所述的基于倒装技术的压力传感器芯片，其特征在于，所述转接板为TSV或TGV转接板。
5.权利要求1所述的基于倒装技术的压力传感器芯片的封装结构，其特征在于，所述压力传感器芯片安装在基座(5)中，压力传感器芯片和基座(5)之间填充有环氧胶(6)。
6.根据权利要求5所述的基于倒装技术的压力传感器芯片的封装结构，其特征在于，所述基座(5)底座上开设有若干安装孔，导线(7)穿过安装孔伸出基座(5)外。
7.根据权利要求6所述的基于倒装技术的压力传感器芯片的封装结构，其特征在于，所述导线(7)与安装孔之间填充有绝缘层(8)。
8.权利要求1所述的基于倒装技术的压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用热氧化工艺在清洗后的硅片(20)两面均制备一层氧化硅(21)；
S3、对氧化硅(21)进行图形化，露出防过载间隙(4)正下方的硅片；
S4、对硅片进行刻蚀，形成防过载间隙(4)；
S5、在硅片上制备压敏电阻(10)和掺杂引线(10)；
S6、在S5得到的结构上制备金属引线；
S7、在S6得到的结构上刻蚀背腔(22)，形成应力敏感梁(9)，得到压力敏感芯片(1)；
S8、采用激光打孔、电镀填充工艺用玻璃或单晶硅制备转接板；
S9、采用阳极键合或硅硅键合工艺将敏感芯片(1)与转接板(2)键合密封。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100300207A1 (en) * | 2009-05-27 | 2010-12-02 | Temic Automotive Of North America, Inc. | Pressure sensor for harsh media sensing and flexible packaging |
| CN106153221A (zh) * | 2016-08-26 | 2016-11-23 | 沈阳仪表科学研究院有限公司 | 一种基于硅硅键合的高精度压力传感器的制造方法 |
| CN211602261U (zh) * | 2019-12-30 | 2020-09-29 | 苏州瞬通半导体科技有限公司 | 一种陶瓷压力传感器 |
| CN112723301A (zh) * | 2020-12-21 | 2021-04-30 | 苏州长风航空电子有限公司 | 一种航空用高频响压力传感器芯片及制备方法 |
| CN215217896U (zh) * | 2021-06-11 | 2021-12-17 | 深圳市美思先端电子有限公司 | 一种压力传感器 |
-
2021
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100300207A1 (en) * | 2009-05-27 | 2010-12-02 | Temic Automotive Of North America, Inc. | Pressure sensor for harsh media sensing and flexible packaging |
| CN106153221A (zh) * | 2016-08-26 | 2016-11-23 | 沈阳仪表科学研究院有限公司 | 一种基于硅硅键合的高精度压力传感器的制造方法 |
| CN211602261U (zh) * | 2019-12-30 | 2020-09-29 | 苏州瞬通半导体科技有限公司 | 一种陶瓷压力传感器 |
| CN112723301A (zh) * | 2020-12-21 | 2021-04-30 | 苏州长风航空电子有限公司 | 一种航空用高频响压力传感器芯片及制备方法 |
| CN215217896U (zh) * | 2021-06-11 | 2021-12-17 | 深圳市美思先端电子有限公司 | 一种压力传感器 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 李俊龙等: "无引线封装的SOI压阻式压力传感器设计", 《仪表技术与传感器》 * |
| 金忠等: "倒装焊接在压力敏感芯片封装工艺中的研究", 《电子与封装》 * |
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