CN117589358A - 一种低应力封装压力敏感元件及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低应力封装压力敏感元件及方法，涉及芯片封装领域，包括：一体化基座烧结件、陶瓷绝缘罩、销钉、波纹膜片、压圈、芯片、陶瓷基底和高硼硅玻璃；一体化基座烧结件内安装陶瓷基底和高硼硅玻璃，陶瓷基底通过高硼硅玻璃连接一体化基座烧结件，芯片安装在陶瓷基底的粘接面，销钉安装在一体化基座烧结件中靠近芯片的位置，波纹膜片和压圈焊接在芯片和陶瓷基底上，陶瓷绝缘罩包围芯片，陶瓷基底设置在高于一体化基座烧结件的底面的预设高度位置，陶瓷基底的底面积小于芯片的底面积。本发明能够解决现有压力敏感元件应力较大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及芯片封装领域，具体涉及一种低应力封装压力敏感元件及方法。
背景技术
压力敏感元件是一种采用波纹膜片保护，适用于OEM应用场合的充油式敏感元件，其将一个金属波纹膜片焊接在敏感元件壳体前端以保护芯片，在芯片和膜片之间充满硅油，硅油将波纹膜片上感受的压力无损失地传递给芯片，从而能够实现对各种流体介质的测量，包括具有腐蚀性和导电性流体的压力测量。
目前，一般是将压力敏感芯片通过粘结剂粘结在316L/柯伐合金基座中，然后粘结陶瓷绝缘罩，最后将不锈钢316L波纹膜片焊接在壳体前端以保护芯片，并在芯片和膜片之间充满硅油。其中，金属的热膨胀系数是芯片基底高硼硅玻璃的几倍甚至几十倍，在温度变化时由于两种材料的热膨胀系数差异，会带来较大的应力，影响产品性能。
发明内容
本发明提供一种低应力封装压力敏感元件及方法，以解决现有压力敏感元件应力较大的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种低应力封装压力敏感元件，包括：一体化基座烧结件、陶瓷绝缘罩、销钉、波纹膜片、压圈、芯片、陶瓷基底和高硼硅玻璃；
一体化基座烧结件内安装陶瓷基底和高硼硅玻璃，陶瓷基底通过高硼硅玻璃连接一体化基座烧结件，芯片安装在陶瓷基底的粘接面，销钉储能焊接在一体化基座烧结件内，波纹膜片和压圈激光焊接在一体化基座烧结件上，陶瓷绝缘罩包围芯片，陶瓷基底设置在高于一体化基座烧结件的底面的预设高度位置，陶瓷基底的底面积小于芯片的底面积。
进一步地，陶瓷基底的底面积为芯片底面积的3/4。
进一步地，陶瓷基底的热膨胀系数为-66PPM。
进一步地，陶瓷绝缘罩的热膨胀系数不大于-100PPM。
进一步地，一体化基座烧结件的壳体、陶瓷基底的壳体和波纹膜片的材质采用316L不锈钢。
进一步地，所述预设高度位置的高度为0.3mm。
一种低应力封装压力敏感元件的方法，基于所述的低应力封装压力敏感元件，包括以下步骤：
将芯片粘接在一体化基座烧结件中的陶瓷基底的粘接面上，然后将陶瓷绝缘罩封装在油腔中；
将芯片与陶瓷基底的管脚进行连接，得到半成品；
将波纹膜片和压圈，与所述半成品进行焊接，最后进行封装。
进一步地，所述将芯片粘接在一体化基座烧结件中的陶瓷基底的粘接面上，所述粘接采用芯片粘接剂，所述芯片粘接剂的热膨胀系数为382PPM。
进一步地，所述将芯片与陶瓷基底的管脚进行连接采用金丝球焊技术。
进一步地，采用玻璃烧结技术将陶瓷基底通过高硼硅玻璃烧结在一体化基座烧结件中。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种低应力封装压力敏感元件，陶瓷基底通过高硼硅玻璃连接一体化基座烧结件，芯片安装在陶瓷基底的粘接面，陶瓷基底设置在高于一体化基座烧结件的底面的预设高度位置，能够保证芯片在粘接时保证一定高度，不受316L不锈钢本体的热应力影响；陶瓷基底的底面积小于芯片的底面积，能够保证芯片在粘接后受到更小的粘接应力，因此本发明能够解决现有压力敏感元件应力较大的问题。
进一步地，本发明陶瓷基底的底面积为芯片底面积的3/4，能够使芯片粘接后受到更小的应力影响。
进一步地，本发明陶瓷基底的热膨胀系数采用-66PPM，其体积随着温度升高而降低，能够抵消芯片高温后体积变大带来的温度影响。
进一步地，本发明陶瓷绝缘罩的热膨胀系数采用-100PPM，能够抵消硅油膨胀带来的温度误差，使得微压传感器在温度补偿时具有更小的温度误差，达到产品高精度的性能要求。
进一步地，本发明的一体化基座烧结件和波纹膜片均采用不锈钢316L材质，能够满足无腐蚀性介质测量环境的应用，并且在极度潮湿的工况下也能表现出极优的绝缘性。
本发明提供一种低应力封装压力敏感元件的方法，将芯片粘接在一体化基座烧结件中的陶瓷基底的粘接面上，然后将陶瓷绝缘罩封装在油腔中，能够抵消硅油膨胀带来的温度误差，使得微压传感器在温度补偿时具有更小的温度误差以达到产品高精度的性能要求。
进一步地，本发明采用热膨胀系数为382PPM的芯片粘接剂，热膨胀系数远远小于常规芯片粘接剂，使得产品的热稳定性较好。
附图说明
图1为本发明实施例的低应力封装压力敏感元件的结构示意图；
图2为本发明实施例中陶瓷基底的粘接面的位置示意图；
图3为本发明实施例中芯片粘接剂的使用位置示意图；
图4为本发明实施例采用的陶瓷绝缘罩的热膨胀系数测试图。
其中，1、一体化基座烧结件；2、陶瓷绝缘罩；3、销钉；4、波纹膜片；5、压圈；6、芯片。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合附图，对本发明的技术方案进行进一步地详细描述，所述内容是对本发明的解释而不是限定。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、系统、产品或设备固有的其他步骤或单元。
且在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“相连”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接连接，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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供一种低应力封装压力敏感元件，量程≤7kPa，包括一体化基座烧结件1、陶瓷绝缘罩2、销钉3、波纹膜片4、压圈5、芯片6、陶瓷基底7和高硼硅玻璃8，其中一体化基座烧结件1的芯片粘接基底部分采用一款负热膨胀系数的陶瓷基底7，热膨胀系数为-66PPM，陶瓷基底7通过高硼硅玻璃8连接一体化基座烧结件1；
优选地，陶瓷基底7的底面积只有芯片底面积的3/4；
芯片通过芯片粘接剂粘接在陶瓷基底7的粘接面，优选地，芯片粘接剂的热膨胀系数为382PPM，远远小于现有常规芯片粘接剂的热膨胀系数。
销钉3储能焊接在一体化基座烧结件1内，陶瓷绝缘罩2包围芯片6，陶瓷绝缘罩2采用负热膨胀系数不大于-100PPM的负热膨胀系数材料，并将陶瓷绝缘罩2封装在油腔中，抵消硅油膨胀带来的温度误差，使微压传感器在温度补偿时具有更小的温度误差，以达到产品高稳定性、高精度的设计要求；
优选地，波纹膜片4和压圈5激光焊接在一体化基座烧结件1上，陶瓷基底7高出一体化基座烧结件1的底面0.3mm，保证芯片6不受316L不锈钢本体的热应力影响；
优选地，一体化基座烧结件1的壳体、陶瓷基底7的壳体和波纹膜片4采用316L不锈钢材质。
本发明提供一种低应力封装压力敏感元件的方法，包括以下步骤：
步骤1：将芯片6通过芯片粘接剂粘接在一体化基座烧结件1中的陶瓷基底7，然后粘接装配陶瓷绝缘罩2，将陶瓷绝缘罩2封装在油腔中，等待芯片粘接剂固化完成；
步骤2：进行金丝绑定，通过金丝球焊接技术将芯片6和陶瓷基底7的管脚相连接，得到半成品；
步骤3：将波纹膜片3和压圈5，与步骤2中的半成品焊接在一起；
步骤4：进行充油后，通过传感器封装工艺，对产品进行性能方面的优化与检测，性能稳定后的产品对自身压力输出信号进行温度补偿并测试性能，表1为本发明产品与常规产品的性能对比数据。
表1本发明产品与常规产品的迟滞对比
由上表可见，通过本发明的方法进行封装的压力敏感元件的迟滞小于常规产品，因此本发明产品性能是优于常规产品的。
在本发明中，一体化基座烧结件1中芯片粘接面通过玻璃烧结技术，将陶瓷基底7与不锈钢316壳体的烧结成为一体，抵消芯片6高温后体积膨胀带来的温度影响；同时，通过玻璃烧结技术将陶瓷基底7通过高硼硅玻璃8烧结在一体化基底烧结件1中，在温度变化时，高硼硅玻璃作为应力缓冲带能够抵消不锈钢膨胀产生的应力。
本发明采用的陶瓷绝缘罩2，其采用负热膨胀系数材料，热膨胀系数小于-100PPM，陶瓷绝缘罩2的体积随着温度升高而降低，能够抵消硅油高温后体积变大带来的温度影响，从而提升产品性能，图4为陶瓷绝缘罩2的热膨胀系数侧视图。
在本发明中，一体化基座烧结件1的芯片粘接部分为负热膨胀系数材料，其热膨胀系数为-66PPM，体积随着温度升高而降低，能够抵消芯片高温后体积变大带来的温度影响，该材料远远优于不锈钢316L(热膨胀系数为17.3×10-6/℃)和柯伐合金(热膨胀系数为5.2×10-6/℃)，并且陶瓷基底7通过高硼硅玻璃8与不锈钢316L主体烧结在一起，在温度变化时，高硼硅玻璃8作为应力缓冲带能够抵消不锈钢膨胀产生的应力；陶瓷基底7高出一体化基座烧结件1的底面0.3mm，能够保证芯片6不受不锈钢316L本体的热应力影响，且陶瓷基底7的底面积只有芯片6底面积的3/4，以达到芯片粘接后受到更小的粘接应力；所采用芯片粘接剂的热膨胀系数为382PPM，远远小于现有常规芯片粘接剂的热膨胀系数，能够保证芯片具有较低的热膨胀系数。本发明陶瓷绝缘罩2采用负热膨胀系数材料，其热膨胀系数为-100PPM，并将其封装到油腔中，能够抵消硅油膨胀带来的温度误差，使得微压传感器在温度补偿时具有更小的温度误差，以达到产品高精度的性能要求。
由技术常识可知，本发明可以通过其他不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的，所有在本发明范围内或在等同于本发明范围内的改变均被本发明包含。
Claims (10)
1.一种低应力封装压力敏感元件，其特征在于，包括：一体化基座烧结件(1)、陶瓷绝缘罩(2)、销钉(3)、波纹膜片(4)、压圈(5)、芯片(6)、陶瓷基底(7)和高硼硅玻璃(8)；
一体化基座烧结件(1)内安装陶瓷基底(7)和高硼硅玻璃(8)，陶瓷基底(7)通过高硼硅玻璃(8)连接一体化基座烧结件(1)，芯片(6)安装在陶瓷基底(7)的粘接面，销钉(3)储能焊接在一体化基座烧结件(1)内，波纹膜片(4)和压圈(5)激光焊接在一体化基座烧结件(1)上，陶瓷绝缘罩(2)包围芯片(6)，陶瓷基底(7)设置在高于一体化基座烧结件(1)的底面的预设高度位置，陶瓷基底(7)的底面积小于芯片(6)的底面积。
2.根据权利要求1所述的一种低应力封装压力敏感元件，其特征在于，陶瓷基底(7)的底面积为芯片(6)底面积的3/4。
3.根据权利要求1所述的一种低应力封装压力敏感元件，其特征在于，陶瓷基底(7)的热膨胀系数为-66PPM。
4.根据权利要求1所述的一种低应力封装压力敏感元件，其特征在于，陶瓷绝缘罩(2)的热膨胀系数不大于-100PPM。
5.根据权利要求1所述的一种低应力封装压力敏感元件，其特征在于，一体化基座烧结件(1)的壳体、陶瓷基底(7)的壳体和波纹膜片(4)的材质采用316L不锈钢。
6.根据权利要求1所述的一种低应力封装压力敏感元件，其特征在于，所述预设高度位置的高度为0.3mm。
7.一种低应力封装压力敏感元件的方法，其特征在于，基于权利要求1～6任意一项所述的低应力封装压力敏感元件，包括以下步骤：
将芯片(6)粘接在一体化基座烧结件(1)中的陶瓷基底(7)的粘接面上，然后将陶瓷绝缘罩(2)封装在油腔中；
将芯片(6)与陶瓷基底(7)的管脚进行连接，得到半成品；
将波纹膜片(4)和压圈(5)，与所述半成品进行焊接，最后进行封装。
8.根据权利要求7所述的一种低应力封装压力敏感元件的方法，其特征在于，所述将芯片(6)粘接在一体化基座烧结件(1)中的陶瓷基底(7)的粘接面上，所述粘接采用芯片粘接剂，所述芯片粘接剂的热膨胀系数为382PPM。
9.根据权利要求7所述的一种低应力封装压力敏感元件的方法，其特征在于，所述将芯片(6)与陶瓷基底(7)的管脚进行连接采用金丝球焊技术。
10.根据权利要求7所述的一种低应力封装压力敏感元件的方法，其特征在于，采用玻璃烧结技术将陶瓷基底(7)通过高硼硅玻璃(8)烧结在一体化基座烧结件(1)中。
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