基于系统级封装技术的车用压力传感器

1、引言

　　经过几十年的研究与开发，MEMS器件与系统的设计制造工艺逐步成熟，但产业化、市场化的MEMS器件的种类并不多，还有许多MEMS仍未能大量走出实验室，充分发挥其在军事与民品中的潜在应用，还需要研究和解决许多问题，其中封装是制约MEMS走向产业化的一个重要原因之一[1,2]。

　　为了适应 MEMS技术的发展，人们开发了许多新的MEMS封装技术和工艺，如阳极键合，硅熔融键合、共晶键合等，已基本建立起自己的封装体系。现在人们通常将 MEMS封装分为以下几个层次：即裸片级封装（Die Level）、器件级封装（Device Level）、硅圆片级封装（Wafer Lever Packaging）、单芯片封装（Single Chip Packaging）和系统级封装（System in Packaging）。

　　系统级封装（SIP）的目的主要是使MEMS器件满足不同类型产品的需要。微系统用户必须为器件定义环境和提出使用的条件，对复杂的MEMS系统，则要求设计、制造和封装等各方面的专家一起制定解决方案，确定系统结构和制造流程等。

　　本文在对扩散硅压力传感器的工作原理和传统封装形式分析的基础上，在压力传感器的设计中借鉴系统级封装的基本思想，将扩散硅压力敏感芯片及其相应的驱动放大电路等附属电路系统集成在一块特殊设计的印刷电路板上，再运用专门设计的MEMS系统级封装工艺将其封装在一个金属壳体中，形成完整的压力传感器。

2、扩散硅压力传感器及其封装

　　半导体的压阻效应是在1954年由Smith C. S.发现的[3]。之后，MEMS压力传感器的研究一直持续不衰,出现了集成压力传感器、柔性基低压力传感器以及圆片级封装的压力传感器等[4-10]。

　　利用压阻效应原理，采用集成工艺技术经过掺杂、扩散，沿单晶硅片上的特定晶向，制成应变电阻，构成惠斯通电桥，利用硅材料的弹性力学特性，在同一硅材料上进行各向异性微加工，就制成了一个集力敏与力电转换检测于一体的扩散硅传感器，如图1所示。

图1 压阻压力传感器原理
　　扩散硅压力敏感芯片本身并不能完成压力测量或者说从压力到电信号的转换，必须有合适的封装和配套的电路系统。

　　概括起来，压力传感器的封装应该满足以下几方面的要求：1）机械上是坚固的，抗振动，抗冲击；2）避免热应力对芯片的影响；3）电气上要求芯片与环境或大地是绝缘的；4）电磁上要求是屏敝的；5）用气密的方式隔离腐蚀气体或流体，或通过非气密隔离方式隔离水气。6）低的价格，封装形式与标准制造工艺兼容。压力传感器常用的封装形式有TO封装、气密充油的不锈钢封装、小外形塑料封装（SOP）等。

3、基于SIP技术的车用压力传感器

3.1 系统级封装

　　在某型车用压力传感器的设计中，借鉴了SIP技术的基本思想，将扩散硅压力敏感芯片、放大器芯片和其他外围电子元器件集成于一片基板上，一起植入气密充油的不锈钢外壳中，从而得到一个系统级封装的压力传感器。系统级封装的具体结构及其与传统封装结构的区别如图3所示。

　　由图2可以看到，传统的压力敏感头的封装内部只有扩散硅压力芯片，必须外接驱动放大电路，因此必须有一块外接电路板。通常情况下，敏感头和电路板再一起放入一个金属外壳中形成一个完整的压力传感器。

(a)传统压力传感器的封装
1.金属膜片 2.金属壳体 3.TO管座 4.电路板 5.引脚 6.转接板 7.填充陶瓷片 8.扩散硅压力敏感芯片
(b) 基于系统级封装的压力传感器的封装
　　1.金属膜片 2.金属壳体 3.引脚 4.电路板 5.填充陶瓷片 6.扩散硅压力敏感芯片
图2 传统封装与系统级封装

　　由于有两层壳体，造成压力传感器体积大，成本也不易降低，同时由于将敏感头和电路板放入外壳的过程中需要加压、卷边，将导致敏感头产生内部应力，出现零点飘移。

　　当应用SIP技术将敏感芯片和电路一起植入外壳中时，体积明显比传统封装工艺小，省掉一道外壳也降低了成本。只需要将膜片上的压环设计成需要的螺纹接口，同时将壳体另一端压接合适的输出和电源接头就能满足不同场合的需要。

3.2 陶瓷基板实现敏感元件和电路的一体化

　　封装首先在位置上要固定敏感器件，其次要能够进行必须的电路连接，常用的封装形式有TO封装、气密充油的不锈钢封装、小外形塑料封装等。

　　扩散硅压力芯片和玻璃载体之间的静电封接工艺是MEMS芯片封装中常用的工艺。为了避免芯片在封接时是产生大的热应力，通常选用热膨胀系数与硅相近的材料作芯片的载体。为减小压力传感器的体积，实现系统级封装，必须将扩散硅压力芯片和相关电路集成在一块电路基板上，也就是电路板本身作为扩散硅压力芯片的载体，达到此目的的首要条件是电路基板材料的热膨胀系数与硅片的热膨胀系数相近，在普通电路板所使用的基板材料中只有陶瓷基板满足要求，因此在电路板设计中选用陶瓷基板，并根据体积和结构的要求，选用0402封装的电阻、电容和电感，极大地缩小了电路系统的体积和外形尺寸ipi.sooq.cn版权所有，实现敏感元件和电路的一体化，绑定好压力芯片、焊接了驱动放大电路的电路板如图3所示。

图3 印刷电路板和陶瓷填充片

3.3 陶瓷填充片有效减少硅油填充量

　　不锈钢隔膜片封装的硅压阻压力传感器的结构为气密封装，它的结构特点非常有利于发展成系列化的、通用型的传感器。基于SIP技术的系统级封装压力传感器也采用这类基本封装形式。

　　这种隔离膜压力传感器头由金属基座、管壳、硅油、传感器压力芯片及不锈钢膜片组成。其主要的制造工艺为：硅芯片直接帮定在陶瓷电路基板上，与恒流原激励电路、放大电路、温度补偿电路和其他电路一起构成完整的电路基板，电路基板用胶接工艺固定在不锈钢管壳内的基座上；不锈钢隔膜与壳体采用熔焊工艺进行焊接, 焊接工艺可用激光焊接、氩弧焊接或电子束焊接等。硅油灌充工艺一般采用真空灌充技术，可基本消除残余气体对隔离测压系统的影响，提高传感器的精度及稳定性。

　　在保证压力传感器内部电路基板安装间隙、帮定引线安全，并且保证压力可靠有效传递的前提下，专门设计了陶瓷填充片，图4中白色物体即陶瓷填充片，它能有效减少压力传感器内部充油空间，降低传感器的飘移。

3.4 硅油的净化和真空灌注

　　硅油灌充工艺采用真空灌充技术，可基本消除残余气体对隔离测压系统的影响，提高传感器的精度及稳定性。

　　在传感器的结构设计中，利用电路板将壳体内部的空间分隔为两个部分（参见图2），不锈钢膜片1和电路板4之间的空间是硅油灌注空间，为减少硅油灌充量，在此空间安放了陶瓷环片5，同时采用先焊接不锈钢膜片后灌充硅油的工艺，将电路板和陶瓷环片放入壳体中，然后利用氩弧滚焊将压环和不锈钢膜片焊接完成，再采用真空灌充技术完成硅油的灌充。

3.5 多点温度补偿技术

　　压力芯片、恒流激励源、放大电路及其封装材料等不可避免的温度特性最终导致压力传感器的输出随温度的变化而有飘移，这种温度飘移如果不加补偿，将使传感器的输出随温度而变化，导致传感器输出的不确定性，从而无法使用。

　　硅压阻压力传感器本身有一个固有的特性，就是温度系数较大；因此需要对其进行温度误差补偿。常用的温补方式是在应变电桥上附加电阻网络，通过测试及计算其高低温特性，确定网络阻值，以达到温度补偿的目的。

　　车用压力传感器要求在-40℃～+125℃的超宽工作温度范围内稳定工作，常用的温度补偿方法难以实现这个目标，为此，在附加电阻网络的基础上，通过多个热敏电阻分别对应变电桥、恒流激励源、放大电路增益进行温度补偿，从而保证在-40℃～+125℃的超宽工作温度范围内的稳定工作。

　　由于系统采用多点温度补偿技术，相应增加了系统的复杂程度，尤其是电路的调试，针对该问题通过大量的实验、调试以及数据分析，相应设计并建立了一套完善的调试方法，批量生产中可以根据该方法设计压力传感器温度补偿测试系统，实现该工作的自动化。

4、测试结果
　　
　　根据SIP的基本思想和上述封装工艺，设计试制了一小批压力传感器样品，如图4所示。

图4 基于SIP的压力传感器
　　图5表示样品1、2、3的输出特性，通过对三个样品的比较，我们可以看到三个压力传感器输出信号随压力变化的趋势基本一致。
　　样品４加入了温度补偿电路，并做了初步的温度补偿调试。由图6可以看出，经过温度补偿后的压力传感器输出电压随着压力变化的斜率稍微有点下降，但是零点的输出特性有了很好的改观如图7所示，达到了温度补偿的目的。曲线显示样品温度补偿稍微偏大，使无温度补偿时随温度增大而上漂的特性变为了略微负漂，但足以证明补偿方法是完全可行的。

图7 温度补偿后的零点电压随温度变化曲线

５、结束语

　　本文以系统级封装技术为基础，提出了将扩散硅压力敏感芯片和相应的驱动放大电路集成在一块电路板上并直接放入金属壳体形成一个完整的压力传感器的方案，并通过完成电路设计、封装工艺设计、温度补偿电路调试等试制了小批样品，经测试完全满足车用压力传感器的技术要求。

　　采用SIP技术的压力传感器与传统的压力传感器封装形式相比，将压力敏感芯片和驱动放大电路合为一个整体，减少了一层外壳，因而传感器的体积和成本大大降低。

　　进一步可以设计将模数转换和CPU一起集成，实现数字输出的传感器，如果再集成无线发送芯片则可以实现无线压力传感网络。