[發(fā)明專(zhuān)利]一種SiC高溫壓力傳感器及其封裝方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911037821.1
• 申請(qǐng)日: 2019-10-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111003683B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-07-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周圣軍;于圣韜;徐浩浩;萬(wàn)澤洪
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B81B7/00
• 分類(lèi)號(hào): B81B7/00;B81B7/02;B81C1/00;G01K1/14;G01K7/04;G01L1/18
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 楊宏偉

本發(fā)明公開(kāi)了一種SiC高溫壓力傳感器及其封裝方法，傳感器包括SiC?MEMS芯片、AlN載體、彈性金屬膜、支撐管殼、導(dǎo)熱基座和多根導(dǎo)電接線(xiàn)柱，導(dǎo)熱基座安裝在支撐管殼內(nèi)，所述AlN載體固定安裝在導(dǎo)熱基座上，所述SiC?MEMS芯片固定安裝在A(yíng)lN載體上，所述彈性金屬膜設(shè)于SiC?MEMS芯片上方的支撐管殼上，SiC?MEMS芯片與AlN載體相貼的一面刻蝕有減薄的自密封空腔，所述導(dǎo)電接線(xiàn)柱從支撐管殼下端貫穿導(dǎo)熱基座后與SiC?MEMS芯片的電極相連，且導(dǎo)電接線(xiàn)柱與導(dǎo)熱基座之間設(shè)有絕緣層。將上述裝配結(jié)構(gòu)放入導(dǎo)熱硅油中，利用環(huán)形塞帽將彈性金屬膜壓配到支撐管殼中，完成SiC高溫壓力傳感器封裝。本發(fā)明封裝成本低廉，可靠性好，將芯片與介質(zhì)完全隔離，可在500℃以上高溫條件下連續(xù)工作。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體領(lǐng)域，涉及一種半導(dǎo)體壓力傳感器，特別是涉及一種SiC高溫壓力傳感器及其封裝方法，適用于500℃以上的壓力測(cè)量。

背景技術(shù)

高溫壓力傳感器在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、重型燃?xì)鈾C(jī)輪和現(xiàn)代化武器裝備系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用需求。由于測(cè)量環(huán)境的特殊性，要求傳感器封裝結(jié)構(gòu)能夠耐受500℃以上的高溫介質(zhì)環(huán)境。傳統(tǒng)的Si壓力傳感器、藍(lán)寶石壓力傳感器由于芯片材料及封裝工藝的限制，在500℃高溫下難以保證高性能的工作，而SiC材料屬于寬禁帶半導(dǎo)體具有很高的機(jī)械強(qiáng)度、高的熱傳導(dǎo)率、高熔點(diǎn)、抗腐蝕，所以在以上領(lǐng)域有很大的潛在市場(chǎng)。

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)及專(zhuān)利調(diào)研，其中設(shè)計(jì)的大部分SiC高溫壓力傳感器內(nèi)部MEMS芯片都不是采用自密封腔體。無(wú)論是表壓或絕壓結(jié)構(gòu)的MEMS芯片，都是利用干法刻蝕制備的開(kāi)放式腔體，制備傳感器所需的密封腔體都須利用耐高溫膠水或者焊接技術(shù)進(jìn)行二次密封處理；根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，焊接和膠水固化的溫度都比較高；用于貼合芯片的襯底材料也需要嚴(yán)格篩選，以滿(mǎn)足芯片膨脹系數(shù)及導(dǎo)熱性的需求。以上特點(diǎn)給后續(xù)傳感器的封裝工藝加大了很大的難度，對(duì)傳感器產(chǎn)業(yè)化后的成品率也構(gòu)成了潛在的威脅。

根據(jù)專(zhuān)利調(diào)研，很多高溫壓力傳感器內(nèi)部芯片與外部管殼的封接都是利用熱熔玻璃封接，熱熔玻璃技術(shù)通常使用熔點(diǎn)在400℃左右的玻璃漿料作為粘接層。對(duì)于有效工作溫度低于400℃的普通Si、擴(kuò)散硅及藍(lán)寶石傳感器來(lái)說(shuō)，應(yīng)用熱熔玻璃的封接工藝從成本上有一定優(yōu)勢(shì)。但對(duì)于工作溫度大于500℃的高溫壓力傳感器，顯然熱熔玻璃的熔點(diǎn)以及導(dǎo)熱性都難以滿(mǎn)足傳感器的環(huán)境要求。

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)與專(zhuān)利，許多人提出在SiC傳感器的封裝中采用大尺寸的全ALN管殼用于封裝的基體材料，起到給芯片散熱和熱膨脹匹配的作用。而AlN的成型工藝較為困難，制備時(shí)須先將AlN粉體壓制成坯體，然后再將坯體高溫?zé)贫ㄐ汀lN成型工藝主要有干壓成型、等靜壓成型、流延成型、注射成型，其中等靜壓成型、流延成型成本較低且能制備質(zhì)量較好的ALN坯體，但是難以制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型，一般只能制作片狀的材料；注射成型可以制作復(fù)雜的坯體，并兼顧較好的成型密度，但是需要制備復(fù)雜的成型模具，注塑裝置，成本很高。按照大多數(shù)SiC傳感器專(zhuān)利中的設(shè)計(jì)，ALN管殼厚度較厚，并且需要在A(yíng)LN殼體中制備通孔和導(dǎo)線(xiàn)柱，按照目前的工藝水平制作難度很大。一般的ALN基片原料的厚度規(guī)格為0.2mm、0.3mm、0.38mm、0.5mm、0.735mm、1mm，所以供應(yīng)商制作特定尺寸和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的ALN基板需要特殊的原料定制，這無(wú)形中增大了生產(chǎn)周期，工藝難度的復(fù)雜程度也抬高了物料的成本。

市場(chǎng)上很多商用的高溫壓力傳感器使用玻璃基材作為SiCMEMS芯片與外界ALN管殼連接的過(guò)渡層，連接采用高溫?zé)Y(jié)工藝，制作難度較大。另外高溫封接玻璃熱導(dǎo)率較差，如果在很高的溫度條件下，傳感器背側(cè)的熱電偶很難實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確的溫度，并利用外部電路對(duì)傳感器做出及時(shí)的補(bǔ)償。

高溫壓力傳感器一般用在軍事、航天及高溫腔體等惡略環(huán)境中，而ALN材料的硬度不高，在振動(dòng)跌落等極端可靠性的測(cè)試中極易發(fā)生碎裂或粉化，另外ALN外殼導(dǎo)電性不如金屬外殼，不利于內(nèi)部芯片做ESD防護(hù)，抗電磁干擾能力較差，在軍事及航天應(yīng)用方面有長(zhǎng)期可靠性的隱患。

發(fā)明內(nèi)容