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塑料工业网,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nc.qoos.www，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SooQ.com.cn，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搜企网版权所有，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，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。