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1、第23卷2期半导体杂志1998年6月压力传感器的芯片封装技术孙以材范兆书常志宏沈今楷高振斌杨瑞霞(河北工业大学天津300130)摘要对压力传感器芯片的各种封装技术作了比较和讨论,指出它们的优缺点和适用场合。还对各种封接键合材料的特性作了概括。关键词压力传感器芯片封装TheChipMountingTechniquesforPressureSensorsSunYicaiFanZhaoshuChangZhihongShenJinkaiGaoZhenbinYangRuixia(HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130)Ab
2、stractThevariouschipmountingtechniquesforpressuresensorsarecomparedanddiscussedinthispaper,withshowingtheiradvantageanddisadvantageaswellastheapplyingconditions.Thepropertiesforplentyofthebondingandmountingmaterialsarepresented.Keywordspressuresensorschipmounting一、引言硅片与载体或与管壳的连接,不
3、仅对集成电路而且对传感器来说,都是重要的环节。供集成电路的壳体,有玻封、塑封、金属壳封装以及陶瓷封装,主要隔离环境大气中水汽、氧以及各种腐蚀性气体以及屏蔽电磁干扰的影响。但对传感器来说则要视具体情况而定。有的传感器要隔离环境的影响。例如温度或压力传感器应避免电磁干扰。有的传感器则希望与环境接触良好,尽可能与被测传感量直接偶合沟通。温度传感器要测量环境的温度,与环境之间不希望有大的热阻。霍尔器件要测量所在环境的磁感应强度,不能加以磁屏蔽,但要求与大气隔离,免受潮气等的影响。在集成电路制造中,芯片与管壳或与基座是机械上相互连接的,一般来说,只要安装牢固,不怕机
4、械冲击、震动就可。在传感器制造中,芯片安装在玻璃、硅、陶瓷或金属基座上,安装的方法或基座材料选择不合适,或者使传感器不能感知被测量或者环境因素干扰传感器对被测量的传感。传感器的封装与集成电路的封装相比区别明显,要求更为严格。因此对传感器的封接技术的研究有着更重要的意义。本文收到日期1997年7月6日河北省自然科学基金资助项目·34·第23卷2期半导体杂志1998年6月二、对压力传感器的封装的要求依据传感器的结构、所依赖的物理原理以及被测量的不同,对不同传感器提出不同的要求。概括起来,大致有以下几方面的要求:①机械上是坚固的,不怕振动,不怕冲击;②避免热应力
5、对芯片的影响;③电气上芯片与环境或大地是绝缘的或芯片与大地是电连接的;④热连接(温度传感器)或尽可能与环境热隔离;⑤电磁屏敝的或非屏敝的(磁传感器);⑥气密且耐水压力的(压力传感器);⑦光屏敝的或聚光的(光电传感器)。本文所讨论的压阻型压力传感器要将压力或流体流量转换成硅晶体的形变,从而引起电阻条电阻的变化。不言而喻,应避免热应力所引起的压力测量值虚假结果,只有高温封接时才引起热应力。图1所示的压力传感器是差压传感器,玻璃载体与钢管的连接属于高温封接应首先进行。热应力大部份集中在两者的接合处。芯片和玻璃载体间用静电封接,这样芯片边缘便无热应力。避免热应力的
6、另一方法是选用热膨胀系数与硅相近的材料作芯片的载体。硼硅玻璃(Pyrex7740,派热克斯-6-1硬玻璃)的热膨胀系数(2.85×10K)与硅(100)(2.62×10-6K-1)相近。温度变化引起图1压力传感器结构示意图的热应力小。从这一角度说,硼硅玻璃与硅的封接是最理想的。这种封接法在绝对压力测量的传感器中经常使用。因为这种传感器需要制作一个真空参考压力,芯片与载体间必须是气密严紧的,保证不漏气,并且不能由接合层逸出气体。否则会破坏真空,提高参考压力,恶化长期工作稳定性。例如用高分子粘结剂封接时就属于这种情况。考虑到热应力对压力测量的影响,芯片和载体间
7、的封接面积越小越好。假定芯片与载体间的结合长度为l。封接作业温度比室温高ΔΣ,冷却至室温后载体(膨胀系数为αs)比芯片多收缩Δl=(αs-αSi)ΔTl图2硅片封接在金属载体(170℃)上在x方向上的应力分量Sx的分布·35·第23卷2期半导体杂志1998年6月可见l越小,两者的收缩量差别越小,引起硅的弹性伸长越小,因而热应力越小。图2是模拟计算硅片和金属载体由于热膨胀系数不同而引起的热应力分布。可见,晶体表面的热应力肯定会引起压阻型传感器的力敏电阻条的附加阻值变化,影响压力值的测量精度。为了对压力传感器的温漂进行温度补偿,芯片和补偿电路或信号处理电路的混
8、合结构是合适的。这时,它们之间应有良好热耦合,避免热滞后以达到令人
