一種采用無(wú)引線封裝結(jié)構(gòu)的soi絕壓敏感器件的制作方法
【專利摘要】一種采用無(wú)引線封裝結(jié)構(gòu)的SOI絕壓敏感器件，本實(shí)用新型涉及采用無(wú)引線封裝結(jié)構(gòu)的壓力敏感器件。本實(shí)用新型要解決現(xiàn)有技術(shù)或者存在高溫和高壓使用硅油易泄露，金屬引線易斷裂，電極系統(tǒng)脫鍵失效，受熱應(yīng)力影響的問(wèn)題。一種采用無(wú)引線封裝結(jié)構(gòu)的SOI絕壓敏感器件：固體絕緣材料通過(guò)金屬化層和焊料固定在管座上，引線向下穿出管座方向的固體絕緣材料外表面處設(shè)置有密封環(huán)，向上穿出管座方向的固體絕緣材料外表面處設(shè)置有多層復(fù)合材料、玻璃-金屬?gòu)?fù)合材料和硼硅玻璃基座，引線頂端設(shè)置有金屬電極，金屬電極上表面為芯片。
【專利說(shuō)明】一種采用無(wú)引線封裝結(jié)構(gòu)的SOI絕壓敏感器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及采用無(wú)引線封裝結(jié)構(gòu)的壓力敏感器件。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的SOI絕壓敏感器件主要有兩種封裝方式，一種是采用SOI硅敏感芯片正面作為感壓面，對(duì)其內(nèi)外腔形成的高、低壓力信號(hào)敏感，輸出與壓力差成比例的應(yīng)變，形成正、負(fù)兩個(gè)應(yīng)變區(qū)；同時(shí)材料由于壓阻效應(yīng)，其電阻率就要發(fā)生相應(yīng)的變化，敏感芯片就會(huì)輸出一個(gè)與被測(cè)壓力成正比的電壓信號(hào)，通過(guò)測(cè)量該電壓信號(hào)的大小，即可實(shí)現(xiàn)壓力的測(cè)量；這種封裝方式需要引線(金絲、硅鋁絲)將SOI硅敏感芯片正面的電極與支撐結(jié)構(gòu)(管殼)電極通過(guò)超聲波壓焊等方法形成電氣連接，同時(shí)需要(硅油)與被測(cè)介質(zhì)隔離，以保證絕緣性能及避免電極腐蝕、氧化。這種方式的內(nèi)部參考腔通過(guò)SOI硅敏感芯片背面的單晶硅與7740玻璃靜電封裝形成；通過(guò)粘接、燒結(jié)等方式與管座實(shí)現(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)。這種玻封外殼充油型壓力敏感器件在高壓、高溫下硅油易泄露、金屬引線強(qiáng)振動(dòng)條件下易斷裂和高溫使用存在Au-Al電極系統(tǒng)脫鍵失效等問(wèn)題。
[0003]一種是采用SOI硅敏感芯片背面作為感壓面，工作原理與前述相同；芯片背面感壓形式，一方面芯片背面可以直接接觸被測(cè)介質(zhì)，不需要其他的隔離封裝，提高了傳感器的動(dòng)態(tài)指標(biāo)；另一方面避免芯片圖形接觸被測(cè)介質(zhì)，造成污染，同時(shí)滿足耐高溫的要求；采用芯片正面與玻璃基座靜電封接，并在玻璃基座上利用微加工的方法制作外引線封裝孔和參考?jí)毫η唤Y(jié)構(gòu)；敏感芯片的玻璃基座與玻璃封裝的管殼燒接在一起，同時(shí)玻璃封裝管殼上的外引線與芯片的電極也用金屬玻璃漿料燒結(jié)在一起，形成敏感元件。這種壓力敏感器件在工作溫度范圍、抗過(guò)載能力、抗振動(dòng)沖擊能力等技術(shù)上具有優(yōu)勢(shì)，解決了前一種封裝方式的缺點(diǎn)，但是SOI芯片對(duì)作用在薄膜上的外力非常敏感。器件主要受熱機(jī)械應(yīng)力的影響，由芯片粘合結(jié)構(gòu)中的材料(SiO2)、襯底材料與粘合材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)不匹配而引起，熱應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致器件在熱環(huán)境下做出異常的反應(yīng)，在極端情況下，還會(huì)對(duì)芯片粘合結(jié)構(gòu)造成永久的機(jī)械損傷。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型的目的是提供一種采用無(wú)引線封裝結(jié)構(gòu)的SOI絕壓敏感器件。以解決現(xiàn)有技術(shù)或者存在高溫和高壓使用硅油易泄露，金屬引線強(qiáng)振動(dòng)條件下易斷裂，電極系統(tǒng)脫鍵失效，或者存在絕壓敏感器件受熱應(yīng)力影響的問(wèn)題。
[0005]一種采用無(wú)引線封裝結(jié)構(gòu)的SOI絕壓敏感器件，它包括引線、金屬化層、密封環(huán)、焊料、固體絕緣材料、過(guò)渡層、管座、多層復(fù)合材料、玻璃-金屬?gòu)?fù)合材料、硼硅玻璃基座、金屬電極和芯片，固體絕緣材料固定在管座上，固體絕緣材料與管座的連接面設(shè)置有金屬化層，固體絕緣材料與金屬化層通過(guò)高溫?zé)Y(jié)成一體，金屬化層與管座之間通過(guò)焊料的燒結(jié)作用形成過(guò)渡層，引線貫穿固體絕緣材料，引線向下穿出管座方向的固體絕緣材料外表面處設(shè)置有密封環(huán)，密封環(huán)與固體絕緣材料之間通過(guò)焊料燒結(jié)成一體，引線與密封環(huán)的內(nèi)孔表面通過(guò)焊料燒結(jié)成一體，引線向上穿出管座方向的固體絕緣材料外表面處設(shè)置有多層復(fù)合材料、玻璃-金屬?gòu)?fù)合材料和硼硅玻璃基座，向上穿出管座方向的引線頂端設(shè)置有金屬電極，金屬電極的下表面與引線通過(guò)玻璃-金屬?gòu)?fù)合材料燒結(jié)成一體，金屬電極的上表面與芯片的下表面相貼合，玻璃-金屬?gòu)?fù)合材料的外表面設(shè)置硼娃玻璃基座，硼娃玻璃基座外表面設(shè)置多層復(fù)合材料，芯片的下表面與硼娃玻璃基座靜電封接，硼娃玻璃基座的四個(gè)外側(cè)立面與多層復(fù)合材料的四個(gè)內(nèi)側(cè)立面燒結(jié)成一體，多層復(fù)合材料的底面與固體絕緣材料的上表面燒結(jié)成一體。
[0006]本實(shí)用新型的有益效果是:1、與采用SOI硅敏感芯片背面作為感壓面、玻璃管座封裝的敏感器件相比，無(wú)引線封裝結(jié)構(gòu)的SOI絕壓敏感器件通過(guò)陶瓷高溫?zé)Y(jié)鎢層及鎳、Ag-Cu焊料作為過(guò)渡材料實(shí)現(xiàn)了與不同特性金屬管殼的密封結(jié)構(gòu)燒結(jié)，在硼硅玻璃與管座燒結(jié)的陶瓷之間采取了多層玻璃型材，使得各個(gè)過(guò)渡界面間的熱膨脹系數(shù)差小于(5X KTr1)，使應(yīng)力分布更加合理，提高了產(chǎn)品的抗高溫能力，并且極大地改善了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使產(chǎn)品得以在較惡劣的環(huán)境條件下工作；2、管座上燒結(jié)的陶瓷介電常數(shù)較小(一般ε < 10)，有非常優(yōu)良的高頻特性而且具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性，適合高頻設(shè)計(jì)，在航空、航天、雷達(dá)、無(wú)線通訊、光電子、MEMS等應(yīng)用領(lǐng)域具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提高了壓力敏感器件在高溫條件下的電絕緣、密封性和耐壓性能，封裝材料的匹配性和結(jié)構(gòu)的工藝合理性減小了殘余應(yīng)力的水平，最終提高了敏感器件的性和可靠性。3、無(wú)引線封裝結(jié)構(gòu)的SOI絕壓敏感器件具有體積小、重量輕、抗過(guò)載能力強(qiáng)、耐高溫、抗振動(dòng)、精度高、抗惡劣環(huán)境等特點(diǎn)，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，并且具有易于裝配，可批量生產(chǎn)。
[0007]本實(shí)用新型用于一種采用無(wú)引線封裝結(jié)構(gòu)的SOI絕壓敏感器件。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1是本實(shí)用新型一種采用無(wú)引線封裝結(jié)構(gòu)的SOI絕壓敏感器件的結(jié)構(gòu)示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0009]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】之間的任意組合。
[0010]【具體實(shí)施方式】一:下面結(jié)合圖1具體說(shuō)明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式的一種采用無(wú)引線封裝結(jié)構(gòu)的SOI絕壓敏感器件，它包括引線1、金屬化層2、密封環(huán)3、焊料4、固體絕緣材料5、過(guò)渡層6、管座7、多層復(fù)合材料8、玻璃-金屬?gòu)?fù)合材料9、硼硅玻璃基座10、金屬電極11和芯片12，固體絕緣材料5固定在管座7上，固體絕緣材料5與管座7的連接面設(shè)置有金屬化層2，固體絕緣材料5與金屬化層2通過(guò)高溫?zé)Y(jié)成一體，金屬化層2與管座7之間通過(guò)焊料4的燒結(jié)作用形成過(guò)渡層6，引線I貫穿固體絕緣材料5，引線I向下穿出管座7方向的固體絕緣材料5外表面處設(shè)置有密封環(huán)3，密封環(huán)3與固體絕緣材料5之間通過(guò)焊料4燒結(jié)成一體，引線I與密封環(huán)3的內(nèi)孔表面通過(guò)焊料4燒結(jié)成一體，引線I向上穿出管座7方向的固體絕緣材料5外表面處設(shè)置有多層復(fù)合材料8、玻璃-金屬?gòu)?fù)合材料9和硼娃玻璃基座10,向上穿出管座7方向的引線I頂端設(shè)置有金屬電極11，金屬電極11的下表面與引線I通過(guò)玻璃-金屬?gòu)?fù)合材料9燒結(jié)成一體,金屬電極11的上表面與芯片12的下表面相貼合，玻璃-金屬?gòu)?fù)合材料9的外表面設(shè)置硼硅玻璃基座10，硼硅玻璃基座10外表面設(shè)置多層復(fù)合材料8，芯片12的下表面與硼硅玻璃基座10靜電封接，硼硅玻璃基座10的四個(gè)外側(cè)立面與多層復(fù)合材料8的四個(gè)內(nèi)側(cè)立面燒結(jié)成一體，多層復(fù)合材料8的底面與固體絕緣材料5的上表面燒結(jié)成一體。
[0011]本實(shí)施方式采用硅壓阻效應(yīng)原理，在SOI芯片12上制作力敏電阻并形成惠斯通電橋，芯片12背面腐蝕并形成應(yīng)力敏感薄膜；芯片12正面與硼硅玻璃基座10通過(guò)靜電封接形成參考?jí)毫η患皯?yīng)力隔離結(jié)構(gòu)，并將硅片上的復(fù)合耐高溫電極層通過(guò)玻璃基座上的預(yù)制通孔顯現(xiàn);芯片12與硼硅玻璃基座10通過(guò)靜電封接實(shí)現(xiàn)密封結(jié)構(gòu)，再通過(guò)多層復(fù)合材料8與固體絕緣材料5燒結(jié)，形成固態(tài)密封結(jié)構(gòu)，提高了敏感器件的固有頻率和穩(wěn)定性；金屬電極11與引線I通過(guò)玻璃-金屬?gòu)?fù)合材料9燒結(jié)成一體形成電氣互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)芯片12的金屬電極11與引線I的連接，從而芯片12信號(hào)與外界的電氣連接、芯片12結(jié)構(gòu)與耐高壓、高溫氣密封裝管殼的剛性連接，從而形成敏感器件；敏感器件通過(guò)電子束、氬弧焊等焊接方法與金屬安裝結(jié)構(gòu)和電纜連接，封裝成無(wú)內(nèi)引線的壓力傳感器。它具有體積小、重量輕、抗過(guò)載能力強(qiáng)、耐高溫、抗振動(dòng)、可靠性高、精度高、抗惡劣環(huán)境等特點(diǎn)。
[0012]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:所述的固體絕緣材料5為A1203、SiC、BeO、TiO2, ZrO2, MgO, AIN、Si3N4或BN及其上述所有材料的混合物。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0013]本實(shí)施方式管座7上燒結(jié)的固體絕緣材料5為陶瓷時(shí)介電常數(shù)較小(一般ε ( 10)，有非常優(yōu)良的高頻特性而且具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性，適合高頻設(shè)計(jì)，在航空、航天、雷達(dá)、無(wú)線通訊、光電子、MEMS等應(yīng)用領(lǐng)域具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
[0014]硼硅玻璃基座10與管座7上燒結(jié)的固體絕緣材料5陶瓷的熱膨脹系數(shù)(7.0 X KT6IT1)相差較大，為了避免溫度變化引起的熱應(yīng)力，在硼硅玻璃基座10與管座7燒結(jié)的固體絕緣材料陶瓷5之間采取了多層復(fù)合材料8，使得各個(gè)過(guò)渡界面間的熱膨脹系數(shù)差小于(5Χ KT7IT1)，使應(yīng)力分布更加合理，提高了產(chǎn)品的抗高溫能力，并且極大地改善了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使產(chǎn)品得以在較惡劣的環(huán)境條件下工作。
[0015]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二之一不同的是:所述的管座7的材質(zhì)為可伐、不銹鋼、鉭或Inconel625合金。其它與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0016]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是:所述的金屬化層2的材料包括鎢或鑰及其上述所有材料的混合物。其它與【具體實(shí)施方式】一至三相同。
[0017]本實(shí)施方式為了實(shí)現(xiàn)與管座7的密封連接，需要在高溫下燒結(jié)金屬化層2鎢層形成過(guò)渡層6。
[0018]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至四之一不同的是所述的焊料4為鎳或Ag-Cu。其它與【具體實(shí)施方式】一至四相同。
[0019]本實(shí)施方式并通過(guò)鎳、Ag-Cu焊料4作為過(guò)渡材料與不同特性的金屬管座7燒結(jié)成密封結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)敏感芯片的支撐、保護(hù)、電氣互聯(lián)功能。
[0020]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至五之一不同的是:所述的芯片12為SOI芯片，SOI芯片中心為硅敏感膜；所述的金屬電極11為Pt5Si2-T1-Pt-Au四層金屬結(jié)構(gòu)導(dǎo)電系統(tǒng)。其它與【具體實(shí)施方式】一至五相同。
[0021]本實(shí)施方式芯片12中心的硅敏感膜作為應(yīng)力敏感部件，在受到外部壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生位移，并通過(guò)在內(nèi)部形成的惠斯通電橋，利用壓阻效應(yīng)將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)芯片12內(nèi)部電極、納米銀基低溫玻璃燒結(jié)材料、陶瓷封裝管座電極輸出到后端系統(tǒng)；芯片12的硅敏感膜與硼硅玻璃基座10通過(guò)靜電封接形成密封結(jié)構(gòu)，硼硅玻璃基座10中心部位加工出凹槽，在真空環(huán)境下與SOI芯片的硅敏感膜形成參考?jí)毫η?；硼硅玻璃基?0(Pyrex7740)的熱膨脹系數(shù)(2.85X KT6IT1)與硅(2.62X KT6IT1)相近，溫度變化引起的熱應(yīng)力小，硼硅玻璃基座10與芯片12的硅敏感膜的封接是最理想的。
[0022]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至六之一不同的是:所述的玻璃-金屬?gòu)?fù)合材料9為圓錐形結(jié)構(gòu)的納米貴金屬基低溫玻璃燒結(jié)材料，燒結(jié)溫度為420 V?6500C ;所述的玻璃為硅酸鹽、硼硅酸鹽、磷酸鹽、硼硅酸鋅、鈉鈣玻璃、硅酸鉛或硼酸鉛鋅；所述的金屬為金、銀、鈀或鉬。其它與【具體實(shí)施方式】一至六相同。
[0023]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至七之一不同的是:固體絕緣材料5與金屬化層2在真空環(huán)境下高溫?zé)Y(jié)；引線1、密封環(huán)3、管座7在連接處電鍍鎳層；弓丨線1、密封環(huán)3、管座7與固體絕緣材料通過(guò)焊料4在保護(hù)氣氛下燒結(jié)；硼硅玻璃基座10的四個(gè)外側(cè)立面與多層復(fù)合材料8的四個(gè)內(nèi)側(cè)立面在低溫下燒結(jié)成一體，多層復(fù)合材料8的底面與固體絕緣材料5的上表面在低溫下燒結(jié)成一體；金屬電極11的下表面與引線I通過(guò)玻璃-金屬?gòu)?fù)合材料9在低溫下燒結(jié)成一體。其它與【具體實(shí)施方式】一至七相同。
[0024]【具體實(shí)施方式】九:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至八之一不同的是:引線1、密封環(huán)3的材料為可伐合金，其型號(hào)為4J29。其它與【具體實(shí)施方式】一至八相同。
【權(quán)利要求】
1.一種采用無(wú)引線封裝結(jié)構(gòu)的SOI絕壓敏感器件，其特征在于它包括引線(I)、金屬化層(2)、密封環(huán)(3)、焊料(4)、固體絕緣材料(5)、過(guò)渡層(6)、管座(7)、多層復(fù)合材料(8)、玻璃-金屬?gòu)?fù)合材料(9)、硼硅玻璃基座(10)、金屬電極(11)和芯片(12)，固體絕緣材料(5)固定在管座(7)上，固體絕緣材料(5)與管座(7)的連接面設(shè)置有金屬化層(2)，固體絕緣材料(5)與金屬化層(2)通過(guò)高溫?zé)Y(jié)成一體，金屬化層(2)與管座(7)之間通過(guò)焊料(4)的燒結(jié)作用形成過(guò)渡層(6)，引線(I)貫穿固體絕緣材料(5)，引線(I)向下穿出管座(7)方向的固體絕緣材料(5)外表面處設(shè)置有密封環(huán)(3)，密封環(huán)(3)與固體絕緣材料(5)之間通過(guò)焊料(4)燒結(jié)成一體，引線(I)與密封環(huán)(3)的內(nèi)孔表面通過(guò)焊料(4)燒結(jié)成一體，引線(I)向上穿出管座(7)方向的固體絕緣材料(5)外表面處設(shè)置有多層復(fù)合材料(8)、玻璃-金屬?gòu)?fù)合材料(9)和硼硅玻璃基座(10)，向上穿出管座(7)方向的引線(I)頂端設(shè)置有金屬電極(11)，金屬電極(11)的下表面與引線(I)通過(guò)玻璃-金屬?gòu)?fù)合材料(9)燒結(jié)成一體,金屬電極(11)的上表面與芯片(12)的下表面相貼合,玻璃-金屬?gòu)?fù)合材料(9)的外表面設(shè)置硼硅玻璃基座(10)，硼硅玻璃基座(10)外表面設(shè)置多層復(fù)合材料(8)，芯片(12)的下表面與硼硅玻璃基座(10)靜電封接，硼硅玻璃基座(10)的四個(gè)外側(cè)立面與多層復(fù)合材料(8)的四個(gè)內(nèi)側(cè)立面燒結(jié)成一體，多層復(fù)合材料(8)的底面與固體絕緣材料(5)的上表面燒結(jié)成一體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用無(wú)引線封裝結(jié)構(gòu)的SOI絕壓敏感器件，其特征在于所述的管座(7)的材質(zhì)為可伐、不銹鋼、鉭或Inconel625合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用無(wú)引線封裝結(jié)構(gòu)的SOI絕壓敏感器件，其特征在于所述的焊料⑷為鎳或Ag-Cu。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用無(wú)引線封裝結(jié)構(gòu)的SOI絕壓敏感器件，其特征在于所述的芯片(12)為SOI芯片，SOI芯片中心為娃敏感I旲；所述的金屬電極(11)為Pt5Si2-T1-Pt-Au四層金屬結(jié)構(gòu)導(dǎo)電系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用無(wú)引線封裝結(jié)構(gòu)的SOI絕壓敏感器件，其特征在于所述的玻璃為硅酸鹽、硼硅酸鹽、磷酸鹽、硼硅酸鋅、鈉鈣玻璃、硅酸鉛或硼酸鉛鋅；所述的金屬為金、銀、鈕或鉬。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用無(wú)引線封裝結(jié)構(gòu)的SOI絕壓敏感器件，其特征在于固體絕緣材料(5)與金屬化層(2)在真空環(huán)境下高溫?zé)Y(jié)；引線(I)、密封環(huán)(3)、管座(7)在連接處電鍍鎳層；引線(I)、密封環(huán)(3)、管座(7)與固體絕緣材料通過(guò)焊料(4)在保護(hù)氣氛下燒結(jié)；硼硅玻璃基座(10)的四個(gè)外側(cè)立面與多層復(fù)合材料(8)的四個(gè)內(nèi)側(cè)立面在低溫下燒結(jié)成一體，多層復(fù)合材料(8)的底面與固體絕緣材料(5)的上表面在低溫下燒結(jié)成一體；金屬電極(11)的下表面與引線(I)通過(guò)玻璃-金屬?gòu)?fù)合材料(9)在低溫下燒結(jié)成一體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用無(wú)引線封裝結(jié)構(gòu)的SOI絕壓敏感器件，其特征在于引線(I)、密封環(huán)(3)的材料為可伐合金，其型號(hào)為4J29。
【文檔編號(hào)】H01L23/31GK203719813SQ201420051750
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年1月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月27日
【發(fā)明者】苗欣, 吳亞林, 苗佳依, 張偉亮 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所