關于車用壓力德國施克SICK傳感器封裝解析

關于車用壓力德國施克SICK傳感器封裝解析

德國施克SICK傳感器經過幾十年的研究與開發，機械元器件與系統的設計制造工藝逐步成熟，但產業化、市場化的元器件的種類并不多，還有許多仍未能大量走出實驗室，充分發揮其在軍事與民品中的潛在應用，還需要研究和解決許多問題，其中封裝是制約走向產業化的一個重要原因之一。

德國施克SICK傳感器為了適應技術的發展，人們開發了許多新的封裝技術和工藝，如陽極鍵合，硅熔融鍵合、共晶鍵合等，已基本建立起自己的封裝體系。現在人們通常將封裝分為以下幾個層次：即裸片級封裝、器件級封裝、硅圓片級封裝、單芯片封裝和系統級封裝。　系統級封裝（SIP）的目的主要是使器件滿足不同類型產品的需要。微系統用戶必須為器件定義環境和提出使用的條件，對復雜的系統，則要求設計、制造和封裝等各方面的專家一起制定解決方案，確定系統結構和制造流程等。

德國施克SICK傳感器本文在對擴散硅壓力傳感器的工作原理和傳統封裝形式分析的基礎上，在壓力傳感器的設計中借鑒系統級封裝的基本思想，將擴散硅壓力敏感芯片及其相應的驅動放大電路等附屬電路系統集成在一塊特殊設計的印刷電路板上，再運用專門設計的系統級封裝工藝將其封裝在一個金屬殼體中，形成完整的壓力傳感器。2、擴散硅壓力傳感器及其封裝　半導體的壓阻效應是在1954年由Smith發現的。之后，壓力傳感器的研究一直持續不衰,出現了集成壓力傳感器、柔性基低壓力傳感器以及圓片級封裝的壓力傳感器等。利用壓阻效應原理，采用集成工藝技術經過摻雜、擴散，沿單晶硅片上的特定晶向，制成應變電阻，構成惠斯通電橋，利用硅材料的彈性力學特性，在同一硅材料上進行各向異性微加工，就制成了一個集力敏與力電轉換檢測于一體的擴散硅傳感器。 <BR><BR>　　擴散硅壓力敏感芯片本身并不能完成壓力測量或者說從壓力到電信號的轉換，必須有合適的封裝和配套的電路系統。

概括起來德國施克SICK傳感器的封裝應該滿足以下幾方面的要求：　　

1）機械上是堅固的，抗振動，抗沖擊；　　

2）避免熱應力對芯片的影響；　　

3）電氣上要求芯片與環境或大地是絕緣的；　

4）電磁上要求是屏敝的；　

5）用氣密的方式隔離腐蝕氣體或流體，或通過非氣密隔離方式隔離水氣。　　

6）低的價格，封裝形式與標準制造工藝兼容。壓力傳感器常用的封裝形式有TO封裝、氣密充油的不銹鋼封裝、小外形塑料封裝等。

      基于SIP技術的車用壓力傳感器 　　

      3.1系統級封裝在某型車用壓力傳感器的設計中，借鑒了SIP技術的基本思想，將擴散硅壓力敏感芯片、放大器芯片和其他外圍電子元器件集成于一片基板上，一起植入氣密充油的不銹鋼外殼中，從而得到一個系統級封裝的壓力傳感器。　傳統的壓力敏感頭的封裝內部只有擴散硅壓力芯片，必須外接驅動放大電路，因此必須有一塊外接電路板。通常情況下，敏感頭和電路板再一起放入一個金屬外殼中形成一個完整的壓力傳感器。 　由于有兩層殼體，造成壓力傳感器體積大，成本也不易降低，同時由于將敏感頭和電路板放入外殼的過程中需要加壓、卷邊，將導致敏感頭產生內部應力，出現零點飄移。當應用SIP技術將敏感芯片和電路一起植入外殼中時，體積明顯比傳統封裝工藝小，省掉一道外殼也降低了成本。只需要將膜片上的壓環設計成需要的螺紋接口，同時將殼體另一端壓接合適的輸出和電源接頭就能滿足不同場合的需要。

  　3.2陶瓷基板實現敏感元件和電路的一體化               　封裝首先在位置上要固定敏感器件，其次要能夠進行必須的電路連接，常用的封裝形式有TO封裝、氣密充油的不銹鋼封裝、小外形塑料封裝等。擴散硅壓力芯片和玻璃載體之間的靜電封接工藝是MEMS芯片封裝中常用的工藝。為了避免芯片在封接時是產生大的熱應力，通常選用熱膨脹系數與硅相近的材料作芯片的載體。為減小壓力傳感器的體積，實現系統級封裝，必須將擴散硅壓力芯片和相關電路集成在一塊電路基板上，也就是電路板本身作為擴散硅壓力芯片的載體，達到此目的的首要條件是電路基板材料的熱膨脹系數與硅片的熱膨脹系數相近，在普通電路板所使用的基板材料中只有陶瓷基板滿足要求，因此在電路板設計中選用陶瓷基板，并根據體積和結構的要求，選用0402封裝的電阻、電容和電感，極大地縮小了電路系統的體積和外形尺寸，實現敏感元件和電路的一體化。

　　3.3陶瓷填充片有效減少硅油填充量　　不銹鋼隔膜片封裝的硅壓阻壓力傳感器的結構為氣密封裝，它的結構特點非常有利于發展成系列化的、通用型的傳感器。基于SIP技術的系統級封裝壓力傳感器也采用這類基本封裝形式。　　這種隔離膜壓力傳感器頭由金屬基座、管殼、硅油、傳感器壓力芯片及不銹鋼膜片組成。其主要的制造工藝為：硅芯片直接幫定在陶瓷電路基板上，與恒流原激勵電路、放大電路、溫度補償電路和其他電路一起構成完整的電路基板，電路基板用膠接工藝固定在不銹鋼管殼內的基座上；不銹鋼隔膜與殼體采用熔焊工藝進行焊接,焊接工藝可用激光焊接、氬弧焊接或電子束焊接等。硅油灌充工藝一般采用真空灌充技術，可基本消除殘余氣體對隔離測壓系統的影響，提高傳感器的精度及穩定性。　在保證壓力傳感器內部電路基板安裝間隙、幫定引線安全，并且保證壓力可靠有效傳遞的前提下，專門設計了陶瓷填充片，它能有效減少壓力傳感器內部充油空間，降低傳感器的飄移。　　3.4硅油的凈化和真空灌注　　硅油灌充工藝采用真空灌充技術，可基本消除殘余氣體對隔離測壓系統的影響，提高傳感器的精度及穩定性。　　在傳感器的結構設計中，利用電路板將殼體內部的空間分隔為兩個部分，不銹鋼膜片1和電路板4之間的空間是硅油灌注空間，為減少硅油灌充量，在此空間安放了陶瓷環片5，同時采用先焊接不銹鋼膜片后灌充硅油的工藝，將電路板和陶瓷環片放入殼體中，然后利用氬弧滾焊將壓環和不銹鋼膜片焊接完成，再采用真空灌充技術完成硅油的灌充。

   　3.5多點溫度補償技術壓力芯片、恒流激勵源、放大電路及其封裝材料等不可避免的溫度特性最終導致壓力傳感器的輸出隨溫度的變化而有飄移，這種溫度飄移如果不加補償，將使傳感器的輸出隨溫度而變化，導致傳感器輸出的不確定性，從而無法使用。　　硅壓阻壓力傳感器本身有一個固有的特性，就是溫度系數較大；因此需要對其進行溫度誤差補償。常用的溫補方式是在應變電橋上附加電阻網絡，通過測試及計算其高低溫特性，確定網絡阻值，以達到溫度補償的目的。　　車用壓力傳感器要求在-40℃～+125℃的超寬工作溫度范圍內穩定工作，常用的溫度補償方法難以實現這個目標，為此，在附加電阻網絡的基礎上，通過多個熱敏電阻分別對應變電橋、恒流激勵源、放大電路增益進行溫度補償，從而保證在-40℃～+125℃的超寬工作溫度范圍內的穩定工作。　由于系統采用多點溫度補償技術，相應增加了系統的復雜程度，尤其是電路的調試，針對該問題通過大量的實驗、調試以及數據分析，相應設計并建立了一套完善的調試方法，批量生產中可以根據該方法設計壓力傳感器溫度補償測試系統，實現該工作的自動化。

統一品種的德國施克SICK傳感器因技術和應用不同，不可互相替換，難以做到大規模生產。小的如微納米技術的壓力傳感器，比綠豆還小，可以植入人體。壓力傳感器有應變式、壓電式、壓阻式，電容式甚至光纖式；等于壓阻式還有硅材料，陶瓷濺射薄膜、蘭寶石等。高溫環境，是指電子衡器設備所處的現場環境溫度超出70℃及以上。大的如大噸位稱重傳感器，如臉盆大小。

起先海內冶金企業為了解決德國施克SICK傳感器，從國外引進，費用昂貴，且配件備件困難，磁傳感器、光敏傳感器歸為電子元器件，稱重傳感器、軸距傳感器、電容式壓力傳感器歸為機械或儀表行業。到二十世紀80年代中期，隨著高精度稱重傳感器技術的日趨成熟，機械式地磅逐漸被精度高、穩定性好、操作方便的電子汽車衡所取代。

同一品種的德國施克SICK傳感器因技術和應用不同，不可互相替代，難以做到大規模生產。壓力傳感器有應變式、壓電式、壓阻式，電容式甚至光纖式；即是壓阻式還有硅材料，陶瓷濺射薄膜、蘭寶石等。形狀不同，大小不同，輕重相差較大，因而生產加工工藝截然不同。小的如微納米技術的壓力傳感器，比綠豆還小，可以植入人體。大的如大噸位稱重傳感器，如臉盆大小。

磁傳感器、光敏傳感器歸為電子元器件，德國施克SICK傳感器歸為機械或儀表行業。近年來，稱重傳感器隨著冶金工業的迅速發展，帶動了高溫稱重傳感器的國產化生產發展。高溫環境，是指電子衡器設備所處的現場環境溫度超出70℃及以上，如冶金企業的煉鋼鋼水包計量、鐵水包計量、鋼水包行車計量、熱送焦炭計量、熱送燒結礦計量、紅送鋼坯計量、線材軋制在線計量等。