基于系統級封裝技術的車用壓力傳感器

1、引言

經過幾十年的研究與開發，MEMS器件與系統的設計制造工藝逐步成熟，但產業化、市場化的MEMS器件的種類并不多，還有許多MEMS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MEMS走向產業化的一個重要原因之一。

為了適應MEMS技術的發展，人們開發了許多新的MEMS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MEMS封裝分為以下幾個層次：即裸片級封裝(Die Level)、器件級封裝(Device Level)、硅圓片級封裝(Wafer Lever Packaging)、單芯片封裝(Single Chip Packaging)和系統級封裝(System in Packaging)。

系統級封裝(SIP)的目的主要是使MEMS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MEMS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。

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MEMS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 C. S.發現的[3]。之后，MEMS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[4-10]。

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，如圖1所示。

圖1 壓阻壓力傳感器原理

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，壓力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(SOP)等。

3、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。系統級封裝的具體結構及其與傳統封裝結構的區別如圖3所示。

由圖2可以看到，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。

(a)傳統壓力傳感器的封裝