基于系統(tǒng)級封裝技術(shù)的車用壓力傳感器

1.金屬膜片 2.金屬殼體 3.TO管座 4.電路板 5.引腳 6.轉(zhuǎn)接板 7.填充陶瓷片 8.擴散硅壓力敏感芯片

(b) 基于系統(tǒng)級封裝的壓力傳感器的封裝

1.金屬膜片 2.金屬殼體 3.引腳 4.電路板 5.填充陶瓷片 6.擴散硅壓力敏感芯片

圖2 傳統(tǒng)封裝與系統(tǒng)級封裝

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(dǎo)致敏感頭產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，出現(xiàn)零點飄移。

當(dāng)應(yīng)用SIP技術(shù)將敏感芯片和電路一起植入外殼中時，體積明顯比傳統(tǒng)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(huán)設(shè)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(xiàn)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(chǎn)生大的熱應(yīng)力，通常選用熱膨脹系數(shù)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(xiàn)系統(tǒng)級封裝，必須將擴散硅壓力芯片和相關(guān)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(dá)到此目的的首要條件是電路基板材料的熱膨脹系數(shù)與硅片的熱膨脹系數(shù)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(shè)計中選用陶瓷基板，并根據(jù)體積和結(jié)構(gòu)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(tǒng)的體積和外形尺寸，實現(xiàn)敏感元件和電路的一體化，綁定好壓力芯片、焊接了驅(qū)動放大電路的電路板如圖3所示。

圖3 印刷電路板和陶瓷填充片

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(jié)構(gòu)為氣密封裝，它的結(jié)構(gòu)特點非常有利于發(fā)展成系列化的、通用型的傳感器。基于SIP技術(shù)的系統(tǒng)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(gòu)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(nèi)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(shù)，可基本消除殘余氣體對隔離測壓系統(tǒng)的影響，提高傳感器的精度及穩(wěn)定性。

在保證壓力傳感器內(nèi)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(shè)計了陶瓷填充片，圖4中白色物體即陶瓷填充片，它能有效減少壓力傳感器內(nèi)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(shù)，可基本消除殘余氣體對隔離測壓系統(tǒng)的影響，提高傳感器的精度及穩(wěn)定性。

在傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，利用電路板將殼體內(nèi)部的空間分隔為兩個部分(參見圖2)，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(huán)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(huán)片放入殼體中，然后利用氬弧滾焊將壓環(huán)和不銹鋼膜片焊接完成，再采用真空灌充技術(shù)完成硅油的灌充。

3.5 多點溫度補償技術(shù)

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(dǎo)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(dǎo)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(shù)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(yīng)變電橋上附加電阻網(wǎng)絡(luò)，通過測試及計算其高低溫特性，確定網(wǎng)絡(luò)阻值，以達(dá)到溫度補償?shù)哪康摹?p>車用壓力傳感器要求在-40℃～+125℃的超寬工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，常用的溫度補償方法難以實現(xiàn)這個目標(biāo)，為此，在附加電阻網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過多個熱敏電阻分別對應(yīng)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(nèi)的穩(wěn)定工作。

由于系統(tǒng)采用多點溫度補償技術(shù)，相應(yīng)增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，尤其是電路的調(diào)試，針對該問題通過大量的實驗、調(diào)試以及數(shù)據(jù)分析，相應(yīng)設(shè)計并建立了一套完善的調(diào)試方法，批量生產(chǎn)中可以根據(jù)該方法設(shè)計壓力傳感器溫度補償測試系統(tǒng)，實現(xiàn)該工作的自動化。