关于车用压力德国施克SICK传感器封装解析
德国施克SICK传感器经过几十年的研究与开发,机械元器件与系统的设计制造工艺逐步成熟,但产业化、市场化的元器件的种类并不多,还有许多仍未能大量走出实验室,充分发挥其在军事与民品中的潜在应用,还需要研究和解决许多问题,其中封装是制约走向产业化的一个重要原因之一。
德国施克SICK传感器为了适应技术的发展,人们开发了许多新的封装技术和工艺,如阳极键合,硅熔融键合、共晶键合等,已基本建立起自己的封装体系。现在人们通常将封装分为以下几个层次:即裸片级封装、器件级封装、硅圆片级封装、单芯片封装和系统级封装。 系统级封装(SIP)的目的主要是使器件满足不同类型产品的需要。微系统用户必须为器件定义环境和提出使用的条件,对复杂的系统,则要求设计、制造和封装等各方面的专家一起制定解决方案,确定系统结构和制造流程等。
德国施克SICK传感器本文在对扩散硅压力传感器的工作原理和传统封装形式分析的基础上,在压力传感器的设计中借鉴系统级封装的基本思想,将扩散硅压力敏感芯片及其相应的驱动放大电路等附属电路系统集成在一块特殊设计的印刷电路板上,再运用专门设计的系统级封装工艺将其封装在一个金属壳体中,形成完整的压力传感器。2、扩散硅压力传感器及其封装 半导体的压阻效应是在1954年由Smith发现的。之后,压力传感器的研究一直持续不衰,出现了集成压力传感器、柔性基低压力传感器以及圆片级封装的压力传感器等。利用压阻效应原理,采用集成工艺技术经过掺杂、扩散,沿单晶硅片上的特定晶向,制成应变电阻,构成惠斯通电桥,利用硅材料的弹性力学特性,在同一硅材料上进行各向异性微加工,就制成了一个集力敏与力电转换检测于一体的扩散硅传感器。 <BR><BR> 扩散硅压力敏感芯片本身并不能完成压力测量或者说从压力到电信号的转换,必须有合适的封装和配套的电路系统。
概括起来德国施克SICK传感器的封装应该满足以下几方面的要求:
1)机械上是坚固的,抗振动,抗冲击;
2)避免热应力对芯片的影响;
3)电气上要求芯片与环境或大地是绝缘的;
4)电磁上要求是屏敝的;
5)用气密的方式隔离腐蚀气体或流体,或通过非气密隔离方式隔离水气。
6)低的价格,封装形式与标准制造工艺兼容。压力传感器常用的封装形式有TO封装、气密充油的不锈钢封装、小外形塑料封装等。
基于SIP技术的车用压力传感器
3.1系统级封装在某型车用压力传感器的设计中,借鉴了SIP技术的基本思想,将扩散硅压力敏感芯片、放大器芯片和其他外围电子元器件集成于一片基板上,一起植入气密充油的不锈钢外壳中,从而得到一个系统级封装的压力传感器。 传统的压力敏感头的封装内部只有扩散硅压力芯片,必须外接驱动放大电路,因此必须有一块外接电路板。通常情况下,敏感头和电路板再一起放入一个金属外壳中形成一个完整的压力传感器。 由于有两层壳体,造成压力传感器体积大,成本也不易降低,同时由于将敏感头和电路板放入外壳的过程中需要加压、卷边,将导致敏感头产生内部应力,出现零点飘移。当应用SIP技术将敏感芯片和电路一起植入外壳中时,体积明显比传统封装工艺小,省掉一道外壳也降低了成本。只需要将膜片上的压环设计成需要的螺纹接口,同时将壳体另一端压接合适的输出和电源接头就能满足不同场合的需要。
3.2陶瓷基板实现敏感元件和电路的一体化 封装首先在位置上要固定敏感器件,其次要能够进行必须的电路连接,常用的封装形式有TO封装、气密充油的不锈钢封装、小外形塑料封装等。扩散硅压力芯片和玻璃载体之间的静电封接工艺是MEMS芯片封装中常用的工艺。为了避免芯片在封接时是产生大的热应力,通常选用热膨胀系数与硅相近的材料作芯片的载体。为减小压力传感器的体积,实现系统级封装,必须将扩散硅压力芯片和相关电路集成在一块电路基板上,也就是电路板本身作为扩散硅压力芯片的载体,达到此目的的首要条件是电路基板材料的热膨胀系数与硅片的热膨胀系数相近,在普通电路板所使用的基板材料中只有陶瓷基板满足要求,因此在电路板设计中选用陶瓷基板,并根据体积和结构的要求,选用0402封装的电阻、电容和电感,极大地缩小了电路系统的体积和外形尺寸,实现敏感元件和电路的一体化。
3.3陶瓷填充片有效减少硅油填充量 不锈钢隔膜片封装的硅压阻压力传感器的结构为气密封装,它的结构特点非常有利于发展成系列化的、通用型的传感器。基于SIP技术的系统级封装压力传感器也采用这类基本封装形式。 这种隔离膜压力传感器头由金属基座、管壳、硅油、传感器压力芯片及不锈钢膜片组成。其主要的制造工艺为:硅芯片直接帮定在陶瓷电路基板上,与恒流原激励电路、放大电路、温度补偿电路和其他电路一起构成完整的电路基板,电路基板用胶接工艺固定在不锈钢管壳内的基座上;不锈钢隔膜与壳体采用熔焊工艺进行焊接,焊接工艺可用激光焊接、氩弧焊接或电子束焊接等。硅油灌充工艺一般采用真空灌充技术,可基本消除残余气体对隔离测压系统的影响,提高传感器的精度及稳定性。 在保证压力传感器内部电路基板安装间隙、帮定引线安全,并且保证压力可靠有效传递的前提下,专门设计了陶瓷填充片,它能有效减少压力传感器内部充油空间,降低传感器的飘移。 3.4硅油的净化和真空灌注 硅油灌充工艺采用真空灌充技术,可基本消除残余气体对隔离测压系统的影响,提高传感器的精度及稳定性。 在传感器的结构设计中,利用电路板将壳体内部的空间分隔为两个部分,不锈钢膜片1和电路板4之间的空间是硅油灌注空间,为减少硅油灌充量,在此空间安放了陶瓷环片5,同时采用先焊接不锈钢膜片后灌充硅油的工艺,将电路板和陶瓷环片放入壳体中,然后利用氩弧滚焊将压环和不锈钢膜片焊接完成,再采用真空灌充技术完成硅油的灌充。
3.5多点温度补偿技术压力芯片、恒流激励源、放大电路及其封装材料等不可避免的温度特性最终导致压力传感器的输出随温度的变化而有飘移,这种温度飘移如果不加补偿,将使传感器的输出随温度而变化,导致传感器输出的不确定性,从而无法使用。 硅压阻压力传感器本身有一个固有的特性,就是温度系数较大;因此需要对其进行温度误差补偿。常用的温补方式是在应变电桥上附加电阻网络,通过测试及计算其高低温特性,确定网络阻值,以达到温度补偿的目的。 车用压力传感器要求在-40℃~+125℃的超宽工作温度范围内稳定工作,常用的温度补偿方法难以实现这个目标,为此,在附加电阻网络的基础上,通过多个热敏电阻分别对应变电桥、恒流激励源、放大电路增益进行温度补偿,从而保证在-40℃~+125℃的超宽工作温度范围内的稳定工作。 由于系统采用多点温度补偿技术,相应增加了系统的复杂程度,尤其是电路的调试,针对该问题通过大量的实验、调试以及数据分析,相应设计并建立了一套完善的调试方法,批量生产中可以根据该方法设计压力传感器温度补偿测试系统,实现该工作的自动化。
统一品种的德国施克SICK传感器因技术和应用不同,不可互相替换,难以做到大规模生产。小的如微纳米技术的压力传感器,比绿豆还小,可以植入人体。压力传感器有应变式、压电式、压阻式,电容式甚至光纤式;等于压阻式还有硅材料,陶瓷溅射薄膜、兰宝石等。高温环境,是指电子衡器设备所处的现场环境温度超出70℃及以上。大的如大吨位称重传感器,如脸盆大小。
起先海内冶金企业为了解决德国施克SICK传感器,从国外引进,费用昂贵,且配件备件困难,磁传感器、光敏传感器归为电子元器件,称重传感器、轴距传感器、电容式压力传感器归为机械或仪表行业。到二十世纪80年代中期,随着高精度称重传感器技术的日趋成熟,机械式地磅逐渐被精度高、稳定性好、操作方便的电子汽车衡所取代。
同一品种的德国施克SICK传感器因技术和应用不同,不可互相替代,难以做到大规模生产。压力传感器有应变式、压电式、压阻式,电容式甚至光纤式;即是压阻式还有硅材料,陶瓷溅射薄膜、兰宝石等。形状不同,大小不同,轻重相差较大,因而生产加工工艺截然不同。小的如微纳米技术的压力传感器,比绿豆还小,可以植入人体。大的如大吨位称重传感器,如脸盆大小。
磁传感器、光敏传感器归为电子元器件,德国施克SICK传感器归为机械或仪表行业。近年来,称重传感器随着冶金工业的迅速发展,带动了高温称重传感器的国产化生产发展。高温环境,是指电子衡器设备所处的现场环境温度超出70℃及以上,如冶金企业的炼钢钢水包计量、铁水包计量、钢水包行车计量、热送焦炭计量、热送烧结矿计量、红送钢坯计量、线材轧制在线计量等。