硅電容差壓傳感器疊層靜電封接工藝研究

0 引言

靜電封接是一種能將電介質(zhì)（玻璃、陶瓷等絕緣材料）與半導(dǎo)體或?qū)w實(shí)現(xiàn)硬性、清潔、堅(jiān)固連接在一起的封接工藝。靜電封接的根本出發(fā)點(diǎn)是在玻璃與半導(dǎo)體或金屬表面極化相反的靜電荷層，也叫空間電荷層，然后自此界面兩邊的異性電荷一同形成的靜電引力，而達(dá)到封接的目的^[1]。

硅電容差壓傳感器是采用電容原理，在硅基材料上通過(guò)MEMS工藝制作的差容新式壓力傳感器。具備可靠性高、受溫度影響小、耗電少、綜合的指標(biāo)更先進(jìn)、適合于批量生產(chǎn)、成本低、配套性好等特點(diǎn)。近幾年來(lái)，硅電容差壓傳感器作為差壓測(cè)量的核心檢測(cè)元件，越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于化工、石油、冶金、電力等流程工業(yè)中，同時(shí)在輕工、環(huán)保、食品、帶壓容器測(cè)量、鍋爐控制等民用領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，并被認(rèn)為是有著較大前景和廣闊市場(chǎng)的新一代傳感器。實(shí)際應(yīng)用中用于測(cè)量液體、氣體的差壓、流量等參數(shù)，作為過(guò)程控制領(lǐng)域用差壓變送器的核心零部件，越來(lái)越顯現(xiàn)了它在壓力測(cè)量領(lǐng)域的生命力。

文中結(jié)合實(shí)驗(yàn)成果，從封裝的角度給出了硅電容敏感元件的雙電容微差壓設(shè)計(jì)等方面的詳細(xì)論述，并針對(duì)微差壓敏感元件的結(jié)構(gòu)特性，給出了小間距、微結(jié)構(gòu)器件靜電封接中關(guān)鍵技術(shù)研究等方面的論述，在核心結(jié)構(gòu)型MEMS芯片的封裝方面，具有很好的借鑒參考及推廣應(yīng)用價(jià)值。

1   靜電封接原理

靜電封接是近幾年半導(dǎo)體行業(yè)常用的封裝技術(shù)，不用任何外部粘接劑可以把半導(dǎo)體材料與玻璃或玻璃與合金材料直接封裝在一起。通過(guò)加溫和外加電場(chǎng)使封接界面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)固化學(xué)鍵，將兩者鍵合在一起。玻璃在常溫下不導(dǎo)電，然而加熱到一定溫度，并施加一定高壓時(shí)，玻璃中的鈉離子，便會(huì)在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下向負(fù)極移動(dòng)；同樣，在外加電場(chǎng)作用下，n 型或p 型半導(dǎo)體硅材料，內(nèi)部電子和空穴也會(huì)發(fā)生定向移動(dòng)，電子向正極移動(dòng)，空穴向負(fù)極移動(dòng)。進(jìn)行靜電封接時(shí)，通過(guò)加溫加壓，玻璃與半導(dǎo)體硅材料均導(dǎo)電，外加直流電壓大部分降落在兩種封接材料的間隙上，在接觸區(qū)域形成很強(qiáng)的電場(chǎng)，產(chǎn)生極化區(qū)，有很大的靜電吸引力，將平整光潔的兩種材料封接在一起。

靜電封接是一種理想的封接方法，具有良好的剛度、較強(qiáng)的氣密性和成熟的技術(shù)，但與封接匹配的兩種材料的熱膨脹系數(shù)必須相似，差異不得超過(guò)(7-8)×10^-7。大多數(shù)壓力傳感器由硅制成，在實(shí)際應(yīng)用中，通常使用膨脹系數(shù)與硅相似的7740 玻璃和4J29 合金進(jìn)行封裝。

在壓力傳感器的制造過(guò)程中，芯片的封裝和鍵合是非常重要的。芯片鍵合和封裝的質(zhì)量直接影響傳感器的性能。封裝應(yīng)力引起的蠕變導(dǎo)致傳感器輸出漂移，影響長(zhǎng)期穩(wěn)定性，是目前制約壓力傳感器向高精度發(fā)展的主要因素之一。

2   硅電容差壓傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

與硅壓阻式傳感器相比，硅電容傳感器具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，溫漂較低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、抗過(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在流程工業(yè)、測(cè)量、控制等領(lǐng)域，現(xiàn)已成為硅微壓力測(cè)量核心部件，具有非常廣闊的發(fā)展前景。

硅電容差壓敏感器件是由一個(gè)彈性硅活動(dòng)極板和兩個(gè)固定極板組成的兩個(gè)差壓電容器，可以近似成兩個(gè)平板電容，其工作原理見(jiàn)式(1):

基于極距變化的工作原理，設(shè)計(jì)了硅電容差壓傳感器。其主要結(jié)構(gòu)為玻璃- 硅- 玻璃對(duì)稱(chēng)雙電極結(jié)構(gòu)，中心硅敏感芯片用作電容的活動(dòng)電極板，兩端電容的固定電極板由沉積金屬化膜的玻璃制成。

中心電極采用島膜結(jié)構(gòu)，在加壓移動(dòng)時(shí)，基本保證中間島平行移動(dòng)。在電容式差壓傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為了提高靈敏度，盡量縮小間隙以增加傳感器的零點(diǎn)電容；同時(shí)，為了降低輸出阻抗，滿足傳感器及測(cè)量電路的絕緣要求，需保證極板不粘連。根據(jù)理論及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，電極間隙設(shè)計(jì)值只有幾μm，零點(diǎn)電容幾十pF。

兩端的玻璃板起固定和電極引出的作用。玻璃板中央有一個(gè)壓力孔。壓力通過(guò)壓力孔加載到硅中心板上，引起兩側(cè)電容的變化。差壓測(cè)量是通過(guò)檢測(cè)電容的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了便于固定在壓力座上，極板的另一側(cè)通過(guò)金屬導(dǎo)管實(shí)現(xiàn)芯片的差壓加載。整個(gè)硅電容差壓芯體的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。為了確保準(zhǔn)確控制板間隙，實(shí)現(xiàn)無(wú)蠕變硬封連接，靜電封接工藝是最佳選擇。

圖1 硅電容差壓芯體結(jié)構(gòu)

3   靜電封接過(guò)程控制

3.1 防粘接雙面差壓靜電封接工藝

為了獲得更大的信號(hào)強(qiáng)度，并確保傳感器的體積滿足小型化的要求，在設(shè)計(jì)中會(huì)盡可能減小極板之間的間隙，通常只有幾μm。硅活動(dòng)板和玻璃固定板通過(guò)普通靜電封接工藝封接后，板粘附嚴(yán)重，導(dǎo)致器件故障?？梢钥闯?，傳統(tǒng)的靜電封接工藝已不能滿足小間隙封接的特殊要求。

如果硅電容傳感器的電容近似于極板電容，則極板之間的靜電引力可由式（2）表示：

有兩種方法可以避免電極粘附：

① 減少極板之間的靜電力F；

② 保證可動(dòng)極板受力均勻。

文獻(xiàn)[3]采用第一種方法來(lái)避免電極板之間的粘附。在封接過(guò)程中，活動(dòng)電極板和固定電極板采用相同的電位，取得了良好的效果。它不僅減少了極板之間的靜電力，而且避免了封接過(guò)程中的電擊穿，減少了裝置的封接失效。但實(shí)際操作繁瑣，無(wú)法滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需要。因此，針對(duì)上述問(wèn)題，本文研究了一種高效便捷的傳感器封接方法。采用第2 種方法能更方便、快速、有效地解決了差壓結(jié)構(gòu)硅電容傳感器的極板粘附問(wèn)題，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)步驟，更適合工業(yè)化發(fā)展。

雙面疊層差壓靜電封接工藝的具體實(shí)施如圖2所示。將固定玻璃電極1、硅片活動(dòng)電極和固定玻璃電極2依次放置在加熱板上，通過(guò)夾具對(duì)準(zhǔn)位置，然后放上電極壓塊使封接面貼緊，封接示意圖如圖2 所示。

圖2 封接示意圖

預(yù)熱2分鐘，確保封接的3 層差壓結(jié)構(gòu)達(dá)到相同的封接溫度，然后上下玻璃電極通過(guò)導(dǎo)電壓塊和加熱板連接到直流電源的負(fù)極；硅中間電極通過(guò)引線鍵合連接到直流電源的正極。開(kāi)啟直流電源，靜電封接開(kāi)始，具體的封接工藝參數(shù)根據(jù)封接材料的不同而進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。一般情況，封接溫度300 ～ 450 ℃，封接電壓300 ～ 800 V，根據(jù)電流表監(jiān)測(cè)整個(gè)封接過(guò)程，當(dāng)封接電流降至接近0 時(shí)，封接完成。

在硅片和玻璃之間的界面上形成的靜電場(chǎng)力會(huì)在界面上產(chǎn)生新的物質(zhì)，即二氧化硅，足以將硅片和玻璃牢固地封接在一起，其物理和化學(xué)反應(yīng)可以表示為(3):

   （3）

關(guān)閉直流電源，取下電極，從加熱板上取下封接后的差壓器件，并使其在室溫下自然冷卻。封接溫度越高，玻璃板的厚度越大，封接后玻璃中的殘余拉應(yīng)力越大。殘余應(yīng)力最終會(huì)增加硅電容器的壓應(yīng)力，并影響電容對(duì)稱(chēng)性。由于硅片和玻璃電極的熱容量均較小，硅片和玻璃電極鍵合后緩慢冷卻可以起到退火的作用，減少殘余應(yīng)力，保證鍵合質(zhì)量和傳感器性能。

3.2 合金導(dǎo)壓管的封接

封接好的硅電容差壓器件是玻璃- 硅- 玻璃三明治結(jié)構(gòu)，由于器件和底座的應(yīng)力匹配程度、外形結(jié)構(gòu)等條件限制，器件與底座不適合直接封接，如直接將這兩種材料封接在一起就會(huì)有較大的熱應(yīng)力甚至?xí)?dǎo)致兩者熔封處開(kāi)裂。為此我們采用了合金導(dǎo)壓管過(guò)度的方式做到氣密連接和固定支撐。

導(dǎo)壓管選用和玻璃膨脹系數(shù)接近的4J29 合金，采用靜電封接的方式將玻璃墊片和合金導(dǎo)壓管封接在一起。玻璃接負(fù)極，合金導(dǎo)壓管接正極，導(dǎo)壓管封接結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 導(dǎo)壓管封接結(jié)構(gòu)

3.3 下極板電極引出

通過(guò)導(dǎo)電膠粘接的方式將硅電容三明治器件和導(dǎo)壓管氣密連接到一起，通過(guò)導(dǎo)電膠將硅電容下極板電容引出，整體硅電容器件結(jié)構(gòu)如圖4。實(shí)驗(yàn)證明采用此工藝生產(chǎn)的硅電容傳感器輸出穩(wěn)定、成品率高，適合批量生產(chǎn)。

圖4 整體硅電容器件結(jié)構(gòu)

4   結(jié)束語(yǔ)

目前，采用上述疊層差壓靜電封接工藝制造電容差壓器件，實(shí)際測(cè)試效果良好，從根本上解決了小間隙電容器件封接后電極板的粘附問(wèn)題。

雙面疊層差壓靜電封接具有良好的對(duì)稱(chēng)性，可以確保電容器極板間隙的精確控制。器件封接過(guò)程中的應(yīng)力最小化是非常關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)。封接要選擇熱膨脹系數(shù)相近的材料，最大化減少裝配熱應(yīng)力^[4]。通過(guò)控制過(guò)程中的溫度、電壓和時(shí)間，可以獲得良好的封接效果。此項(xiàng)雙面封接工藝操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)、適合批量生產(chǎn)，具有良好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

[1] 張子鶴,劉振華,陳勇.壓力傳感器的硅玻靜電鍵合[J].世界科技研究與發(fā)展,2011,33(2):268-270.

[2] 張娜,李穎,張治國(guó).雙面靜電封接工藝在硅電容傳感器中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2012(1):13-15.

[3] 李穎,張治國(guó),張娜.硅電容微差壓敏感器件封裝工藝研究[J].儀表技術(shù)與傳感器,2013(12):138-140.

[4] 趙毅強(qiáng),張生才,姚素英等.半導(dǎo)體高溫壓力傳感器的靜電鍵合技術(shù)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,34(6):773-775.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）