硅压阻式压力传感器封装结构的制作方法

本实用新型涉及封装技术领域，尤其涉及硅压阻式压力传感器封装结构。

背景技术：

随着人类科技水平的不断发展， 信息化 已经成为当下最热的词汇。在如今信息 爆炸 的年代，任何技术的发展与应用都离不开传感技术的支持，尤其是当今物联网的建设更加依赖于传感技术。传感、计算机、通信这三项技术是当今信息技术的核心，因此传感技术的能力代表着国家在全球范围内信息领域上的强弱。信息通过被开发、采集、传输和处理而产生价值，因此对于信息的捕获能力要满足信息量日益庞大和复杂的要求。传感器的尖端方向研究与使用技术是建设信息化社会的关键因素。自从上世纪 80 年代后，传感器技术已经引起了各国科研人员的注意，许多发达国家将传感器技术列为了21世纪核心发展技术、重点研究与应用对象。

对传感器进行封装的目标是为了尽量用最小的外观尺寸、最轻的重量，利用不太复杂的结构和极低的价格去 包装 压力传感器的芯片。封装不仅仅是为了保护内部的芯片不受到外力的破坏，同时也要保证封装要保留内部芯片对外部系统的接口。所封装必然要包含集成电路封装的功能，即隔绝压力、湿度和温度等的影响，保证芯片的输入输出正常，同时还要考虑到封装对机械性能、电性能和可靠性的影响。此外，一些特殊的要求也必须考虑到，如低应力，对于尺寸特别微小的零部件而言封装必须要保证对其应力影响尽可能小。

封装缺陷通常表现为：气泡、剥离、压力传感器芯片位移和引线弯曲不当。可能造成封装外壳开裂、芯片金属化层变形、焊头翘起、互连线腐蚀断开、开路、短路等现象，引起压力传感器失效。

其中，芯片粘接缺陷通常是由于芯片与封装外壳的粘接不良、粘接材料中有空洞、工艺过程控制不良等因素造成。这会可能导致器件热量分布不均匀，压力传感器芯片脱落或断裂。

此外，钝化层缺陷包括粘接不良、开裂、空隙，会造成器件开路、不稳定、漏电流过大等现象。当模塑化合物收缩产生的应力超过钝化层材料的强度时，会引起钝化层开路，几何尺寸越大，收缩应力越大。因此，有必要提供一种管壳的封装技术及电真空器件中氧化铝陶瓷的封接技术来解决上述问题。

封装产生的应力一直都是封装技术的一个难点，这种类型的应力越小越好，因为这对压力传感器输出信号的精度影响是有帮助的。这也就意味着封装的设计者在设计封装结构时必须要尽可能地隔绝应力。具有挑战性的是由于隔离并不能足够好地去解决因为温度或者外界力影响引起的裸片的变形，裸片同时也要避免封装的外壳由于时间的变化来产生的结构变形带来的不平衡。虽然以上的应力变化都十分微小，但是对于高灵敏度的压力传感器而言是影响性能的一个非常重要的因素。

因此，有必要提出一种针对硅压阻式压力传感器的封装技术来解决上述问题。

技术实现要素：

本实用新型针对以上问题，提供了一种结构简单，提高芯片保护可靠性的硅压阻式压力传感器封装结构。

本实用新型的技术方案是：包括依次设置的压环、隔离膜片、金属外壳、陶瓷基底和基座，

所述金属外壳的底面中部设有腔体，所述基座连接在金属外壳的底面、且用于覆盖腔体，所述基座的管脚位于腔体内，

所述陶瓷基底设在基座的顶面、位于腔体内，所述陶瓷基底的顶面中心设有容置孔、顶面四周设有圆孔，

所述容置孔内设有通过贴片胶连接的芯片，所述圆孔用于放置基座的管脚，

所述陶瓷基底上设有导线，所述导线连接基座的管脚；

所述芯片连接金线，所述金线键合在陶瓷基底上；

所述腔体内填充设有硅油。

所述隔离膜片为不锈钢波纹膜片。

所述金属外壳为不锈钢材质。

所述贴片胶为环氧树脂胶。

所述金属外壳的顶面中部设有与腔体连通的通孔。

本实用新型通过对金属隔离封装中的不锈钢波纹膜片的结构设计、隔离式金属外壳与腔体结构设计、陶瓷基底结构设计、贴片胶以及硅油的选择和处理进行了优化，来提高芯片保护可靠性。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图中1是压环，2是隔离膜片，3是金属外壳，30是腔体，4是陶瓷基底，41是容置孔，42是圆孔，5基座，6是管脚，7是芯片，8是贴片胶，9是导线，10是金线，11是硅油，12是通孔。

具体实施方式

本实用新型如图1所示，包括依次设置的压环1、隔离膜片2、金属外壳3、陶瓷基底4和基座5，

所述金属外壳的底面中部设有腔体30，所述基座连接在金属外壳的底面、且用于覆盖腔体，所述基座的管脚6位于腔体内，

所述陶瓷基底4设在基座的顶面、位于腔体内，所述陶瓷基底的顶面中心设有容置孔41、顶面四周设有圆孔42，

所述容置孔41内设有通过贴片胶8连接的芯片7，所述圆孔用于放置基座的管脚，

所述陶瓷基底上设有导线9，所述导线连接基座的管脚；

所述芯片连接金线10，所述金线键合在陶瓷基底上；

所述腔体内填充设有硅油11。

所述隔离膜片2为不锈钢波纹膜片。

所述金属外壳3为不锈钢材质。

所述贴片胶8为环氧树脂胶。

所述金属外壳的顶面中部设有与腔体连通的通孔12，为了增加隔离膜片承受压力的能力。

本实用新型提供了一种针对硅压阻式压力传感器的封装技术，通过对金属隔离封装中的不锈钢波纹膜片的结构设计、隔离式金属外壳与腔体结构设计、陶瓷基底结构设计、贴片胶以及硅油的选择和处理进行了优化，来提高芯片保护可靠性。

1、隔离式封装是将压力传感器的芯片与待测介质分隔开来，不锈钢波纹膜片就是起到隔离作用的重要组件之一。不锈钢波纹膜片结构可以满足输出信号的高稳定性、低功耗和动态即时响应等特点。这种形式的封装既可以测量一般的气体与液体物质的压力也能工作在具有腐蚀性环境的场所，如强酸或强碱的气体或液体中。

2、隔离式封装的关键点在于不锈钢波纹膜片与硅油的使用，不锈钢材质的膜片优良的弹性性能和硅油在较小压力下的几乎不可被压缩的特点保证了隔离式封装的良好性能。

这种形式的封装将金属外壳、基座和不锈钢波纹膜片三部分焊接在一起形成密闭的空间，芯片位于基座处，用处理后的硅油填充腔体。芯片的输出信号是通过引线键合的方式连接基座上的管脚实现了芯片与外界电信号相连。由于硅油事先已经净化完全，因此压力传感器的可靠程度与稳定程度都大幅度提高，不锈钢波纹膜片起着隔离待测介质且具有感应与传递的作用，对压力传感器性能品质有重要意义。

3、隔离膜片需要有耐腐蚀、弹性好且能够无损传递外界的压力到芯片表面的特点。本实用新型选择型号为316L的不锈钢为膜片的材料，它的弹性模量为 200GPa，线膨胀系数为 10.8×10-6/℃，相对于其他材料而言，316L 型号的不锈钢作为隔离膜片的材料是适宜的。隔离膜片的波纹形状选择了正弦曲线。

4、隔离式外壳与腔体结构方面，提出了一种新的腔体结构，避免了不锈钢膜片受到的压力急剧增大会使膜片磕碰到外壳凸起部分而损伤的情况。

5、当不锈钢波纹膜片受到力的作用后会发生形变，形变所产生的力会通过硅油来传导到芯片上，而芯片感受到压力作用后输出电信号。这个过程中由于不锈钢材质的膜片优良的弹性性能和硅油在较小压力下的几乎不可被压缩的特点使得外部压力作用在膜片上时可以被无损传递到内部芯片表面上。

6、金属外壳的材料选用的是304型不锈钢，这种类型的不锈钢抗腐蚀能力强、价格低廉且应用广泛。考虑到基座和金属外壳的焊接性等因素，基座材料采用304 型不锈钢，基座的材料和金属外壳材料相同会具有更好的可靠性。

7、陶瓷基底结构方面，提出了一种新的陶瓷基底。压力传感器的芯片位于陶瓷基底的容置孔内，陶瓷基底周围的圆孔的作用是安插基座的管脚，圆孔的方位与基座管脚的方位一一对应。陶瓷基底的厚度取决于芯片和充油腔体的外形尺寸这两个因素。优化后的陶瓷基底是在陶瓷基底上制作出焊盘和导线，将金线键合在陶瓷基底上，利用陶瓷基底上的导线连通到基座的管脚上，这样，可以避免当压力传感器处于加速振动时金线触碰到陶瓷基座或与其他部位发生摩擦都会导致金线断裂的情况。金线用于与导线连接，实现芯片与外界电信号相连。

8、衡量贴片胶的性能主要参考贴片胶的杨氏模量和剪切强度，前者影响可靠性，后者影响芯片粘接的牢固程度，在满足二者的性能指标时，尽可能使用软胶。本实用新型采用的是泊松比为0.34，热膨胀系数为5.4×10-5/℃，杨氏模量为3.6GPa的环氧树脂胶作为贴片胶。

9、硅油的作用是将外界的力传导到芯片表面，由于硅油直接与芯片接触，所以所使用的硅油需要有这几个特性：硅油的热膨胀系数小，良好的耐热和耐寒能力，介电性能好。对硅油的加工效果决定着封装的成败，如果硅油的净化效果不理想，硅油中的杂质会导致腔体内的体积变化随温度的变化而毫无规律，这种无规律的变化会导致外界的力无法准确传递到芯片表面，压力传感器的输出信号波动较大，集中表现为压力传感器的零点温漂情况严重，而零点温度漂移情况可以评价封装是否合格。硅油使用前必须经过高温和抽真空处理以达到去除水汽和杂质的目的。