SOI高溫壓力傳感器無引線倒裝式封裝研究

董志超， 雷 程， 梁 庭， 薛勝方， 宮凱勛， 武學(xué)占

(中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

0 引 言

壓力傳感器作為目前應(yīng)用最為廣泛的傳感器之一，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)、國防以及人類生活的各個(gè)領(lǐng)域[1～3]。常規(guī)的硅基壓力傳感器是基于硅壓阻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)力—電耦合[4]，其在結(jié)構(gòu)上壓敏電阻與硅基底之間采用PN結(jié)實(shí)現(xiàn)電流隔離，其硅加工工藝成熟且容易量產(chǎn)化，但是PN結(jié)的反向漏電流會(huì)隨著溫度升高而急劇加大，而當(dāng)溫度超過125 ℃時(shí)，PN結(jié)反向漏電流過大導(dǎo)致傳感器性能嚴(yán)重退化甚至失效[5]。

為了實(shí)現(xiàn)更高溫度環(huán)境下的動(dòng)態(tài)測量，基于絕緣體上硅(silicon-on-insulator，SOI)材料的壓阻式壓力傳感器受到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和研究。SOI材料是在頂層硅與硅基底之間引入埋氧層，其壓阻式壓力傳感器采用絕緣性能良好的氧化硅作為壓敏電阻與硅基底電隔離介質(zhì)，可以避免高溫條件下普通硅片擴(kuò)散電阻PN結(jié)漏電失效的現(xiàn)象，且SOI具有高速、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)一步提高傳感器的溫度性能[6,7]。國外關(guān)于SOI壓力傳感器的研究起步較早，最為典型是庫里特、柏林工業(yè)大學(xué)研制的SOI高溫壓力傳感器可以滿足480 ℃內(nèi)的穩(wěn)定測量。而國內(nèi)西安交通大學(xué)、中北大學(xué)、中國電子科技集團(tuán)公司等關(guān)于SOI壓力傳感器的研究較為突出[8]，在傳感器設(shè)計(jì)、工藝加工等方面技術(shù)成熟度較高，但受封裝限制，難以達(dá)到量產(chǎn)化的階段[9]。

傳統(tǒng)的微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical systerm,MEMS)壓力傳感器封裝主要采用充油隔離式引線鍵合和裸露式引線鍵合，均為正裝式封裝。正裝封裝結(jié)構(gòu)存在體積大，耐高溫性能差，穩(wěn)定性差等特點(diǎn)，難以滿足高溫惡劣條件下的動(dòng)態(tài)測試。倒裝式封裝采用芯片與基板焊盤直接互聯(lián)的封裝技術(shù)，能夠很好地保護(hù)芯片表面的器件區(qū)，具有短互聯(lián)性、氣密性強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器的小型化封裝，更能提升傳感器的性能[10,11]。

基于此，本文開展基于SOI高溫壓力傳感器芯片無引線倒裝式封裝方法研究。在現(xiàn)有工藝技術(shù)上設(shè)計(jì)并制備SOI傳感器芯片，采用陽極鍵合工藝完成SOI晶圓和帶孔的硼硅玻璃正面鍵合的圓片級氣密性封裝，并對鍵合效果進(jìn)行表征分析；采用通孔電鍍工藝及離子束刻蝕(ion beam etching,IBE)工藝完成電極的引出及焊盤的隔離，并對通孔電鍍效果和電性能進(jìn)行表征測試。最后，利用陶瓷基轉(zhuǎn)接板及金屬管殼完成芯片的倒裝式差壓封裝，并在常溫環(huán)境下對傳感器的氣密性、線性度等指標(biāo)進(jìn)行測試。

1 壓阻式壓力傳感器敏感芯片設(shè)計(jì)與加工

1.1 壓阻式壓力傳感器的工作原理

壓阻式壓力傳感器是利用硅的壓阻效應(yīng)，當(dāng)被測的壓力介質(zhì)作用在芯片上時(shí)，引起敏感膜表面各處的應(yīng)力發(fā)生變化，芯片上的壓力變化引起壓敏電阻變化進(jìn)而轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號(hào)，通過惠斯通電橋電路實(shí)現(xiàn)壓力測量和信號(hào)輸出。

1.2 壓力傳感器敏感膜片設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)選用厚度為400 μm的單晶硅SOI(100)，芯片整體尺寸為3 mm×3 mm×0.9 mm(鍵合后芯片厚度)，設(shè)計(jì)量程為0～2 MPa絕壓芯片。敏感膜片采用1 000 μm×1 000 μm的方形C型膜，依據(jù)小撓度理論，敏感膜的厚度需滿足線性原則及可靠性原則，依據(jù)計(jì)算及仿真結(jié)果，取膜厚為35 μm。

1.3 壓力傳感器芯片加工

壓力傳感器敏感芯片采用MEMS標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行制備，如圖1所示。

圖1 工藝流程

主要的工藝步驟包括：(a)清洗：對SOI晶圓進(jìn)行無機(jī)清洗去除表面雜質(zhì)；(b)離子注入：對頂層硅器件層進(jìn)行離子注入，進(jìn)行B離子注入；(c)重?fù)诫s：對金屬引線區(qū)及電阻歐姆接觸區(qū)定點(diǎn)定量摻雜，保證后續(xù)可以形成良好的歐姆接觸；(d)刻蝕：采用干法刻蝕的方式將設(shè)計(jì)好的電阻通過深硅刻蝕工藝對其進(jìn)行圖形化；(e)濺射：通過光刻—濺射—?jiǎng)冸x的工藝，完成金屬引線和電極的圖形化，通過退火工藝完成歐姆接觸；(f)背腔刻蝕：通過背套光刻工藝完成背腔圖形化，通過深硅刻蝕工藝完成背腔的刻蝕。芯片如圖2所示。

圖2 芯片圖示

2 芯片封裝與測試

2.1 芯片的氣密性封裝

本次采用陽極鍵合的方式實(shí)現(xiàn)芯片的封裝，鍵合后的芯片具有氣密性良好、穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等優(yōu)良特性。陽極鍵合工藝是通過將硅片和玻璃相貼合，通過加熱、加壓和加電的方式實(shí)現(xiàn)，在硅層與玻璃層接觸界面形成負(fù)的空間電荷區(qū)與硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵Si—O—Si，完成鍵合。相比于其他材料，硅片和硼硅玻璃的熱膨脹系數(shù)相差較小(硅為2.6×10-6/K，硼硅玻璃為3.3×10-6/K)，且由于溫度變化引起的形變量會(huì)引起硅片表面產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，對傳感器的零點(diǎn)漂移及溫度漂移產(chǎn)生影響，厚度適宜的硼硅玻璃鍵合后可有效減小硅片表面的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力[12]。本次鍵合采用厚度為500 μm的帶孔硼硅玻璃。如圖3所示。

圖3 陽極鍵合及實(shí)物展示

壓敏電阻電信號(hào)的傳輸方式是將金屬引線與硅引線互聯(lián)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸；利用陽極鍵合工藝將帶噴砂孔的硼硅玻璃與芯片表面的電極凸點(diǎn)對準(zhǔn)鍵合，鍵合界面不存在連通槽，是完整的器件層硅平面，保證了鍵合腔的氣密性。如圖4所示。

圖4 鍵合效果SEM

2.2 電極的引出及焊盤制作

鍵合成功后的晶圓級芯片需要將硅芯片表面的電極引出至硼硅玻璃表面，再通過金屬刻蝕工藝制備金屬焊盤，由于金屬金(Au)良好的導(dǎo)電性及延展性，本次電極引出采用電鍍金的方式進(jìn)行。

由于玻璃是非導(dǎo)電材料，電鍍過程中溶液中的陽離子無法直接粘附在玻璃表面，需要在玻璃表面濺射種子層金屬以實(shí)現(xiàn)電鍍，由于金與玻璃之間的粘附性較差，這里采用先濺射粘附金屬，再濺射種子層金屬的方式制備電鍍種子層。與其他金屬相比，金屬鉻(Cr)具有較強(qiáng)的粘附性且與玻璃的熱膨脹系數(shù)相差程度較小，所以本次濺射粘附層金屬采用金屬鉻(Cr)。電鍍示意圖如圖5所示。

圖5 電鍍示意

為保證后續(xù)倒裝封裝及測試的穩(wěn)定性，要求金屬焊盤的厚度不能太薄(>3 μm)。相比于直流電鍍，脈沖電鍍具有鍍層平整致密、附著性好、電流效率高等優(yōu)點(diǎn)。本次電鍍采用脈沖電鍍的方式進(jìn)行，電鍍速率為45 nm/min，電鍍時(shí)間為90 min，電鍍厚度為4 μm，滿足后續(xù)封裝測試需求。電鍍示意圖如圖6所示。

圖6 電鍍效果

電鍍完成后，需要對正面電鍍的晶圓進(jìn)行噴膠光刻圖形化，進(jìn)行最后的焊盤圖形化刻蝕。由于通孔的存在，采用勻膠的方式難以將通孔側(cè)壁及底部的金屬完全覆蓋，因此采用噴膠可以有效保證焊盤圖形化的完整性和通孔的全覆蓋性。

焊盤的制作是通過IBE工藝完成制作。IBE也稱為離子銑，是將惰性氣體(Ar)電離成等離子體，通過加速電場成高能離子沖擊材料表面，使材料表面原子被移開或被除掉，完成刻蝕的過程。屬于純物理過程，具有方向性好、高陡直度、分辨率不受刻蝕材料影響等優(yōu)點(diǎn)。本次采用的是極智芯AE—4 IBE離子束刻蝕設(shè)備，放置晶圓的托盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)可以有效避免刻蝕的不均性。本次刻蝕能量為500，束流為120，刻蝕速率為60 nm/min，刻蝕時(shí)間為70 min。如圖7所示，刻蝕效果良好。

圖7 焊盤制作流程

2.3 芯片倒裝式封裝

目前，市面上常見的微高溫壓力傳感器的封裝材料為焊錫連接，但是當(dāng)溫度超過220 ℃時(shí)，焊錫難以支撐高溫下的性能測試條件?；诮饘俳?Au)良好的導(dǎo)電性及耐高溫特性，本次芯片的倒裝封裝采用金—金鍵合的方式進(jìn)行，在保證耐高溫的特性前提下，也能保證電連接性能的正常測試。由于陶瓷良好的絕緣性和耐高溫特性，且陶瓷材料的楊氏模量較高，在壓力作用下不易發(fā)生形變，與玻璃的熱膨脹系數(shù)差不大，經(jīng)常用于制作芯片倒裝的基板。本次采用在的定制陶瓷基板上制作與芯片表面焊盤相對應(yīng)的金焊盤，通過鍵合的方式實(shí)現(xiàn)焊盤的連接，通過拉伸試驗(yàn)驗(yàn)證其鍵合強(qiáng)度可滿足溫度及壓力需求。如圖8所示。

圖8 金金鍵合倒裝示意

3 性能測試

3.1 焊盤的電連接性測試

為保證芯片后續(xù)封裝測試的性能需求，需對電鍍焊盤引出電極的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本次驗(yàn)證從芯片加工過程中形成歐姆接觸開始，電鍍焊盤的引出以及后續(xù)的倒裝封裝，對芯片的電阻進(jìn)行測試記錄，以驗(yàn)證芯片電連接性的狀態(tài)。

采用半導(dǎo)體分析儀測試設(shè)備測試電阻阻值，首先對完成歐姆接觸后的芯片進(jìn)行電阻測量，對固定位置的芯片及電阻阻值進(jìn)行標(biāo)注記錄；其次，對完成電鍍及焊盤IBE制作后的芯片進(jìn)行電阻阻值測量并標(biāo)注記錄；最后，對完成倒裝封裝后的芯片常溫及升溫測試(升到一定溫度后，芯片穩(wěn)熱10 min后取下且靜置至常溫再進(jìn)行電阻阻值測量)，并對電阻阻值進(jìn)行測試記錄。如圖9所示，芯片的電連接性正常，且高溫循環(huán)測試后電阻表現(xiàn)正常。

圖9 不同測試階段電阻變化情況

3.2 芯片的氣密性測試

如圖10所示，為測試芯片本身的氣密性，搭建的一個(gè)氣密性測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由四部分組成：密封氣壓罐、氣壓泵、供電電源與高精度萬用表。首先將初步封裝的芯片放入密封氣壓罐中，擰緊固定處和氣壓泵接口處螺絲，確保其有良好的密封性。通過氣壓泵給密封罐中充入固定壓力值，精確控制加到傳感器上的壓力值，同時(shí)傳感器進(jìn)行供電，通過高精度萬用表實(shí)時(shí)讀取固定壓力下的輸出電壓。

圖10 氣密性測試系統(tǒng)

本次氣密性測試實(shí)驗(yàn)壓力量程為2.0 MPa，供電電壓為5 V，測試給予不同的固定壓力值0.5，1，1.5 MPa，進(jìn)行3次不同壓力下的測量，每間隔30 s進(jìn)行一次讀數(shù)，記錄輸出電壓的變化趨勢。如圖11所示為氣密性測試結(jié)果，在固定的壓力條件下電壓的輸出穩(wěn)定，證明芯片的氣密性良好。

圖11 常溫下氣密性測試結(jié)果

3.3 傳感器整體性能測試

本次整體性能測試為常溫壓力測試實(shí)驗(yàn)，測試壓力量程為1.6 MPa，每間隔100 kPa進(jìn)行一次數(shù)據(jù)記錄，并進(jìn)行3次相同的正反行程的測量，將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到傳感器的常溫性能測試結(jié)果，經(jīng)計(jì)算可得傳感器的靈敏度為8.69 mV/100 kPa，其非線性誤差、遲滯重復(fù)性等均小于0.39 %FS，表明該傳感器在常溫環(huán)境下性能良好。如圖12所示。

圖12 常溫下傳感器性能測試結(jié)果

4 結(jié) 論

本文基于SOI壓阻式壓力傳感器，設(shè)計(jì)了一種無引線倒裝式封裝的封裝結(jié)構(gòu)。并通過芯片加工及實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證了其封裝的可行性。根據(jù)測試結(jié)果，封裝后的芯片具有較好的氣密性及電連接性，傳感器整體性能測試穩(wěn)定，具有較好的線性度和重復(fù)性，新的封裝結(jié)構(gòu)工藝簡單且能實(shí)現(xiàn)圓

片級封裝，有望應(yīng)用到實(shí)際工程中。