燃油蒸汽壓力傳感器的封裝研究

杜奮豪，王 冰，薛立偉，劉雨墨，張雯霞，陳立國

(1.蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)器人與微系統(tǒng)研究中心，江蘇蘇州 215021；2.昆山雙橋傳感器測控技術(shù)有限公司，江蘇昆山 215325)

0 引言

在汽車領(lǐng)域，由于燃油具有極強(qiáng)的揮發(fā)性，其產(chǎn)生的蒸汽是環(huán)境污染物的主要來源之一。隨著禁止燃油蒸汽排放的相關(guān)法規(guī)日益嚴(yán)格，利用燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)對燃油蒸汽進(jìn)行監(jiān)測和處理變得更加重要，能夠檢測微小量程壓力的壓力傳感器是該系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分[1]，通過監(jiān)測油箱及系統(tǒng)與大氣的壓差來控制系統(tǒng)相應(yīng)閥門的開閉，同時(shí)還能監(jiān)測蒸汽是否發(fā)生泄漏。燃油蒸汽壓力傳感器檢測的壓力閾值通常小于5 kPa[2]，因此用于燃油蒸汽壓力檢測的傳感器首先需要具有極高的靈敏度，能夠?qū)ξ⑿毫M(jìn)行準(zhǔn)確檢測，其次需要能夠應(yīng)對燃油蒸汽介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)在惡劣環(huán)境下的可靠工作。在相關(guān)研究中，傳感器芯片的性能參數(shù)不斷提升能夠滿足微壓測量的使用需求[3-5]，但是想要發(fā)揮芯片的作用，還需要對芯片的封裝展開設(shè)計(jì)。在封裝過程中必須要考慮到封裝元件對壓敏芯片的影響，由其產(chǎn)生的封裝應(yīng)力嚴(yán)重影響了傳感器可靠性，是傳感器封裝技術(shù)關(guān)鍵難點(diǎn)之一[6]。由于燃油蒸汽壓力檢測屬于微壓測量，傳感器芯片需要具有更高的靈敏度，非常小的干擾都會(huì)對傳感器的輸出信號(hào)造成很大的影響，例如溫度變化、振動(dòng)、應(yīng)力及外力形變、電磁干擾等，減小或避免這些因素的干擾同時(shí)保護(hù)芯片在惡劣環(huán)境下可靠工作是封裝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

本文針對汽車燃油蒸汽壓力檢測環(huán)境，根據(jù)客戶要求壓力檢測范圍-3.75～1.25 kPa，輸出誤差低于±3.5%FS的使用目標(biāo)，對微壓力傳感器封裝進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用有限元仿真分析了封裝元件對傳感器輸出影響，基于此優(yōu)化了封裝結(jié)構(gòu)以及工藝參數(shù)，通過將壓敏芯片與補(bǔ)償放大電路集成在一塊PCB基板上，與所設(shè)計(jì)的傳感器外殼共同封裝成完整的燃油蒸汽壓力傳感器，經(jīng)測試滿足使用需求。利用這種封裝方式降低了傳感器尺寸及封裝成本，滿足車用標(biāo)準(zhǔn)。

1 封裝設(shè)計(jì)與仿真

作為燃油蒸汽壓力傳感器感壓器件的壓力敏感芯片的核心是由4個(gè)等值半導(dǎo)體電阻構(gòu)成的惠斯登電橋，如圖1所示，當(dāng)外界壓力作用于傳感器壓敏膜片時(shí)，壓敏電阻區(qū)域應(yīng)力會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致壓敏電阻阻值變化輸出電壓信號(hào)。

圖1 惠斯登電橋

根據(jù)惠斯登電橋電路，輸出電壓Vout與輸入電壓Vin的關(guān)系可以表示為[7]

(1)

式中：π44為壓阻系數(shù)；σl、σt分別為壓敏電阻的橫向和縱向應(yīng)力。

可以看出傳感器輸出與壓敏電阻區(qū)域應(yīng)力大小直接相關(guān)，因此在封裝設(shè)計(jì)過程中要盡量降低封裝應(yīng)力和封裝結(jié)構(gòu)形變的影響。

由于需要在油污、振動(dòng)、汽車級(jí)環(huán)境溫度、微小壓力的環(huán)境下工作，燃油蒸汽壓力傳感器的封裝應(yīng)該滿足以下條件:密封保護(hù)，芯片敏感薄膜器件層不應(yīng)直接與油污、水汽等接觸；封裝結(jié)構(gòu)的各部件的熱膨脹系數(shù)應(yīng)接近，減少因熱膨脹系數(shù)不匹配而導(dǎo)致的熱應(yīng)力；封裝結(jié)構(gòu)應(yīng)有良好的抗振性，以滿足在振動(dòng)環(huán)境下的可靠性,同時(shí)對于汽車電子還需要對其成本進(jìn)行嚴(yán)格控制。

設(shè)計(jì)的燃油蒸汽壓力傳感器封裝結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括壓敏芯片、陶瓷基板、傳感器外殼等。為防止燃油蒸汽對芯片正面結(jié)構(gòu)層造成損壞，采用芯片背面與燃油蒸汽接觸承壓的方式，同時(shí)芯片正面空氣經(jīng)防水透氣膜隔離水汽。將壓敏芯片直接粘貼在陶瓷電路板上與外圍電路形成完整的傳感器輸出電路，利用密封膠將陶瓷電路板通過支架與外殼粘住，形成密封腔并加強(qiáng)電路板局部剛度，防止在芯片粘接的電路板處因振動(dòng)出現(xiàn)過大變形，從而影響芯片輸出。由于文中采用的是芯片直接與基板粘接的封裝方式，基板的材料與敏感芯片點(diǎn)膠貼片工藝參數(shù)對芯片的影響最重要。芯片與基板熱膨脹系數(shù)應(yīng)接近，只有陶瓷電路板符合要求。

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 熱力學(xué)分析

外殼材料、陶瓷電路板厚度是影響封裝應(yīng)力的關(guān)鍵因素，常見塑料外殼材料有PA6、ABS等。為衡量其對所設(shè)計(jì)的燃油蒸汽壓力傳感器輸出影響，建立了傳感器有限元模型，設(shè)計(jì)如表1所示的6組仿真實(shí)驗(yàn)，利用ANSYS對其進(jìn)行瞬態(tài)熱結(jié)構(gòu)分析，施加如圖3所示的循環(huán)溫度載荷，設(shè)定初始溫度為22 ℃，經(jīng)3個(gè)溫度循環(huán)后回到22 ℃。得到傳感器及芯片在交變溫度載荷下的應(yīng)力分布，熱應(yīng)力越小則封裝可靠性越好。

表1 仿真試驗(yàn)組

圖3 溫度循環(huán)曲線

圖4為傳感器應(yīng)力分布云圖，應(yīng)力主要集中在外殼和電路板處，芯片表面應(yīng)力較小，封裝結(jié)構(gòu)起到了一定的保護(hù)作用。提取不同仿真組芯片表面最大應(yīng)力隨時(shí)間變化關(guān)系如圖5所示，可以看出，PA6材料的傳感器外殼在熱循環(huán)載荷下對芯片造成的應(yīng)力影響小于ABS材料。同時(shí)隨著陶瓷PCB板的厚度增加，芯片表面應(yīng)力在逐漸減小，這可能是因?yàn)檩^厚的PCB板隔絕了外殼與其他封裝元件的應(yīng)力傳遞。在6組仿真中，組3在交變溫度載荷下芯片表面最大應(yīng)力值最小(1.32 MPa)，殘余應(yīng)力為0.005 2 MPa。綜合考慮，最終選取了PA6-GF35材料的外殼以及厚度為1 200 μm的PCB基板。

圖4 應(yīng)力分布云圖

(a)PA6

1.2 振動(dòng)分析

汽車行使過程的振動(dòng)環(huán)境會(huì)引起傳感器結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致壓敏芯片承受動(dòng)態(tài)加速度載荷，對傳感器輸出造成影響。而不同芯片結(jié)構(gòu)的傳感器在動(dòng)態(tài)性能上體現(xiàn)也不相同。通常一階模態(tài)頻率更大的結(jié)構(gòu)其動(dòng)態(tài)性能越好，本文分別對如圖6所示的平膜結(jié)構(gòu)和島膜結(jié)構(gòu)的芯片進(jìn)行了模態(tài)分析，一階模態(tài)頻率分別為59 kHz和35.3 kHz。在此基礎(chǔ)上利用模態(tài)疊加法的諧響應(yīng)分析，對芯片施加不同頻率的加速度載荷，由于沿垂直于膜片方向的加速度載荷對芯片輸出影響最大[8]，仿真中施加的載荷方向垂直于膜片，大小為10g。

(a)平膜(b)島膜

當(dāng)振動(dòng)頻率在芯片一階模態(tài)頻率附近時(shí)，由于發(fā)生共振，芯片表面應(yīng)力會(huì)顯著增加。平膜結(jié)構(gòu)和島膜結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力分別為0.47 MPa和3.1 MPa，島膜結(jié)構(gòu)在振動(dòng)載荷下輸出影響要遠(yuǎn)大于其他結(jié)構(gòu)。因此為了應(yīng)對振動(dòng)環(huán)境，燃油蒸汽壓力傳感器封裝在芯片的選擇上應(yīng)當(dāng)避免使用類似島膜的中心大質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，可以選擇正面梁膜島結(jié)構(gòu)或者平膜類結(jié)構(gòu)的芯片。

2 芯片貼粘工藝

貼片膠作為封裝過程中使用的關(guān)鍵材料，可以將芯片與基底直接粘接在一起。但是由于不同材料之間的熱膨脹系數(shù)的差異，以及貼片膠在溫度變化過程中會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力，其性能參數(shù)與使用量都會(huì)對芯片的輸出造成影響。

2.1 彈性模量

本文利用ANSYS仿真設(shè)計(jì)了如圖7所示的三層系統(tǒng)，選取了一批彈性模量為50～400 MPa的貼片膠，施加由150 ℃冷卻至室溫22 ℃的溫度載荷，得到芯片表面最大應(yīng)力與貼片膠彈性模量關(guān)系，如圖8所示,可以看出芯片表面最大應(yīng)力隨著貼片膠彈性模量的增大而增大。

圖7 仿真模型

圖8 芯片表面最大應(yīng)力與貼片膠彈性模量關(guān)系

2.2 膠厚

在貼片的過程中，除了貼片膠彈性模量外，貼片膠的厚度也是影響芯片表面應(yīng)力的關(guān)鍵因素之一。通過施加由室溫增至125 ℃的溫度載荷，得到不同貼片膠厚度下的壓敏芯片表面最大應(yīng)力，結(jié)果如圖9所示，芯片熱應(yīng)力隨著貼片膠厚度的增加先減小后增大，這可能是因?yàn)樵谫N片膠較薄時(shí)，隨著膠厚的增加能夠吸收基底膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力，從而降低傳遞到芯片的熱應(yīng)力，但當(dāng)貼片膠達(dá)到一定厚度時(shí)，其自身過大的體積膨脹會(huì)對芯片造成影響。

圖9 芯片應(yīng)力與膠厚關(guān)系

同時(shí)貼片膠的厚度還會(huì)對傳感器的動(dòng)態(tài)性能造成影響，圖10分別給出了50、100、150、200 μm膠厚的芯片一階模態(tài)頻率，分別為81.7、59.2、47.0、40.3 kHz。

圖10 不同膠厚一階模態(tài)頻率

通過仿真可以看出貼片膠越厚，其一階模態(tài)頻率越低，更能放大振動(dòng)對傳感器敏感膜片的影響。此外高的貼片膠厚度會(huì)允許更大的芯片位移，這可能會(huì)嚴(yán)重影響鍵合線與芯片之間的連接。

因此，在保證芯片粘接強(qiáng)度的情況下，貼片膠應(yīng)該選擇彈性模量較小的軟膠，同時(shí)膠層不宜過厚。通常芯片可以通過鍵合玻璃增加粘接面積，提高粘接強(qiáng)度，文中為降低成本，采用芯片直接粘接的方式。雖然軟膠的粘接強(qiáng)度較低且芯片背面承壓的方式對粘接強(qiáng)度提出了更高的要求，但因?yàn)槿加驼羝麎毫儆谖⑿毫?，所以采用軟膠可以滿足粘接強(qiáng)度需求，不會(huì)導(dǎo)致超載使貼片膠失效。同時(shí)為了面對油污的環(huán)境，綜合考慮，在本文中貼片膠選用了能夠耐油污的氟硅膠，膠厚為100 μm。

3 測試結(jié)果

根據(jù)上述封裝設(shè)計(jì)，將壓力芯片直接粘貼在陶瓷PCB板上，與溫度補(bǔ)償芯片及外圍電路組成完整的傳感器電路基板。將電路板通過密封膠與外殼固定在一起，保證氣密性。完成貼片的電路板以及封裝完成的傳感器如圖11所示。

圖11 測試樣品

通過采集標(biāo)定數(shù)據(jù)，計(jì)算修正系數(shù)，將其存儲(chǔ)進(jìn)補(bǔ)償芯片的EEPROM中，完成傳感器的輸出信號(hào)校準(zhǔn)。將校準(zhǔn)完成的傳感器置于恒溫箱內(nèi)進(jìn)行性能檢測，利用恒壓源提供5 V的供電電壓，設(shè)定初始溫度為-10 ℃，從-3.75 kPa到1.25 kPa升壓，每步1 kPa，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄，改變溫度，重復(fù)步驟測試不同溫度下傳感器輸出，測試結(jié)果如圖12所示。

圖12 測試結(jié)果

可以看出，測試樣品在全溫區(qū)內(nèi)都能成比例輸出且輸出基本重合，具有良好的線性度與低溫漂，全溫區(qū)最大誤差約為1.2%FS，能夠滿足使用需求。

4 結(jié)論

本文針對汽車燃油蒸汽壓力檢測，提出了一種微壓芯片封裝方式，利用芯片背面承壓，壓敏芯片與溫度補(bǔ)償芯片直接粘貼在陶瓷PCB板上，與殼體組成完整的燃油蒸汽壓力傳感器。通過熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真分析了關(guān)鍵封裝參數(shù)對壓敏芯片的影響,發(fā)現(xiàn)彈性模量較低的貼片膠對芯片造成的殘余應(yīng)力較小，薄的膠厚會(huì)具有更好的動(dòng)態(tài)性能。驗(yàn)證了封裝結(jié)構(gòu)的可靠性，經(jīng)對制作校準(zhǔn)完成的傳感器樣品進(jìn)行檢測，滿足使用需求。

與傳統(tǒng)的芯片封裝相比，這種封裝方式采用芯片背面承壓避免了芯片表面器件層接觸燃油揮發(fā)性氣體造成損害，芯片通過粘貼的方式與外圍電路和補(bǔ)償芯片集成在一塊電路板上，無需鍵合玻璃，減小尺寸的同時(shí)也顯著降低了封裝成本。同時(shí)利用有限元仿真軟件輔助封裝設(shè)計(jì)可以優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)，降低工作量和設(shè)計(jì)成本。