硅電容差壓傳感器疊層靜電封接工藝研究

張娜 單鶴南 胡延麗 徐海寧 何方 袁峰 韓策 張凱

摘要：差壓傳感器廣泛應(yīng)用于武器裝備和工業(yè)過程控制。為了樹立用戶對國產(chǎn)品牌的信心，開發(fā)性能優(yōu)異、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的差壓芯片是非常必要的。為了解決差壓芯片溫度特性差、靜壓偏差大的常見問題，本文提出了一種電容式差壓芯體雙面疊層靜電封接工藝設(shè)計(jì)方法，并對雙面疊層靜電封接的工藝參數(shù)：溫度、電壓、時間、表面光潔度、壓力等行了優(yōu)化，使其適合大規(guī)模生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：硅電容；差壓；疊層；封接

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 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，硅電容差壓傳感器作為差壓測量的核心檢測元件，越來越廣泛的應(yīng)用于化工、石油、冶金、電力等流程工業(yè)中，同時在輕工、環(huán)保、食品、帶壓容器測量、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的新一代傳感器。實(shí)際應(yīng)用中用于測量液體、氣體的差壓、流量等參數(shù)，作為過程控制領(lǐng)域用差壓變送器的核心零部件，越來越顯現(xiàn)了它在壓力測量領(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。通過加溫和外加電場使封接界面產(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，玻璃中的鈉離子，便會在強(qiáng)電場的作用下向負(fù)極移動；同樣，在外加電場作用下，n 型或 p 型半導(dǎo)體硅材料，內(nèi)部電子和空穴也會發(fā)生定向移動，電子向正極移動，空穴向負(fù)極移動。進(jìn)行靜電封接時，通過加溫加壓，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，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（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)簡單，溫漂較低、動態(tài)響應(yīng)特性好、抗過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在流程工業(yè)、測量、控制等領(lǐng)域，現(xiàn)已成為硅微壓力測量核心部件，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彈性硅活動極板和兩個固定極板組成的兩個差壓電容器，可以近似成兩個平板電容，其工作原理見式（1）：

C=ε S /δ?????????????????????? （1）

其中： C 為電容；ε是兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)； S 是極板相對有效面積；6是極板間隙。

根據(jù)上述電容原理，電容差壓傳感器設(shè)計(jì)可根據(jù)介質(zhì)變化（Δε）、極板有效面積變化（ΔS）和極板間距變化（Δδ）。這3種方式、方法的任何變化都會引起電容值ΔC 變化，從而實(shí)現(xiàn)電容轉(zhuǎn)換[2]。

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-玻璃對稱雙電極結(jié)構(gòu)，中心硅敏感芯片用作電容的活動電極板，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)，在加壓移動時，基本保證中間島平行移動。在電容式差壓傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，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，為了降低輸出阻抗，滿足傳感器及測量電路的絕緣要求，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。玻璃板中央有一個壓力孔。壓力通過壓力孔加載到硅中心板上，引起兩側(cè)電容的變化。差壓測量是通過檢測電容的變化來實(shí)現(xiàn)的。為了便于固定在壓力座上，極板的另一側(cè)通過金屬導(dǎo)管實(shí)現(xiàn)芯片的差壓加載。整個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)無蠕變硬封連接，靜電封接工藝是最佳選擇。

3靜電封接過程控制

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)中會盡可能減小極板之間的間隙，通常只有幾μm 。硅活動板和玻璃固定板通過普通靜電封接工藝封接后，板粘附嚴(yán)重，導(dǎo)致器件故障。可以看出，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：

F=1/2εε0 SV2/ d 2???????????????????????????????????? （2）

式中： F 為靜電引力；ε為相對介電常數(shù)；ε0是真空介電常數(shù)； S 為極板有效面積； V 為極板間的電壓； D 為極板的間隙。

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保證可動極板受力均勻。

文獻(xiàn)[3]采用第一種方法來避免電極板之間的粘附。在封接過程中，活動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，無法滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需要。因此，針對上述問題，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題，簡化了生產(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、硅片活動電極和固定玻璃電極2依次放置在加熱板上，通過夾具對準(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。

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；硅中間電極通過引線鍵合連接到直流電源的正極。開啟直流電源，靜電封接開始，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)測整個封接過程，當(dāng)封接電流降至接近0時，封接完成。

在硅片和玻璃之間的界面上形成的靜電場力會在界面上產(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）：

Na2O—2Na++O2-，Si—Si4++4e-，2O2-+Si4+—SiO2 ???????（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)力最終會增加硅電容器的壓應(yīng)力，并影響電容對稱性。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有較大的熱應(yīng)力甚至?xí)?dǎo)致兩者熔封處開裂。為此我們采用了合金導(dǎo)壓管過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。

3.3下極板電極引出

通過導(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)。

4結(jié)束語

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題。

雙面疊層差壓靜電封接具有良好的對稱性，可以確保電容器極板間隙的精確控制。器件封接過程中的應(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]。通過控制過程中的溫度、電壓和時間，可以獲得良好的封接效果。此項(xiàng)雙面封接工藝操作簡單、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)：

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