降低到附接MEMS裸芯的应力传递的方法和附接层结构与流程

本发明总体上涉及微机电系统(mems)裸芯。特别地，本发明涉及一种将mems裸芯连接到安装表面的改进方法，其在mems裸芯和安装表面之间提供附接层，并且降低了到mems裸芯的应力传递。

背景技术

根据已知的方法，将焊膏或焊料预制件放置在安装表面上，例如阀、流体控制装置、流体系统参数感测装置等的基座。然后，将mems裸芯放置在焊膏或焊料预制件上，并在回流操作中加热焊膏或焊料预制件。

在将mems裸芯(例如配置为mems流体压力传感器的mems裸芯)附接至安装表面期间，可能产生机械应力并传递到mems流体压力传感器。这样的机械应力可能会对mems流体压力传感器的性能产生不利影响。

例如，mems流体压力传感器可以使用惠斯通(wheatstone)电桥应变仪。这样的mems流体压力传感器可以具有带有柔性壁的腔室，该柔性壁响应于腔室中的流体压力而变形从而产生应变。在这种情况下，应变是系统对施加的应力的响应。当材料被加载力时，会产生应力，这然后可以导致材料变形。如本文所使用的，工程应变被定义为在施加的力的方向上的变形量除以材料的初始长度。应变仪感测到这种变形，并产生表示压力室中的流体压力的输出信号。

在一种常规的装置中，mems流体压力传感器被焊接到装置主体或基部的安装表面上，然后基部被螺纹连接到外壳中，例如施拉德尔(schrader)阀门外壳。当基座被紧固到外壳中时，所施加的扭矩可能在基部中产生非暂时性应力，该应力通过焊料传递到mems流体压力传感器，使得应变仪检测到应变，并且会在没有流体压力存在于mems流体压力传感器的压力室中时错误地报告流体压力。

因此，希望提供一种用于将mems裸芯附接到安装表面的改进方法，以降低到mems裸芯的应力传递。

技术实现要素：

本发明涉及一种将mems裸芯附接到安装表面的改进方法，其在mems裸芯和安装表面之间提供附接层，并且减少了到mems裸芯的应力传递。

一种将mems裸芯附接到基部的方法，包括：选择附接材料(x)，确定由于传递到mems裸芯的安装应力而引起的最大可接受压力改变(dptarget)，使用等式dpmaxx＝h*bx+cx确定随着所述附接材料(x)的厚度(h)变化的所述附接材料(x)的最差情况压力差传递函数，其中，b＝压力变化/厚度(h)，且c＝压力变化，用dptarget替代压力差传递函数中的dpmaxx，并求解等式得到h，其中，h＝dptarget-cx)/bx，以及使用具有至少所计算的厚度(h)的所选择的附接材料(x)将所述mems裸芯附接到基部。

当根据附图阅读时，通过对优选实施例的以下详细描述，本发明的各个方面对于本领域技术人员将变得显而易见。

附图说明

图1是示出了根据本发明的改进的方法的流程图。

图2是可以应用根据本发明的方法的过热控制器的一部分的透视图。

图3是已知的通用过热控制器的透视图。

图4是图3所示的已知的过热控制器的截面图。

图5是图2所示的流体入口构件的俯视平面图。

图6是沿着图5的线6-6截取的截面图。

具体实施方式

现在参照附图，以图1中的70示出了说明根据本发明的方法的流程图。方法70可以应用于mems裸芯和可以安装mems裸芯的主体。在本文图示和描述的实施例中，mems裸芯配置为压力传感器裸芯46，其将在下面详细描述，并且被安装到限定流体入口构件40的主体或基部。

如图2、图5和图6所示，过热控制器(shc)的部分5的一个实施例配置为使得方法70可以应用于其中。图2所示的shc的部分5包括流体入口构件40。流体入口构件40具有与下述的流体入口构件18类似的第一端40a(观察图2时的下端)和第二端(观察图2时的上端)，且包括形成在流体入口构件40的第一端上的大致圆柱形的基座42。基座42包括安装表面43。流体入口构件40包括可以包括外螺纹的中心部分44。图示的流体入口构件40由黄铜形成。替代地，流体入口构件40可以由其他金属、金属合金和非金属材料形成。

美国专利no.9,140,613公开了一种过热控制器(shc)。其中公开的shc是单个的、自足的、独立的装置，其包含用于自动检测流体类型(例如制冷剂)的所有传感器、电子装置和智能功能，并报告住宅、工业和科学应用中使用的多种常见流体类型的过热。美国专利no.9,140,613以其整体并入本文。

本文的图3和图4示出了shc10，其类似于美国专利no.9,140,613所公开的过热控制器。如图3和4所示，shc10的示出实施例包括具有主体14的外壳、盖16、以及限定流体入口构件18的基座。流体入口构件18可以通过安装环19固定到外壳12。安装环19通过螺纹连接将流体入口构件18附接到外壳12部分。替代地，安装环19可以通过任何期望的方法附接到流体入口构件18，例如通过焊接或压配合。在图3和4所示的实施例中，流体入口构件18是具有限定密封表面20的居中形成的开口的黄铜配件。

压力端口41的第一实施例形成在流体入口构件40中，从基座42的安装表面43到流体入口构件40的第一端40a(见图2)。压力端口配置为孔口，且可以传递待测量的增压流体通过流体入口构件40、通过焊料预制件48限定的气密密封件，并进入传感器裸芯46的压力感测室46a(在图6中最佳地示出)，如下文所述。

图3和图4所示的shc10包括集成压力和温度传感器22，其具有安装到印刷电路板(pcb)28的压力传感器部分24和温度传感器部分26。过热处理器30、数据报告或通信模块32、以及输入/输出(io)模块34也被安装到pcb28。io模块34是物理硬件接口，其接受输入电力并通过可用的硬连线接口(例如电线或电缆36)将数据报告给过热处理器30。可以经由io模块34连接到shc10的目标装置38可以包括额外的温度传感器、膝上型和笔记本计算机、蜂窝电话、存储卡、以及在线路测试设备的常规末端中或与其一起使用的任何装置。替代地，目标设备38可以通过无线连接方式连接到通信模块32。

过热处理器30安装至pcb28，并且是高分辨率、高精度的装置，其分别处理来自集成压力和温度传感器22的压力传感器部分24和温度传感器部分26的输入信号、检测流体类型、计算流体的过热度，并提供标识计算出的过热水平的输出。过热处理器30还可以配置为提供其他数据，例如流体温度、流体压力、流体类型、保存在板载存储器中的相关历史日期(诸如警报和开关历史)、以及其他期望的信息。有利地，在一次校准之后，过热处理器30在压力和温度的典型操作范围上保持高水平的精度。合适的过热处理器的非限制性示例包括具有嵌入式和/或非板载式存储器和外围设备的微控制器、现场可编程门阵列(fpga)和专用集成电路(asic)。

pcb28包括裸芯孔60和两个紧固件孔62。pcb28可以利用紧固件(例如螺纹紧固件64，参见图4)附接到流体入口构件18，该紧固件延伸穿过紧固件孔62并进入形成在流体入口构件18中的螺纹孔66。

如图2和图6所示，压力传感器裸芯46通过焊料附接到流体入口构件40的基座42，在图2、图5和图6中示出为焊料预制件48。压力传感器裸芯46可以包括结合到其面朝外的表面(当观看图6时面朝上的表面)的玻璃盖50。压力传感器裸芯46的下表面限定结合表面47(当观看图6时，面向下的表面)。已知的焊料预制件48可以具有任何期望的形状，并且压力传感器裸芯46可以由组装者通过视觉定位和手动放置对准，即，没有对准工具的帮助。

再次参考图2、图5和图6，示出了可应用根据本发明的方法70的流体入口构件40的一部分。如图所示，穿过基座42形成的压力端口41的一部分具有均匀的直径。在流体入口构件40的剩余部分中，限定压力端口41的孔可具有等于或大于穿过基座42形成的压力端口41的部分的直径的直径。

再次参考图1，以70示出了将压力传感器裸芯46附接到安装表面43的改进方法。在方法70的第一步骤72中，可以基于压力传感器裸芯46将被使用的环境以及通过针对所选的附接材料(x)的常规实验，确定由于安装应力而引起的传递到压力传感器裸芯46的最大可接受压力改变(dptarget)，如下文所述。

在第二步骤74中，使用等式dpmaxx＝h*bx+cx来确定附接材料(x)的随着厚度(h)变化的最差情况压力差传递函数，其中，b＝压力变化/厚度(h)，且c＝压力变化。

具体附接材料(x)的传递函数可以由具有相同几何形状(例如圆形，矩形等)的最少两种不同附接材料厚度(h)处的测量压力数据导出。诸如安装扭矩和操作温度的环境因素或影响可以在已知的限度内变化，例如安装扭矩为50in-lbs.至约150in-lbs.(约5.65nm至约16.95nm)，并且操作温度为约-40℃至约100℃，以找到每个厚度(h)处的最小测得压力(pmin)和最大测得压力(pmax)，然后用于推导给定材料(x)和几何形状的最差情况压力差传递函数(dpmaxx＝h*bx+cx)。

应该理解，第一步骤72可以在第二步骤74之前进行，第二步骤74可以在第一步骤72之前进行，或者第一步骤72和第二步骤74可以同时进行。

在第三步骤76中，dptarget可以代替附接材料的导出的压力差传递函数中的dpmax，然后可以求解所述等式以获得h，因此，h＝(dptarget-cx)/bx.

在第四步骤78中，压力传感器裸芯46可以使用具有如第三步骤76中计算的厚度(h)或更大的厚度的附接材料(x)附接到基座42。

所使用的特定的压力差传递函数等式可以取决于所选的附接材料(x)的物理特性、所选的附接材料(x)的几何形状、以及用于将压力传感器裸芯46安装到基座42的安装表面43的组装过程。

常规的基于计算机的等式求解应用程序(也称为“曲线拟合器”)可用于生成最佳数据拟合。通常，这些曲线拟合应用程序处理表格用户数据，例如随多个变量(包括但不限于附接材料(x)、厚度(h)、安装扭矩、和操作温度)收集的dpmax，并提供描述或者拟合因变量的行为的等式。

附接材料(x)可以是任何合适的附接材料，包括但不限于焊膏、焊料预制件、厚耐溶剂的粘合剂和环氧树脂。当所选的附接材料(x)是焊膏和焊料预制件中的一种时，焊膏和焊料预制件可以使用常规的焊料回流操作熔化且然后固化，形成焊料厚附接层。

优选地，附接材料(x)是焊料。焊料可以选择为使得在用于将压力传感器裸芯46附接到基座42的安装表面43之后，附接材料(x)的层形成为具有约0.0025英寸至约0.008英寸(63μm至约203μm)的范围内的厚度。替代地，附接材料(x)的层可以具有小于约0.0025英寸(63μm)或大于约0.008英寸(203μm)的厚度。

如果附接材料(x)是环氧树脂，则环氧树脂的厚度可以高达约0.04英寸(1.0mm)。替代地，附接材料(x)的层可以具有大于约0.04英寸(1.0mm)的厚度。

此外，附接材料(x)可以选择为使得，在被熔化以将压力传感器裸芯46附接到安装表面43之后，形成具有在第三步骤76中计算的材料高度或厚度(h)的焊料层，所述焊料层是充分可延展的以便有效地降低应力传递。适合的基于焊料的附接材料的示例包括但不限于可延展的相对低温的rohs焊料，例如sn96ag4、sn95ag5、sn95sb5、sn77in20ag3和sn87in10ag3焊料材料。

优选地，可以使用具有铟或铋成分的低温焊料材料。此外，可以使用具有低于约-40℃的延性-脆性转变温度(dbtt)的其他焊料材料，或具有良好(即期望的)疲劳特性的焊料材料。应该理解的是，dbtt可以使用常规夏比(charpy)冲击测试来确定。

如上所述，可使用厚的可延展焊料接头将压力传感器裸芯46附接到安装表面43。该厚的可延展的焊料接头限定了附接层，该附接层有利地将压力传感器裸芯46与安装表面43中的应力机械隔离。

已知某些材料(x)具有过度的体积膨胀温度系数(tce)和/或特异的滞后特性。如已知的，tce可以以ppm/℃来度量，其中，ppm表示感兴趣的参数，例如厚度(h)。例如，厚度非常大(h)的附接材料(x)可能会加剧残余压力随温度的变化。因此，可以通过本发明的方法70识别和避免可能导致不希望的应力以及可测量的且不期望的压力变化的材料的不同的温度膨胀(或失配)，其中，最佳厚度(h)由以下等式确定：h＝(dptarget-cx)/bx。另外，基部(例如流体入口构件40)的材料的tce与附接的mems压力裸芯(例如压力传感器裸芯46)的材料的tce之间的差异可以通过选定的附接材料(x)的类型和厚度来缓和。

此外，本发明的方法70使用真实世界的数据并且符合真实世界的结果，而不是常规模拟的结果。方法70及与其相关的等式因此拟合或符合实际物理结果，而不是来自常规模拟的潜在错误结果。特定附接材料(x)所需的性能特性及其几何形状被收集，并被用于确定厚度(h)。因此，只有最终附接材料(x)厚度(h)选择需要验证。

已经在其优选实施例中解释和说明了本发明的原理和操作模式。然而，必须理解的是，本发明可以以不同于具体解释和说明的方式实施而不背离其精神或范围。