压力传感器组件的制作方法

本文的主题总体上涉及配置为测量工作流体的压力的压力传感器组件。

背景技术：

已知的压力传感器组件或封装包括安装在用于结构支撑的基板上的半导体压力传感器管芯。半导体压力传感器管芯可以是微机电系统(mems)装置，其具有微米量级的小尺寸。基板可以安装到外壳、壳体或块，例如汽车的变速箱，从而允许压力传感器管芯测量壳体内的油的压力。

已知的压力传感器封装通常设计成在相对舒适的环境中监测相对惰性的气体和/或非侵蚀性(例如，有限的腐蚀性、有限的酸度等)液体，并且不能在苛刻的化学环境中和/或相对较高的压力下可靠且可持续地工作。例如，被配置用于与相对苛刻的化学物质(例如燃料、油、尿素、制冷剂等)一起使用的一些压力传感器封装具有穿过基板的端口，其允许化学物质撞击在压力传感器管芯的底侧上，而电气元件设置在压力传感器管芯的顶侧上，以保护电气元件免受化学物质的影响。

使用软粘合剂(例如室温硫化(rtv)硅橡胶)将一些压力传感器管芯附接到对应的基板。但是，使用rtv硅橡胶有几个缺点。例如，rtv硅橡胶可能具有有限的粘合特性，使得rtv硅橡胶仅能在低于约200psi等的压力下将传感器管芯可靠地固定到基板。因此，标准rtv硅橡胶通常不用于高达300psi或更高的高压应用。此外，rtv硅橡胶可能无法承受暴露于苛刻的流体，因为已知一些燃料会导致rtv硅橡胶膨胀，而其他流体可能导致rtv硅橡胶劣化并失去粘附力。

一些已知的压力传感器管芯使用金属焊料材料附接到金属基板。但是，使用具有压力传感器管芯的金属基板具有若干缺点，特别是在高温(例如，高达150摄氏度(℃))和低温(例如，低至-40℃)时。例如，金属基板可具有与压力传感器管芯的热膨胀系数(cte)显著不同的cte。这种cte不匹配可能在高温和低温时产生压力传感器管芯上的高热机械应力。压力传感器管芯上的应力可能在压力传感器中引起误差(例如，热滞后、压力滞后、零偏移稳定性、压力下的输出稳定性、以及其他不可补偿的误差)，从而使压力传感器管芯在测量处于所需精度水平的流体的压力时不精确并且实际上不工作。

因此，需要一种压力传感器组件，即使在暴露于苛刻环境(其可包括高温和低温、腐蚀性流体、高压等)时，也能可靠地提供工作流体的精确测量。

技术实现要素：

在一个实施例中，提供一种压力传感器组件，其包括传感器管芯和陶瓷基板。所述传感器管芯具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧。所述传感器管芯包括具有隔膜的硅芯片，所述隔膜配置为暴露于工作流体。所述传感器管芯包括一个或多个电感测元件，所述一个或多个电感测元件安装在所述隔膜上且配置为测量所述工作流体的压力。所述传感器管芯经由焊料层安装至所述陶瓷基板，所述焊料层接合所述陶瓷基板和所述传感器管芯的第二侧。

附图说明

现在将参照附图以示例的方式描述本发明，在附图中：

图1是根据实施例的压力传感器组件的一部分的透视图；

图2是根据实施例的压力传感器组件的分解截面图；

图3是用于组装根据实施例的压力传感器组件的方法的流程图；

图4是根据另一实施例的压力传感器组件的截面图；

图5是根据一个示例应用的安装在插头配件中的压力传感器组件的侧视截面图；

图6是根据另一示例应用的压力传感器组件的侧视截面图。

具体实施方式

本公开的某些实施例提供了一种压力传感器组件，其配置为在苛刻的条件下可靠且准确地测量工作流体的压力。例如，根据一个或多个实施例的压力传感器组件可以配置为在宽温度范围内操作，该宽温度范围包括低至至少-40摄氏度的低温和高达至少150摄氏度的高温。另外，压力传感器组件可以配置为承受苛刻的介质，例如油、燃料、尿素、制冷剂等。一个或多个实施例中的压力传感器组件可以配置为在扩展至1500psi或更高的压力范围内测量工作流体的压力。

图1是根据实施例的压力传感器组件100的一部分的透视图。压力传感器组件100包括安装到基板104的传感器管芯102。压力传感器组件100配置为测量撞击在传感器管芯102上的工作流体的压力。压力传感器组件100可用于汽车应用中以测量燃料箱中的燃料、变速箱中的油的压力，等等。压力传感器组件100还可以用于各种其他应用，例如其他类型的车辆(例如，铁路车辆、船、飞机等)，器具和工业机械。

传感器管芯102是半导体芯片，其包括隔膜106和安装在隔膜106上的电感测元件109。一个或多个实施例中的传感器管芯102是微机电系统(mems)装置，其尺寸在微米或毫米的量级。传感器管芯102用作压力换能器。例如，压力变化导致隔膜106移动或变形对应于压力变化幅度的量。电感测元件109检测隔膜106的变形，并输出与变形量成比例的电压信号。电感测元件109是压电电阻元件(例如，应变仪，电阻器等)，并且隔膜106的变形影响元件109的电阻。

电感测元件109经由引线键合114电连接到基板104上的电路元件112。引线键合114中的每一个包括导线116，导线116从传感器管芯102的第一侧118延伸到对应的电路元件112。电路元件112可以是电路板中的电迹线。引线键合114经由接触垫117电连接到电路元件112，并且经由引线接合垫108电连接到隔膜106上的感测元件109。在所示的实施例中，上面安装有传感器管芯102的基板104是包括电路元件112的印刷电路板。接触垫117和电路元件112与基板104的接合传感器管芯102的安装区域120间隔开，并且引线键合114横穿该间隔。由感测元件109输出的电压信号沿引线键合114和电路元件112传送到处理器(未示出)、发射器(未示出)等，用于处理和/或通信测量的压力。

在所示的实施例中，感测元件109设置在传感器管芯102的背离基板104的第一侧118上。第一侧118在本文中称为传感器管芯102的顶侧118。如本文所使用的，诸如“顶”、“底”、“前”、“后”、“上”和“下”的相对或空间术语仅用于区分所引用的元件，而不一定需要相对于重力或相对于压力传感器组件100的周围环境的特定的位置或取向。在替代实施例中，感测元件109可以安装到传感器管芯102的除顶侧118之外的不同部分。

基板104具有包括陶瓷材料的组分。基板104在本文中可称为陶瓷基板104。陶瓷基板104经由金属焊料层201(再图2中示出)附接到传感器管芯104。尽管陶瓷基板104在所示的实施例中是印刷电路板，但基板104不限于平面电路板并且可以具有其他形状。

图2是根据实施例的压力传感器组件100的分解截面图。压力传感器组件100包括传感器管芯102、陶瓷基板104、以及设置在传感器管芯102和基板104之间的金属焊料层201。焊料层201用于将传感器管芯102机械固定到基板104。图2中省略了电感测元件109和引线键合114。

在实施例中，传感器管芯102包括第一侧118和与第一侧118相对的第二侧204。第二侧204面向陶瓷基板104并接合焊料层201。在所示的取向中，第一侧118是顶侧118，第二侧204是底侧204。传感器管芯102包括由硅构成的硅芯片202。在所示的实施例中，硅芯片202限定传感器管芯102的顶侧118。硅芯片202包括隔膜106。隔膜106沿着顶侧118位于传感器管芯102的中心区域中。隔膜106相对于传感器管芯102的其他部分具有减小的厚度，这允许隔膜106基于压力变化而移动(例如，变形)。隔膜106配置为暴露于工作流体，使得工作流体撞击到隔膜106的内侧208或相对的外侧210上。内侧208面朝陶瓷基板104。

陶瓷基板104具有面向传感器管芯102的面向管芯侧212。在所示的实施例中，陶瓷基板104是平面板，并且包括与面向管芯侧212相对的背侧214。在实施例中，陶瓷基板104具有包括氧化铝(例如，铝氧化物)的组分。陶瓷基板104可以由100％的氧化铝构成，或者可以包括除氧化铝之外的其他化合物和/或组分。例如，陶瓷基板104可以在重量上主要是氧化铝，例如80％或90％的氧化铝。在其他实施例中，陶瓷基板104的组分可以具有一种或多种其他陶瓷材料而不是氧化铝，例如除铝之外的金属氧化物。

焊料层201接合传感器管芯102的底侧204和陶瓷基板104的面向管芯侧212，以将传感器管芯102附接到陶瓷基板104。焊料层201具有包含锡的金属合金组分，并且可包括另外的金属或其他成分。例如，焊料层201的组分还可以包括银、铜、锰、锑、铋、铅或铟等其他金属和/或组分。焊料层201中的金属能够承受碎屑和腐蚀性的工作流体，例如燃料、油、制冷剂和尿素，而不会像硅橡胶之类的软粘合剂那样破裂或膨胀。

在实施例中，传感器管芯102包括接合焊料层201的管芯金属化层218。管芯金属化层218沿着传感器管芯102的底侧204定位。管芯金属化层218可以限定管芯102的底侧204或者从底侧204延伸。管芯金属化层218具有可包括钛、镍、金、铬和/或铂的组分。在实施例中，这些金属中的至少一些的组合顺序地施加在传感器管芯102的底侧204上，使得管芯金属化层218包括不同的子层(至少在焊接之前)。

传感器管芯102可选地包括安装到硅芯片202的约束基座220。约束基座220可以由玻璃或其他晶体陶瓷材料构成。约束基座220设置在硅芯片202和焊料层201之间。约束基座220可以经由阳极键合或诸如粘合剂的其他方法附接到硅芯片202。在实施例中，管芯金属化层218直接设置在约束基座220的面向基板的表面222上。可选地，如图2所示，管芯金属化层218可以基本上覆盖整个面向基板的表面222，使得管芯金属化层218接合并覆盖表面222的表面区域的至少90％或95％。替代地，管芯金属化层218可以仅接合并覆盖面向基板的表面222的一部分(例如，小于90％)。在替代实施例中，传感器管芯102可以没有约束基座220，并且管芯金属化层218直接设置在硅芯片202的面向基板的表面226上。

陶瓷基板104包括基板金属化层230，其设置在陶瓷基板104的面向管芯侧212上。基板金属化层230接合焊料层201。基板金属化层230具有包含一种或多种金属的组分。基板金属化层230的组分可选地可以包括铂、钯、和/或银等其他金属或组分。

在实施例中，陶瓷基板104具有相对接近玻璃约束基座220的热膨胀系数(cte)的cte。例如，在压力传感器组件100的一个工作示例中，陶瓷基板104的cte与玻璃约束基座220的cte相差小于5ppm/℃。例如，与使用金属基板的已知压力传感器封装的热膨胀不匹配相比，该热膨胀不匹配相对较小。由于相对较小的不匹配，在高温和低温时从基板104传递到传感器管芯102的机械应力相对较弱，并且不会引起由于热滞后、压力滞后、零偏移稳定性、压力下的输出稳定性以及其他不可补偿的误差而导致的明显的压力测量误差。因此，当暴露于高温(例如，高达至少150℃)和低温(例如，低至至少-40℃)时，本文所述的压力传感器组件100可以比已知的压力传感器封装更准确和更好地工作。

在实施例中，传感器管芯102限定腔232，腔232延伸穿过底侧204至隔膜106。隔膜106跨越腔232延伸，并限定腔232的顶板或帽。腔232完全延伸穿过管芯金属化层218和约束基座220。例如，腔232可以是约束基座220中的通孔，随后将管芯金属化层218施加在约束基座220的面向基板的表面222上，使得管芯金属化层218周向地围绕腔232。腔232还部分地穿过硅芯片202从面向基板的表面226延伸到隔膜106。陶瓷基板104限定开口或端口234，其从背侧214延伸穿过面向管芯侧212。陶瓷基板104的面向管芯侧212上的基板金属化层230周向地围绕开口234。

陶瓷基板104中的开口234至少部分地与腔232对齐，使得开口234流体连接到腔232。开口234和腔232一起限定流体通道236。焊料层201周向地围绕流体通道236。例如，焊料层201在传感器管芯102的腔232和陶瓷基板104的开口234之间限定流体通道236的一部分。流体通道236配置为从陶瓷基板104的背侧214下方在其中接收工作或测试流体。工作流体在流体入口方向240上进入流体通道236并撞击在隔膜106的内侧208上。工作流体施加在隔膜106上的压力可以通过硅芯片202上的电感测元件109(如图1所示)测量。在实施例中，电感测元件109安装在隔膜106的外侧210上，并且不暴露于流体通道236内的工作流体。例如，隔膜106提供屏障，该屏障保护感测元件109、引线键合114(图1)和其他电子器件免于暴露于可能是腐蚀性的工作流体。

由于工作流体从陶瓷基板104下方引入压力传感器组件100中，工作流体施加在隔膜106上的压力沿远离陶瓷基板104的方向迫使传感器管芯102。在实施例中，焊料层201具有足以承受直至相对高的压力的工作流体压力的粘合性能，例如1500psi或更高。在已知的压力传感器封装中使用的粘合剂(例如rtv硅橡胶)可能在较低压力(例如，约200psi或300psi)下失效，导致传感器管芯与基板分离。

图3是用于组装根据实施例的压力传感器组件的方法300的流程图。由方法300产生的压力传感器组件可以是本文图1、2、4、5和6中所示的压力传感器组件100的实施例中的一个或多个。在302，提供传感器管芯，其具有硅芯片，硅芯片具有暴露于工作流体的隔膜。工作流体可以是相对苛刻的液体或气体，例如油、燃料、尿素、制冷剂、燃料蒸汽等。传感器管芯还包括一个或多个电感测元件，所述一个或多个电感测元件安装在硅芯片上并配置为测量工作流体的压力。一个或多个感测元件可以是压电元件，其配置为基于隔膜的变形(例如，位移)来改变电阻率并提供电压输出，使得电压输出基于隔膜的变形程度而变化。隔膜具有内侧和相对的外侧。在实施例中，内侧暴露于工作流体，工作流体通过传感器管芯中的腔进入传感器管芯。一个或多个感测元件安装在隔膜的外侧上，并且不暴露于腔中的工作流体。

在304，将管芯金属化层施加在传感器管芯的一侧上。例如，隔膜可以位于传感器管芯的第一侧处或第一侧附近，并且管芯金属化层可以施加在传感器管芯的与第一侧相对的第二侧上。管芯金属化层包括一种或多种金属，例如钛、镍、金、铬、和/或铂。可以经由溅射工艺、气相沉积工艺等施加金属。可选地，传感器管芯包括由玻璃构成的约束基座。约束基座附接至硅芯片。管芯金属化层沿着传感器管芯的第二侧直接施加在约束基座上。在实施例中，约束基座限定通过其的传感器管芯的腔的一部分，使得工作流体沿着腔穿过约束基座流动到隔膜。约束基座上的管芯金属化层周向地围绕腔。

在306，提供陶瓷基板，并且在陶瓷基板的一侧上施加基板金属化层。陶瓷基板具有包含陶瓷材料的组分，例如氧化铝。在实施例中，陶瓷基板的组分为至少90％的氧化铝。陶瓷基板可以是平面板，例如印刷电路板，或者陶瓷基板可以具有各种其他形状，例如但不限于设计成接受轴向或径向o形环密封的形状、锥形压接接头、圆柱形结构、螺纹等。基板金属化层具有包含一种或多种金属的组分，例如铂、钯、和/或银等金属或成分。基板金属化层可以经由丝网印刷、溅射、气相沉积等施加在陶瓷基板上。在实施例中，陶瓷基板限定穿过陶瓷基板从背侧到相对的面向管芯侧的开口，基板金属化层沉积在该面向管芯侧上。陶瓷基板中的开口与传感器管芯的腔对齐，使得开口和腔的组合代表流体通道，其允许工作流体在撞击到隔膜上之前流过陶瓷基板和传感器管芯的一部分。基板金属化层周向地围绕陶瓷基板的开口。

在308，通过在传感器管芯上的管芯金属化层和陶瓷基板上的基板金属化层之间施加焊料层，将传感器管芯焊接到陶瓷基板。焊料层具有包含锡的金属合金组分，并且可包括另外的金属或其他成分,例如银、铜、锰、锑、铋、镍、铅、和/或铟等金属或成分。将焊料层施加在金属化层上，使得焊料层不会阻碍延伸通过传感器管芯和陶瓷基板的流体通道。

图4是根据另一实施例的压力传感器组件100的截面图。在所示实施例中，除了在硅芯片202的顶侧118上添加真空帽402之外，压力传感器组件100可以类似于图2中所示的压力传感器组件100。真空帽402与硅芯片202的隔膜106对齐。真空帽402在隔膜106的外侧210的正上方限定凹部或室404。在实施例中，凹部404处于真空下，因此隔膜106的外侧210不受来自腔232外部的空气或其他流体的压力。通过添加真空帽402，传感器管芯102是绝对压力传感器管芯，其配置为测量工作流体的绝对压力。图2中所示的缺少真空帽402的传感器管芯102是计量压力传感器管芯或差压传感器管芯，其配置为测量工作流体的相对压力或差压。因此，如本文所述，可以经由焊料层201将不同类型的压力传感器管芯安装并固定到陶瓷基板104。

图5是根据一个示例应用的安装在插头配件502中的压力传感器组件100的侧视截面图。插头配件502可以被配置为安装到包含工作流体的容器，例如燃料箱、齿轮箱(例如，变速箱)等。在所示的实施例中，插头配件502包括头部504和从头部504延伸的杆506。头部504在插头配件502的顶端509处限定凹陷508，其接收压力传感器组件100。杆506包括螺纹516，用于将插头配件502螺纹联接到对应的流体容器。在替代实施例中，作为杆506的替代或附加，可以沿着头部504设置螺纹516。在其他实施例中，杆506和/或头部504可包括可变形肋或其他特征，用于将插头配件502联接到容器而不是螺纹516。

杆506限定通路510，通路510穿过杆506从插头配件502的底端511延伸到头部504中的凹陷508。通路510配置为允许工作流体通过底端511进入插头配件502并且通达压力传感器组件100。插头配件502包括至少一个密封构件512，以防止工作流体在凹陷508中围绕陶瓷基板104的边缘泄漏。在所示的实施例中，陶瓷基板104是平面板，并且密封构件512是轴向o形环，其密封(例如，面密封)到陶瓷基板104的背侧214。在其他实施例中，密封构件512可以围绕陶瓷基板104等的边缘密封。

在所示的实施例中，压力传感器组件100的传感器管芯102包括真空帽402，但在其他实施例中可能没有真空帽402。尽管未示出，但压力传感器组件100和/或配件502可包括罩或盖，其封闭并保护传感器管芯102免于暴露于碎屑、污染物、外部冲击、湿气等。

图6是根据另一示例应用的压力传感器组件100的侧视截面图。在所示的实施例中，基板104是陶瓷芯块，其可以配置为直接安装到包含工作流体的容器，例如燃料箱、齿轮箱(例如，变速箱)等，而不使用单独的配件(例如，图5中所示的配件502)。例如，基板104包括头部部分602和杆部部分604。传感器管芯102沿着头部部分602焊接到基板104的面向管芯侧212。基板104限定通路610，通路610连续地延伸穿过杆部部分604和头部部分602到传感器管芯102，以允许工作流体通达传感器管芯102。径向o形环密封件612围绕基板104的杆部604并且配置为防止工作流体围绕基板104的外部从通路610泄漏，以及防止外部碎屑和污染物泄漏到通路610中。

在所示的实施例中，传感器管芯102包括硅芯片202但没有约束基座220(其在图2中示出)。例如，管芯金属化层218(图2)可以直接沉积到硅芯片202的面向基板的表面226上，用于将硅芯片202焊接到基板104。

这里参照图1-6描述的压力传感器组件的各种实施例具有优于已知的管芯附接方法的若干优点。例如，相对于一些已知的金属和塑料基板，压力传感器组件的陶瓷基板减少了在暴露于低温和高温时由热膨胀不匹配导致的在传感器管芯上引起的热机械应力。与已知的金属和塑料基板相比，陶瓷基板本身也能够更好地承受高温和低温，以及诸如燃料、油、尿素、制冷剂等的苛刻介质。此外，用于将传感器管芯附接到陶瓷基板的焊料层可具有若干有利的性质。例如，与其他类型的焊料相比，焊料层可具有相对高的润湿性和粘附性以及相对低的杨氏模量(例如，高弹性)、降低的硬度和较低的脆性。焊料层的性质允许焊料层在不失效的情况下反复地承受将传感器管芯推向远离陶瓷基板的方向的相对高的流体压力。焊料层也可以在回流焊后具有低的固有应力，以及低的金属间化合物(imc)的产生和随着时间的推移的减少的imc的增长(与已知的焊料相比)，这使得焊料层在焊接过程中或在苛刻的温度和介质环境中老化之后不会显著消耗金属化层中的金属。