一种碳化硅高温压力传感器的封装结构的制作方法

本发明涉及一种碳化硅高温压力传感器封装结构，属于高温传感器设计与制造技术领域。

背景技术：

碳化硅因其化学性质稳定、热膨胀系数小，常作为应用于高温恶劣条件下的半导体材料。

相关研究成果证明碳化硅电子器件不需要冷却可直接工作在600℃环境中。但碳化硅器件的应用受外部封装结构的影响，耐用可靠的封装结构可保证碳化硅器件在高温下发挥其特有的作用。

碳化硅高温压力传感器的传感机理基于半导体电阻的形变，电阻制作在利用微机械加工的悬空薄膜上，形变由薄膜上下的压力差产生，因此器件对于作用在薄膜上的外力非常敏感。碳化硅芯片与基底通过键合或者粘合的方式封接在一起，基底上的腔室为芯片敏感薄膜提供变形的空间。碳化硅器件高温工作时主要受热机械应力的影响，由芯片粘合结构中的芯片材料(如碳化硅)、基底材料与粘合材料的热膨胀系数不匹配而引起，热应力可能会导致传感器在热环境下产生热温度漂移，影响传感器的精度，在极端情况下，还会对芯片粘合结构造成永久的机械损伤。因此，在高温条件下，碳化硅器件封装结构需有良好的耐高温性能、相互匹配的热膨胀系数、化学性质稳定的封装材料，除此之外，还要能够实现耐高温电气互连，保证足够的封装强度和良好的气密性。

国外相关研究采用芯片直接粘合技术(directchipattachment，dca)。封装基体材料选择氮化铝，引线选择铂线，粘接材料选择高温熔封玻璃。在这种形式的封装中，不再使用引线键合引出信号，而是将铂丝固定直接与芯片上的金属层相接触，避免了引线键合中触点失效的问题。另外，传感器c型敏感膜的背面与高温介质接触，保护敏感压阻、欧姆接触等不直接承受高温介质的冲击，能有效提高传感器寿命。dca封装技术能够解决耐高温引线互连的难题，但是高温传感器封装气密性问题仍未得到很好的解决。因为大多数高温密封胶无法承受高温，因而对封装中的耐高温性能、封装强度以及气密性提出了挑战。由于碳化硅以及氮化铝材料具有很强的化学惰性，通常的玻璃粉与碳化硅以及氮化铝的浸润性不好，难以实现高强度的封装。同时由于两种材料较低的热膨胀系数，因而限制了玻璃粉的选择，通常玻璃粉的热膨胀系数越低则烧结温度越高，大多数与碳化硅以及氮化铝热膨胀系数接近的玻璃粉，其烧结温度多在800～1200℃左右，过高的烧结温度会导致碳化硅芯片在封装中的失效。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有dca封装技术在耐高温、气密性方面的不足和缺陷,提出一种碳化硅高温压力传感器的低封装应力、耐高温、气密性及有稳定电气性能封装结构。

本发明采用技术方案如下：

一种碳化硅高温压力传感器封装结构，其特征在于，所述封装结构包括三级封装，第一级封装包括碳化硅芯片、耐高温陶瓷基座和耐高温导线；基座与芯片连接处通过玻璃粉进行烧结；芯片与导线连接处通过导电浆料烧结；第二级封装包括第一级整体封装、耐高温衬套和耐高温金属外壳；基座与衬套连接处通过金属化焊接方式封装，衬套与外壳连接处通过激光焊接的方式封装；第三级封装包括第二级整体封装、紧定螺钉、尾盖、顶盖、温度传感器、玻璃纤维管以及温度传感器与尾盖连接处。

优选地，所述玻璃粉的热膨胀系数为3.0×10^-6/℃至5.2×10^-6/℃，耐高温至少为400℃，烧结温度为450℃至1000℃。

优选地，所述导电浆料的耐高温至少为400℃，烧结温度为450℃至1000℃。

优选地，耐高温衬套采用热膨胀系数为4.0×10^-6/℃至8.0×10^-6/℃的材料；更优选地，耐高温衬套采用可伐合金材料。

本发明所述的基座-衬套连接处的金属化焊接采用银或银铜合金为焊料。本发明所述的耐高温金属外壳采用可伐合金或不锈钢材料。所述温度传感器与尾盖连接处采用高温无机胶进行固定。

本发明所述的耐高温陶瓷基座采用氮化铝材料。

本发明具有以下优点及突出效果：①本发明优选封装材料并采用独特的多级封装结构及连接方式，其中碳化硅芯片与耐高温基座、基座与耐高温衬套、衬套与耐高温金属外壳之间的连接方式分别为玻璃粉烧结、金属化焊接及激光焊接，可实现碳化硅压力传感器低热应力、耐高温的气密性封装。②本发明芯片电极与导线之间选取导电浆料烧结的引线互连方式，具有良好的耐高温、耐腐蚀及稳定的电气性能。

附图说明

图1是本发明一种碳化硅高温压力传感器封装结构的示意图。

图2是本发明一种碳化硅高温压力传感器封装结构的三维零部件爆炸示意图。

图3是本发明一种碳化硅高温压力传感器封装结构的基座结构图。

图4是本发明一种碳化硅高温压力传感器封装结构的尾盖结构图。

图中：11-碳化硅芯片；12-耐高温陶瓷基座；13-基座与芯片连接处；14-芯片与导线连接处；15-耐高温导线；21-第1级整体封装；22-耐高温衬套；23-耐高温金属外壳；24-基座与衬套连接处；25-衬套与外壳连接处；31-第2级整体封装；32-紧定螺钉；33-尾盖；34-顶盖；35-温度传感器；36-玻璃纤维管；37-温度传感器与尾盖连接处；121-芯片槽；122-参考压力腔；123-引压孔；124-导线孔；125-温度传感器盲孔；331-尾盖导线孔；332-尾盖温度传感器孔；333-紧定螺钉孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的结构和实施方式做详细说明。

图1是本发明总体封装结构示意图，整体封装结构分为三级封装结构，其三维零部件爆炸示意图如图2所示。

第一级封装主要实现对碳化硅芯片11的耐高温、气密性封装和碳化硅芯片11与耐高温导线15的稳定电连接。第一级封装包括碳化硅芯片11、耐高温陶瓷基座12以及耐高温导线15三个零部件。因氮化铝材料的热膨胀特性与碳化硅相近，且具有良好的耐高温性与绝缘性，所以耐高温陶瓷基座12选用氮化铝材料。耐高温陶瓷基座12包括其内部的芯片槽121、参考压力腔122、引压孔123、导线孔124及温度传感器盲孔125，由超声机械加工得到，其结构如图3所示。基座与芯片连接处13通过特殊选择的玻璃粉进行烧结实现密封。为实现芯片与基座的耐高温、气密性连接，在选择玻璃粉时，需考虑芯片与基座的热变形特性，选择的玻璃粉的热膨胀系数在3.0×10^-6/℃～5.2×10^-6/℃之间，且与碳化硅及基座陶瓷材料均有较好的浸润性。另外，选择的玻璃粉在烧结后最高可承受温度应高于碳化硅高温压力传感器的最高工作温度，其烧结温度在需低于碳化硅芯片最高可承受温度。即选择的玻璃粉耐高温400℃及以上，烧结温度在450℃～1000℃之间。芯片与导线连接处14通过特殊选择的导电浆料进行烧结连接。选择的导电浆料烧结后最高可承受温度应高于在碳化硅高温压力传感器最高工作温度，其烧结温度应低于在碳化硅芯片最高可承受温度。即选择的导电浆料耐高温400℃及以上，烧结温度在450～1000℃之间。

第二级封装主要实现第一级整体封装21的进一步耐高温、气密性封装。第二级封装主要包括第一级整体封装21、耐高温衬套22以及耐高温金属外壳23。在第一级整体封装21与耐高温金属外壳23间增加耐高温衬套22，其热膨胀系数在陶瓷基座材料与外壳材料之间，可保证碳化硅压力传感器的高温气密性。因此，耐高温衬套22材料热膨胀系数范围一般在4.0×10^-6/℃至8.0×10^-6/℃之间，耐高温衬套22优选采用可伐合金材料；耐高温金属外壳23材料优选为可伐合金或不锈钢材料。其中耐高温衬套22与外壳连接处25通过金属化焊接的方式实现密封。耐高温陶瓷基座的金属化材料为银，第一级整体封装21与耐高温衬套22的金属化焊接焊料为银或银铜合金。基座与衬套连接处24通过激光焊接的方式实现密封。

第三级封装主要实现温度传感器35的封装、耐高温金属导线15的绝缘封装以及碳化硅芯片11的保护。第三级封装包括第二级整体封装31、尾盖33、紧定螺钉32、顶盖34、温度传感器35以及玻璃纤维管36。其中温度传感器35的探头插入耐高温陶瓷基座12的温度传感器盲孔125中，温度传感器盲孔125以及芯片槽121在耐高温陶瓷基座12上设计并加工成偏心的位置，能够最大程度上利用空间，使得封装结构最为紧凑，探头所处的位置离碳化硅芯片较近，可以较为准确的测量碳化硅芯片处的温度情况。图4给出尾盖33的结构图，温度传感器35的尾部通过尾盖33的尾盖温度传感器孔332伸出，并在温度传感器与尾盖连接处37使用高温无机胶进行固定。耐高温导线15由玻璃纤维管36进行绝缘保护，并经由尾盖33上的尾盖导线孔331进行固定和引出。尾盖33与耐高温金属外壳23通过紧定螺钉32固定。顶盖34与耐高温金属外壳23之间通过激光焊接进行封装，顶盖34上加工有通孔，可实现测量介质的引入，并对碳化硅芯片11进行保护。