1、引言

經(jīng)過幾十年的研究與開發(fā)，MEMS器件與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造工藝逐步成熟，但產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化的MEMS器件的種類并不多，還有許多MEMS仍未能大量走出實(shí)驗(yàn)室，充分發(fā)揮其在軍事與民品中的潛在應(yīng)用，還需要研究和解決許多問題，其中封裝是制約MEMS走向產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)重要原因之一。

為了適應(yīng)MEMS技術(shù)的發(fā)展，人們開發(fā)了許多新的MEMS封裝技術(shù)和工藝，如陽極鍵合，硅熔融鍵合、共晶鍵合等，已基本建立起自己的封裝體系?，F(xiàn)在人們通常將MEMS封裝分為以下幾個(gè)層次：即裸片級(jí)封裝(Die Level)、器件級(jí)封裝(Device Level)、硅圓片級(jí)封裝(Wafer Lever Packaging)、單芯片封裝(Single Chip Packaging)和系統(tǒng)級(jí)封裝(System in Packaging)。

系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP)的目的主要是使MEMS器件滿足不同類型產(chǎn)品的需要。微系統(tǒng)用戶必須為器件定義環(huán)境和提出使用的條件，對(duì)復(fù)雜的MEMS系統(tǒng)，則要求設(shè)計(jì)、制造和封裝等各方面的專家一起制定解決方案，確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和制造流程等。

本文在對(duì)擴(kuò)散硅壓力傳感器的工作原理和傳統(tǒng)封裝形式分析的基礎(chǔ)上，在壓力傳感器的設(shè)計(jì)中借鑒系統(tǒng)級(jí)封裝的基本思想，將擴(kuò)散硅壓力敏感芯片及其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)放大電路等附屬電路系統(tǒng)集成在一塊特殊設(shè)計(jì)的印刷電路板上，再運(yùn)用專門設(shè)計(jì)的MEMS系統(tǒng)級(jí)封裝工藝將其封裝在一個(gè)金屬殼體中，形成完整的壓力傳感器。

2、擴(kuò)散硅壓力傳感器及其封裝

半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)是在1954年由Smith C. S.發(fā)現(xiàn)的[3]。之后，MEMS壓力傳感器的研究一直持續(xù)不衰,出現(xiàn)了集成壓力傳感器、柔性基低壓力傳感器以及圓片級(jí)封裝的壓力傳感器等[4-10]。

利用壓阻效應(yīng)原理，采用集成工藝技術(shù)經(jīng)過摻雜、擴(kuò)散，沿單晶硅片上的特定晶向，制成應(yīng)變電阻，構(gòu)成惠斯通電橋，利用硅材料的彈性力學(xué)特性，在同一硅材料上進(jìn)行各向異性微加工，就制成了一個(gè)集力敏與力電轉(zhuǎn)換檢測(cè)于一體的擴(kuò)散硅傳感器，如圖1所示。

圖1 壓阻壓力傳感器原理

擴(kuò)散硅壓力敏感芯片本身并不能完成壓力測(cè)量或者說從壓力到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，必須有合適的封裝和配套的電路系統(tǒng)。

概括起來，壓力傳感器的封裝應(yīng)該滿足以下幾方面的要求：1)機(jī)械上是堅(jiān)固的，抗振動(dòng)，抗沖擊;2)避免熱應(yīng)力對(duì)芯片的影響;3)電氣上要求芯片與環(huán)境或大地是絕緣的;4)電磁上要求是屏敝的;5)用氣密的方式隔離腐蝕氣體或流體，或通過非氣密隔離方式隔離水氣。6)低的價(jià)格，封裝形式與標(biāo)準(zhǔn)制造工藝兼容。壓力傳感器常用的封裝形式有TO封裝、氣密充油的不銹鋼封裝、小外形塑料封裝(SOP)等。

3、基于SIP技術(shù)的車用壓力傳感器

3.1 系統(tǒng)級(jí)封裝

在某型車用壓力傳感器的設(shè)計(jì)中，借鑒了SIP技術(shù)的基本思想，將擴(kuò)散硅壓力敏感芯片、放大器芯片和其他外圍電子元器件集成于一片基板上，一起植入氣密充油的不銹鋼外殼中，從而得到一個(gè)系統(tǒng)級(jí)封裝的壓力傳感器。系統(tǒng)級(jí)封裝的具體結(jié)構(gòu)及其與傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)的區(qū)別如圖3所示。

由圖2可以看到，傳統(tǒng)的壓力敏感頭的封裝內(nèi)部只有擴(kuò)散硅壓力芯片，必須外接驅(qū)動(dòng)放大電路，因此必須有一塊外接電路板。通常情況下，敏感頭和電路板再一起放入一個(gè)金屬外殼中形成一個(gè)完整的壓力傳感器。

(a)傳統(tǒng)壓力傳感器的封裝