中心論題：

• 分析MEMS機油壓力傳感器的工作原理和製造工藝
• 從機油壓力傳感器封裝材料及各個工藝步驟等方麵研究可靠性

解決方案：

• 選用工藝簡單、成本較低的貼片膠工藝進行貼片
• 采用雙金絲鍵合工藝，選用高純度低缺陷的金絲，做好引線鍵合前各封裝器件的清潔工作
• 選擇高溫下穩定的矽油和有良好鈍化層的芯片必要時對芯片以及引線進行塗敷鈍化層處理

引言
MEMS是在集成電路生產技術和專用的微機電加工方法的基礎上蓬勃發展起來的高新技術，用MEMS技術研製的壓力傳感器具有體積小

、重量輕
、響應快
、靈敏度高
、易於批量生產、成本低的優勢
，它們已經開始逐步取代基於傳統機電技術的壓力傳感器。目前已有多種MEMS壓力傳感器應用到了汽車電子係統中
，如發動機共軌壓力
、機油壓力
、歧管空氣進氣壓力
、汽車胎壓壓力等。其中機油壓力傳感器是用於測量汽車發動機油壓力的重要傳感器

，其可靠性直接關係到汽車和人的安全性。本文選用MEMSyalixinpian，chenggongkaifachuqichefadongjijiyouyalichuanganqi

，yanjiulejiyouyalichuanganqidefengzhuanggongyihekekaoxing。zaichuanganqidekaifaguochengzhong，yangeanqichedianzichanpinzhiliangyaoqiu
，duichuanganqidefengzhuangjizuzhuangguochengjinxinglexitongdefenxiheceshi
，bingtongguogongyiyouhuajidaditigaolechuanganqidekekaoxingneng。

工作原理和製造工藝
MEMS壓力傳感器是利用壓阻效應原理
，采用集成工藝技術經過摻雜、擴kuo散san，沿yan單dan晶jing矽gui片pian上shang的de特te定ding晶jing向xiang

，製zhi成cheng應ying變bian電dian阻zu，構gou成cheng惠hui斯si通tong電dian橋qiao，利li用yong矽gui材cai料liao的de彈dan性xing力li學xue特te性xing，在zai同tong一yi矽gui材cai料liao上shang進jin行xing各ge向xiang異yi性xing微wei加jia工gong，製zhi成cheng了le一yi個ge集ji力li敏min與yu力li電dian轉zhuan換huan檢jian測ce於yu一yi體ti的de擴kuo散san矽gui傳chuan感gan器qi。通tong常chang傳chuan感gan器qi芯xin片pian上shang製zhi作zuo有you4個多晶矽電阻，電阻製作在矽薄膜的邊沿位置，這是因為在薄膜的邊沿處，當薄膜受到作用力時
，應變引起的電阻變化最大。4個壓阻R1
，R2，R3

，R4組成惠斯通電橋構成壓力檢測電路
，當電橋中輸入電壓為Vin

，並設膜片上的4個壓阻相等(即R1=R3=R3=R4=R)

，當薄膜受力變形時，兩個電阻變大，兩個電阻變小

，且△R1=-△R2=△R3=-△R4=△R，則其輸出電壓Vout可表示為

 
式中Voffset是在零應力和零應變時傳感器的輸出。由式(1)可知壓阻壓力傳感器有兩種工作方式，一種是恒電壓工作方式
，另一種為恒流工作方式。

MEMS壓力傳感器的一一種重要封裝形式是采用充油的不鏽鋼結構，稱為充油壓敏芯體
，其基本製造工藝過程包括貼片、引線、封裝殼體、充油及二次組裝等。圖1是充油壓敏芯體結構示意圖，圖2是壓力傳感器二次封裝樣品。

可靠性實驗
芯片貼片工藝
傳感器的貼片工藝對傳感器的性能影響很大，一般要求有足夠的貼片強度、盡(jin)可(ke)能(neng)小(xiao)的(de)貼(tie)片(pian)應(ying)力(li)和(he)能(neng)滿(man)足(zu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)等(deng)。用(yong)於(yu)壓(ya)力(li)芯(xin)片(pian)的(de)貼(tie)片(pian)材(cai)料(liao)主(zhu)要(yao)有(you)焊(han)料(liao)和(he)膠(jiao)

，不(bu)同(tong)的(de)貼(tie)片(pian)材(cai)料(liao)對(dui)傳(chuan)感(gan)器(qi)性(xing)能(neng)影(ying)響(xiang)有(you)很(hen)大(da)不(bu)同(tong)。由(you)於(yu)焊(han)料(liao)貼(tie)片(pian)時(shi)要(yao)求(qiu)對(dui)芯(xin)片(pian)背(bei)麵(mian)進(jin)行(xing)金(jin)屬(shu)化(hua)處(chu)理(li)，工(gong)藝(yi)相(xiang)對(dui)較(jiao)複(fu)雜(za)，而(er)用(yong)膠(jiao)進(jin)行(xing)貼(tie)片(pian)，其(qi)工(gong)藝(yi)更(geng)簡(jian)單(dan)，且(qie)成(cheng)本(ben)較(jiao)低(di)，所(suo)以(yi)本(ben)壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)選(xuan)用(yong)貼(tie)片(pian)膠(jiao)工(gong)藝(yi)進(jin)行(xing)貼(tie)片(pian)。由(you)於(yu)固(gu)化(hua)後(hou)膠(jiao)的(de)軟(ruan)硬(ying)對(dui)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)性(xing)能(neng)有(you)很(hen)大(da)影(ying)響(xiang)
，通(tong)過(guo)實(shi)驗(yan)測(ce)試(shi)了(le)軟(ruan)硬(ying)膠(jiao)對(dui)壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)零(ling)點(dian)輸(shu)出(chu)的(de)影(ying)響(xiang)
，針(zhen)對(dui)同(tong)一(yi)芯(xin)片(pian)，分(fen)別(bie)采(cai)用(yong)無(wu)貼(tie)片(pian)膠(jiao)、軟貼片膠(楊氏模量約為1～100 MPa量級
，玻璃化溫度低於-40 ℃)、硬貼片膠(楊氏模量為3.56 GPa，玻璃化溫度為85℃)等三種情況，在-30～125℃下對傳感器的零點輸出進行了測試
，測試結果如圖3所示
，圖中給了兩個傳感器樣品的測試結果。

從圖3keyikanchu，tiepianjiaoduichuanganqilingdiandeyingxiangsuiwendubianhuaerbianhua，zaidiwenshi，shiyongleyingjiaotiepiandechuanganqidelingdianmingxiangaoyushiyongruanjiaoyuwujiaode，zhezhongchabiesuizhewendudeshenggaobiandeyuelaiyuexiao。zhezhuyaoyousangeyuanyin：①貼片膠的彈性模量隨溫度的升高而變小;②貼片膠高溫固化
，在低溫時會引起收縮殘餘應力;③貼片膠和芯片材料熱膨脹係數不同產生的熱應力。特別需要注意的是，在85℃之後
，硬膠的影響突然變小
，小到幾乎與無膠的情況相同。這是因為硬膠的玻璃化溫度(Tg)為85℃

，高於Tg點時膠的楊氏模量變小，因而對傳感器的零點溫漂影響變小。因此，在選用貼片膠時，要求膠的Tg大於傳感器的工作溫度
，以確保傳感器零點的穩定性和工作的可靠性。

引線鍵合工藝
用於引線鍵合的鍵合線有Al線和Au線
，由於Au線性能更優
，所以壓力傳感器的鍵合工藝選用Au線xian。鍵jian合he時shi要yao使shi鍵jian合he麵mian保bao持chi清qing沽gu，否fou則ze會hui影ying響xiang鍵jian合he強qiang度du，等deng離li子zi清qing洗xi是shi一yi種zhong能neng有you效xiao提ti高gao鍵jian合he強qiang度du的de方fang法fa。由you於yu機ji油you壓ya力li傳chuan感gan器qi工gong作zuo環huan境jing惡e劣lie
，尤you其qi是shi頻pin繁fan的de振zhen動dong會hui導dao致zhi金jin絲si有you缺que陷xian的de地di方fang疲pi勞lao斷duan裂lie

，或huo者zhe最zui容rong易yi疲pi勞lao的de位wei置zhi如ru第di二er焊han點dian附fu近jin的de頸jing部bu位wei置zhi發fa生sheng斷duan裂lie
，因yin此ci要yao求qiu更geng高gao的de鍵jian合he質zhi量liang。曾zeng對dui所suo研yan製zhi的de機ji油you壓ya力li傳chuan感gan器qi進jin行xing了le台tai架jia試shi驗yan，在zai一yi批pi試shi驗yan樣yang品pin中zhong經jing過guo6×105次加壓和卸壓試驗之後
，發現有兩個樣品失效，故障分析結果表明：一個樣品的失效模式為信號處理電路上的一個電阻損壞;另一個樣品的失效模式為金絲線斷裂，如圖4(a)，(b)所示。對於這種情況，可以采用雙金絲鍵合工藝，並盡量選用高純度
、低缺陷的金絲，並做好引線鍵合前各封裝器件的清潔工作，如圖4(c)所示。這樣對金絲鍵合工藝進行改進後
，在可靠性試驗中
，未曾出現金絲斷裂的質量問題。

 
矽油的選擇和處理
由於芯片對所處環境的要求比較特殊，所以與矽芯片接觸的矽油需要具備以下特點：良好的介電性能、盡可能小的熱脹係數、化hua學xue穩wen定ding性xing好hao以yi及ji耐nai熱re和he耐nai寒han性xing能neng好hao。矽gui油you的de淨jing化hua處chu理li是shi薄bo膜mo隔ge離li式shi壓ya力li傳chuan感gan器qi封feng裝zhuang中zhong至zhi關guan重zhong要yao的de工gong藝yi步bu驟zhou
，因yin為wei若ruo淨jing化hua不bu幹gan淨jing，矽gui油you或huo傳chuan感gan器qi受shou壓ya部bu分fen的de充chong油you腔qiang內nei就jiu會hui混hun有you氣qi體ti
、水分等可壓縮

、易揮發的物質，在全溫區內的體積變化就會沒有規律可言，造成外界的待測壓力不能準確
、規gui則ze地di傳chuan遞di到dao芯xin片pian，從cong而er使shi得de壓ya力li傳chuan感gan器qi的de溫wen漂piao比bi較jiao嚴yan重zhong。這zhe種zhong現xian象xiang反fan映ying在zai零ling點dian的de溫wen漂piao上shang
，可ke以yi用yong來lai評ping價jia封feng裝zhuang的de好hao壞huai。通tong常chang，由you於yu在zai恒heng壓ya源yuan激ji勵li的de情qing況kuang下xia壓ya力li傳chuan感gan器qi的de靈ling敏min度du溫wen度du係xi數shu為wei負fu值zhi，所suo以yi壓ya力li傳chuan感gan器qi的de零ling點dian稍shao有you下xia降jiang，如ru圖tu5的樣品5，6
，7，8所示;而矽油淨化不充分的壓力傳感器零點的溫漂卻非常大，且隨著溫度的升高而升高，如圖5中的樣品1，2，3，4所示。試驗表明
，像樣品1，2，3
，4這類溫漂很大的傳感器的溫度補償是比較困難的，所以封裝時必須確保矽油品質和填充量恰到好處。

 
矽gui油you長chang期qi在zai高gao溫wen下xia工gong作zuo會hui發fa生sheng變bian化hua，如ru果guo新xin分fen解jie的de化hua學xue成cheng分fen裏li麵mian有you小xiao顆ke粒li的de導dao電dian物wu質zhi，這zhe種zhong物wu質zhi可ke能neng會hui穿chuan過guo芯xin片pian的de鈍dun化hua層ceng破po壞huai芯xin片pian或huo者zhe介jie入ru擴kuo散san電dian阻zu條tiao中zhong間jian，形xing成cheng短duan路lu或huo汙wu染ran。如ru圖tu6是隔離封裝的壓力傳感器在125℃高溫下長時間放置的數據曲線。

 
1#
，2#，3#塗敷了保護層，4#，5#沒有塗敷保護層。可以看到，沒有保護層的傳感器在高溫下存儲了約200 h後

，它的零點突然發生了變化，之後數據不穩定;塗了保護層的壓力傳感器的零點在600多(duo)小(xiao)時(shi)後(hou)仍(reng)然(ran)很(hen)穩(wen)定(ding)。因(yin)此(ci)，為(wei)了(le)防(fang)止(zhi)矽(gui)油(you)的(de)汙(wu)染(ran)導(dao)致(zhi)壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)失(shi)效(xiao)，我(wo)們(men)采(cai)取(qu)了(le)一(yi)些(xie)必(bi)要(yao)的(de)措(cuo)施(shi)。首(shou)先(xian)，選(xuan)擇(ze)高(gao)溫(wen)下(xia)盡(jin)可(ke)能(neng)穩(wen)定(ding)的(de)矽(gui)油(you);其次，盡量選擇具有良好鈍化層的芯片;最後，在不影響靈敏度的前提下，還可以在封裝過程中對芯片以及引線進行塗敷鈍化層的處理。

結論
分fen析xi和he實shi驗yan結jie果guo表biao明ming，機ji油you壓ya力li傳chuan感gan器qi封feng裝zhuang材cai料liao及ji各ge個ge工gong藝yi步bu驟zhou都dou會hui影ying響xiang傳chuan感gan器qi的de性xing能neng和he可ke靠kao性xing。貼tie片pian膠jiao性xing能neng不bu能neng滿man足zu要yao求qiu，會hui引yin起qi傳chuan感gan器qi信xin號hao漂piao移yi和he高gao溫wen不bu穩wen定ding性xing;引線鍵合強度不夠，在工作中會斷裂;guiyouhuaxuewendinghenaiwenxingnengbugouhao，huizaochengchuanganqigaowenshuchuxinhaobuwending，guiyouzhongdekongqihezazhihuizaochengchuanganqilingdianshuchupiandadeng
，zhexiewentidecunzaijiangyingxiangchuanganqidechangqikekaoxing。