關(guān)于車用壓力德國(guó)施克SICK傳感器封裝解析

德國(guó)施克SICK傳感器經(jīng)過(guò)幾十年的研究與開(kāi)發(fā)，機(jī)械元器件與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造工藝逐步成熟，但產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化的元器件的種類并不多，還有許多仍未能大量走出實(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(wèn)題，其中封裝是制約走向產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)重要原因之一。

德國(guó)施克SICK傳感器為了適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)發(fā)了許多新的封裝技術(shù)和工藝，如陽(yáng)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。現(xiàn)在人們通常將封裝分為以下幾個(gè)層次：即裸片級(jí)封裝、器件級(jí)封裝、硅圓片級(jí)封裝、單芯片封裝和系統(tǒng)級(jí)封裝。　系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP）的目的主要是使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。

德國(guó)施克SICK傳感器本文在對(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發(fā)現(xiàn)的。之后，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。利用壓阻效應(yīng)原理，采用集成工藝技術(shù)經(jīng)過(guò)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。 <BR><BR>　　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(shuō)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(lái)德國(guó)施克SICK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(guò)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、小外形塑料封裝等。

      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。　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。 　由于有兩層殼體，造成壓力傳感器體積大，成本也不易降低，同時(shí)由于將敏感頭和電路板放入外殼的過(guò)程中需要加壓、卷邊，將導(dǎo)致敏感頭產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，出現(xiàn)零點(diǎn)飄移。當(dāng)應(yīng)用SIP技術(shù)將敏感芯片和電路一起植入外殼中時(shí)，體積明顯比傳統(tǒng)封裝工藝小，省掉一道外殼也降低了成本。只需要將膜片上的壓環(huán)設(shè)計(jì)成需要的螺紋接口，同時(shí)將殼體另一端壓接合適的輸出和電源接頭就能滿足不同場(chǎng)合的需要。

  　3.2陶瓷基板實(shí)現(xiàn)敏感元件和電路的一體化               　封裝首先在位置上要固定敏感器件，其次要能夠進(jìn)行必須的電路連接，常用的封裝形式有TO封裝、氣密充油的不銹鋼封裝、小外形塑料封裝等。擴(kuò)散硅壓力芯片和玻璃載體之間的靜電封接工藝是MEMS芯片封裝中常用的工藝。為了避免芯片在封接時(shí)是產(chǎn)生大的熱應(yīng)力，通常選用熱膨脹系數(shù)與硅相近的材料作芯片的載體。為減小壓力傳感器的體積，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)封裝，必須將擴(kuò)散硅壓力芯片和相關(guān)電路集成在一塊電路基板上，也就是電路板本身作為擴(kuò)散硅壓力芯片的載體，達(dá)到此目的的首要條件是電路基板材料的熱膨脹系數(shù)與硅片的熱膨脹系數(shù)相近，在普通電路板所使用的基板材料中只有陶瓷基板滿足要求，因此在電路板設(shè)計(jì)中選用陶瓷基板，并根據(jù)體積和結(jié)構(gòu)的要求，選用0402封裝的電阻、電容和電感，極大地縮小了電路系統(tǒng)的體積和外形尺寸，實(shí)現(xiàn)敏感元件和電路的一體化。

　　3.3陶瓷填充片有效減少硅油填充量　　不銹鋼隔膜片封裝的硅壓阻壓力傳感器的結(jié)構(gòu)為氣密封裝，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)非常有利于發(fā)展成系列化的、通用型的傳感器。基于SIP技術(shù)的系統(tǒng)級(jí)封裝壓力傳感器也采用這類基本封裝形式。　　這種隔離膜壓力傳感器頭由金屬基座、管殼、硅油、傳感器壓力芯片及不銹鋼膜片組成。其主要的制造工藝為：硅芯片直接幫定在陶瓷電路基板上，與恒流原激勵(lì)電路、放大電路、溫度補(bǔ)償電路和其他電路一起構(gòu)成完整的電路基板，電路基板用膠接工藝固定在不銹鋼管殼內(nèi)的基座上；不銹鋼隔膜與殼體采用熔焊工藝進(jìn)行焊接,焊接工藝可用激光焊接、氬弧焊接或電子束焊接等。硅油灌充工藝一般采用真空灌充技術(shù)，可基本消除殘余氣體對(duì)隔離測(cè)壓系統(tǒng)的影響，提高傳感器的精度及穩(wěn)定性。　在保證壓力傳感器內(nèi)部電路基板安裝間隙、幫定引線安全，并且保證壓力可靠有效傳遞的前提下，專門設(shè)計(jì)了陶瓷填充片，它能有效減少壓力傳感器內(nèi)部充油空間，降低傳感器的飄移。　　3.4硅油的凈化和真空灌注　　硅油灌充工藝采用真空灌充技術(shù)，可基本消除殘余氣體對(duì)隔離測(cè)壓系統(tǒng)的影響，提高傳感器的精度及穩(wěn)定性。　　在傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，利用電路板將殼體內(nèi)部的空間分隔為兩個(gè)部分，不銹鋼膜片1和電路板4之間的空間是硅油灌注空間，為減少硅油灌充量，在此空間安放了陶瓷環(huán)片5，同時(shí)采用先焊接不銹鋼膜片后灌充硅油的工藝，將電路板和陶瓷環(huán)片放入殼體中，然后利用氬弧滾焊將壓環(huán)和不銹鋼膜片焊接完成，再采用真空灌充技術(shù)完成硅油的灌充。

   　3.5多點(diǎn)溫度補(bǔ)償技術(shù)壓力芯片、恒流激勵(lì)源、放大電路及其封裝材料等不可避免的溫度特性最終導(dǎo)致壓力傳感器的輸出隨溫度的變化而有飄移，這種溫度飄移如果不加補(bǔ)償，將使傳感器的輸出隨溫度而變化，導(dǎo)致傳感器輸出的不確定性，從而無(wú)法使用。　　硅壓阻壓力傳感器本身有一個(gè)固有的特性，就是溫度系數(shù)較大；因此需要對(duì)其進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償。常用的溫補(bǔ)方式是在應(yīng)變電橋上附加電阻網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)測(cè)試及計(jì)算其高低溫特性，確定網(wǎng)絡(luò)阻值，以達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹！　≤囉脡毫鞲衅饕笤?40℃～+125℃的超寬工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，常用的溫度補(bǔ)償方法難以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，為此，在附加電阻網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過(guò)多個(gè)熱敏電阻分別對(duì)應(yīng)變電橋、恒流激勵(lì)源、放大電路增益進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而保證在-40℃～+125℃的超寬工作溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定工作。　由于系統(tǒng)采用多點(diǎn)溫度補(bǔ)償技術(shù)，相應(yīng)增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，尤其是電路的調(diào)試，針對(duì)該問(wèn)題通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)、調(diào)試以及數(shù)據(jù)分析，相應(yīng)設(shè)計(jì)并建立了一套完善的調(diào)試方法，批量生產(chǎn)中可以根據(jù)該方法設(shè)計(jì)壓力傳感器溫度補(bǔ)償測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)該工作的自動(dòng)化。

統(tǒng)一品種的德國(guó)施克SICK傳感器因技術(shù)和應(yīng)用不同，不可互相替換，難以做到大規(guī)模生產(chǎn)。小的如微納米技術(shù)的壓力傳感器，比綠豆還小，可以植入人體。壓力傳感器有應(yīng)變式、壓電式、壓阻式，電容式甚至光纖式；等于壓阻式還有硅材料，陶瓷濺射薄膜、蘭寶石等。高溫環(huán)境，是指電子衡器設(shè)備所處的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度超出70℃及以上。大的如大噸位稱重傳感器，如臉盆大小。

起先海內(nèi)冶金企業(yè)為了解決德國(guó)施克SICK傳感器，從國(guó)外引進(jìn)，費(fèi)用昂貴，且配件備件困難，磁傳感器、光敏傳感器歸為電子元器件，稱重傳感器、軸距傳感器、電容式壓力傳感器歸為機(jī)械或儀表行業(yè)。到二十世紀(jì)80年代中期，隨著高精度稱重傳感器技術(shù)的日趨成熟，機(jī)械式地磅逐漸被精度高、穩(wěn)定性好、操作方便的電子汽車衡所取代。

同一品種的德國(guó)施克SICK傳感器因技術(shù)和應(yīng)用不同，不可互相替代，難以做到大規(guī)模生產(chǎn)。壓力傳感器有應(yīng)變式、壓電式、壓阻式，電容式甚至光纖式；即是壓阻式還有硅材料，陶瓷濺射薄膜、蘭寶石等。形狀不同，大小不同，輕重相差較大，因而生產(chǎn)加工工藝截然不同。小的如微納米技術(shù)的壓力傳感器，比綠豆還小，可以植入人體。大的如大噸位稱重傳感器，如臉盆大小。

磁傳感器、光敏傳感器歸為電子元器件，德國(guó)施克SICK傳感器歸為機(jī)械或儀表行業(yè)。近年來(lái)，稱重傳感器隨著冶金工業(yè)的迅速發(fā)展，帶動(dòng)了高溫稱重傳感器的國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)發(fā)展。高溫環(huán)境，是指電子衡器設(shè)備所處的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度超出70℃及以上，如冶金企業(yè)的煉鋼鋼水包計(jì)量、鐵水包計(jì)量、鋼水包行車計(jì)量、熱送焦炭計(jì)量、熱送燒結(jié)礦計(jì)量、紅送鋼坯計(jì)量、線材軋制在線計(jì)量等。