一种航空用高温压力芯片设计与封装技术研究.pdf
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1、2023 年第 8 期仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor基金项目:中航航空电子“十四五”核心竞争力创新项目(YC2228)收稿日期:2023-01-23一种航空用高温压力芯片设计与封装技术研究李 闯1,涂孝军2,温学林1(1.航空工业苏州长风航空电子有限公司,江苏苏州 215151;2.苏州大学,江苏苏州 215131)摘要:文中研制了一种基于微机电系统(MEMS)技术的硅压阻式绝缘体上硅(SOI)高温压力芯片。从压力芯片结构设计、关键尺寸计算以及有限元分析等方面考虑,对压力芯片可动膜片进行了结构优化;从压敏电阻条的注入位置、几何形状、
2、器件噪声分析和计算等方面设计,确定了压敏电阻条的最优尺寸;压力芯片采用薄膜隔离充油封装工艺,通过设计创新金丝焊接路径、工艺及方法,金丝抗拉强度提升了 1 倍。性能测试结果表明,研制的高温压力芯片量程为 01 MPa,室温条件下满量程输出大于90 mV,线性度优于0.1%FS,重复性优于0.01%FS。在-55150 温度范围内,高低温漂移均优于0.01%FS/。100 000 次高低压交变循环试验后,传感器零点和满量程漂移优于0.1%FS。关键词:高温压力芯片;芯片设计;芯片封装;高精度;稳定性中图分类号:V249 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2023)08-0007-08R
3、esearch on Design and Packaging Technologyof High Temperature Pressure Chip for AviationLI Chuang1,TU Xiaojun2,WEN Xuelin1(1.AVIC Suzhou Changfeng Avionics Co.,Ltd,Suzhou 215151,China;2.Soochow University,Suzhou 215131,China)Abstract:Based on the micro electro mechanical system(MEMS)technology,a pie
4、zoresistive SOI high temperature pressure chip was proposed.Considering the structure design,key dimension calculation and finite element analysis of the pressure chip,the structure of the movable membrane of the pressure chip was optimized.The optimized dimensions of the piezoresistors were determi
5、ned,from designing the implantation position of the piezoresistors,the geometry shape,the analysis and calculation of the device noise,etc.The pressure chip adopted the film isolation oil-filled sealing process.Through the design and innovation of the gold wire welding path,process and method,the te
6、nsile strength of the gold wire was doubled.The test results show that the range of the high temperature pressure chip is 01 MPa,the full range output at room temperature is more than 90 mV,the linearity is better than 0.1%FS,and the repeatability is better than 0.01%FS.Within the temperature range
7、of-55150,both high and low temperature drifts are better than 0.01%FS/.After 100 000 times of the pressure alternating cycle test,the zero and full scale drifts are better than 0.1%FS.Keywords:high temperature pressure chip;chip design;chip packaging;high accuracy;stability0 引言近年来,微机电系统(micro electr
8、o mechanical sys-tem,MEMS)发展日趋成熟,MEMS 集微型传感器、致动器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体,具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产等优点,已在航空航天领域得到广泛应用,并被专门定义为“AeroMEMS”1。随着国内航空发动机研制要求的不断提升,对于发动机温度、压力高精度测试、长寿命和长期稳定性提出了更高的要求,与之相应配套的高精度、高稳定性、长寿命温度、压力传感器需求也随之增加 2。在航空测试领域,压力传感器主要配套给飞机控制系统、辅助动力装置、环境控制系统、健康管理系统等,用于测量包括发动机各截面、燃滑油管路、压气机进出口
9、、飞机液压传动、推进器、座舱气压等位置的压力。通过监测飞机、发动机主要部件的压力参数及其变化,将信号输送给控制系统,进而实现对发动机的控制、健康评估、故障预测和诊断3。目前广泛使用的单晶硅压阻式压力传感器,采用PN 结隔离应变电桥与应变膜,其工艺成熟且易于量产4。但是 PN 结漏电随着温度升高而急剧增大,当温度超过 125 时,传感器的性能会严重下降甚至失效5。因此,开发用于高温环境下使用的压力传感器7 仪 表 技 术 与 传 感 器第 8 期越来越受到重视。SOI(silicon on insulator,绝缘体上硅)材料通过埋入绝缘层保证了敏感电阻与衬底隔离,避免了高温时普通硅片扩散电阻
10、PN 结失效而导致的漏电现象,从而具有更稳定的高温性质6。SOI 中的绝缘层包括SiO2、蓝宝石和金刚石等,其中以 SiO2为绝缘层的 SOI材料因其制造工艺成熟、性能稳定、成本低,成为高温压力传感器的优选材料7-8。同时,SOI 材料不仅保持原有单晶硅的压阻效应,利用 MEMS 工艺加工成的芯片的噪声也远小于其他材料9。另外,随着器件特征尺寸的缩小和电路集成度的提高,SOI 材料的高速、低功耗优点变得更加明显,这些优点为 SOI 材料在航空航天机电系统、控制系统等领域中应用提供了可行性10。因此,以 SOI 材料制作的高温压力传感器相对于其他材料有着较大的材料优势。借助 MEMS 工艺制造的
11、高温硅压阻式压力传感器因具有体积小、精度高、动态响应迅速等特点,在航空测试领域有广泛的应用。航发控制系统用压力传感器除了耐温要求高(长期工作温度 150),对满量程输出、精度、温度漂移等均提出了很高的要求11。为设计高精度、低温漂和高稳定性压力芯片,需要从芯片结构、膜片尺寸、压敏电阻条几何形状、注入位置等方面综合考量。同时,为提升压力芯片工作的稳定性,本文采用了薄膜隔离充油封装工艺。根据以往航空压力传感器压力芯片封装失效特点,金丝键合成为芯片封装过程中最薄弱的环节,尤其在高冲击、大过载工况下,金丝断裂故障失效频率较高12-13。因此,本文针对这一难点,设计创新金丝焊接路径、工艺及方法,提升金丝
12、键合强度,提高压力传感器整体可靠性和稳定性。本文以航空用高温硅压阻式压力芯片为研究对象,对压力芯片可动膜片和压敏电阻形状、尺寸等参数分别进行优化设计,利用 COMSOL Multiphysics 5.2多物理场耦合分析软件对敏感元件创建几何模型并进行有限元分析,分析了主要结构参数对传感器输出特性的影响,提高传感器的灵敏度,减小非线性误差。借助 MEMS 技术,实现最优结构压力芯片的制造。通过薄膜隔离充油封装工艺,实现高稳定性压力芯片封装,满足航空领域高温、高稳定性压力芯片使用需求。1 工作原理与芯片结构高温硅压阻式压力传感器芯片采用 N 型、晶向、4 英寸(1 英寸=2.54 cm)双抛的 S
13、OI 晶片作为加工材料,其晶片厚度为 330 m,绝缘层 SiO2厚度为2 m。SOI 压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应将压力信号转换成电信号的一种传感器。在可动膜片上掺杂形成 4 个等值的压敏电阻,并连成惠斯登电桥,作为力-电转换元件。当被测压力介质作用于可动膜片时,电桥失去平衡,输出电压14。图 1 为 SOI 压力芯片的三维结构图及惠斯登电桥连接示意图15。当无压力时,4 个压敏电阻阻值相同,即 R1=R2=R3=R4=R,此时电桥无输出。当压力作用于敏感芯片时,压敏电阻阻值发生变化,电阻 R1、R3增大,电阻 R2、R4减小。假设阻值变化量 R1=R3=R,R2=R4=-R,则电
14、桥输出 V0表示为V0=RRVin(1)式中 Vin为供电电压。当外界压力一定、激励源恒定时,压敏电阻的变化率越大,输出电压越大。图 1 SOI 压力芯片三维结构图及惠斯登电桥示意图15根据经验,可动膜片的轮廓可根据需要设计成正方形、长方形及圆形,由于正方形可动膜片有利于提高传感器的输出灵敏度16,因此本文将可动膜片设计成正方形,其结构如图 2 所示。2 芯片设计与仿真利用有限元分析软件对压力芯片敏感结构进行建模仿真,根据仿真结果对可动膜片及压敏电阻的结构尺寸进行优化,从而提高传感器的输出灵敏度和线性度。通过非线性静态分析及模块分析,可以计算压力芯片的性能,有限元分析过程如图 3 所示。原材料
15、SOI 的主要物理性能参数如表 1 所示。表 1 原材料 SOI 的主要物理性能参数性能参数性能参数能带系1.1 eV泊松比0.28密度2 330 kg/m3硬度1 000 kg/mm2屈服强度7 GPa弹性模量170 GPa8 第 8 期李闯等:一种航空用高温压力芯片设计与封装技术研究 图 2 压力芯片结构示意图(a)划分网格及边界条件设定(b)压力模型仿真示意图图 3 有限元分析过程示意图2.1 膜片设计本文设计的压力传感器量程为 01 MPa,绝压,工作温度范围-55150,直流供电电压 10 V,满量程输出大于 90 mV,线性度优于0.1%FS,重复性优于0.01%FS。在-5515
16、0 温度范围内,高低温漂移均优于0.01%FS/。根据以往研制经验,本文设计了 5 组可动膜片尺寸,如表 2 所示。表 2 可动膜片边长及膜厚设计序号l/mh/ml/h180020402900303031 000402541 100502251 2006020 本文对表 2 中 5 组尺寸进行仿真分析,由于传感器结构中除可动薄膜以外的部分,均为固定部件,则可以简化仿真模型,重点关注可动膜片部分的形变和力学分布。在利用仿真软件对传感器结构建立有限元模型时,只对可动薄膜部分建模,在约束条件设置中对其进行四边理想固定的设置来定义,用于简化模型,提高计算效率。图 4 为在 1 MPa 压力下,可动膜片
17、的应力、应变在 x 轴上从中心原点到膜片边缘的变化示意图。(a)等效应力随膜厚比的变化(b)等效应变随膜厚比的变化图 4 膜片应力、应变分布图由图4 可知,可动膜片的应力、应变随着膜片膜厚比呈规律性变化。根据应力分布云图可知,应力最大值出现在可动膜片边沿中心,并且呈现有规律的波峰分布,说明可动膜片应力集中情况较好。随着膜片膜厚比的增加,膜片的最大等效应力逐渐增加,膜片中9 仪 表 技 术 与 传 感 器第 8 期心最大应变逐渐减小,这说明高膜厚比有利于膜片的应力集中,对提升传感器的灵敏度有明显的促进作用。相反,随着膜片膜厚比的增加,传感器的线性度却呈现下降趋势,这是由于膜片中心最大挠度随着膜厚
18、的减小快速增加,导致非线性误差增加,降低了传感器的线性度。为了平衡传感器灵敏度和非线性误差的“矛盾”,最终确定可动膜片的边长为 1 000 m,膜厚为 40 m。此时,可动膜片的应力集中区域(l-t)为 75.5 MPa,中心最大挠度为 1.8 m,满足传感器的灵敏度和非线性误差的理论设计值。2.2 压敏电阻设计压敏电阻值应与电桥输出端负载相匹配,当负载有较大变化时,电桥的输出电流不应有大的变化。由于硅压阻式压力传感器对温度敏感,应尽量降低自加热产生的热量,桥臂电流一般不宜过大,本文设计的压力芯片激励为直流供电电压 10 V,压敏电阻值为 6.5 k。根据有限元应力分布图,可动膜片边长中心处为
19、应力集中区域,因此为提高传感器灵敏度,将压敏电阻条置于此处。在压力测试过程中,由于噪声的存在,影响输出信号的质量,因为传感器的最小分辨率由器件的噪声水平决定。因此,信噪比 SNR 是压力传感器一个重要的参数。对于 MEMS 压力传感器,噪声主要源于本征噪声,即来自于器件本身的噪声。本征噪声主要包括热噪声 Vj和 1/f 噪声 Vf,而 Vj和 Vf均和压敏电阻条的几何外形相关。等效噪声 RMSnoise与 Vj和 Vf的关系可表达为17-18RMSnoise=V2j+V2f(2)Vj普遍存在于器件中,它是器件绝对温度 T 的函数,在 1 Hz 带宽内热噪声 Vj可表示为19V2j=4kTBR=
20、4kTBa+bnqbd(3)式中:k 为 Boltzmann 常数;R 为压敏电阻值;B 为带宽;n 为载流子浓度;q 为电荷量;为空穴迁移率;a、b和 d 分别为压敏电阻的长度、宽度和厚度。1/f 噪声源于 Hooge 提出的电阻体效应,是由压敏电阻的电导率波动引起的,实验表明 1/f 噪声主要和偏置电流、载流子数量、Hooge 系数及压敏电阻形状有关,其表达式为20V2f=U2Nf=I2(a+bnqbd)2(4nabd+dh2)f(4)式中:I 为偏置电流;N 为载流子数量;为 Hooge 系数(单晶硅 3.210-65.710-6);f 为频率;h 为可动膜片膜厚。根据噪声起源的理论公式
21、推导,通过对压敏电压条尺寸的优化设计,实现降低噪声和提高信噪比 SNR的目标。根据 Vj和 Vf的表达式,其降低噪声措施主要包括改变压阻条的几何尺寸。为方便分析,将压敏电阻厚度设定为 1 m,带宽在 106 MHz 以内,根据式(2)式(4),等效噪声 RMSnoise与压敏电阻条的长度和宽度之间的变化关系如图 5 所示。(a)压敏电阻条长度对 RMSnoise的影响(b)压敏电阻条宽度对 RMSnoise的影响图 5 压敏电阻条尺寸对 RMSnoise的影响结果表明,RMSnoise随着压敏电阻条长度的增加而增加,RMSnoise随着压敏电阻条的宽度的增加而减小。为平衡压敏电阻条尺寸对于噪声
22、的影响,并综合考虑加 工 工 艺,最 后 确 定 压 敏 电 阻 条 的 长 度 为160 m,宽度为 5 m。为减小因压敏电阻放置位置带来的误差影响,将 R1和 R3设计成“一”字形,R2和R4设计成“M”形,如图 6 所示。根据上述压力芯片结构及压敏电阻优化结果,最终确定 SOI 压阻式压力传感器敏感芯片核心结构尺寸参数,如表 3 所示。表 3 SOI 压力芯片主要结构尺寸m参数数值参数数值L2 000a150H500a230l1 000b5h4001 第 8 期李闯等:一种航空用高温压力芯片设计与封装技术研究(a)“一”字形压敏电阻(b)“M”形压敏电阻图 6 压敏电阻条形状及尺寸示意图
23、2.3 仿真与分析利用 COMSOL Multiphysics 5.2 多物理场耦合分析软件对优化后的结构进行有限元仿真,根据压力芯片结构的优化结果设置模型,在可动膜片上施加 1 MPa 压力载荷,得到薄膜上等效应力分布云图及中心等效应变分布云图,如图 7 所示。(a)膜片等效应力分布云图(b)膜片中心等效应变分布云图图 7 有限元分析结果从有限元分析结果可知,应力集中处于可动膜片边沿中心位置,敏感电阻处于该位置可以获得最高输出灵敏度。同时,可动膜片最大挠度发生在膜片中心位置,考虑到传感器线性度的提升,膜片中心最大位移应小于膜片厚度的 1/5。在压力作用下对可动膜片上顶层硅压敏电阻进行路径分析
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