mems压力传感器—封装工艺

封装工艺

MEMS硅基压力传感器具有体积小、成本低以及性能优异等优点，在汽车、生物医学以及航空航天等领域有广阔的应用前景，前期推文硅基压力传感器—MEMS中，我们初步了解了传感器的内部结构以及工作原理，在此基础上，调研了国内芯片封装产业链的大概情况，归纳汇总了压力传感器的封装工艺。

封装是保证压力传感器能够准确感知外界环境变化的前提，是产品成功实现商业化的关键因素，其核心内容有: 1. 机械支撑:设计相应的外壳，避免热、机械冲击、灰尘以及其他因素对芯片引起的损坏；2. 环境隔离:避免外界环境对测量精度的影响；3. 传感接口:保证外界压力能够传递给压力敏感元件；4. 电学连接：提供完整的信号交互接口，主要有电源、信号线等；5. 系统散热处理；近来本着实际加工生产的目标，对国内mems压力传感器封装相关的产业链进行了调研，具体如下所示：

上图表述为在芜湖购买的压力传感器样品，其量程为40KPa，下图表述为该传感器不同的封装形式；实践出真知，没有真正做出实物，应该不算真正了解某个行业~

附录：补充材料

附1、硅基压力传感器封装工艺？

mems压力传感器加工的主要流程有：芯片设计—圆晶代工—封装测试，其中前两个环节难度相对较大，国内技术积累相对薄弱；近来拟打算购买市场上现有的压力传感器裸片，然后进行相应的封装测试，因此，本推文传感器封装工艺进行了归纳汇总，具体如下所示：

图a表述为在哈尔滨特博科技有限公司购买的圆晶片（内部不含任何微结构），其厚度500um，直观感受：剖光面可以当镜子使用；图b-c表述为基于光刻、离子注入以及腐蚀等工艺，直接在圆晶上加工出压敏电阻的过程；图d表述为晶圆的局部示意图；

晶圆加工完成后，mems压力传感器需要进行相应的封装，具体的工艺步骤有：

上图表述为芯片封装的主要流程，主要包含：贴膜—切割—贴片—焊线—模封以及系统测试六部分环节，其中前四个工艺步骤（前段封装）对加工环境要求非常高（温度、湿度以及空气洁净度等），需要相对高端的设备，国内只有少量公司具有相关技术；对于后两个工艺步骤（后段封装），技术要求相对较低，国内具有大量的企业掌握相关技术；

附2、压力传感器封装主要面临的技术难点？

压力传感器封装中有几个较为关键的步骤：圆晶切割（划片）、传感元件贴片（需要使用点胶机）以及金线焊线等，大多涉及精密操作，所需设备一般价格高昂，其核心技术一般掌握在少数几个公司手里；另外，具体了解会发现，封装工艺里边涉及较多的坑，后续需要逐步摸索，主要有：

1、研磨：贴膜工艺之前，一般需要对圆晶的表面进行研磨，如何保证圆晶研磨前后具有非常高的平整度；2、切割：硅材料属于脆性材料，加工过程中如何避免裂纹等问题；3、贴片：贴片过程中如何避免内应力的产生（胶粘剂固化、温度等），尽量减小粘接前后压力感应膜的初始变形，避免传感器输出信号出现零偏现象；4、焊线：金线通过超声焊接与焊盘连接到一起，如何设置工艺参数，使得焊接质量相对较好，产品性能稳定；

附3、硅基压力传感器温度补偿方案？ http://mpvideo.qpic.cn/0b78w4aayaaa2uaiqis435qfbn6dbs3qadaa.f10002.mp4?dis_k=a951a8f3d63a06ce28cc32f3e29e48d8&dis_t=1642661549&vid=wxv_1796565826330787845&format_id=10002&support_redirect=0&mmversion=false

研究表明，半导体材料的电学特性容易被外界环境影响（温度），使得传感器输出信号呈现明显的非线性，为了保证压力传感器具有足够的精度，在出厂时一般进行参数标定，目前主要有两种补偿方案，具体为：1、模拟补偿：通过印刷厚膜电阻，对传感器的输出信号进行修正，主要的优点在于成本低廉；2、数字补偿：通过数字信号处理，消除初始偏差，现对两种方案进行具体的阐述，具体如下所示：

图a表述为传感器压力敏感元件（压敏电阻）的电学连接方式；图b表述为传感器输出信号，其中传感器2表述为加工误差引起传感器输出信号产生零位偏差：传感器3表示温度对半导体材料（压敏电阻）电学特性的影响，使得传感器输出信号产生明显的非线性；图c表述为模拟补偿的具体方案，右侧为基于该方案封装的压力传感器芯片具体实物图；

附：采用恒流源的方式可以消除共模干扰，其输出电压U=I • ΔR，与压敏电阻初值无关，另一方面，当温度变化引起压敏电阻的变化幅度一样时，不影响输出信号的大小；

图a表述为数字补偿的基本框架图：非常巧合的是，该模块和柔性结构与器件课题组前期搭建的降落伞信号采集模块十分相似，同样是通过MCU采集电桥初始的输出信号，然后通过DAC进行纠偏，对已有的模块进行相应的修改，可以满足相应的功能；

附1、基础理论研究是复杂工艺实现的前提，例如: 1. 粘接引起的内应力；2. 切割过程中材料的脆性断裂等；3. 热应力引起的结构变形；4. 超声焊接机理研究；5. 精密定位模块等；

附2、参考文献：芯片先进封装制造，暨南大学出版社；

附3、压力传感器芯片封装包含前段和后段两部分：对于国内小型的封装测试厂家，大多负责模封以及成品检测量两个环节（后段封装）；假使搭建相应的生产线，大约需要投入150-300万元，主要包含：设计相应的模具以及购买压力传感器性能检测设备等；

附4、感触：传感器封装行业概况，不管是寻找芜湖、上海、北京或者深圳的厂家，最后还是汇聚到几个大企业（提供前段封装）；