董志超， 雷 程， 梁 庭， 薛胜方， 宫凯勋， 武学占

(中北大学 仪器与电子学院 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051)

0 引 言

压力传感器作为目前应用最为广泛的传感器之一，广泛应用于医疗、工业、国防以及人类生活的各个领域[1～3]。常规的硅基压力传感器是基于硅压阻效应实现力—电耦合[4]，其在结构上压敏电阻与硅基底之间采用PN结实现电流隔离，其硅加工工艺成熟且容易量产化，但是PN结的反向漏电流会随着温度升高而急剧加大，而当温度超过125 ℃时，PN结反向漏电流过大导致传感器性能严重退化甚至失效[5]。

为了实现更高温度环境下的动态测量，基于绝缘体上硅(silicon-on-insulator，SOI)材料的压阻式压力传感器受到了国内外学者的关注和研究。SOI材料是在顶层硅与硅基底之间引入埋氧层，其压阻式压力传感器采用绝缘性能良好的氧化硅作为压敏电阻与硅基底电隔离介质，可以避免高温条件下普通硅片扩散电阻PN结漏电失效的现象，且SOI具有高速、低功耗的优点，可以进一步提高传感器的温度性能[6,7]。国外关于SOI压力传感器的研究起步较早，最为典型是库里特、柏林工业大学研制的SOI高温压力传感器可以满足480 ℃内的稳定测量。而国内西安交通大学、中北大学、中国电子科技集团公司等关于SOI压力传感器的研究较为突出[8]，在传感器设计、工艺加工等方面技术成熟度较高，但受封装限制，难以达到量产化的阶段[9]。

传统的微机电系统(micro-electro-mechanical systerm,MEMS)压力传感器封装主要采用充油隔离式引线键合和裸露式引线键合，均为正装式封装。正装封装结构存在体积大，耐高温性能差，稳定性差等特点，难以满足高温恶劣条件下的动态测试。倒装式封装采用芯片与基板焊盘直接互联的封装技术，能够很好地保护芯片表面的器件区，具有短互联性、气密性强、稳定性好等优点，不仅能够实现传感器的小型化封装，更能提升传感器的性能[10,11]。

基于此，本文开展基于SOI高温压力传感器芯片无引线倒装式封装方法研究。在现有工艺技术上设计并制备SOI传感器芯片，采用阳极键合工艺完成SOI晶圆和带孔的硼硅玻璃正面键合的圆片级气密性封装，并对键合效果进行表征分析；采用通孔电镀工艺及离子束刻蚀(ion beam etching,IBE)工艺完成电极的引出及焊盘的隔离，并对通孔电镀效果和电性能进行表征测试。最后，利用陶瓷基转接板及金属管壳完成芯片的倒装式差压封装，并在常温环境下对传感器的气密性、线性度等指标进行测试。

1 压阻式压力传感器敏感芯片设计与加工

1.1 压阻式压力传感器的工作原理

压阻式压力传感器是利用硅的压阻效应，当被测的压力介质作用在芯片上时，引起敏感膜表面各处的应力发生变化，芯片上的压力变化引起压敏电阻变化进而转换成电学信号，通过惠斯通电桥电路实现压力测量和信号输出。

1.2 压力传感器敏感膜片设计

本次设计选用厚度为400 μm的单晶硅SOI(100)，芯片整体尺寸为3 mm×3 mm×0.9 mm(键合后芯片厚度)，设计量程为0～2 MPa绝压芯片。敏感膜片采用1 000 μm×1 000 μm的方形C型膜，依据小挠度理论，敏感膜的厚度需满足线性原则及可靠性原则，依据计算及仿真结果，取膜厚为35 μm。

1.3 压力传感器芯片加工

压力传感器敏感芯片采用MEMS标准工艺进行制备，如图1所示。

图1 工艺流程

主要的工艺步骤包括：(a)清洗：对SOI晶圆进行无机清洗去除表面杂质；(b)离子注入：对顶层硅器件层进行离子注入，进行B离子注入；(c)重掺杂：对金属引线区及电阻欧姆接触区定点定量掺杂，保证后续可以形成良好的欧姆接触；(d)刻蚀：采用干法刻蚀的方式将设计好的电阻通过深硅刻蚀工艺对其进行图形化；(e)溅射：通过光刻—溅射—剥离的工艺，完成金属引线和电极的图形化，通过退火工艺完成欧姆接触；(f)背腔刻蚀：通过背套光刻工艺完成背腔图形化，通过深硅刻蚀工艺完成背腔的刻蚀。芯片如图2所示。

图2 芯片图示

2 芯片封装与测试

2.1 芯片的气密性封装

本次采用阳极键合的方式实现芯片的封装，键合后的芯片具有气密性良好、稳定性高、体积小和耐高温等优良特性。阳极键合工艺是通过将硅片和玻璃相贴合，通过加热、加压和加电的方式实现，在硅层与玻璃层接触界面形成负的空间电荷区与硅发生化学反应，形成化学键Si—O—Si，完成键合。相比于其他材料，硅片和硼硅玻璃的热膨胀系数相差较小(硅为2.6×10-6/K，硼硅玻璃为3.3×10-6/K)，且由于温度变化引起的形变量会引起硅片表面产生应力和应变，对传感器的零点漂移及温度漂移产生影响，厚度适宜的硼硅玻璃键合后可有效减小硅片表面的压应力和拉应力[12]。本次键合采用厚度为500 μm的带孔硼硅玻璃。如图3所示。

图3 阳极键合及实物展示

压敏电阻电信号的传输方式是将金属引线与硅引线互联实现信号传输；利用阳极键合工艺将带喷砂孔的硼硅玻璃与芯片表面的电极凸点对准键合，键合界面不存在连通槽，是完整的器件层硅平面，保证了键合腔的气密性。如图4所示。

图4 键合效果SEM

2.2 电极的引出及焊盘制作

键合成功后的晶圆级芯片需要将硅芯片表面的电极引出至硼硅玻璃表面，再通过金属刻蚀工艺制备金属焊盘，由于金属金(Au)良好的导电性及延展性，本次电极引出采用电镀金的方式进行。

由于玻璃是非导电材料，电镀过程中溶液中的阳离子无法直接粘附在玻璃表面，需要在玻璃表面溅射种子层金属以实现电镀，由于金与玻璃之间的粘附性较差，这里采用先溅射粘附金属，再溅射种子层金属的方式制备电镀种子层。与其他金属相比，金属铬(Cr)具有较强的粘附性且与玻璃的热膨胀系数相差程度较小，所以本次溅射粘附层金属采用金属铬(Cr)。电镀示意图如图5所示。

图5 电镀示意

为保证后续倒装封装及测试的稳定性，要求金属焊盘的厚度不能太薄(>3 μm)。相比于直流电镀，脉冲电镀具有镀层平整致密、附着性好、电流效率高等优点。本次电镀采用脉冲电镀的方式进行，电镀速率为45 nm/min，电镀时间为90 min，电镀厚度为4 μm，满足后续封装测试需求。电镀示意图如图6所示。

图6 电镀效果

电镀完成后，需要对正面电镀的晶圆进行喷胶光刻图形化，进行最后的焊盘图形化刻蚀。由于通孔的存在，采用匀胶的方式难以将通孔侧壁及底部的金属完全覆盖，因此采用喷胶可以有效保证焊盘图形化的完整性和通孔的全覆盖性。

焊盘的制作是通过IBE工艺完成制作。IBE也称为离子铣，是将惰性气体(Ar)电离成等离子体，通过加速电场成高能离子冲击材料表面，使材料表面原子被移开或被除掉，完成刻蚀的过程。属于纯物理过程，具有方向性好、高陡直度、分辨率不受刻蚀材料影响等优点。本次采用的是极智芯AE—4 IBE离子束刻蚀设备，放置晶圆的托盘匀速转动可以有效避免刻蚀的不均性。本次刻蚀能量为500，束流为120，刻蚀速率为60 nm/min，刻蚀时间为70 min。如图7所示，刻蚀效果良好。

图7 焊盘制作流程

2.3 芯片倒装式封装

目前，市面上常见的微高温压力传感器的封装材料为焊锡连接，但是当温度超过220 ℃时，焊锡难以支撑高温下的性能测试条件。基于金属金(Au)良好的导电性及耐高温特性，本次芯片的倒装封装采用金—金键合的方式进行，在保证耐高温的特性前提下，也能保证电连接性能的正常测试。由于陶瓷良好的绝缘性和耐高温特性，且陶瓷材料的杨氏模量较高，在压力作用下不易发生形变，与玻璃的热膨胀系数差不大，经常用于制作芯片倒装的基板。本次采用在的定制陶瓷基板上制作与芯片表面焊盘相对应的金焊盘，通过键合的方式实现焊盘的连接，通过拉伸试验验证其键合强度可满足温度及压力需求。如图8所示。

图8 金金键合倒装示意

3 性能测试

3.1 焊盘的电连接性测试

为保证芯片后续封装测试的性能需求，需对电镀焊盘引出电极的方式进行实验验证。本次验证从芯片加工过程中形成欧姆接触开始，电镀焊盘的引出以及后续的倒装封装，对芯片的电阻进行测试记录，以验证芯片电连接性的状态。

采用半导体分析仪测试设备测试电阻阻值，首先对完成欧姆接触后的芯片进行电阻测量，对固定位置的芯片及电阻阻值进行标注记录；其次，对完成电镀及焊盘IBE制作后的芯片进行电阻阻值测量并标注记录；最后，对完成倒装封装后的芯片常温及升温测试(升到一定温度后，芯片稳热10 min后取下且静置至常温再进行电阻阻值测量)，并对电阻阻值进行测试记录。如图9所示，芯片的电连接性正常，且高温循环测试后电阻表现正常。

图9 不同测试阶段电阻变化情况

3.2 芯片的气密性测试

如图10所示，为测试芯片本身的气密性，搭建的一个气密性测试系统。该系统主要由四部分组成：密封气压罐、气压泵、供电电源与高精度万用表。首先将初步封装的芯片放入密封气压罐中，拧紧固定处和气压泵接口处螺丝，确保其有良好的密封性。通过气压泵给密封罐中充入固定压力值，精确控制加到传感器上的压力值，同时传感器进行供电，通过高精度万用表实时读取固定压力下的输出电压。

图10 气密性测试系统

本次气密性测试实验压力量程为2.0 MPa，供电电压为5 V，测试给予不同的固定压力值0.5，1，1.5 MPa，进行3次不同压力下的测量，每间隔30 s进行一次读数，记录输出电压的变化趋势。如图11所示为气密性测试结果，在固定的压力条件下电压的输出稳定，证明芯片的气密性良好。

图11 常温下气密性测试结果

3.3 传感器整体性能测试

本次整体性能测试为常温压力测试实验，测试压力量程为1.6 MPa，每间隔100 kPa进行一次数据记录，并进行3次相同的正反行程的测量，将所得数据进行处理，可得到传感器的常温性能测试结果，经计算可得传感器的灵敏度为8.69 mV/100 kPa，其非线性误差、迟滞重复性等均小于0.39 %FS，表明该传感器在常温环境下性能良好。如图12所示。

图12 常温下传感器性能测试结果

4 结 论

本文基于SOI压阻式压力传感器，设计了一种无引线倒装式封装的封装结构。并通过芯片加工及实验测试验证了其封装的可行性。根据测试结果，封装后的芯片具有较好的气密性及电连接性，传感器整体性能测试稳定，具有较好的线性度和重复性，新的封装结构工艺简单且能实现圆

片级封装，有望应用到实际工程中。