一种SiC高温压力传感器及其封装方法与流程

本发明属于半导体领域，涉及一种半导体压力传感器，特别是涉及一种sic高温压力传感器及其封装方法，适用于500℃以上的压力测量。

背景技术：

高温压力传感器在航空航天发动机、重型燃气机轮和现代化武器装备系统等领域有着广泛的应用需求。由于测量环境的特殊性，要求传感器封装结构能够耐受500℃以上的高温介质环境。传统的si压力传感器、蓝宝石压力传感器由于芯片材料及封装工艺的限制，在500℃高温下难以保证高性能的工作，而sic材料属于宽禁带半导体具有很高的机械强度、高的热传导率、高熔点、抗腐蚀，所以在以上领域有很大的潜在市场。

根据现有文献及专利调研，其中设计的大部分sic高温压力传感器内部mems芯片都不是采用自密封腔体。无论是表压或绝压结构的mems芯片，都是利用干法刻蚀制备的开放式腔体，制备传感器所需的密封腔体都须利用耐高温胶水或者焊接技术进行二次密封处理；根据现有技术，焊接和胶水固化的温度都比较高；用于贴合芯片的衬底材料也需要严格筛选，以满足芯片膨胀系数及导热性的需求。以上特点给后续传感器的封装工艺加大了很大的难度，对传感器产业化后的成品率也构成了潜在的威胁。

根据专利调研，很多高温压力传感器内部芯片与外部管壳的封接都是利用热熔玻璃封接，热熔玻璃技术通常使用熔点在400℃左右的玻璃浆料作为粘接层。对于有效工作温度低于400℃的普通si、扩散硅及蓝宝石传感器来说，应用热熔玻璃的封接工艺从成本上有一定优势。但对于工作温度大于500℃的高温压力传感器，显然热熔玻璃的熔点以及导热性都难以满足传感器的环境要求。

根据现有文献与专利，许多人提出在sic传感器的封装中采用大尺寸的全aln管壳用于封装的基体材料，起到给芯片散热和热膨胀匹配的作用。而aln的成型工艺较为困难，制备时须先将aln粉体压制成坯体，然后再将坯体高温烧制定型。aln成型工艺主要有干压成型、等静压成型、流延成型、注射成型，其中等静压成型、流延成型成本较低且能制备质量较好的aln坯体，但是难以制备结构复杂的模型，一般只能制作片状的材料；注射成型可以制作复杂的坯体，并兼顾较好的成型密度，但是需要制备复杂的成型模具，注塑装置，成本很高。按照大多数sic传感器专利中的设计，aln管壳厚度较厚，并且需要在aln壳体中制备通孔和导线柱，按照目前的工艺水平制作难度很大。一般的aln基片原料的厚度规格为0.2mm、0.3mm、0.38mm、0.5mm、0.735mm、1mm，所以供应商制作特定尺寸和复杂结构的aln基板需要特殊的原料定制，这无形中增大了生产周期，工艺难度的复杂程度也抬高了物料的成本。

市场上很多商用的高温压力传感器使用玻璃基材作为sicmems芯片与外界aln管壳连接的过渡层，连接采用高温烧结工艺，制作难度较大。另外高温封接玻璃热导率较差，如果在很高的温度条件下，传感器背侧的热电偶很难实时监测准确的温度，并利用外部电路对传感器做出及时的补偿。

高温压力传感器一般用在军事、航天及高温腔体等恶略环境中，而aln材料的硬度不高，在振动跌落等极端可靠性的测试中极易发生碎裂或粉化，另外aln外壳导电性不如金属外壳，不利于内部芯片做esd防护，抗电磁干扰能力较差，在军事及航天应用方面有长期可靠性的隐患。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种sic高温压力传感器及其封装方法，该封装结构紧凑、耐高温，导热性好，温度监测实时准确，成本较低，内部传感芯片采用自密封腔体可靠性较高，整个传感器加工简单，与现有to封装产业供应商的金属封装外壳制造技术兼容，可快速应用于产业化。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种sic高温压力传感器，其特征在于：包括sicmems芯片、aln载体、弹性金属膜、支撑管壳、导热基座和多根导电接线柱，所述导热基座安装在支撑管壳内，所述aln载体固定安装在导热基座上，所述sicmems芯片固定安装在aln载体上，所述弹性金属膜通过环形塞帽固定在sicmems芯片上方的支撑管壳上，通过弹性金属膜将sicmems芯片与待检测介质隔离开，所述导电接线柱从支撑管壳下端贯穿导热基座后与sicmems芯片的电极相连，且导电接线柱与导热基座之间设有绝缘层。

进一步地，所述支撑管壳为铝合金管壳，所述导热基座为铜合金基座，所述导电接线柱直接与sicmems芯片的电极相连或者通过设于铜合金基座上的焊盘做跳线与sicmems芯片的电极相连。

进一步地，所述弹性金属膜为顶部开口的圆柱形金属膜，所述圆柱形金属膜的外径与铝合金管壳上部内径匹配，圆柱形金属膜安装在铝合金管壳内后，通过环形塞帽进行固定。

进一步地，所述导热基座中部设有用于放置热电偶的测温孔。

进一步地，所述aln载体上表面设有预留sicmems芯片变形空间的凹槽。

进一步地，所述aln载体上表面的焊盘由下至上依次利用蒸镀工艺沉积ti、0.2和au制成。

进一步地，所述aln载体上表面的设有用于对sicmems芯片定位的标记点，所述标记点为依次沉积在aln载体上ti和pt制成。

进一步地，所述导电接线柱与铜合金基座之间利用耐高温玻璃或陶瓷材料做电隔离。

一种上述sic高温压力传感器封装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、制备sicmems芯片，所述sicmems芯片包括sic衬底、设于sic衬底上的检测电路和二氧化硅保护层，所述sic衬底的下底面设有通过sic外延层键合密封的自密封空腔；

步骤2、利用高温胶水或冲压焊接等封接工艺将导热基座与支撑管壳装配到一起；

步骤3、利用低温连接技术将aln载体粘接到导热基座中心位置；

步骤4、利用低温连接技术将sicmems芯片键合到aln导热载体上；

步骤5、通过金线键合将sicmems芯片的电极和导电接线柱电连通；

步骤6、将上述装配结构放入导热硅油中，利用环形塞帽将弹性金属膜压配到支撑管壳中，完成sic高温压力传感器封装。

一种用于上述sic高温压力传感器的sicmems芯片制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.1、在sic衬底上外延生长依次生长重掺p型和n型的sic形成外延层，用于制备检测电路；

步骤1.2、然后对sic衬底的底层进行干法刻蚀减薄，利用icp进行刻蚀，形成减薄空腔，使刻蚀后的减薄空腔与外延层之间的薄膜厚度为70-200μm；

步骤1.3、在一片绝缘硅片上层外延一层sic材料；

步骤1.4、对外延后的绝缘硅片和步骤2中的sic衬底的底层进行亲水性的处理，并利用等离子体进行表面激活，然后将外延后的绝缘硅片和步骤2中的sic衬底的底层叠加，之后进行加压高温退火，从而完成键合形成自密封空腔；

步骤1.5、利用boe溶液对键合后的绝缘硅片进行腐蚀，腐蚀掉绝缘硅片中的sio2层，从而对sic衬底减薄；

步骤1.6、在sic衬底的外延层上利用光刻和外延工艺制备检测电路，完成sicmems芯片制备。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明对sic高温压力传感器的内部封装结构进行了创新设计，弃用传统的全陶瓷壳体封装方案，采用铜合金材料作为芯片的封装外壳及主体支撑材料，铜合金外壳制作成本较低与现有封装壳体加工技术兼容，便于esd，散热性能优越，硬度较高，可靠性高。

(2)本发明保留了aln材料作为sic芯片的散热和应力缓冲层，aln载体尺寸(3×3×0.5mm³)比芯片尺寸(2.5×2.5×0.2mm³)略大，aln载体厚度选为供应商常用的来料尺寸1mm，节省了成本，相比于传统的耐高温封接玻璃过渡层，该设计降低了加工难度，缩短了生产周期，提高了导热效率。

(4)本发明传感器封装结构中的aln载体表面也沉积了四个焊盘，当芯片的电极与接线柱距离较远时，可利用aln载体表面的焊盘做跳线连接，减少金线长度，提高封装可靠性。

(5)本发明传感器封装结构中的aln载体表面也沉积了四个标记点，便于sicmems芯片自动贴片或手动贴片时标定位置。

(6)本发明中sic高温压力传感器封装金属壳体的背面保留了用于安置热电偶的测温孔，必要时可根据具体需要安放热电偶实时监测传感器温度。

该传感器内部芯片采用自密封结构、封装结构紧凑，便于自动化封装芯片、载体与封装外壳相当于金属连接，铜合金导热基座导热性不低于全陶瓷管壳封装，封装成本低廉，可在500℃以上高温条件下连续工作，可靠性高，封装外壳形式和aln尺寸与现有光通信下游供应商的技术相兼容，加工难度小，可迅速实现产业化。

附图说明

图1为本发明sic高温压力传感器的内部封装结构剖面图。

图2为本发明sic高温压力传感器的sicmems芯片俯视图。

图3为本发明aln载体俯视图。

图4为本发明aln载体剖视图。

图5为本发明sic高温压力传感器剖视分解示意图。

图6为本发明sic高温压力传感器三维分解示意图。

图7为本发明实施例步骤1.1中在sic衬底上外延生长外延层示意图。

图8为本发明实施例步骤1.2中在sic衬底的底层进行干法刻蚀减薄形成减薄空腔示意图。

图9为本发明实施例步骤1.3中在一片绝缘硅片上层外延一层sic材料示意图。

图10为本发明实施例步骤1.4中绝缘硅片的sic外延层和sic衬底键合示意图。

图11为本发明实施例步骤1.5中利用boe溶液对键合后的绝缘硅片中的sio2层腐蚀示意图。

图12为本发明制备好的sicmems芯片示意图。

图13为本发明导电接线柱与sicmems芯片连接关系示意图。

1-sicmems芯片，2-aln载体，3-环形塞帽，4-弹性金属膜，5-铝合金管壳，6-铜合金基座，7-测温孔，8-导电接线柱，9-金线，10-金属互连层，11-压阻条，12-电极，13-外延层，14-sic衬底，15-自密封空腔，16-腔体底面，17-sio2保护层，18-绝缘硅片，19-sic外延层，20-si层，21-sio2层，22-si层，23-键合界面，24-标记点，25-凹槽，26-焊盘，27-减薄空腔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1至图6及图13所示，一种sic高温压力传感器，包括sicmems芯片1、aln载体2、弹性金属膜4、铝合金管壳5、铜合金基座6和多根导电接线柱8，所述铜合金基座6安装在铝合金管壳5内，所述aln载体2固定安装在铜合金基座6上，所述sicmems芯片1固定安装在aln载体2上，所述弹性金属膜4安装在sicmems芯片1上方的铝合金管壳5上，通过弹性金属膜4将sicmems芯片1与待检测介质隔离开，所述导电接线柱8从铝合金管壳5贯穿过铜合金基座6后与sicmems芯片1的电极12相连，且导电接线柱8与铜合金基座6之间设有绝缘层。

封装过程中将aln载体2放置在铜合金基座6上，两者利用纳米银浆进行烧结固化，也可以利用耐高温导热银胶进行贴装，烧结温度小于120℃。之后再将sicmems芯片1贴装在aln载体2上，利用纳米银浆进行烧结粘贴，或者在aln载体22上沉积焊料层，将sicmems芯片1与焊料层做共晶焊接。sicmems芯片1贴装过程中，自动贴片机根据标记点24坐标确认贴片位置，需要指出的是本发明也可以手动贴片，只是贴片效率没有自动贴片高。贴片完成后，利用打线机通过金线9连接导电接线柱8顶部上层焊料层与aln载体2表面的焊盘26，最后用金线9将sicmems芯片1的电极12与aln载体2表面的焊盘26相连，如图13所示。

如图6所示，作为一种具体实施例，所述弹性金属膜4为顶部开口的礼帽状金属膜，所述礼帽状金属膜的外径与铝合金管壳5上部内径匹配，礼帽状金属膜安装在铝合金管壳5内后，通过环形塞帽3进行固定。

作为一种具体实施例，如图1、5所示，所述铜合金基座6中部设有用于放置热电偶的测温孔7，所述测温孔7贯穿铜合金基座6上下，这样便于在测温孔7内放置热电偶，监测sic高温压力传感器所处环境的温度，便于进行温度补偿。

作为一种具体实施例，如图3、4所示，所述aln载体2上表面设有预留sicmems芯片1变形的凹槽25，该凹槽25可以为方形也可以为圆形，凹槽25深度为0.3-1mm，本实施例中为0.5mm，通过该凹槽25为sicmems芯片1变形预留足够的空间，可以最大程度减小aln载体2对sicmems芯片1的影响，从而提高测量精度。

作为一种具体实施例，如图6所示，所述导电接线柱8一共有四根，所述铜合金基座6上设有四个对应的安装孔，安装孔的孔径大于导电接线柱8的直径，将导电接线柱8穿过安装孔后，在导电接线柱8与铜合金基座6之间利用耐高温玻璃或陶瓷材料做电隔离。所述导电接线柱8上顶端涂层采用铂金或金锡制备。所述导电接线柱8上顶端水平高度比sicmems芯片1高出0.2-2mm，用于摆放打线的线弧。

作为一种具体实施例，所述aln载体2上表面设有四个焊盘26，在aln载体2用于贴片面的四个角制备焊盘26，焊盘26由下至上依次利用蒸镀工艺沉积0.1μmti、0.2μmpt、2μmau。并在aln载体2用于贴片面相应位置制作标记点24，可用于自动贴片位置识别。所述标记点24由沉积材料在aln载体2由下至上沉积0.1μmti、0.2μmpt制成。所述aln载体2的厚度在0.38-1.0mm之间，本实施例中选用厚度为1mm，aln载体2的上表面的面积<3×3mm²，但是aln载体2的上表面面积比sicmems芯片1略大。所述aln载体2的热膨胀系数4.5×10^-6/℃与sic热膨胀系数匹配(25-1400℃平均热膨胀系数为4.5×10^-6/℃)。

一种sic高温压力传感器封装方法，包括以下步骤：

步骤1、制备sicmems芯片1，所述sicmems芯片1包括sic衬底14、设于sic衬底14上的检测电路和二氧化硅保护层，所述sic衬底14的下底面设有通过sic外延层键合密封的自密封空腔15；

步骤2、利用高温胶水或冲压焊接等封接工艺将铜合金基座6与铝合金管壳5装配在一起；

步骤3、利用低温连接技术将aln载体2粘接到铜合金基座6中心位置；

步骤4、利用低温连接技术将sicmems芯片1键合到aln导热载体上；

步骤5、通过金线9键合将sicmems芯片1的电极12和导电接线柱8电连通；

步骤6、将上述装配结构放入导热硅油中，利用环形塞帽3将弹性金属膜4压配到铝合金管壳5中，完成sic高温压力传感器封装，即可以在弹性金属膜4与sicmems芯片1之间填充导压硅油，当然不填充也可以。

上述sic高温压力传感器的sicmems芯片1制备方法，包括以下步骤：

步骤1.1、如图7所示，在sic衬底14上外延生长依次生长重掺p型和n型的sic形成外延层13，掺杂浓度在10exp19，外延层13厚度不超过100μm，用于制备检测电路(即惠斯通电桥检测电路)；

步骤1.2、如图8所示，然后对sic衬底14的底层进行干法刻蚀减薄，利用icp进行刻蚀，形成减薄空腔27，使刻蚀后的减薄空腔27与外延层13之间的薄膜厚度为70-200μm，一般不超过200μm，本实施例中该厚度为150μm；

步骤1.3、如图9所示，在一片绝缘硅片18(soiwafer，soiwafer从下至上依次为si层22、sio2层21和si层20)上层外延一层100nmsic材料(该sic材料层厚度不限于100nm，70-200nm均可)，形成sic外延层19；

步骤1.4、如图10所示，对外延后的绝缘硅片18的sic外延层19和步骤2中的sic衬底14的底层进行亲水性的处理，并利用等离子体进行表面激活，然后将绝缘硅片18的sic外延层19和步骤2中的sic衬底14的底层叠加，之后进行加压高温退火，退火温度在1300℃(该退火温度可以在1000-1500℃之间选择，1300℃仅为最佳实施例)，从而完成键合形成自密封空腔15；

步骤1.5、如图11所示，利用boe溶液对键合后的绝缘硅片18进行腐蚀，腐蚀掉绝缘硅片18中的sio2层21，只留下最上层sic和si层20，从而对sic衬底14减薄；

步骤1.6、如图12所示，在sic衬底14的外延层13上利用光刻和外延工艺依次制备压阻条11、欧姆接触层、金属互连层10、电极12及sio2保护层17，形成检测电路(即惠斯通电桥检测电路)，完成sicmems芯片1制备，需要指出的是该检测电路的制备采用现有技术中成熟技术，再次不再赘述，其具体采用哪种技术对本发明技术方案实施不构成影响。

需要指出的是本发明并不限于上述sicmems芯片1，该sicmems芯片1仅仅为实现本发明技术方案的一个案例，其他结构的sicmems芯片1也可以用于本发明的高温压力传感器的封装制备。

需要指出的是本发明导热基座不限于上述铜合金制成的基座，也可以选用其他导热性能好的材料制成。同样的支撑管壳也不限于上述铝合金管壳，可以选用其他强度和硬度高的管壳。

如图6所示，首先将铜合金通过铸造或机加工艺制备成导热基座需要的形状，并在导热基座上保留5个通孔，其中位于四周的四个通孔直径比导电接线柱8直径大1mm左右，用以填充封接玻璃或陶瓷材料。导热基座下层中心保留一个直径较大的通孔，用于放置热电偶。

本发明使用时，将铝合金管壳5上有环形塞帽3一端安装在待测介质里面，介质的压力作用在弹性金属膜4上，通过弹性金属膜4传递给sicmems芯片1，利用sicmems芯片1测量介质压力，当然还可以在铜合金基座6的测温孔7内放置热电偶，测量sicmems芯片1的温度，以便给予温度补偿，提高测量精度，还可以提前预警，防止传感器被超高温破坏。

将封装好的sic高温压力传感器放入温循箱做-40℃至500℃1000小时的温度循环，并进行24小时的双85测试。温循和双85结束后，对芯片表面形貌做观察，sicmems芯片1没有开裂及脱落。最后对封装好的sicmems芯片1进行剪切力测试，剪切力大于2kg。

以上所述，仅适用于本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。