[发明专利]一种碳化硅高温压力传感器的封装结构

说明书

一种碳化硅高温压力传感器封装结构，该封装结构分为三级，第一级封装包括碳化硅芯片、耐高温陶瓷基座和耐高温导线，基座与芯片连接处通过玻璃粉进行烧结，芯片与导线连接处通过导电浆料烧结。第二级封装包括第一级整体封装、衬套和外壳；基座与衬套连接处通过金属化焊接方式封装，衬套与外壳连接处通过激光焊接方式封装。第三级封装包含第二级整体封装、温度传感器、玻璃纤维管和尾盖等部件；温度传感器和尾盖通过高温无机胶连接。本发明通过采用三级封装结构、优选的封装材料与连接技术，能有效缓解碳化硅高温压力传感器在高温下工作的热应力，保证良好的耐高温性能、封装气密性及稳定的高温电气性能。

技术领域

本发明涉及一种碳化硅高温压力传感器封装结构，属于高温传感器设计与制造技术领域。

背景技术

碳化硅因其化学性质稳定、热膨胀系数小，常作为应用于高温恶劣条件下的半导体材料。

相关研究成果证明碳化硅电子器件不需要冷却可直接工作在600℃环境中。但碳化硅器件的应用受外部封装结构的影响，耐用可靠的封装结构可保证碳化硅器件在高温下发挥其特有的作用。

碳化硅高温压力传感器的传感机理基于半导体电阻的形变，电阻制作在利用微机械加工的悬空薄膜上，形变由薄膜上下的压力差产生，因此器件对于作用在薄膜上的外力非常敏感。碳化硅芯片与基底通过键合或者粘合的方式封接在一起，基底上的腔室为芯片敏感薄膜提供变形的空间。碳化硅器件高温工作时主要受热机械应力的影响，由芯片粘合结构中的芯片材料(如碳化硅)、基底材料与粘合材料的热膨胀系数不匹配而引起，热应力可能会导致传感器在热环境下产生热温度漂移，影响传感器的精度，在极端情况下，还会对芯片粘合结构造成永久的机械损伤。因此，在高温条件下，碳化硅器件封装结构需有良好的耐高温性能、相互匹配的热膨胀系数、化学性质稳定的封装材料，除此之外，还要能够实现耐高温电气互连，保证足够的封装强度和良好的气密性。

国外相关研究采用芯片直接粘合技术(direct chip attachment，DCA)。封装基体材料选择氮化铝，引线选择铂线，粘接材料选择高温熔封玻璃。在这种形式的封装中，不再使用引线键合引出信号，而是将铂丝固定直接与芯片上的金属层相接触，避免了引线键合中触点失效的问题。另外，传感器C型敏感膜的背面与高温介质接触，保护敏感压阻、欧姆接触等不直接承受高温介质的冲击，能有效提高传感器寿命。DCA封装技术能够解决耐高温引线互连的难题，但是高温传感器封装气密性问题仍未得到很好的解决。因为大多数高温密封胶无法承受高温，因而对封装中的耐高温性能、封装强度以及气密性提出了挑战。由于碳化硅以及氮化铝材料具有很强的化学惰性，通常的玻璃粉与碳化硅以及氮化铝的浸润性不好，难以实现高强度的封装。同时由于两种材料较低的热膨胀系数，因而限制了玻璃粉的选择，通常玻璃粉的热膨胀系数越低则烧结温度越高，大多数与碳化硅以及氮化铝热膨胀系数接近的玻璃粉，其烧结温度多在800～1200℃左右，过高的烧结温度会导致碳化硅芯片在封装中的失效。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有DCA封装技术在耐高温、气密性方面的不足和缺陷,提出一种碳化硅高温压力传感器的低封装应力、耐高温、气密性及有稳定电气性能封装结构。

本发明采用技术方案如下：

一种碳化硅高温压力传感器封装结构，其特征在于，所述封装结构包括三级封装，第一级封装包括碳化硅芯片、耐高温陶瓷基座和耐高温导线；基座与芯片连接处通过玻璃粉进行烧结；芯片与导线连接处通过导电浆料烧结；第二级封装包括第一级整体封装、耐高温衬套和耐高温金属外壳；基座与衬套连接处通过金属化焊接方式封装，衬套与外壳连接处通过激光焊接的方式封装；第三级封装包括第二级整体封装、紧定螺钉、尾盖、顶盖、温度传感器、玻璃纤维管以及温度传感器与尾盖连接处。

优选地，所述玻璃粉的热膨胀系数为3.0×10^-6/℃至5.2×10^-6/℃，耐高温至少为400℃，烧结温度为450℃至1000℃。