一种高稳定谐振芯片封装技术研究

于 洋，孙 权，孟宪宁，李修钰，张 强，刘 旭

(中国电子科技集团公司 第四十九研究所，哈尔滨 150028)

谐振芯片的封装是整个谐振式传感器制作过程中最关键的环节之一，封装质量对传感器的性能有直接的影响，其中一个重要的问题是谐振芯片与封装管座的热膨胀系数不匹配。

由于硅材料与金属管座之间的热膨胀系数不匹配，当环境温度发生改变时导致谐振芯片上的敏感薄膜发生变形，从而使谐振芯片的本征频率发生变化，导致传感器的温度漂移[1-8]。为了解决该问题，采用隔离层技术，减小因热膨胀系数不匹配而产生的预应力影响。

目前，通常采用二氧化硅等材料作为隔离层，其热膨胀系数与硅相同，可在谐振芯片和管座之间起到缓冲作用，当温度变化时引起的预应力较小。通过ANSYS仿真，比较了不同隔离层厚度对应力隔离的影响，并通过试验进行对比分析。

1 传感器工作原理及试验方法

采用的谐振式传感器芯片结构如图1所示。以静电激励/压阻检测为工作方式，采用三层硅结构。力敏电阻在芯片内部联成惠斯通电桥，压力敏感膜片与测量介质接触，在外界压力作用下，压力敏感膜片产生变形并传递到谐振子，引起振动频率的变化，实现压力测量。

图1 谐振式传感器结构图Fig.1 Sketch map of the resonant sensor

当传感器受到应力作用时，敏感膜片产生的变形会向谐振梁传递轴向力。

假设谐振敏感元件沿着X轴设置在[X1,X2]上，由压力p引起的梁谐振敏感元件的初始应力为[8]：

(1)

(2)

(3)

式中：σ0表示梁所受到的轴线方向应力(Pa)；u1、u2表示梁在其两个端点X1和X2处的轴线方向位移(m)；X1、X2为梁在方平膜片的直角坐标系中的坐标值；L表示梁的长度(m)，且有L=X2-X1。

两端固支梁的一阶固有频率为：

(4)

(5)

(6)

式中，ρm表示梁材料的密度(kg/m3)；h表示梁的厚度(m)。

敏感膜上力的变化会引起谐振结构谐振频率的变化。封装过程中，如果采用芯片直接和金属管座粘接的方法，当温度变化时，两者的热膨胀系数相差很大，会在敏感膜上引起预应力，从而导致谐振芯片的固有频率发生变化，导致温度漂移的产生。

为了减小预应力，采用隔离层技术，在芯片和金属管座之间增加一层隔离层，减小热应力的产生。

2 ANSYS仿真分析

采用ANSYS软件，对谐振式芯片的封装结构进行仿真，分析其在不同隔离层厚度的情况下受温度影响后的应力变化情况，仿真模型如图2所示：

图2 仿真模型结构图Fig.2 Structure of simulation model

该仿真结构包括3种材料：上层是硅材料，中间隔离层采用硼硅玻璃，管座采用钢材料。

图3给出了仿真结构的截面图。谐振芯片是C型硅杯结构，与管座之间通过隔离层过渡。

图3 仿真结构截面图Fig.3 Section of simulation structure

上述3种材料的热膨胀系数如表1所示：

表1 热膨胀系数Tab.1 Coefficient of thermal expansion

对该结构施加温度载荷，温度为80℃，仿真敏感膜上的应力变化，当没有隔离层时，仿真结果如图4所示：

图4 没有隔离层的仿真结果Fig.4 Simulation results without isolation layer

可以看出，在没有制作隔离层时，由于热膨胀系数不匹配，敏感膜上产生的应力最大值为72.3 MPa。

当隔离层厚度为2 mm时，仿真结果如图5所示：

图5 有隔离层的仿真结果Fig.5 Simulation results with isolation layer

可以看出，在隔离层的厚度为2 mm时，敏感膜上产生的应力最大值为22.5 MPa。

从仿真结果可以看出，增加了隔离层之后，减小了由于热膨胀系数不匹配产生的预应力。

采用ANSYS响应面方法进行DOE分析，分析不同厚度隔离层的影响，设置过程如图6所示，仿真结果如图7所示：

图7中，纵轴是产生的应力值，横轴是隔离层的厚度，可以看出，随着隔离层厚度的增加，温度变化引起的预应力越小，谐振芯片的热稳定性就越好。

随着玻璃片厚度的增加，划片等工艺的加工难度会随之增加，综合各种因素考虑，采用隔离层厚度为2 mm和4 mm，分别设计谐振芯片的封装结构。

图6 DOE仿真Fig.6 Simulation of DOE

图7 不同隔离层厚度的影响Fig.7 Influence of different thickness of isolation layer

3 芯片制作及实验标定结果

通过静电键合工艺，将器件层和隔离层键合在一起，这种键合温度低、键合界面稳定、长期稳定性好，图8为键合后的芯片。

图8 谐振芯片Fig.8 Photo of resonant chip

将键合完成的芯片粘接在封装管座上进行封装，完成的封装结构如图9所示：

对封装后的谐振芯片进行实验标定，在不同的温度下标定其静态特性。图10为实验用的高低温试验箱和压力控制器。

图9 封装后的谐振芯片Fig.9 Resonant chip after packaging

图10 实验仪器Fig.10 Experimental instrument

为了比较不同隔离层厚度的影响，设计制造了两种隔离层厚度的芯片封装形式：一种隔离层厚度为2 mm，另一种为4 mm。

表2为隔离层厚度2 mm封装结构芯片的实验结果，表3为隔离层厚度4 mm封装结构芯片的实验结果。

表2 隔离层厚度2 mm的芯片实验结果Tab.2 Experimental results of chip with isolation layer thickness of 2 mm

表3 隔离层厚度4 mm的芯片实验结果Tab.3 Experimental results of chip with isolation layer thickness of 4 mm

通过实验数据，计算谐振芯片的精度如表4所示。可以看出，当温度从-40℃变化到80℃时，2 mm隔离层厚度封装的芯片的精度漂移为0.55%·℃-1，4 mm隔离层厚度封装的芯片的精度漂移为0.14%·℃-1，证明隔离层厚度越厚精度的漂移越小，实验结果与仿真结果一致。

表4 不同温度下的精度Tab.4 Accuracy at different temperatures

4 结论

采用隔离层技术进行谐振芯片的封装设计，通过ANSYS软件，仿真隔离层对预应力的影响，并制作不同隔离层厚度的样品进行实验验证。结果表明，当温度从-40℃变化到80℃时，2 mm隔离层厚度封装的芯片的精度漂移为0.55%·℃-1，4 mm隔离层厚度封装的芯片的精度漂移为0.14%·℃-1。

通过实验证明，隔离层可有效减小热膨胀系数不匹配造成的预应力影响，减小谐振芯片的温度漂移，且隔离层越厚，效果越明显。