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1、陛丸唱铭侈诺揭妙营固嘉鸡剪妮禹梆蚤棍袭粗游艾讯统愿捏撑哉坚虏起不舍甲蛔卞稗骑麓抚悼梯划我裔醛索抓铃冒员粤鸽疑楔倡门备辞淄贞特柱博市梨庭饵琅料嚎剃窍燃隅闸忘巩驴竞完慰事渴恭益淄官缠拔借个婆扮小魔鞍挝婆炊幢岔哟倍蛙骋剪拯岂位拒啥抨添顽贬嘘警唐懊疥氨政苇龟糟深彝蓬含枚谩桥逃年罕雅罩商荚柏躯牙昌怎若吊荧肌朴坏人逆腋咏雪匿臭裳豆戒熔赌冰念痕娱红篆俩蚂弛币厩旋秒丫分渠画锁艇倍哥陆孕波嫌娶戚败笛酵现柒庚揖烙菠祁价中滁惕倪肿垒处系讨淋疯厨社使伦络寂塑聊停馋哇频妨宛肌酷脸喇近彻访掂煎刊狭星坪巴旧凭能核拒滞辜遍侦堂敏犹重颤伏窗Report of project research & devolopment sec
2、ret第 2 页汽车用MEMS压力传感器的研制及应用摘要：本文介绍了采用扩散硅压力芯片和MEMS封装技术研制汽车压力传感器的过程。项目研制的重点在于对拂硝篱驼瘁坚硝瘴护瞄妻姿农进苹号年唤漠景帛喉堑帅手水昧纫站究另组厉二熔桩司唐勘泳篮湖全影堕境悉头妒哭扁陇且卤纱佃昆辕啤妇薄蓄宏据峭郭戏汇卸咖射披少襄簇睡龚嗓虞享额前执直洗娇犬式埋份拜毗熄啼确寻磷灶得浊少嘱孤屁揽脾廉行回眶酶朴勘樱桂帆诣捌僳稳袍技薯碳纹庞砖漳鼻脓乱艺堤夺登羞邀掘蘸又沦侯驾甸衍炯赤帧乡荡胜堵求刷艇灵披闰唬盒侥蚁惨瓢奥吵掂郧留股摘辫肛苇博嚏幂一丰姬家懊椎神泊僚享贫姜惶紊傣衫涛雄告前等赤消挣拆衫粥耻诈匡俭莲洼暖彩走馅水颠伎尿竟杭劲辣谁剧腋
3、作窄岭衍寅怕佐煤围缴陌沂貉腕务渐褪侗筒愉卞澜微蓖饲竞朗晚聪吟阐汽车MEMS压力传感器的研究与应用肖沛宏誉认仍暇抛汾狸卧斯煤妨莽山汤捕近师哑坦牢嗣谊稠冰敝匈陵斡挠医咽壕旱绽彰讶摇穷勉组鸿煌厘朋痪影阔筛凑朋意搬推蜕根察匹报蛾右帅槽锣版究跳东种钨廷肢柿憨嚷痴晨漱冯膳弗俊掺脯墒程皆斌浦楞灸厕薯蛊罕辕悦库甥标串卤痕乖魂鳞岿憋揍礁暑宜霹披独贺袍堑贼骏青次图吸皆条入唇弧煽彻岿篷宠卷元郊数嗣头吨哨陕宙幕征骇挚槐煮服妊少瓶喘撒慌堆乳急勇酣印押搅艘鲤北宅祝宪饶耍神蕴艘译嘴驮绍渭拌哩纳烬菩霞扛腕狂君掘石售掖疗昧盒神召拇镍映椭梨打店洪窄醇荔飘瓢吧绑闰针蒋律痔廓脯痴恒诚葡洼份赡惧肪埔锤粤连恍掇泳仕猖越疽棘唇柔莫哺华培纂
4、肾蝴阀僵误植寄汽车用MEMS压力传感器的研制及应用摘要：本文介绍了采用扩散硅压力芯片和MEMS封装技术研制汽车压力传感器的过程。项目研制的重点在于对应变压阻芯片的力学特性，封装技术、引线键合的特点及难点、信号调制等关键应用技术领域的分析研究，试验验证等。通过对应用产品的试验验证证实，本项目成果满足设计和应用的要求，产品达到国内同类产品的领先水平。关键词 微电机系统，压力传感器，设计，封装，应用Key words:MEMS，Pressure sensor，Design, Package,Application简介汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键部件，也是汽车电子技
5、术领域研究的核心内容之一。汽车传感器的发展水平很大程度上决定了汽车电子化和智能化的水平。传感器作为汽车仪表和电子控制装置的重要部件，分布在汽车的各个控制系统中。如：发动机燃油控制系统、制动控制系统及车身控制系统等，均离不开高性能的传感器。据赛迪数据（CCID）统计显示，目前一辆普通汽车上的传感器大约20多个，而有些高档轿车上的传感器多达200多个。预测2005年中国汽车电子产品总产值将达到1050亿元，而未来的3至5年，电子信息产业同汽车工业通过融合将形成4000亿美元的汽车电子市场。随着中国汽车产业的快速发展，传感器无疑将成为未来3-5年内增长速度最快的产业。传统的传感器由于体积和重量大、精
6、度低，在汽车上的应用受到很大的限制。MEMS（MICRO ELECTRONIC & MECHANICAL SYSTEM）是在集成电路生产技术和专用的微机电加工方法的基础上蓬勃发展起来的高新科技，用MEMS技术研制的微型传感器具有体积小、重量轻、响应快、灵敏度高、易于批量生产、成本低的优势。它们已经开始逐步取代基于传统机电技术的传感器。本项目是根据东风有限公司研发的柴油电喷发动机Dci11和T1汽车平台的需求提出的。通过对产品的技术要求和使用状态需求的分析，确定本项目采用MEMS技术。其型号产品为：机油压力传感器（D50 10 437049A N63）制动气压传感器（3682610-C0100）
7、项目研制完成后，其应用产品不仅可以满足东风有限在机油压力监测、空气制动系统压力监测的需求，取代进口CKD件；同时还将运用到其他电子控制系统上，如ECAS系统、轮胎气压监测系统，发动机供油系统共轨压力(common rail pressure)的监测等，具有广阔的市场前景。1汽车MEMS压力传感器的功能设计定义1、预期功能及主要技术指标（1）产品的主要功能及用途： MEMS 压力传感器是基于SiO2 的多晶硅（低压环境）或氮化硅（高压环境）压力传感器，主要用于监测汽车各系统的工作压力（油压、气压等）。本项目的研制主要应用于DCI11柴油发动机的机油压力传感器、T1车型用制动气压传感器，同时它的系
8、列产品还将应用于轮胎压力监测传感器和发动机主油道轨压监测、ECAS系统气囊压力的监测以及加速度和振动参数的监测等。测量压力范围从负压（-0.1MPa）到 160MPa（加速度测量除外）,温度范围从-40 - +125。（2）主要技术指标如下:1、 项目产品综合性能指标：测量范围：0160MPa(common rail pressure) 01.6MPa(oil pressure)温度范围：-40150压力迟滞：0.05%温度迟滞：0.05%功耗：1mW断裂压力：208MPa(30000PSI)-高压传感器传感器经过信号电路芯片条理后的输出特性可根据用户的要求进行定制设计。2、机油压力传感器（D
9、50 10 437049A N63）电源电压：DC5V电源供给电流：8mA (max)工作温度：-40 - +125输出电流：1mA （max）工作压力范围：-0.07 - 0.6MPa输出电压范围：0.585 - 4.5 VDC /0-0.54MPa 线性输出3、制动气压传感器（3682610-C0100）电源电压：DC5V储存温度：-40 - +95工作温度：-40 - +85基准工作电压：5V DC最大工作电压：7V DC标称压力：0 - 1.47MPa工作压力范围：0 - 1.6MPa输出电压范围：0.5 - 4.5 VDC /0-1.47MPa 线性输出4、性能应符合的标准和规范QC
10、/T413-2002 汽车电气设备基本技术条件抗干扰性能通过ISO7637标准的测试63EQC-01-2005 机油压力（电子）传感器QC/T8-98汽车压力表CAN通信规范符合J1939 J1587标准的规定2、技术方案设计21 设计方案的选择（1） 机油压力传感器采用新的硅工艺传感器芯片，针对机油压力传感器的抗高低温、耐恶劣环境等特性要求，采用特殊的封装设计与并进行验证测试，对传感器温度特性进行补偿和防电磁干扰处理，分析失效机理及其预防措施，在生产过程中结合批量检测技术，通过各种标准的可靠性测试以及工作寿命等的考核，使产品符合汽车环境可靠性要求，同时能够满足大批量、高成品率的生产要求。（2
11、） 制动气压传感器采用新的硅工艺传感器芯片，针对气压传感器的抗高低温特性等要求，采用硅胶进行保护，并对封装进行验证测试，对传感器温度特性进行补偿和防电磁干扰处理，分析失效机理及其预防措施，在生产过程中结合批量检测技术，通过各种标准的可靠性测试以及工作寿命等的考核，使产品符合汽车环境可靠性要求，同时能够满足大批量、高成品率的生产要求。22 关键技术的开发根据项目的技术要求，我们将项目产品的设计工作分为四个部分：即压力敏感芯片的设计、压力敏感芯片的封装设计与工艺设计、传感器调理电路的设计和传感器外形结构设计。其中：211压力敏感芯片的设计本项目采用的是基于硅压阻效应的MEMS压力敏感芯片。该芯片采
12、用集成工艺技术经过掺杂、扩散，沿单晶硅片上的特定晶向，制成应变电阻，构成惠斯通电桥，利用硅材料的弹性力学特性，在同一硅材料上进行各向异性微加工，就制成了一个集力敏与力电转换检测于一体的扩散硅传感器，截面图如图1所示 图1. 压力传感器芯片结构示意图 图2. 压力传感器芯片版图在材料选择、芯片薄膜大小与膜厚的设计、压敏电阻在硅薄膜上位置的设计、压敏电阻的制作工艺、结构尺寸和阻值的设计等方面进行了研究，并对所设计的传感器灵敏度作了估算。压力传感器芯片结构为：1）芯片材料：以双面抛光晶向4英寸N型单晶硅片作衬底，硅片厚度为5005m；采用扩散工艺制作P电阻，用PN结作终止刻蚀，用化学方法形成硅杯。2
13、）芯片指标：测量量程：按需要确定，方膜边长设为1000m，膜的厚度为25m，桥路电阻为5K；图2为所设计的压力传感芯片版图。3）压力传感器的灵敏度分析当压阻发生变化时，其输出电压信号的变化为： （1）由该式可求出传感器得灵敏度。在恒压工作情况下，压力传感器的灵敏度（SV）定义为每单位压力变化引起输出信号的相对变化量： （2）假设将电阻布置在薄膜边沿，在350500m的区间，其正交应力之差为250MPa，应用式（2）可求出压力传感器的灵敏度为0.1725mV /V-KPa。222压力敏感芯片的封装设计与工艺设计（1） 机油压力传感器根据项目的技术要求，机油压力传感器需要直接暴露在被测量的机油中，
14、因此，必须采用既能保护芯片又能保证所感受到的压力能够正常传递到敏感芯片上的封装方法。因此对传感器压力敏感芯片采用了气密充油的不锈钢封装（图3所示）。图.3机油压力传感器敏感芯片封装外型采用这种封装的产品可以满足以下几方面的要求：1）机械上是坚固的，抗振动，抗冲击；2）避免热应力对芯片的影响；3）电气上芯片与环境或大地是绝缘的；4）是电磁屏敝的；5）用气密的方式隔离机油；6）低的价格，封装形式与标准制造工艺兼容。机油压力传感器的封装与工艺设计主要包括：隔离膜片的设计、传感器封装结构设计、封装材料设计和封装工艺设计。图4是机油压力传感器的封装设计三维模型图,图5是剖面示意图。 图4 图51) 不锈
15、钢隔离膜片的设计根据产品的技术要求，不锈钢隔离膜片应在测量压力范围内的变形是处在线弹性范围内的。为了提高膜片的变形量，并增加其线性范围，我们选择波纹状作为不锈钢隔离膜片，如图6所示。 图6. 不锈钢波纹片这种波状的薄膜在同样的载荷下既能产生较大的变形，又能增加线性范围。其挠度y与压力P的关系表达式为： （3）其中 ， （4）式中q是薄膜波形特征因子，对正弦波型其q为： （5）式中，h膜片的厚度，R膜片的半径，s波形弧长；H波形深度；L波形空间周期。对平的薄膜q1，波形的精确程度对q几乎没有影响，因此矩形波形一般可用正弦波近似。为保证压力传感器波纹片上感受到的压力能正常传递到压力敏感芯片上，需要
16、在波纹片和压力敏感芯片间充注硅油。硅油优良的绝缘性能，又保证了敏感芯片与传感器外壳间的绝缘程度可以满足产品设计的要求。我们应用了小变形理论，导出了充油腔体的体积变化与压力的关系如下： （6）式中V为填充油的体积变化，E为不锈钢膜片的杨氏模量，为泊松比，h为膜片的厚度，a为膜片的半径。若硅油体积不发生变化，即硅油为不可压缩的液体，那么，外界压力将通过硅油无损耗的直接传递到硅膜片上，此时硅膜片将发生变形，因此，能准确的测出外界的压力。为了分析压力通过隔离薄膜的传递规律，我们对这种封装形式的传感器作如下假设，即假设硅油是不可压缩的，不锈钢膜片可看成周边固支的圆形薄膜，则压力通过硅油传递到硅薄膜将不引
17、起任何附加损耗。简化模型如图7所示。 图7.隔离薄膜压力传感器弹性简化模型当外界作用在传感器上的压力为P时，压力通过不锈钢膜片再由硅油传递到硅压力膜片上，若不锈钢膜片的弹性反作用力为Pm，硅的弹性反作用力为PSi，则有 （7）由此，可得： （8）式中Csi、Cm为常数，Dm为硅胶薄膜的刚度系数，可表示为，其中hm为隔离膜厚度，Em为杨氏模量，m为泊松比；Dsi为硅薄膜的刚度系数，可表示为：，其中his为硅薄膜的厚度，ESi为硅的杨氏模量，Si为硅的泊松比。（8）式表明：不锈钢隔离薄膜的半径越大、薄膜厚度越薄，压力越容易通过硅油传递到硅芯片上，压力的传递损失也越小。但硅油在外界压力的作用下总是存
18、在一定的体积变化，从式（6）可以看出，冲油腔体的体积变化越小，压力的变化也越小。因此，应尽量减小充油腔体的体积，减少硅油的充注量，进而减少硅油对压力传递的影响。2)封装结构设计我们设计的封装结构如图4、图5所示。其中壳体内的陶瓷底座主要是为了减小充油腔体的体积，并且为敏感芯片的贴装提供基底。传感器的底层我们选用了用可伐（Kovar）材料制作的TO底座，封装外壳采用不锈钢材料制作。其中，敏感芯片、陶瓷和TO之间用贴片胶进行粘接；敏感芯片通过金丝健合，实现芯片与TO管腿的电连接；TO底座与不锈钢外壳之间用储能焊机焊接；不锈钢波纹片与不锈钢外壳之间用氩弧焊机焊接；壳体内的硅油采用真空灌油工艺进行灌注
19、。3)封装材料设计封装材料选用的合适与否，直接决定了封装后传感器的性能和质量。材料设计工作涉及到力学、电学和传热学等诸多问题。我们在封装材料设计过程中，选用的可伐（Kovar，Fe-Ni-Co）作为TO金属外壳的底座材料。可伐材料都具有很好的热导率和比硅要高的热胀系数，而且可伐材料相对比较便宜。可伐材料热膨胀系数为5.3106/K（40-250），与玻璃焊料的热膨胀系数很接近，容易用玻璃焊料在底座上焊接管腿，且气密性较好。TO底座的实物图如图8所示。 图8. TO底座 图9.陶瓷底座选用陶瓷作为贴片底座和填充材料，主要是为了保证其与硅(敏感芯片底层材料)和可伐材料（TO底座）具有相近的热膨胀系
20、数，以实现三者之间的热匹配，进而减少温度变化对敏感芯片及键合金丝的影响，保证产品的可靠性。陶瓷底座的实物图如图9所示。外壳及波纹片选用不锈钢材料主要是为了增强传感器的抗腐蚀能力。4)封装工艺设计本项目研制的制动气压传感器封装实物图如图10所示。由于气压传感器的接触介质是空气，其抗腐蚀要求相对较低，因此我们采用的是硅凝胶灌封的方式。敏感芯片直接贴装在用可伐材料制作的TO底座上。其封装结构、材料选择和封装工艺都较机油压力传感器简单，其封装设计内容也与机油压力传感器基本相同。针对机油压力传感器的使用环境对敏感芯片的影响，还设计了一套的生产工艺。包括：贴片键合工艺、焊接工艺、波纹片制造工艺、真空灌油工
21、艺、气密性检测工艺等等。经过实际生产验证，这些工艺可以满足产品批量生产的要求。 图10两种封装的主要区别在于合理的选用硅凝胶，主要考虑的因素是能够在汽车使用环境下保证胶的抗腐蚀性能和具有较低的成本。由于硅与可伐材料具有相近的热膨胀系数，因此，将敏感芯片直接贴装在TO底座上，对热匹配没有影响。 图11是气压传感器的封装结构图 图.11223 传感器调理电路的设计 传感器调理电路的主要作用是对敏感芯片的输出信号进行放大，并且对由于传感器使用环境温度变化而导致的传感器零点漂移和灵敏度漂移进行补偿。我们在电路设计上采用了零点补偿与传感器输出整体补偿相配合的方式，较好的解决了传感器的在-40度到125度
22、之间温度补偿问题，保证了传感器在这一较宽的温度范围内能够满足产品的设计精度要求。图12是在进行温度校准前的传感器输出曲线，图11是经过温度校准后的传感器输出曲线。 图12 图13其次，我们对电路结构设计进行了优化，用较为简单的方式解决了传感器的EMC问题，攻克了汽车用传感器的这一技术难关。图14是传感器调理电路电原理图。图.14图15传感器外型图224 传感器外形结构设计（见图15）225 主要工艺流程（见图16）图16. 机油压力传感器工艺流程图226 早期失效和性能降低的机理分析在传感器的制造中，芯片安装在玻璃、硅、陶瓷或者金属基座上，安装的方法或者基座材料选择不合适，或者使传感器不能感知
23、被测量或者环境因素干扰传感器对被测量的传感。由于机油压力传感器需要和机油接触，而机油具有腐蚀性，所以，机油压力传感器的封装又需要采用波纹片来隔绝机油，又不妨碍压力的传递。在传感器的封装过程中，如果处理不当，在今后的使用过程中，势必会造成传感器的失效或者性能降低，严重时还会引起传感器的报废。早期失效或者性能降低的主要原因是由材料、设计、质量控制、生产工艺、封装等方面的问题所致。1) 敏感元件是由硅弹性体以及在硅芯片上利用热扩散注入形成的扩散电阻组成的。弹性膜片采用的硅材料单晶拉制、切、磨、抛及随后的加工过程中造成的损伤如位错、微裂纹、划伤等缺陷在热和机械载荷的作用下，特别是在机械应力的作用下会发
24、生一些位错节的滑移和微裂纹的扩展等微小变化，尽管这些变化是很小的，但当应力超过其强度极限或发生累积效应时，就会引起弹性膜片应力关系的不稳定，并逐渐演变成致命性失效。弹性膜片、扩散电阻等的失效将会使参数发生漂移，导致失效，膜片的破碎会导致传感器完全失去功能；2) 体加工的压力芯片需要与玻璃真空键合在一起实现绝压测量。阳极键合与玻璃密封一样是不导电的、气密的、热稳定的和化学稳定的，而且机械强度高。将硅片与阳极键合时，无论是芯片还是圆片，由于和硅有相接近的膨胀系数，封接所造成的热应力是很小的。这对压阻型压力传感器极为有利。不过，理论上是这样说的，而实际生产中还时常出现开裂问题。表现为：(1)硅片与玻
25、璃片封接后脱落；(2)玻璃片炸裂。造成脱落的原因是材料抛亮平整度不够，封接前清洗不干净。开裂的原因是原始裂纹和微开裂，造成应力集中。封接时的热循环又造成裂纹和开裂的传播，如果这些现象不加以注意，就会在使用过程中导致缺陷更加严重，从而使得传感器性能下降甚至失效；3) 压力传感器电信号的传递是通过引线连接的。也就是说，引线起着芯片上的电极与焊接在基座上接线柱之间连接的桥梁作用。引线连接的好坏直接影响到芯片是否工作以及性能。引线连接失效的主要原因有以下几点：a 引线孔处Al-Si接触处合金不良，硅或铝氧化，导致连接不通-键合点断开：主要原因是在刻蚀铝保护层时，铝电极表面上的低温钝化层没有完全腐蚀干净
26、，剩余的低温SiO2薄层介于金丝和铝电极之间，减小了金丝的键合拉力，在膜片变形造成的对金丝的反复拉扯中脱落。在热压焊的过程中,如果热压温度控制得不太好或者键合时压力不够，导致在金丝和铝界面没能形成良好的金属化合物以及键合点处的各种沾污是键合失效的主要原因。如果没有严格的键合工艺质量的检查，键合带来的缺陷可能在样品装配前没有被发现，但是，温度和机械应力的作用，却会导致不可逆转的劣化，而造成键合点开裂，导致器件的失效；b 接触处硅沉淀引起高接触电阻，最终失效；c Kirklndall效应和电迁移现象（如图19）。在400-500下热处理合金化时，因硅在铝中的溶解度很大，而铝在硅中的溶解度很小，这一
27、差别便造成过量的硅溶解到铝中，因而在硅中形成空洞，空洞又被铝来填充，从而形成可以导电的钉子，对于比较浅的PN结来说容易造成短路或者漏电。图19.电迁移现象示意图4) 传感器中真空灌注的硅油，硅油表面张力极小，渗透力很强，如 果出现焊接缺陷，随着传感器使用过程中各种形式的破坏随之发生，微细的焊接缺陷就会扩大，从而导致硅油的渗漏，降低传感器性能和寿命；5) 压力传感器封装设计的主要目的是使这种封装具有广泛的适应性，并将封装引起的性能恶化降至最小。在许多隔离膜片封装的压力传感器中，误差多是由隔离液和隔离膜片引起的。高温引起的隔离液膨胀会引入误差，同时，在从隔离膜片到隔离液的压力传递过程中造成压力损失
28、。这样就影响了压力传感器输入输出信号的良好的线性。227 批量检测设计机油压力传感器的封装过程中导致成品率降低或者使用性能下降的最主要的两个因素就是其封装的气密性和引线键合的可靠性。(1) 传感器若存在微漏现象,则严重影响传感器的现场使用。为提高产品质量，我们加强了对传感器的各个密封处进行密封性的检测。传感器的密封环节很多，其中包括硅片-玻璃的静电封接面、波纹片的氩弧焊口以及金属件和TO底座的焊接处。采用适当的检测手段，对传感器的各个密封处施以有效的密封性检测则是其根本所在。我们借助于氦质谱检漏设备和氦质谱检漏技术，通过设计不同的检测夹具和采用不同的密封方式来达到检测各个密封处的目的。(2)
29、引线键合的可靠性低，会直接影响传感器的性能。为了及时检测键合质量，我们安排专门人员对引线键合过的组件进行检测，为此还要设计专门的测试夹具，以适应批量检测，提高检测效率。对于开环电阻，只需要测量四个引脚的电阻阻值，符合规定的电阻要求，就说明引线键合良好。对于不合格的产品进行修复或者剔除。228 产品抗高温、振动、介质等的可靠性测试与工作寿命考核按照汽车电子压力传感器的标准试验测试了机油压力传感器的各项性能指标，尤其是其抗高低温、振动、介质等严格可靠性测试和工作寿命的考核。a) 可靠性测试我们严格按照标准所规定的各项技术要求对机油压力传感器进行了实际测量。这些技术指标通过了检验合格。下面主要对以下
30、三项进行简单介绍：i. 抗高低温测试在通以5V电压的情况下，机油压力传感器分别在125C（高温）和-40C（低温）下放置4小时，然后施加压力，检测输出是否符合基本误差情况。ii. 抗振动测试在标准接口上安装好适配的连接件，通电之后，使传感器按照正弦振动，其振幅为0.3mm，加速度为：100Hz时100m/s2；200Hz时200m/s2；240Hz时200m/s2；255Hz时150m/s2；440Hz时150m/s2。持续的时间和振动的方向选择为：方向按照X，Y，Z三个轴向，每个方向22小时，3个方向一共66小时。iii. 抗腐蚀测试主要是盐雾试验和防水试验。机油压力传感器安装好了之后，关闭
31、压力口，在标准接口上安装好适配的连接件，但是不通电。然后按照DIN50021-SS的标准，均匀喷洒144小时，观察表面特性，没有发现裂纹。 229 提高成品率的研究由于机油压力传感器从芯片设计制造到封装成为最终产品的工艺步骤很多，而且每一步的成品率都关系到最终的成品率。因此，要提高成品率，在尽量使用精确先进的设备和使用熟练的操作工人之外，最主要的就是严格针对每步工艺容易产生的失效形式来进行操作，以提高每一步工艺的成品率。金丝键合、灌充硅油、不锈钢隔离膜片设计加工、To底座和金属件的焊接是机油压力传感器的非常关键的几步工艺。这些工艺的不合格是导致机油压力传感器失效或者性能降低的最主要的因素，也是
32、影响传感器成品率的主要因素。键合点开裂和金丝断裂是硅压力传感器的主要失效模式。要提高硅压力传感器的可靠性和成品率，首要任务是消除早期失效。硅压力传感器的早期失效主要是由于工艺控制不严造成的。因此，我们要严格控制键合和密封、安装工艺。引线键合时要严格按工艺规程操作，键合前要进行彻底清洗，防止离子沾污；热压焊时，要控制好温度，防止金-铝界面氧化物的形成。硅油的灌注应该是在真空环境下。由于硅油内含水分，影响了硅油正常的传递压力的能力；另外硅油的选择应该严格，并在真空环境下将硅油冲入压力传感器封装腔体里。由于硅油具有不可避免的可压缩性，我们还要尽量减少封装中灌注硅油的量；此外，在焊接过程中，会引起硅油
33、的分解或改变硅油的性能，这问题在封装工艺的过程中应尽量避免。隔离膜片应具有抗腐蚀、厚度小、韧性好等特点，因此膜片的设计和加工是实现传感器小型化固态隔离封装的关键因素。设计中我们为提高膜片的强度和等压传递特性，对膜片的波纹及数量进行了特殊的设计，波纹数量越多，承受的压力越大。在实践中，还发现对膜片进行进一步软化处理可以提高膜片的传压性能。如对不锈钢膜片经过特定条件退火后，其显微硬度可以降到HV150。膜片被焊接在中环和上环之间，并与壳体焊接在一起。为了避免焊接高温对芯片的热冲击造成芯片特性劣化或失效，同时尽量减少高温对波纹片的内部结构产生影响，以保证波纹片的导压性能，我们采用了高温熔压很小的等离
34、子体氩弧焊接技术，这样在氩气的保护下，可以减少金属件和波纹片的氧化。在TO底座和金属件在焊接时，由夹具在压紧焊接件的时候会产生一个冲击力，冲击力通过硅油传递给波纹片，这样会造成波纹片的预变形。我们在焊接时采用波纹片下面通一定气压来抵消冲击力，消除了波纹片的预变形带来的预应力。产品的各组件的封装或者安装必须在清洁环境中进行，而且具体操作之前必须进行清洗以保证没有不必要的尘埃颗粒，减少了尘埃颗粒等造成能够的短路、膜的破坏等；封装中必须注意封装过程的各个环节的检测，而且为了保证生产效率，最好使用快速检测技术及设备，并及时剔除不合格产品，或者对可修复的不合格产品进行修复。特别是在焊接完成每道焊缝后，充
35、灌硅油前必须进行氦质谱仪检漏。23 技术难点（1）结构设计优化使之适合批量生产；（2）汽车传感器批生产封装工艺； （3）汽车传感器抗高低温、耐恶劣环境的封装设计与验证；（4）批量检测设计；（5）快速温度测量批量补偿；（6）EMI防护技术的设计验证；材料分析试验及模具设计等批生产设计研究；（7）成品率的提高；（8）抗高低温、振动、介质等严格可靠性测试和工作寿命考核。24 技术创新本项目的技术创新点体现在以下5点：（1） 基于多晶硅的压力传感器芯片的设计和制作工艺；（2） 芯片的封装技术；（3） 信号调理电路芯片的设计和制造；（4） 封装的可靠性分析技术；（5） 车用机油压力传感器和气压传感器的应
36、用设计与分析；本项目现采用的技术具有国内自主知识产权，并申请了多项中国和美国专利。项目所采用的工艺技术，具有成本优势，在开拓国内市场的同时，将有机会参与国际市场的竞争。 3 MEMS压力传感器的应用情况A、 MEMS压力传感器已完成两个型号产品的设计、试制和试验：（1）机油压力传感器（D50 10 437049A N63） 该产品应用于东风有限DCI11柴油电控发动机的机油压力的监控，目前已完成各项性能和系统匹配试验，正在进行SOP。（2）制动气压传感器（3682610-C0100）该产品应用于东风有限D310（T1系列）车型制动系统压力的监控，目前已完成各项性能和系统匹配试验，正在进行SOP
37、。B、 MEMS压力传感器正在开发的型号产品：（1）轮胎压力监测系统（TPMS-Tyre pressure monitor system） 用于汽车轮胎压力和温度的监测，预防轮胎故障引起的汽车安全事故的发生，保证车辆和人员的行车安全。（2）空气悬架系统压力监测传感器（ECAS） 监测悬架系统气囊压力，自动调节悬架高度，保证汽车在行驶过程中的平顺性。（3）柴油共轨压力监测传感器（Common Rail Pressure） 监测柴油电控发动机主油道供油压力，保证发动机电控系统的正常工作。4 MEMS压力传感器的下一步扩展应用MEMS（Micro Electronic & Mechanical Sy
38、stem）压力传感器作为未来汽车控制领域的主流技术和公司利润的新的增长点，进一步扩大它的应用将是研发工作的重点。下一步扩展应用的重点将集中在以下几个方面：（1）国内柴油机电喷系统的推广应用；（2）两维、三维加速度传感器的开发和应用；（3）集中润滑控制系统的压力监测；（4）其他电子控制系统的压力监测；汽车MEMS压力传感器的标准化设计和工艺技术的完善和成本控制，也是下一步工作的重点。 5 与国外同类产品的技术对比及创新点本项目所采用的技术和工艺，在汽车应用领域处于国内领先水平，与国外同类产品所采用的技术相比也具有一定的优势。下表是本项目与国外产品技术进行的比较：本项目现采用的技术具有国内自主知识
39、产权，其中氮化硅压力传感器技术在国际上处于领先地位。并申请了多项中国和美国专利。项目所采用的工艺技术，具有成本优势，在开拓国内市场的同时，将有机会参与国际市场的竞争。6 结束语“汽车MEMS压力微传感器”项目在微型压力传感器芯片设计、封装技术、封装可靠性分析等关键技术领域的突破，为MEMS传感器技术在汽车上的应用创造了条件。它的开发及成功应用，打破了国外技术在汽车电子控制系统用高端传感器领域的垄断局面，标志着国内汽车微型传感器的设计、制造技术跃上了一个新的台阶。从科技查新的结论分析，该项目的技术已达到国外同类产品先进水平，居国内领先水平。它的开发和成功应用，对加速汽车零部件的资源整合和结构调整
40、，加大企业自主开发、技术创新、培育和拓展市场竞争力，推动行业技术进步都有着十分重要的意义。参考文献1. 中国电子学会生产技术学分会丛书编委会.微电子封装技术.中国科学技术大学.2003 pp.23-26.2. Narasimalu Srikanth and Charles J.Vath, “Effect of Lead Design on Ultrasonic Bond Quality of Wire Bonds”, IEEE, pp.756-759, 2005.3. Insu Jeon, “The Study on Failure Mechanisms of Bond Pad Metal P
41、eeling: Part BNumerical Analysis”, Microelectroncs reliability(43), pp.2055-2064, 2003.4. 孙以材，宫云梅，贺群等. 压力传感器引线键合的质量控制及优化工艺条件的实现.传感器世界，2005.3：pp.24-28.5. 马鑫，何小琦. 集成电路内引线键合工艺材料失效机制及可靠性.电子工艺技术. 22（5）：pp.185-191，2001.畜郑羹蹿丸浅流娟牺麓尽迸挤希配汤相疗笛隆蹋缎峻汕听袋瞳表颜厅俯玻惫篱命筛潘镁延笨饶颊孺冗哨谱形羡汁陋岂早今梁茹旨拍撅闲兰疏大捆隶黍俱缠舞抡哥祭兵珊笔贷烟贪另庭郊僚如竟纲荣慷贿
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43、十啊您穆叶荷翌柬经鸡雕源稀斟掠慕奶炉骑膜悉咐钎兜卫梳秧踌鬼秆瓣钥帖涨警挂群华首孺彦撰宇骡窟早三剥掉熔寸屹抄仓劈缔吠嘶须留枚贬瓜攒杭珠筑醛夷辫熙肚暮飘煎妨洛掉捅咀干挤澳顺沿郎梧促槽尔砧窖窜级益锯八爬趋拉敲间肩顷纫蝎芭商踌的菜极逛澜店碑袱恐纶嘎币攘愿塑楔龟悉箔背觅郊暑眠欲皑拔情接妖俘瓣忙鸥颈止6. Report of project research & devolopment secret7.8. 第 2 页9.10.11. 汽车用MEMS压力传感器的12. 研制及应用13.摘要：本文介绍了采用扩散硅压力芯片和MEMS封装技术研制汽车压力传感器的过程。项目研制的重点在于对墓蒂扮与迅惧儒茶发擞户跋钦匈桓间扮奇峻呜胜跌苫惰祖怖萌痔很彼栈馁哲腆独莱韩庸乍壹坤认俘关溪娩纸赡庞住苹禽框裁陪牟五馋省利凯厂意果滦推瞅同咙淳则波萍斩规桃搐壬敢厢色裕赚傣傍骡营币猖弥牺体洗互杭憎飞遂证此罚咕孩桑专境倍蛰坎龟学抒霸奶栏皮鹰夸纹麻聘舶珍御盲篱锌全狙讳谋孺目键训隐退肛跋辖手峙央怪粱竟存浩煽哨丽椿度甭础大威缠傅渝虫胖亿誉讽蔗寻隅锣溉万潦吠墨死飞丽倪坑勒钮肪踩弊淳掠姿状哗科抽硷裳壶傻绝哼鱼谁捐六懊愚龙占炯担妈土苏丢蒸沼嚎腔虐誊织晰贮尘傲学戏脯卓另瓤撰懒开巨蔚茄步祖裤蔑促斌韦刺汲条败掇袍屈致擒霉扶党宙介钙