面向航空发动机高温测试环境中动态压力测试需求，利用有限元仿真分析软件从碳化硅高温压力传感器封装结构、高温密封方法设计及封装结构尺寸优化方面对碳化硅高温压力传感器封装进行了研究。封装设计层面，建立了倒装式传感器结构模型;为降低封装热应力的影响，采用厚度为0.3mm的玻璃密封层实现高温气密性，厚度为0.2mm、直径为6mm的无机胶粘合层实现芯片固定。性能指标层面，频响为1.78kHz，固有频率为55.31kHz，具有动态响应频率高特点，为进一步进行碳化硅高温压力传感器工艺制备提供了理论支撑。
关键词：碳化硅;高温压力传感器;仿真分析;封装设计;倒装式
论文《倒装式碳化硅高温动态压力传感器封装仿真研究》发表在《传感技术学报》，版权归《传感技术学报》所有。本文来自网络平台，仅供参考。
航空发动机内不稳定燃烧会产生脉动压力，对飞行器造成安全隐患，一般利用高温动态压力传感器对此情况进行监测。航空发动机燃烧室内脉动压力监测具有受感部位温度高、体积小的难题，部分区域内温度达到600℃~800℃[1]，已超过硅基压力传感器的耐温极限[2]。碳化硅材料具有宽禁带、高硬度等一系列优异特性[3]，已公开报道的碳化硅高温压力传感器耐温可达800℃[4]，近年来受到国内外研究团队的广泛研究[5-7]。
高温动态压力传感器性能主要受芯片、封装等多重因素的影响。碳化硅芯片设计层面脱胎于硅基芯片设计，已具有较深厚的研究基础，目前主要问题在于关键工艺的开发及标准化流程的应用[8]。碳化硅高温封装层面，目前已公开的文献研究内容较少，同时封装需要根据实际工况进行匹配设计，还存在较多待解决的问题。本文针对航空发动机燃烧室某区域600℃工况，对高温压力传感器在封装层面进行了设计、仿真与优化，为碳化硅高温动态压力传感器研制提供了一定基础理论支持。
1 传感器封装结构设计
1.1 传感器封装方法设计
受设计指标要求，传感器封装整体外径设计为8mm。压阻式高温压力传感器主要采用正装式和倒装式两种芯片封装方式。正装式封装工艺一般采用引线键合的方式形成芯片焊盘与封装管脚的互联，金线在600℃恶劣工况环境中会受到严重的氧化、冲击等影响，使得传感器使用寿命大幅度衰减[9]，因此本文的传感器芯体封装采用无引线倒装式结构。传感器封装结构设计及封装截面如图1(a)和图1(b)所示。
图1 传感器封装结构设计
(a)整体;(b)截面
高温引线柱插入填充有高温导电胶的芯片通孔内实现芯片焊盘表面电信号引出，芯片粘合层将芯片固定于陶瓷转接板表面实现芯片机械固定，带有直筒管腔的封帽通过激光焊接与不锈钢管座连接，实现芯片表面保护。
1.2 高温密封方法设计
高温压力传感器一般采用绝压形式以防止密封腔内气体热膨胀对测试造成影响，在压力作用下膜片两侧产生压力差使得压敏电阻值发生变化，进而引起输出电压变化。为保证传感器芯片绝压腔的气密性，需要采用高温密封工艺，目前在晶圆层面的方法主要包括SiC-SiC直接键合[10]及Au-Au键合等[11]。其中直接键合温度及时间条件已接近甚至超过碳化硅欧姆接触工艺条件，会严重影响传感器电连接可靠性。Au-Au键合具有低温键合优势，但对晶圆表面粗糙度、键合面积等条件有严格限制，与激光刻蚀等碳化硅部分工艺存在一定冲突，且金属与碳化硅热膨胀系数差距较大，会对键合面引入较大热应力，不利于传感器高温长期工作可靠性的保证。
相较晶圆级键合工艺，玻璃烧结密封具有如下优势[12]：①可根据所需的热膨胀系数、烧结温度等条件进行选择;②玻璃在高温下会发生软化，便于烧结工艺实现气密性;③材料成本较低。因此拟采用玻璃烧结密封方法实现芯片高温密封，玻璃密封芯片底面如图2(a)所示，碳化硅底板开出通孔，玻璃通过定制模具利用压片机完成塑型，暴露芯片焊盘以实现和封装结构电连接;玻璃密封芯片截面如图2(b)所示，绝压腔尺寸需要大于敏感膜片，以防止玻璃烧结中部分软化玻璃覆盖于膜片之上，影响敏感膜片力学性能。
图2 玻璃烧结密封芯片模型
(a)底面;(b)截面
2 封装结构仿真分析
2.1 传感器输出特性
1MPa量程的压力传感器芯片一般采用惠斯通电桥作为压敏电阻的布置方法[13]。4个压敏电阻布置于膜片应力集中区，2个电阻平行于膜片布置在膜片应力集中区中心，另外2个电阻垂直于膜片布置。为探究倒装式芯片电阻条布置位置，利用静力学路径分析法对芯片电阻面应力分布情况进行仿真。
如图3所示，通过垂直于膜片边缘的路径A应力分布可以得知芯片应力集中区靠近膜片边缘，结合实际工艺精度，将电阻条位置确定在膜片边缘10μm处;通过平行于膜片边缘、距离边缘10μm的路径B应力分布可以得知芯片应力集中区在路径中心，由此确定了芯片电阻排布位置。由惠斯通电桥输入输出关系及P型材料压阻效应[14]相关理论，传感器输出电压可以由式(1)表达：
[U_{out}=frac{6.7 × 10^{-11}(A-B)}{2+6.7 × 10^{-11}(A+B)} U_{in} quad (1)]
式中：A表示压力作用于膜片表面时平行于膜片排布的电阻受到的平均应力;B表示压力作用于膜片表面时垂直于膜片排布的电阻受到的平均应力。在后文中，通过路径分析法对传感器芯片电阻位置的平均应力进行采集，可以得到传感器输出电压数据。
图3 传感器芯片电阻布置图及全桥连接方式
2.2 玻璃密封层厚度仿真分析
本文设计的封装方案通过玻璃密封层实现绝压腔密封，高温器件中芯片与封装材料热膨胀系数失配会引入额外热应力，导致传感器高温工作性能及可靠性受到严重影响。密封层出现漏气会使得绝压腔与测试域空气直接导通，导致传感器失效，因此密封材料与碳化硅材料热膨胀系数应尽可能接近。本文预计采用的玻璃材料为G018-197型玻璃粉末，其热膨胀系数为(4.4×10^{-6}/℃)，与碳化硅材料热膨胀系数(4.5×10^{-6}/℃)差距很小，同时还兼具烧结温度低、时间短等优势，可以保证玻璃密封工艺过程对芯片影响降低到最小。为探究玻璃密封层厚度对芯片引入热应力的关系，结合实际工艺精度，本文建立玻璃密封层厚度为0.1mm~0.5mm的密封芯片模型，并利用ANSYS热力学耦合方式进行热应力仿真分析。
如图4所示，分别为600℃下0.3mm的密封层模型芯片电阻面及密封芯片结构应力分布云图、芯片电阻面及密封芯片结构最大应力随密封层厚度变化曲线。由应力分布云图可以得出结论：电阻面最大应力在面边缘位置，结构最大应力在结构底面中心位置。由最大应力随厚度变化曲线可以得出结论：电阻面及结构最大应力与玻璃密封层厚度呈正相关，0.1mm与0.5mm的密封层模型电阻面及结构最大应力差距为7.28MPa与5.14MPa，总体而言差距不大。从降低额外热应力的角度考虑应尽可能减小密封层厚度，但同时厚度过小的密封层也会导致玻璃粉末用量不足，在实际烧结工艺中容易出现因涂抹不均匀导致烧结出现漏气情况，结合两方面因素考虑，最终将密封层厚度确定为0.3mm。
图4 芯片电阻面及密封芯片结构最大应力随密封层厚度变化曲线
为探究完成密封工艺前后芯片性能差距，在600℃下对0.3mm的密封层模型感压面施加0~1MPa的压力。图5所示分别为1MPa压力下的密封前后芯片电阻面应力分布云图、密封前后芯片高温静态输出曲线。经线性拟合后，密封前后芯片工作直线灵敏度分别为34.15mV/MPa、32.43mV/MPa，线性度分别为99.99%与99.76%，同时密封后芯片相较密封前还产生了0.64mV的零点漂移，这反映了密封工艺对芯片灵敏度及线性度等性能会产生一部分衰减。
图5 密封前后芯片高温静态输出曲线
2.3 粘合层尺寸仿真分析
本文设计的封装方案通过粘合层实现芯片固定，在600℃温度段工作的高温器件中一般采用高温无机胶进行器件间的粘合。同时为保证器件工作可靠性，粘合材料的选择也应符合热膨胀系数与待粘合材料相接近原则。本文预计采用的粘合材料为DB5012型双组份耐高温无机胶，其热膨胀系数与陶瓷相近，同时双组份无机胶还可以根据实际工艺条件对组分配比进行对应调整，可以满足封装结构中氮化铝陶瓷基板与碳化硅芯片间的粘合需求。为探究无机胶粘合层尺寸对芯片引入热应力的影响，结合实际工艺精度，本文先固定粘合层直径为6.0mm，建立粘合层厚度为0.2mm~1.0mm的粘合芯片模型进行热应力仿真分析，并根据仿真结果建立粘合层直径为4.0mm~8.0mm的粘合芯片模型对粘合层直径进行进一步优化。
图6所示分别为600℃下0.2mm的粘合层模型芯片电阻面及粘合芯片结构应力分布云图、芯片电阻面及粘合芯片结构最大应力随粘合层厚度变化曲线。可以得出结论：在芯片与粘合层结合区域结构存在应力集中现象，同时电阻面及结构最大应力与粘合层厚度呈正相关。1mm的粘合层模型结构最大应力达到6559.7MPa，传感器长期在恶劣环境中工作，材料应力疲劳累积将导致芯片出现松动甚至脱落。
图6 芯片电阻面及粘合芯片结构最大应力随粘合层厚度变化曲线
改变0.2mm粘合层直径为4mm~8mm，得到图7所示的芯片电阻面及粘合芯片结构最大应力随粘合层直径变化曲线。可以得出结论：芯片电阻面最大应力与粘合层直径呈负相关，粘合芯片结构最大应力与粘合层直径呈正相关。粘合层直径为4mm与8mm的芯片电阻面及粘合芯片结构最大应力差距分别为52.11MPa、593.3MPa，因此从减小结构最大应力角度考虑应减小粘合层直径，但直径过小的粘合层会使得芯片粘合面积过小，进而使得粘合强度不足，因此粘合层直径确定为6mm。
图7 芯片电阻面及粘合芯片结构最大应力随粘合层直径变化曲线
在600℃下对粘合芯片模型感压面施加0~1MPa压力，得到图8所示粘合前后芯片高温静态输出曲线。工作直线灵敏度分别为32.43mV/MPa、18.13mV/MPa，线性度分别为99.76%与99.65%，同时产生了1.98mV的零点漂移，因此在制定工艺方案时应尽可能减少新材料的引入，以减少封装材料对于芯片性能的影响。
图8 粘合前后芯片高温静态输出曲线
2.4 封装结构整体动态性能仿真分析
压力传感器的关键动态性能指标包括频率响应、固有频率及上升时间等。频率响应方面，在芯片表面起保护作用的封帽结构会对传感器引入管腔效应[15]的影响，即芯片敏感膜感受到压力相较真实压力存在一定程度的滞后情况，会严重影响传感器针对高变化频率的脉动压力的测试精度。封帽结构可以简化为一般的短直筒管腔空气柱模型，为探究管腔效应与管腔空气柱长度的关系，本文在传感器整体结构基础之上，在敏感膜表面设置1.0mm、1.5mm、2.0mm的空气柱进行谐波响应仿真分析，以芯片电阻面在频率为0~2kHz、峰值为1MPa的正弦压力作用下的幅频特性曲线反映传感器频率响应情况。
图9所示为管腔效应仿真模型及各长度空气柱对应幅频特性曲线。1.0mm、1.5mm、2.0mm空气柱对应的传感器频响分别为1.78kHz、1.72kHz、1.60kHz，可以得出结论：随着短直筒管腔空气柱长度的缩短，传感器频响升高，因此从提升传感器频响方面考虑，应将传感器封帽高度设置为1mm。
图9 管腔效应仿真模型及各长度空气柱对应幅频特性曲线
(a)管腔效应仿真模型;(b)1.0mm空气柱幅频特性曲线;(c)1.5mm空气柱幅频特性曲线;(d)2.0mm空气柱幅频特性曲线
为探究传感器的固有频率指标，对传感器整体进行了预应力模态仿真分析，得到图10所示的传感器各阶振型及各阶固有频率。传感器1~3阶固有频率分别为55.31kHz、55.31kHz、94.02kHz，1、2阶振型方向一致，3阶振型与1、2阶振型存在较大差距。可以得出结论：传感器在多方向复杂振动冲击环境中的输出精度可以得到保证。
图10 传感器各阶振型及各阶固有频率
3 结论
本文针对倒装式碳化硅高温压力传感器封装进行了一系列研究，首先设计了芯片密封及封装方案并论证了方案的合理性，并通过路径分析法确定了芯片表面电阻条位置;其次以热应力为标准针对玻璃密封层及无机胶粘合层尺寸厚度进行了仿真优化，确定密封层厚度为0.3mm，粘合层厚度为0.2mm、直径为6mm;最后以传感器频响为标准对传感器封帽长度进行了仿真优化，确定长度为1mm。最终设计的传感器频响为1.78kHz、固有频率为55.31kHz，可以满足航空发动机内部分区域脉动压力的测试要求。
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