（微电子学与固体电子学专业论文）厚膜混合集成压力传感器.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 扩散硅压力传感器输出与被测压力成比例，并且具有灵敏度高、稳定性好、测量精 度高等优点而被广泛应用。但受到环境温度影响时，扩散硅压力传感器会产生输出信号 的温度漂移，影响了传感器的性能，使用时需要进行温度补偿。目前大部分产品，力敏 元件与温度补偿电路及信号放大电路相对独立，传感器体积无法缩小，相互间的引线连 接也不利于抗干扰，并影响到传感器的抗震性能和可靠性。本课题就是为了解决以上问 题而提出的，通过对厚膜混合集成压力传感器的研制，探索并掌握一种适用于压阻式压 力传感器的集成技术。 本文先从半导体理论及电路原理方面论述了产生零点及灵敏度温度漂移的原因，介 绍了集成压力传感器的电路供电方式、温度补偿电路及信号放大电路的设计方法，给出 了厚膜混合集成压力传感器的电路图：分析、比较了几种制作传感器电路的工艺，列出 了传感器电路的加工工艺流程，并对主要工艺提出了具体的技术要求。 厚膜混合集成压力传感器是在沈阳仪表科学研究院研制的。设计的传感器电路以恒 流方式供电，运用二点补偿法以补偿电阻网络形式对扩散硅力敏元件输出进行温度补偿； 将集成压力传感器作为一种特殊的集成电路，采用厚膜工艺与表面组装技术，以厚膜混 合集成电路的形式，实现了扩散硅力敏元件与温度补偿电路及信号放大电路的集成。对 研制过程中的测试结果进行了分析，并采取措施调整了相应生产工艺。 测试结果表明，传感器性能达到了原设计指标：输出范围0 2 5 4 7 5f ，输出电压 工作区间0 5 4 5 v ，精度 = i i f x 一旦一引厶l 售 一 一# y x 。 聆 沈阳工业大学硕士学位论文 应变能的能力，迟滞越大储存应变能量越大，反之亦然。其几何概念可以认为是由进回 程特性曲线所包括的总面积。实际评价是用同一载荷下最大差值来表示，即： 一一y j ) m 。 y f s x1 0 0 ( f s ) f 2 t 3 ) 式中：y f s 满量程输出值。 ( 4 ) 重复性 重复性表示传感器输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性衄线不一致 的程度，如图2 5 所示。 其数学表达式为 y h 3 图2 5 传感器重复性特性曲线 瓯：垒坠1 0 0 ( 聒) y f s ( 2 1 4 ) 重复性误差是属于随机误差，随机误差是在相同条件下多次测量同一物理量时，在 已经消除引起系统误差的因素之后，测量结果仍有误差，而其变化是无规律的随机变化， 这类误差称为随机误差。随机误差服从统计规律( 如正态分布、均匀分布等) ，随机误 差表现- f n 量结果的分散性，通常用精密度表征随机误差的大小。因此应该根据标准偏 沈阳丁业大学硕卜学位论义 差来计算重复性指标，重复性误差石可按下式计算： 万一：缈1 0 0 y f s 式中：2 3 倍为置信系数； g _ _ 彳亍程的标准偏差。 标准偏差可用贝塞尔公式计算： g 2 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 式中：m 卅0 量值： 歹测量的算术平均值； n 一测量次数。 ( 5 ) 稳定性 随着时间的增加，传感器特性将发生变化，对于相同的输入量即使环境条件不变， 所得的输出量也会不同，这是由于敏感元件及其构件的特性随着时问的流逝而产生失效 变化的缘故。即使传感器不使用，失效变化照样会产生，但使用频率高失效的几率大。 如果传感器在使用过程中，元件等受到应力作用或者热的作用而产生不可逆变化且 积蓄起来，也会使传感器特性发生变化。 在连续使用中，即使输入量一定，输出也会向一定方向偏离，这种现象为漂移。即 使输入为零，漂移也存在。 1 ) 时间零漂 时间零漂一般是指在规定时间内，在环境不变的情况下零输出的变化。对有源传感 器是指在标准的电源条件下，零输出的变化情况，即零点漂移。 2 ) 温度漂移 沈阳工业大学硕士学位论文 零点温漂 在规定工作条件下( 电源电压) ，环境工作温度每变化1 ，零点输出的变化值与 满量程输出之比。 灵敏度温漂 在额定的工作条件下，环境工作温度每变化1 ，灵敏度的变化值与满量程输出之 比。 2 2 硅材料的压阻效应 材料在受到应力的作用时，其电阻或电阻率发生变化，这种现象称为压阻效应。根 据欧姆定律，晶体不受应力作用时其电阻值r 与电阻率p 及长度皤口截面a 有关： r = d a( 2 1 7 ) 单轴应力作用下，沿长度方向的拉伸产生应变s = a t t ，同时截面a xb 缩小。 v = ( 吖盯) ( f f ) = ( a b a ) ( a t 1 ) ，被称为泊松比。又由于应力引起能带变化，能谷能量 移动，导致电阻率的变化，于是有 b l c r = e ( 1 + 2 v 1 + a p p o ( 2 1 8 ) 由上式可知，电阻的变化由两部分组成，前者是纯几何效应，后者是物理效应，即压阻 效应。对金属来说几何效应是主要的；对半导体来说，物理效应是主要的。下面以p 型 硅为例，从能带结构来分析压阻效应的起因。 已知硅的价带顶存在三个能带，不受应力作用时，重空穴能带v n 和轻空穴能带v l 在价带顶是简并的，另外还有个分裂带。晶体受拉伸时，价带顶能带的简并度取消。 v h 和v j 的极大点向相反方向移动，如图2 6 所示。这就造成了轻、重空穴浓度的变化。 重空穴能带v h 向上移动，重空穴浓度增加：轻空穴能带v i 向下移动，轻空穴浓度减少。 分裂带v 。对压阻效应没有贡献。因为价带的空穴总浓度不变，故有： 只= 一只 0 ( 2 1 9 ) p 型硅电导率的变化 沈阳工业大学硕士学位论文 a o = g ( 最肚+ 只p ，) = g a 只( 砷一) ( 2 2 0 ) = 9 2 叱 ( 1 _ 一1 ，z ) 时，选用并联电阻r ，及串联电阻尺。进行补偿，计算过程同上。两点补偿 后，可将结果代入式( 3 ，1 2 ) 中，求出的值与补偿精度要求相比较。 桥外并联r ，将减小压阻电桥满量程输出的幅度，所以，月，的阻值应选得大一些， 不致使传感器灵敏度降低很多”“。 二点补偿中，桥路串、并联相应的电阻后，桥路的满量程输出将改变，而这种改变 可通过后级的信号放大电路进行幅值调整。 3 2 3 信号放大电路 温度补偿后，扩散硅力敏元件桥路输出的是微弱的电压信号，如果直接经过长距离 的导线输出，传输过程中会在导线上损耗，并且易受外界环境千扰信号的影响而失真。 考虑到这一点，本课题在设诗中将信号放大电路也集成在压力传感器中，对桥路输出进 行初级放大，电路如图3 5 所示 图3 5 混合集成压力传感器电路图( 电路设计) 传感器中希望信号放大电路对桥路的输出起到线性放大作用，本课题所设计的电路 就具有这样功能。该放大电路由四个运算放大器4 ：、a ，、a 。、a ，构成，运算放大器爿 沈用工业大学硕上学位论文 用作恒流源提供恒定电流。a 2 、a ，用作电压跟随器，提高了输入阻抗，a 4 将双端信号 变为单端信号并进行电压放大。选取合适的电阻值使得r 。r 。= r ，r 。：，则： 巧2 鲁巧 c s 式中：矿温度补偿后桥路输出电压； k 一放；k n a 。输出电压。 r r ，、r 。以及爿，构成同相放大器，整个电路的实际输出可以用下式表示： = 等等彤 c 。 式中：，一压力传感器输出电压。 由于电路中的电阻是通过厚膜工艺制造的，可以进行激光调阻，所以电路的放大倍 数可通过改变r ，尺：进行调整，但需要同时调整电阻月。、置。、r ，：、r 。3 ，以保证 尺。r 。= r ，e ，：，后期生产工艺中调阻工作量较大，且不易实现；e k 变r ，肚。也可调 整电路的增益，此时只需调整电阻且，、置。因此，本设计中选定合适的电阻值使 置、b 。= 尺。，r 、：并保持不变只通过改变r 、，他。，就可方便地调整电路的增益。 根据以上所述电路原理，在实际生产中选用具有电压线性转换功能的i c a m 4 1 7 “，其电路原理与上面设计的电路一致。选用t n 4 1 7 可将信号放大电路中的运算放 大器集成在同一个集成电路中，使传感器的实际尺寸大大缩小，减少了焊点数量，提高 了电路的可靠性，并且，简化了加工工艺，利于批量生产。a m 4 1 7 应用电路原理图如图 3 6 所示。 图3 6 中电容g 、c ，、c ，为滤波电容，用来除去交流干扰信号；晶体管正起到增 强电路输出驱动的作用，并且，利用p n 结的温度特性可对a m 4 1 7 的温度漂移进行补偿。 为了保证输出电流在4 2 0 m a 范围内，图3 6 所示电路中，r ，为5 0 q ，r 。为5 0 0 f 2 。 不同的敏感元件输出值也不全相同，其余电阻阻值可依据电路原理及实际输出而定。 沈阳工业大学硕士学位论文 图3 6 混合集成压力传感器电路图( 实际产品) 3 3 压力传感器的电路布图设计 为了提供电路制作工艺使用的版图，完成压力传感器的电路设计之后，需要对传感 器电路进行布图设计。按照混合集成压力传感器电路图，并选择电路制作工艺、基片尺 寸，遵循适当的设计原则，就可以进行电路的布图设计，具体设计流程如图3 ，7 所示。 图3 7 传感器电路布图设计流程 ( 1 ) 工艺选择 由实际产品规格的要求及现有工艺条件，可确定制造工艺。将部分元件( 电阻) 转 沈阳工业大学硕士学位论文 变为制造工艺的实际形式，在本课题中，主要将电路图中的电阻符号转变为膜式电阻。 ( 2 ) 初始布图 依照电路图选取制造工艺中使用的元器件，计算出电路中组装的元器件所占面积总 和，并估计基片大小。手工操作，将电路元器件摆放在基片区域内，用表示导体的单线 连接元器件产生简易排版图，确定输入、输出引脚及元器件的粗略位置。 ( 3 ) 正式布图 初始布图后，单线图需要被扩展成正式版图。利用具有自动布线功能的电路设计软 件p r o t e l “”，按照相应的布图步骤及原则，准确定位元器件，并对版图布线。 ( 4 ) 布图审验及修改 为了保证版图设计的可靠性，正式布图后，对版图进行审验，确保布线正确、合理。 此时，主要核对版图与电路图是否一致；分析版图布线，尽量减少或消除交叉线的数目： 对个别元器件位置进行调整，尽量缩小基片尺寸。 布图步骤及遵循的原则： ( 1 ) 分析和重画电路图，将所有元件放在相应的位置上，并均匀分布；在基片边上确定 外引脚位置，输入、输出引脚应很好地分开： ( 2 ) 决定所有膜式电阻的尺寸和形状，面积尽量大一些，以保证调阻精度： ( 3 ) 定位关键元件的位置，待调电阻位置不能处于贴装元件下面； ( 4 ) 定位外引脚的线焊焊盘，通常使用封装底座主轮廓图； ( 5 ) 决定其他电路元件的位置，并进行互连： ( 6 ) 导体应尽可能与基片边缘平行； ( 7 ) 保持导线尽可能短而宽，以便将附加的电路电阻、分布电容和温度系数最小化； ( 8 ) 避免从分立元件( 电容器) 底下过线； ( 9 ) 在版图中增加测试点，以避免探针探测时损坏细的导线； ( 1 0 ) 布图完成后，对应电路图中的元器件对版图中的元器件进行编号，方便调试。 在布图中，为了方便激光调阻，将补偿电阻与放大电路中的电阻分开放置，分别位 于导压管的两侧，布图后元器件形状及摆放位置如图3 8 所示，图中未标明元件为膜式 电阻。电路布图后，采用相应生产工艺按照版图可开始进行集成压力传感器的制作。 沈阳工业大学硕士学位论文 圈3 。8 混合集成压力传癔器毫路布图 - 3 4 - 沈阳工业人学硕士学位论义 4 压力传感器的加工工艺 本课题设计的集成压力传感器分为扩散硅力敏元件、温度补偿电阻网络和信号放大 电路三个部分。压力传感器的实现工艺主要采用两种加工技术：用于制作敏感元件的半 导体工艺，及制作加工由补偿电阻网络和信号放大电路组成的外围电路的混合集成工艺。 4 1 敏感元件的加工工艺 敏感元件的制作使用了集成电路平面工艺，并结合微机械加工技术( m e m s 工艺) ， 工序繁多，涉及到多种微细加工工艺，如光刻工艺、氧化工艺、淀积工艺、k o h 各向异 性腐蚀工艺等。本课题研究的内容主要是针对扩散硅力敏元件输出的温度漂移进行补偿， 以及信号的放大，而敏感元件是直接选用沈阳仪表科学研究院的已有产品，故本文只对 敏感元件的关键工艺技术要求进行简单介绍。 扩散硅力敏元件的基本工艺流程如图4 1 所示。 i 图4 1 力敏元件基本工艺流程 沈阳工业大学硕士学位论文 其中，关键工艺的技术要求如下： ( 1 ) 氧化 氧化的目的是在硅片表面热生长一层s i 0 2 层，作为腐蚀的掩蔽膜或电绝缘的保护膜。 在氧化炉内进行，温度为l1 0 0 。c ，湿干氧时间根据需要的氧化层厚度确定。由于氧化是 在高温下进行，所以硅片进炉和出炉的速度要缓陧，以减小温度变动的速率，从而降低 硅片发生变形的可能“。为减少高温下的钠离子玷污，保证s i 0 2 膜的质量，硅片进炉前 要进行彻底地清洗。 ( 2 ) 光刻 在硅片表面旋涂上一次光致抗蚀剂( 光刻胶) ，通过曝光的方法形成具有一定图形 的掩蔽膜。光刻是缩小器件特征尺寸的关键工艺技术，结构的横向尺寸控制几乎全都由 光刻来实现，光刻质量的好坏对敏感器件的性能影响很大，是生产中影响成品率的关键 因素之一“”1 。光刻过程中的每一个步骤对光刻质量都有直接影响，所以必须选择合适 的工艺条件，严格做好光刻过程中的每一步操作。除引线孔版和铝版是负胶版外，其余 均采用正性胶工艺。光刻后形成的图形应尽量避免出现钻蚀、毛刺、针孔和小岛等缺陷。 ( 3 ) 离子注入 离子注入技术是较高温扩散工艺有突出优点的一种掺杂技术，它具有对结深控制精 度高，杂质分布均匀性好的特点。“。采用离子注入技术制作电阻，可提高四个力敏电阻 的均匀性，减小桥路失调电压，提高传感器温度特性，更重要的是便于工艺参数重复， 以适应批量生产的需要”1 。 ( 4 ) s i 0 5 的腐蚀 采用氢氟酸缓冲液( n - i f ) 对s i 0 2 进行腐蚀，腐蚀的掩蔽膜为光刻胶。s i c h 的腐蚀 速率对温度最敏感：温度太低，则腐蚀时间过长，容易浮胶；温度太高，则腐蚀液太活 泼，也容易出现脱胶或钻蚀。因此腐蚀时必须严格控制温度( 4 0 ) ，通常是将盛腐蚀 液的容器放在恒温水浴器内。 ( 5 ) 制备s h n 4 膜 采用s i h 2 c 1 2 一n h 3 体系的低压化学气相淀积( l o wp r e s s u r e c h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o n ，缩写l p c v d ) 法在衬底上淀积一层s i 3 n 4 膜，作为后面k o h 深腐蚀的掩蔽 沈阳工业大学硕士学位论文 膜。这种s i l l 2 c 1 2 一n h 3 体系的l p c v d s i 3 n 4 膜致密陛高，抗腐蚀性能好。膜厚应控制在 2 0 0 0 a 左右。过厚的膜易产生龟裂现象“1 。改变n h 3 s i h 2 c 1 2 流量比，可以得到富氢或 富硅的淀积膜。 ( 6 ) s - 3 n 4 的刻蚀 l p c v ds i 3 n 4 膜的化学性能很稳定，h f 对它的腐蚀速度较慢，因此采用反应离子刻 蚀技术( r i e ) ，用光刻胶做掩蔽膜，去掉不需要的s i 3 n 4 ，形成腐蚀所需的掩蔽膜。 ( 7 ) 溅射金属 在芯片表面溅射上一层金属铝膜，经光刻形成所需的内引线和压焊块形状。采用磁 控溅射工艺，是为了保证金属层的致密和平整”1 。在溅铝前先用氩气充分反溅硅片表面， 可获得质量较高的金属膜。 ( 8 ) 铝层的腐蚀 利用浓磷酸对铝进行腐蚀。腐蚀温度设为8 0 。c ，将盛有腐蚀液的烧杯放在恒温水浴 器内，要注意观察、控制腐蚀时间，既要腐蚀干净又不致腐蚀过度。注意腐蚀铝后必须 去除留在硅片表面的硅渣。 ( 9 ) k o h 各向异性腐蚀 在4 0 的k o h 溶液中，利用硅的各向异性腐蚀特性在硅片上加工出所需要的微结 构“1 。在保证掩蔽膜质量的同时，还要选择合适的腐蚀液配比及腐蚀温度，以保证腐蚀 底面光亮平整，没有小岛和腐蚀坑。在掩膜尺寸固定时，沟槽底部尺寸和腐蚀深度密切 相关，因此需对腐蚀速率和腐蚀时间进行严格控制，从而实现对芯片结构尺寸的精确控 制。 4 2 外围电路的加工工艺 集成传感器虽属传感器，但同集成电路很相似，可被看作是一种“特殊”的集成电 路。普通的集成电路工作时是对输入的电信号进行处理，并输出结果。集成传感器则是 通过敏感元件将外界所施加的非电量信号转换成电信号。在相应的处理后输出结果。= 者不同之处在于传感器电路所接受的电信号是由敏感元件提供的，这正是集成传感器的 “特殊”之处，但这“特殊”只局限于敏感元件，其他部分二者电路结构相同。因此， 集成传感器的制作可采用集成电路工艺来实现，而敏感元件则可通过组装技术植于电路 沈阳t 业大学硕士学位论文 中。 压力传感器的集成主要体现在结构布置和外围电路的制作形式上。课题设计中外围 电路采用集成电路技术中的混合集成电路形式。对于集成传感器制作工艺的选择，在课 题设计中是经过比较分析后得出的。 4 2 1 工艺形式的选择 在微电子技术中，集成电路是指组成电路的有源器件、无源元件及其互连线一起制 作在半导体衬底上或绝缘基片上，形成结构上紧密联系、内部相关的整体电子电路。它 可分为半导体集成电路、膜集成电路、混合集成电路三个主要分支，如图4 2 所示。 集成电路 半导俸 集成电路 双 极 型 集 成 电 路 s 集 成 电 路 膜 集成电路 薄 膜 集 成 电 路 厚 膜 集 成 电 路 薄 膜 混 a 口 集 成 电 路 混合 集成电路 图4 2 集成电路的分类 厚 腹 混 口 集 成 电 路 鱼 片 混 台 集 成 电 路 微 波 混 a 口 集 成 电 路 ( 1 ) 半导体集成电路 半导体集成电路是指用外延、氧化、光刻、扩散以及离子注入等半导体工艺将电子 元器件一起制作在半导体衬底上，并用p n 结或介质生长法进行隔离，用金属蒸发进行 互连所构成的集成电路。 ( 2 ) 膜集成电路 沈阳工业大学硕士学位论文 膜集成电路是指电子元器件以膜的形式淀积在绝缘基片上所形成的全膜化电路。它 又可分为厚膜集成电赂和薄膜集成电路两类。 1 ) 厚膜集成电路 厚膜集成电路是指采用丝网漏印、高温烧结成膜、等离子喷涂等厚膜技术，将组成 电路的电子元器件( 导电带、电阻、电容、电感、晶体管等) 以膜的形式制作在绝缘基 片上所构成的集成电路。 2 ) 薄膜集成电路 薄膜集成电路是指用真空蒸发、溅射、光刻为基本工艺的薄膜技术，将组成电路的 电子元器件，以膜的形式制作在绝缘基片上所构成的集成电路。“。 ( 3 ) 混合集成电路 混合集成电路是将膜集成技术制造的无源元件与半导体技术制造的有源器件( 包括半 导体集成电路芯片) 采用组装技术组装在绝缘基片上所形成的集成电路。 以下是课题设计中对几种工艺形式的比较： ( 1 ) 半导体集成电路与混合集成电路 众所周知，半导体集成电路能够获得最高的电路功能密度，但是，半导体工艺生产 设备昂贵，工艺对生产环境的净化度要求高，并且工艺复杂、研制周期长、不适合多品 种小批量生产：而混合电路是通过组装半导体器件和其他有源、无源元件构成多功能的 混合集成电路，生产成本较低，工艺生产简便，易做出相应调整，适于小批量多品种生 产。 另一方面，半导体电路的温度系数较大，不适合作为工作在较宽温度范围内的传感 器的补偿电路，而混合电路具有低温度系数的特点，并且，在补偿电路中可以利用膜形 式的热敏电阻，对敏感元件输出进行相应的温度补偿。 ( 2 ) 厚膜工艺与薄膜工艺 虽然厚、薄膜集成电路的命名来源于膜层厚度，但两者的根本区别在于基片上淀积 导体和电阻所用的工艺和材料。1 ，而不在于厚度。因为不同的工艺和材料才是它们具有不 同技术特性的真正原因，而厚度不同，也是因工艺和材料不同丽造成的。工艺上，它们 的最大特征在于：厚膜技术是一种非真空成膜技术；薄膜技术是真空成膜技术。 沈阳工业大学硕士学位论文 薄膜工艺在制作薄膜电阻时较容易控制阻值大小，但制备薄膜需要真空条件及较高 的净化程度，相对于厚膜工艺用于薄膜生产的设备贵重，工艺难度大，产品成本难以降 低。而厚膜电阻虽然在制作工艺中不能精确控制阻值，但通过后期的激光调阻，可获得 所需的阻值，并且厚膜电路具有低的温度系数。1 ，较薄膜电路更加稳定、可靠，减小了 温度变化对电路的影响。另外，利用厚膜热敏电阻，可对扩散硅力敏元件的输出进行相 应的温度漂移补偿。 由以上分析比较，可作出相应的选择：对于不同量程的扩散硅力敏元件的外围电路， 制作工艺宜采用生产成本低，操作简便，调整容易，适合小批量生产的厚膜制造技术， 并且，结合表面贴装技术可将厚膜电路的半导体器件贴装于电路中。 4 2 2 厚膜元件与材料 本课题的设计采用的是厚膜混合集成电路形式来实现外围电路：先在绝缘基片上( 陶 瓷片) 用厚膜技术制造无源元件和互连线，然后采用表面组装技术贴装上半导体有源器件 ( 包括半导体集成电路芯片) 以及有特殊要求的无源元件。在这里本文将对制作外围电路 所采用的厚膜技术进行介绍。 厚膜电路中，互连线、电阻、电容、电感均可在基片上印烧厚膜浆料获得。本课题 中，仅通过厚膜技术制作集成压力传感器外围电路的互连线与电阻以及隔离层，电容则 选用贴装元件贴装于电路中。其中，互连线的制作材料使用的是只一a ，厚膜导体浆料， 电阻则采用钌系厚膜电阻浆料。厚膜浆料性能的好坏直接决定了厚膜电路的性能和成品 率，因此，有必要探讨一下厚膜浆料的一般特性对电路性能的影响。 ( 1 ) 厚膜浆料 厚膜浆料也称涂料，是一种有触变性的可印材料，按照电性能可分为三类：导体浆 料、电阻浆料和介质浆料。介质按充填物介电常数的高低又分为绝缘型和电容型。无论 浆料的电功能如何，厚膜浆料都包含四种成分：功能材料、溶剂( 或稀释剂) 、暂时性 结合剂和永久性结合剂”1 。 i ) 功能材料。功能材料是一种赋于浆料导电的、电阻的或介质的性能的成分。它在 浆料中所占的用量最多。功能材料可以是金属或金属氧化物粉末。导体浆料中广泛使用 的金属为银、金、铂、钯、铜、镍、钨或钼。银或金与铂或钯的合金常用于改善焊接或 沈阳工业大学硕士学位论文 线焊特性。电阻浆料大体是由金属氧化物、金属和玻璃的组合构成的。：= 。介质浆料由一 种或多种金属氧化物和玻璃构成，广泛使用的是铝的氧化物和硅的氧化物。 2 ) 溶剂或稀释剂。沸点不同的有机液体用作溶剂，分散固体成分和调节粘度，有助 于丝网印刷。常用溶剂包括松油醇、贴品醇等，在干燥和烧结阶段可被去除。 3 ) 暂时性结合剂。在印刷和烧成时，结合剂起到保持其他成分结合在一起的作用， 它为浆料提供液流特性。这些暂时性结合剂，在烧成初始阶段通过氧化、分解被去除掉。 4 ) 永久性结合剂。这种结合剂起到熔接功能材料颗粒，并将它们结合到基片上的作 用。在溶剂和暂时性结合剂被去掉后，永久性结合剂与功能材料一起留在基片上，变成 最终烧成膜的一部分。永久胜结合剂是玻璃，也叫玻璃料。它熔化且再固化，使颗粒湿 润熔固在一起。 厚膜工艺中浆料通过丝网印刷工艺印在基片上，为了获得边缘整齐、图形清晰的膜 层，浆料必须具有适宜的粘度、触变性和流平性。浆料的粘度太小，容易流散：粘度太 大则不宜印刷。触变性可使浆料在受到刮板运动产生的切应力作用下，其粘度降低，容 易流过网孔沉积于基片，而切应力除后，粘度又升高，沉积的浆料不再流动f 。在切应 力作用下粘度的变化如图4 3 所示。浆料的流平性可使刚印刷完毕沉积在基片上的浆料， 在极短的时间内连接、流平，形成一个连续的膜层，以消除丝网痕迹。 各 皇i v 恻l 据1 l 0 o if 已 o 1蜊 翻 l默 s o 1 0 0 时间 图4 3 粘度、切变速度和时间的关系 ( 2 ) 厚膜电阻 影响厚膜电路性能最主要的因素是厚膜电阻。在生产工艺中，本课题选用钌系浆料 沈阳工业大学硕士学位论文 制成氧化钌系玻璃釉电阻。 1 ) 氧化钌系玻璃釉电阻的导电机理。玻璃釉电阻的导电机理可由其微观结构模型来 描述：玻璃釉电阻的导电机构是由许多微小串联或并联的导电链所组成的结构复杂的三 维导电网络，而导电链本身则由许多导电粒子所组成，如图4 4 所示。在玻璃釉电阻中 组成导电链的导电粒子是介于“完全凝聚”与“纯粹颗粒接触”之间的一种“部分凝聚 接触”状态。 r u 0 2 颗粒 图4 4 r u 0 2 玻璃釉电阻的结构模型 2 ) 厚膜电阻的主要性能参数。表征厚膜电阻特性的主要参数有方阻、电阻温度系数 等。 方阻。方阻是指长、宽相等的一块厚度均匀的正方形膜，电流从一边流向对边时 所具有的阻值。“。设电阻的长度为，、宽度为w 、厚度为f 、电阻率为p 。，其阻值r 可由 下式确定： 胄= 户。南 c t - ， 当f = w 时， 尺= 孚璁 ( 4 2 ) 式中： r 。厚膜电阻膜的方阻。 因此，对于任何一种厚膜电阻而言，阻值可表示为： 沈阿1 工业大学硕士学位论文 r ：旦二rn ，w ( 4 3 ) 式中：电阻膜的长宽之比，称为方数。 从式( 4 3 ) 可以看出，膜电阻的大小只与电阻材料的特性和膜厚有关，而与正方形膜的 尺寸无关。因此方阻表征了厚膜材料的电阻特性。 厚膜电阻的方阻随电阻浆料中的功能材料含量而定。厚膜电阻方阻值随功能材料 含量增大而减小，反之，方阻增大，见图4 5 。 曩l 护 琶l o 匣1 0 3 l 铲 1 02 03 0 r u q w t 图4 5 厚膜电阻方阻和足“0 2 含量之间的关系 电阻温度系数( t c r ) 。厚膜电阻的导电机理和通常的导体不同，阻值受温度变 化影响表现出非线性。电阻温度系数可以表征厚膜电阻温度稳定性，反映阻值随温度变 化的特性，可用下式表示： t c r 一1 d r ( 4 4 ) 盖d r 在生产、技术领域中，通常需要知道在较宽的温度范围内电阻值变化的总量，常采用电 阻温度系数平均值，表示温度每变化i 。c 时，电阻值的平均相对变化： t c r 鞘= 稿= 糟 的 沈阳工业大学俩士学位论文 式中：r 。、r ：分别表示在温度正、疋时测得的电阻值；，表示测量的温度范围。 4 2 3 厚膜混合电路制作工艺 本课题中外围电路采用厚膜混合集成电路的实现形式，制作时先采用厚膜制作工艺 制作互连线与电阻，再通过表面组装技术将敏感元件、半导体集成电路( a m 4 1 7 ) 、晶体 管及电容贴装于基片之上，然后封装出厂。外围电路基本工艺流程如图4 6 所示。 图4 6 传感器外围电路基本工艺流程 厚膜混合电路制作工艺具体实现过程如下： ( 1 ) 准备材料和丝网 在丝网印刷前，准备制作厚膜混合电路用的基片、版图与掩膜、丝网、厚膜浆料。 1 ) 基片。厚膜混合电路使用的基片应具有以下特点： 具有良好的介电性能，如有很高的体积电阻率和很低的介质损耗等： 能够承受1 0 0 0 。c 以上的烧成工艺； 具有优越的机械强度，以保证在生产中不致损坏： 表面平坦且光滑，以保证厚膜元件参数的重复性好； 化学和物理性能与厚膜浆料相适应； 线胀系数与厚膜浆料相适应。 在本课题的生产工艺中，选用的是9 6 的a l ，陶瓷基片。o 2 ) 版图与掩膜。按照发计的电路图( 图3 6 ) 将无源元件布置在基片上，并且留出 外贴有源器件、引出线所需的焊区。为了保证套印时图形准确，在相应位置加上对准标 沈阳工业大学硕士学位论义 西”1 。工艺中采用电路设计软件p r o t e l 绘制电路版图，并利用半导体制版工艺制作丝网 印刷掩膜。 3 ) 丝网。采用不锈钢丝网，因为它坚固不易变形，且不受厚膜工艺所用溶剂和其它 材料的影响。丝网目数为4 0 0 目c m 。 4 ) 厚膜浆料。厚膜混合电路生产工艺中，导体浆料为方阻低于0 0 5 剑口的以一j d d 浆料；电阻浆料选用方阻分别为1 0 0 q 口、1 t 纠口、l o o 施d 的尺“d 2 玻璃釉电阻浆料； 介质浆料为一种以陶瓷粉、氧化铝、玻璃粉、石英为主要成分的浆料。 ( 2 )印烧导体、隔离层、电阻 厚膜元件的丝网漏印采用非接触印刷方式，脱离高度为l m m ，丝网印刷后将湿膜在 1 0 0 。c 左右烘干，然后放于烧结炉中烧结，烧结温度8 5 0 。c ，传送速率5 0 c m r a i n 。基 片正面导体需制作两层，中间以隔离层隔离绝缘，基片背面电极印刷后，与正面隔离层 上导体同时烧结。之后，在基片相应位置印烧不同方阻的厚膜电阻。 ( 3 ) 包封 为了防止厚膜电阻直接接触氧化、还原气氛或树脂等有机物时阻值显著变化，需用 无机玻璃对厚膜电阻进行包封。包封层同样利用丝网印刷工艺制作，然后在4 8 0 。c 进行 烧结。 ( 4 ) 粘接敏感元件 利用环氧枯结剂将带有玻璃衬底的硅压阻力敏芯片粘结在陶瓷基片的相应位置上， 采用铝丝压焊将引线焊到厚膜焊盘上，实现力敏元件与外围电路的互连。力敏芯片粘接 在基片上后，将质软、无应力、易传递压力的保护胶点在芯片表面，以起到保护作用。 传感器的导压管使用焊锡膏贴于相应位置，利用再流焊技术焊接在基片上。焊接导压管 之后，向管内充胶，将力敏芯片、焊丝密封保护。 ( 5 ) 压力标定 压力标定是对扩散硅力敏元件施加不同的温度、压力，测量其输出值。测量的结果 作为温度补偿的依据。工艺中，分别测量了o 。c 1 0 09 c 、外加压力从o p a l o o k p a 变化 时，力敏元件的输出。 ( 6 ) 激光调阻 沈阳工业大学硕士学位论文 激光调阻是利用调阻设备产生的激光束将电阻切割成一定形状，获得预定的电阻值。 激光调阻的目的为了获得具有一定精度的电阻，以满足电路的设计要求。首先，利用二 点补偿法对力敏元件的输出进行补偿，计算出各个补偿电阻阻值，再对厚膜电阻进行调 阻。力敏元件粘结在基片上，与补偿电阻连接并测量补偿后的输出值，由放大电路公式 可求出反馈电阻阻值之比，利用激光调阻可按计算结果对阻值精确控制。 ( 7 ) 贴装元器件 厚膜混合集成电路的有源器件及滤波电容采用表面组装技术焊接在电路中。首先， 在与元器件相应的焊区印刷焊锡膏，再将片式元器件准确地贴放到指定位置上，随后将 混合电路置于红外再流炉中进行焊接。贴装后的传感器照片如图4 7 a 所示。 a ) 封装前b ) 封装后 图4 7 厚膜混台集成压力传感器照片 ( 8 ) 封装测试 传感器的封装采用平卧式引出封装结构，厚膜混合电路用环氧粘结剂粘在塑料外壳 中，手工焊接引线，然后粘合外壳。最后对压力传感器加温场、加压测试，以掌握产品 的性能。封装后外形照片见图4 7 b 。 4 2 4 厚膜混合电路主要加工工艺 “混合”不仅是指传感器电路包括半导体器件与厚膜电路，实质上是指在一种结构 内组合了两种以上不同的工艺技术。在本课题研制的厚膜混合集成压力传感器中，就组 合了半导体工艺、厚膜制造技术及表面组装技术( s m t ) 。半导体工艺主要是指敏感元 件、半导体器件的制造。而外围电路的制作则使用后两种技术，外围电路主要加工工艺 沈阳工业大学硕士学位论文 有厚膜丝网印刷、激光调阻、s m t 。 ( 1 ) 丝网印刷 课题研制的厚膜电路是用非接触丝网印刷法生产的，丝网印刷是将祜胜的浆料在漏 印丝网上用刮板推动，使浆料通过网孔将图形淀积到基片上。印刷前后，丝网与基片不 直接接触，保持一定的脱离高度。印刷时，刮板沿丝网移动，对浆料产生剪切作用，在 刮板切应力作用下，浆料粘度降低。在刮板压下丝网与基片相接触时，网孔中的浆料 也与基片相接触，当刮板掠过之后，丝网依靠弹力迅速复位，浆料受到基片粘附力和重 力作用而被转印到基片上，丝网印刷过程如图4 8 所示。此后，浆料粘度迅速增大，丝 网印痕逐渐流平、消失。 图4 8 厚膜的丝网印刷 印刷过程中很多因素影响印刷质量： 1 ) 脱离高度。脱离高度的大小直接影响膜层厚度。脱离高度小于l m m 时，阻值变化 大；脱离高度在1 2 咖内，阻值变化可控制在5 左右。工艺中，脱离高度为l m m 。 2 ) 印刷力、刮板的角度。印刷力直接影响膜厚，印刷力增大，漏过丝网的浆料增多， 膜层增厚。刮板的角度是控制印刷膜厚度的重要因素，角度越小，把浆料压下丝网的 压力就越大，由于漏过的浆料量增加而使印刷膜厚度增大。 3 ) 丝网目数、丝网张力、掩膜厚度。丝网目数主要影响膜厚和图案的清晰度，丝网 目数少，图案清晰度较低。丝网张力直接影响图案的清晰度和印刷膜厚度，张力太小， 丝网变松，图案清晰度变坏；张力太大，丝网容易变形和磨损，随着丝网张力增大，膜 沈阳工业大学硕士学位论文 层厚度也增加。掩膜的厚度主要影响膜厚，同时也影响膜层对基片的附着力，较厚的掩 膜印出的膜较厚，对基片的附着力也较高。 4 ) 印刷次数。印刷次数不同，膜层厚度不同。印刷次数多，膜层厚度大。控制印刷 次数，可用同一配方制作出具有不同方阻的厚膜电阻。通常，增加印刷次数可使方阻降 低。 印刷的膜层厚度及均匀性直接影响厚膜元件性能，为了使厚膜元件性能有较好的重 复性，必须严格控制印刷参数。 ( 2 ) 激光调阻 混合集成电路中厚膜电阻的主要优点在于它们能被微调到精确的电阻值。通常印烧 的厚膜电阻有2 0 的误差，若有选择、有控制地去掉部分电阻材料，就可获得预定精度 的阻值。激光调阻就是这样一种向上调整电阻值的方法。激光调阻的基本原理：将适当 功率密度的激光束照射在电阻体上，被照射的电阻材料在瞬间因高温而被气化，在激光 束经过的电阻体上刻出很细( i 0 5 0 微米) 的槽纹，使方数增加，电阻值由低变高，并 由测量和自动控制系统使其达到最终所需要的阻值1 ，如图4 9 所示。 a ) 激光调阻b ) 激光切割剖面 图4 9 激光调阻示意图 激光调阻的优点是： 1 ) 调整精度高，最高精度优于0 0 1 畸1 2 ) 适用范围广，对各种厚膜材料均适用 沈阳工业犬学硕士学位论文 3 ) 被调阻值范围宽，从o 1 欧1 0 0 0 兆欧以上； 4 ) 调整效率高，每小时可多达万只电阻； 5 ) 对周围元器件的特性无影响，对被调电阻的特性影响较小； 6 ) 可实现洁净调阻，无污染，调整不需作特别清洗处理； 7 ) 刻制槽纹很细( 1 0 5 0 微米) ，对微型图形也能调整； 8 ) 配置先进的控制系统能进行自动功能微调。 激光切割时，应控制激光束功率，产生清洁且边缘整齐的切口，而又不损坏邻近的 电阻材料。调阻过程中，切割区域多数厚膜材料被气化，一些被熔化后再凝固，其余的 作为颗粒被弹出。3 ，如图4 9 b 所示。熔融部分的再凝固和加热部分的重新冷却，改变了 切槽附近电阻膜内部结构，并会使电阻膜产生应力，进而调阻后阻值会因此发生漂移， 降低调阻精度；颗粒的飞溅易造成邻近厚膜电阻沾污，影响电阻的性能。 为了减少以上影晌，在实际工艺中采取了以下相应措施： 1 ) 调阻的同时进行抽气，去除气化气体； 2 ) 制作厚膜电阻后，对电路进行涂层保护； 3 ) 提高厚膜电阻制造条件，以得到尽可能接近目标值的电阻值，减少切割量。 另外，扩散硅力敏元件工作时参数的不一致，要求与之相联电路的参数有所不同嘧1 。 为了解决这个问题，需要在动态条件( 加电) 下，对电路功能进行微调。实际工艺中， 我们利用具有自动监控系统的c l s 一9 6 0 型激光调阻机，保持对传感器通电，同时监损8 传 感器输出电压并传给激光调阻系统，激光束对相应电阻进行修调，传感器输出电压达到 标定值时修调自动停止，从而实现对传感器的功能微调。 ( 3 ) 表面组装技术( s m t ) s m t 的应用充分体现了混合集成的特点。电路中贴装的贴片式元器件“混合”了两 种以上的制造技术( 半导体技术与厚膜技术) ，而贴片式元器件的小尺寸贝0 使电路结构 更加紧凑，提高了混合电路的集成度。 所谓s m t 是指将表面贴装元器件( 无引脚或短引脚的元器件) 贴、焊到电路板表亟 规定位置上的电路装联技术“1 。s m t 改变了以前通孔插装的电路装联方式，所用电路板 无需钻插装孔而实现表面贴装。首先，在电路板焊盘上涂布焊锡膏，再将表面贴装元器 沈阳工业太学硕士学位论文 件准确地放到涂有焊锡膏的焊盘上，通过加热电路板直至焊锡膏熔化，冷却后便实现了 元器件与电路之间的互联，贴装过程如图4 1 0 所示。 l 蜮il 自l 巨兰呈- 匡兰呈 印届捍裔贴装! j ；卺件再巍焊 图4 1 0 表面贴装过程 s m t 具有以下优点”1 ： 1 ) 组装密度高、体积小、重量轻； 2 ) 电性能优异； 3 ) 可靠性高，抗振性能强； 4 ) 生产率高，便于自动化生产； 5 ) 成本降低。 工艺中，使用类似于厚膜丝网漏印的印刷技术，在q u a d 一1 0 0 m v 型半自动焊膏印 刷机上印刷焊锡膏。然后，利用q u a d - - i v c 型自动贴片机将片式元器件贴放到电路指定 位置上。最后，在q u a d - - 9 4 1 c 型8 温区高智能再流焊机中，加热熔化焊膏形成焊点， 完成电路的加工。 s m t 中选用再流焊工艺是因为其具有以下特点： 1 ) 焊膏能定量分配，精度高，焊料受热次数少、不易混入杂质且使用量较少： 2 ) 适用于焊接各种高精度、高要求的元器件： 3 ) 焊接缺陷少，不良焊点率低； 4 ) 贴装过程中降低了锡焊对元器件的沾污： 5 ) 当元器件贴放位置有一定偏离时，由于熔融焊料表面张力的作用，能自动校正偏 沈阳工业大学硕士学位论文 离，使元器件固定在正常位置。 由于再流焊是利用外部热源使预先印刷的焊膏再次流动，以达到焊接目的的一种成 组或逐点焊接工艺”1 ，因此，加工过程中，在保证焊膏印刷及片式元器件贴放准确的同 时，应注意再流焊焊接温度曲线的调整。温度曲线是指电路板通过再流炉时，电路板面 的温度随时间变化的曲线，如图4 1 1 所示。 d v 锚 蛆 时何国i ) 图4 i i 再流焊温度曲线 由上图可知，再流炉中基片与片式元器件存在一定温度差，因此，实际工艺中，将 炉温调高，以保证电路受热且整体达到焊接温度。另外，将预热区温度适当调高，可保 证预热效果，使焊膏中的部分溶剂及时挥发掉。但是，如果升温斜率速度过快，一方面 易损坏元器件；另一方面，焊膏中的熔剂挥发速度太快，容易溅出金属成份3 ，产生锡 珠。工艺中，将1 6 0 4 0 前的升温速度控制在1 2 s 。再流焊时还应当注意峰值温度的 调整，峰值温度般设定在比焊膏金属熔点高3 0 4 04 c 左右。峰值温度低或再流时间短， 会使焊接不充分，严重时会造成焊膏不熔：峰值温度过高或再流时间过长，容易造成金 属粉末氧化，影响焊接质量“，甚至会损坏元器件。工艺中，使用的焊膏( 6 3 s n 3 7 p b ) 熔点为1 8 3 。c ，峰值温度设置在2 1 5 ，回流时间为3 0 6 0 s 。 沈| j 日工业大学硕上学位论文 5 厚膜混合集成压力传感器的研制结果 通过混合集成工艺的制作加工，完成了对压力传感器的研制，而混合集成压力传感 器的性能参数需要对传感器变温、加压测试得出。 5 1 技术指标 对于本课题研制的绝压传感器有以下要求： 量程：o 1 0 5k p a 精度：3 f s 输出电压工作区间：0 5 4 5 矿 输出范围：0 2 5 4 7 5 v ( 5 v d c l 工作温度：一4 0 + 1 2 5 。c 样品数量：1 只 5 2 混合集成压力传感器的测试结果 在混合集成压力传感器研制过程中，共生产了两批样品。两批样品采用的加工工艺 有所不同：为了简化工艺，第一批样品的厚膜电阻采用片式电阻元件贴装于电路中：第 二批传感器的厚膜电阻利用丝网漏印技术印烧而成。具体测试数据及计算结果如下： ( 1 ) 第一批传感器测试数据及结果 第一批传感器共测试3 只样品，测试数据如表5 1 所示。 表5 1 第一批传感器测试数据( 2 5 c ) 压力( k p a ) 输出电压( v ) 1 #2 #3 抖 0 3 8 一o 1 601 5一o 1 5 l o o 2 6 70 2 80 3 0 7 1 7 0 6 3 306 4 70 6 8 8 2 5 1 0 5 110 6 811 2 4 5 0 2 3 5 42 3 824 7 6 7 5 3 6 4 53 6 83 8 1 3 8 0 3 9 0 1 3 9 3 9 4 0 7 9 8 5 4 1 5 84 1 9 74 3 4 3 9 0 4 4 1 2 4 4 5 44 6 0 7 9 5 4 6 4 54 ，6 6 14 6 6 4 1 0 0 4 6 4 54 6 6 14 6 6 4 沈阳工业大学硕士学位论文 表5 1 所示数据为2 5 c 时，对第一批3 只传感器最终输出进行测试所得数据。由此 得到3 只传感器的输出特性曲线。并将3 条曲线与标准曲线画于同一图中进行比较，如 图5 1 所示。其中，标准曲线为输入1 7 k p a 压力，输出0 2 5 v ，输入1 0 5 k p a 时，输 出4 7 5 v 所对应的直线。 图5 1 第一批样品输出特性曲线 由上图可看出，3 只传感器在0 9 0 k p a 范围内的线性较好，基本与标准曲线平行， 这说明补偿的效果较好，输出呈线性。但3 只传感器的输出均高出标准曲线0 3 8 v 以上， 并且加压9 0 k p a 以上时，输出值相同。 导致以上现象的直接原因是传感器零点输出的偏移，而产生零点偏移主要由两方面 造成：一方面由于该批样品的厚膜电阻是采用片式元件贴装于电路中，在制备过程中再 流焊加热焊接次数多，反复的加热，使基片积累了较多的应力，并且作用于扩散硅力敏 元件使输出产生漂移；另一方面，贴片厚膜电阻无保护涂层，由4 2 4 ( 2 ) 的内容可 知，激光调阻时，有部分熔化后再凝固的材料附于切槽两侧的电阻膜上，改变了切槽附 - 5 3 - 沈阳工业犬学硕士学位论文 近电阻膜内部结构，并会使电阻膜产生应力，调阻后阻值会因此发生漂移，降低调阻精 度o ”，进而导致补偿作用变差，使零点偏移。上述两方面原因使传感器在受外压同时又附 加了一部分“内部应力”的作用，致使零点偏移，表现为曲线上移，在外压