硅
--藍寶石絕壓傳感器陶瓷密封結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

姚東媛， 夏 航， 王俊巍， 謝勝秋

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

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硅
--藍寶石絕壓傳感器陶瓷密封結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

姚東媛， 夏 航， 王俊巍， 謝勝秋

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

介紹了硅—藍寶石絕壓傳感器中氧化鋁陶瓷—鈦合金的真空密封參考腔小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計，探討了異質(zhì)材料不匹配引起的陶瓷斷裂問題，對陶瓷—鈦合金封裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況進行了計算和分析，通過中間緩沖層設(shè)計、減小陶瓷承受的結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力，消除了由陶瓷斷裂導(dǎo)致的密封失效；選擇熱脹系數(shù)相近的可伐中間層材料，對比不同厚度緩沖層產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，優(yōu)化中間層結(jié)構(gòu)，采用LTCC加工技術(shù)與真空釬焊工藝結(jié)合制作了陶瓷—可伐—鈦合金密封組件，并通過了高、低溫度試驗考核：組件密封漏率小于1×10-10Pa·m3/s，密封可靠，滿足絕壓傳感器使用壽命的要求。

硅—藍寶石； 絕壓傳感器； 氧化鋁陶瓷； 真空密封結(jié)構(gòu)

0 引 言

硅—藍寶石壓力傳感器可直接用于測量125 ℃以上高溫介質(zhì)的表壓、絕壓和差壓信號，其中，高溫絕壓傳感器的真空參考腔設(shè)計和密封可靠性是其長期穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。傳感器真空封裝常采用金屬管殼、金屬隔離膜片等形式，也有部分產(chǎn)品借鑒了高溫真空電子器件的封裝結(jié)構(gòu)。

隨著材料加工和工藝技術(shù)的發(fā)展，金屬—陶瓷封裝在電子器件中應(yīng)用越來越廣泛，如金屬—氧化鋁陶瓷封裝微波器件等。氧化鋁陶瓷具有強度高、耐高溫、不易磨損、不導(dǎo)電等優(yōu)點，但其具有脆性大、塑韌性差、不易進行冷加工的特點。隨著電子器件減重的要求越來越強烈，與陶瓷連接的金屬多采用鈦合金等輕質(zhì)材料[1～4]。

由于具有共價鍵的陶瓷與具有金屬鍵的金屬有很難的相容性，導(dǎo)致陶瓷與金屬的可焊性差。陶瓷和金屬異種材料之間顯著的物化性質(zhì)差異可導(dǎo)致陶瓷與金屬之間的應(yīng)力比相同條件下的金屬與金屬之間連接的殘余應(yīng)力更大，易出現(xiàn)焊接失效、陶瓷斷裂、密封失效等情況[5]。金屬—陶瓷結(jié)構(gòu)應(yīng)用中急需解決異質(zhì)材料可焊性、焊接的殘余應(yīng)力、長期密封可靠性等問題。

本文對硅—藍寶石高溫絕壓傳感器的陶瓷—鈦合金密封組件結(jié)構(gòu)進行研究，減少殘余應(yīng)力的影響，提高了密封組件結(jié)構(gòu)和密封的可靠性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

硅—藍寶石高溫絕壓傳感器通過金屬彈性結(jié)構(gòu)與被測介質(zhì)接觸進行壓力測量，其在制作過程中需在壓力敏感元件另一側(cè)形成一個真空參考密封腔。要保證絕壓傳感器工作的可靠性，真空腔密封性必須可靠；低漏率是絕壓傳感器長期穩(wěn)定和長壽命的保障。采用陶瓷粉經(jīng)熱壓鑄成型的圓形陶瓷組件封裝傳感器的真空腔，密封腔體設(shè)計體積為3.197 cm3，其漏率小于1×10-9Pa·m3/s。經(jīng)試驗和長期貯存，該結(jié)構(gòu)真空腔的長期密封性能滿足硅—藍寶石高溫絕壓傳感器10年以上使用壽命的要求。但陶瓷粉熱壓鑄成型的陶瓷組件存在成型后外形一致性、圓度、與之連接的金屬件加工一致性差等問題，易使金屬—陶瓷組件制作過程中出現(xiàn)漏焊、氣密性差等情況[6，7]。

針對傳感器小型化需求，采用類似集成電路的金屬-陶瓷LCC封裝形式實現(xiàn)，其基體材料使用鈦合金，并利用陶瓷基板實現(xiàn)密封和電氣連接。為了實現(xiàn)陶瓷基板與傳感器基體材料有效連接，在陶瓷基板兩端分別設(shè)計兩個鈦合金金屬連接環(huán)，形成金屬—陶瓷密封組件，組件結(jié)構(gòu)如圖1所示。金屬連接環(huán)與傳感器基體鈦合金結(jié)構(gòu)焊接在一起，構(gòu)成絕壓傳感器真空參考密封腔。通過減少和優(yōu)化密封腔結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計密封結(jié)構(gòu)腔體體積僅為0.891 cm3，漏率要求小于1×10-10Pa·m3/s，按真空密封腔體積和漏率計算傳感器壽命能達到15年以上，真空密封可靠，即可滿足長期使用要求。

圖1 陶瓷密封組件結(jié)構(gòu)示意

2 材料、工藝設(shè)計

2.1 材料的選擇

考慮材料機械性能、可加工性等，硅—藍寶石壓力傳感器中使用TC11鈦合金制作彈性膜片結(jié)構(gòu)，另外鈦合金的可焊性差、異質(zhì)材料之間不能采用熔焊工藝焊接，因此，在硅—藍寶石壓力傳感器中金屬零件均選用同一牌號材料。TC11鈦合金不僅具有穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率低、密度比較小、強度較高等優(yōu)異的綜合物理特性外，還具有較高的斷裂韌度和抗腐蝕能力，在高溫下仍具有較高的強度和抗蠕變能力。采用該材料制作的傳感器可提高過載能力、減輕重量、還能在海水等惡劣環(huán)境中使用。另外，陶瓷敏感組件中金屬連接環(huán)也使用TC11鈦合金[8]。

含Al2O3達95 %的氧化鋁陶瓷是一種真空致密陶瓷材料，能與金屬間形成可靠的真空封閉釬焊件、具有較高的機械強度、能很好地抵抗熱循環(huán)的作用并承受制品中較高的溫度梯度、介質(zhì)損耗較小、絕緣性好，可用于制作各種絕緣子、真空密封接頭、電子器件等等。因此，傳感器的陶瓷密封組件中陶瓷基板選用95 %氧化鋁陶瓷，采用LTCC技術(shù)制成陶瓷基板，能夠?qū)崿F(xiàn)密封和多層間內(nèi)外電氣連接。

2.2 工藝設(shè)計

釬焊所需的加熱溫度不高，對母材的界面組織影響不大[9]。采用釬焊工藝可進行陶瓷與可伐、鋼、銅等材料的焊接。為提高陶瓷的浸潤性和可焊性，在氧化鋁陶瓷基板的釬焊區(qū)采用Mo—Mn金屬化法制備鎳金屬化層，即可實現(xiàn)氧化鋁陶瓷基板和鈦合金焊接[10～12]。

3 試驗驗證

使用AgCu28非活性釬料進行Al2O3陶瓷和TC11鈦合金之間釬焊連接，采用真空釬焊工藝制作20個密封組件，測試組件的密封性，漏率均小于1×10-10Pa·m3/s，密封性滿足要求；但部分組件陶瓷表面出現(xiàn)微小裂紋，裂紋位于金屬環(huán)連接外側(cè)根部。

要求密封組件經(jīng)過高、低溫試驗后，漏率和強度均不降低，對密封組件進行-55～125 ℃溫度循環(huán)試驗，在30個循環(huán)后密封組件在陶瓷與鈦合金連接部位出現(xiàn)斷裂情況，失效界面形貌見圖2，斷裂面均在陶瓷基板上。

圖2 密封組件失效界面形貌

4 分析與改進

組件釬焊過程中，鈦合金和陶瓷受溫度變化影響膨脹、收縮而產(chǎn)生應(yīng)變，由于不同材料的熱膨脹系數(shù)不同將導(dǎo)致組件各部分發(fā)生應(yīng)變的程度不相同。陶瓷材料線膨脹系數(shù)較小、無法產(chǎn)生相應(yīng)變形，在陶瓷與鈦合金連接處將產(chǎn)生熱應(yīng)力。在保溫或者冷卻過程中，應(yīng)力不能夠很好地釋放，使組件產(chǎn)生殘余應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋、斷裂等焊接缺陷。殘余應(yīng)力是導(dǎo)致釬焊組件在較低的工作強度下和低應(yīng)力服役過程中失效并產(chǎn)生疲勞斷裂的主要原因。溫度試驗可加速斷裂失效的速度。殘余應(yīng)力的計算公式為

(1)

式中E1,α1為一側(cè)母材的彈性模量及熱膨脹系數(shù)；E2,α2為另一側(cè)母材的彈性模量及熱膨脹系數(shù)；ΔT為溫度變化量;σ為應(yīng)力。

通過熱應(yīng)力公式可以得出，釬焊組件的殘余應(yīng)力與溫度差值、熱膨脹系數(shù)的差值以及彈性模量有關(guān)。密封組件結(jié)構(gòu)所用材料的性能參數(shù)如表1，取平均熱膨脹系數(shù)，按式(1)進行理論計算，在陶瓷基板與連接環(huán)界面位置的殘余應(yīng)力達到193.18 MPa。

使用ANSYS有限元軟件進行結(jié)構(gòu)仿真，圖3給出了陶瓷基板與連接環(huán)之間的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況，分析結(jié)果顯示：焊接過程中，在陶瓷基板上由于陶瓷—鈦合金材料性能和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的沿徑向應(yīng)力分布為(-205.77，235.15)MPa，應(yīng)力最大位置在鈦合金環(huán)外側(cè)根部表面、最小位置在鈦合金與陶瓷連接表面，而氧化鋁陶瓷的斷裂強度為400 MPa，陶瓷所承受拉應(yīng)力已經(jīng)超過了斷裂強度，因此，焊接在陶瓷基板上產(chǎn)生的應(yīng)力可引起其斷裂。

圖3 陶瓷—鈦合金結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析情況

由于陶瓷與金屬的熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致組件結(jié)構(gòu)間存在殘余應(yīng)力，不僅影響連接強度，且會降低組件的氣密性，甚至嚴(yán)重影響電子真空器件的性能穩(wěn)定，因此必須采取措施降低陶瓷與金屬的焊接殘余應(yīng)力。具體措施除了釬焊母材盡量選擇與陶瓷膨脹系數(shù)相近的材料外，還可通過合理設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)、選擇合適的釬焊工藝或增加應(yīng)力緩沖層等在一定程度上減少殘余應(yīng)力的影響。

焊縫過薄、焊接間隙太小易發(fā)生冶金反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物使焊接塑性降低，增加焊接殘余應(yīng)力。焊縫間隙過大，雖可以通過彈性變形抵消部分焊接應(yīng)力，但由于毛細作用減弱易導(dǎo)致缺焊，且焊縫間隙增加降低焊接冶金結(jié)合能力、影響焊接強度。所以，需要選擇合理的焊縫寬度，優(yōu)化焊接應(yīng)力。

另外，可以采用應(yīng)力緩沖層將焊接應(yīng)力集中到中間層，其基本原理是利用緩解層的塑性變形釋放熱應(yīng)力從而達到降低焊接殘余應(yīng)力的目的。所選中間層要求彈性模量低、與硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)更接近，方可在釬焊中實現(xiàn)緩解釬焊應(yīng)力。電子封裝中常用無氧銅和可伐合金作為封裝材料，與氧化鋁陶瓷釬焊可制成電子器件管殼，材料、結(jié)構(gòu)且工藝成熟，但無氧銅與氧化鋁陶瓷的性能參數(shù)差別較大、封裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力較大，因此選用可伐材料作為陶瓷和鈦合金的中間層。

對采用可伐中間層結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況進行分析，分析時給定材料與溫度有關(guān)的參數(shù)如表2，經(jīng)理論計算，采用可伐中間層時，在陶瓷基板與中間層界面位置的殘余應(yīng)力為42.45 MPa，由于可伐合金與陶瓷的熱膨脹系數(shù)相近，焊接在陶瓷上產(chǎn)生的殘余應(yīng)力比鈦合金小。圖4給出了ANSYS有限元軟件仿真結(jié)果，分析結(jié)果顯示：焊接過程中，在陶瓷基板上由于陶瓷—可伐—鈦合金材料和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的沿徑向應(yīng)力分布為-32.44～102.67 MPa、極限值分布位置與圖3相近，可伐作為中間層使陶瓷基板上的拉應(yīng)力降低了2/3，因此，選用可伐作為陶瓷與鈦合金中間層可以降低陶瓷基板上的殘余應(yīng)力、防止陶瓷斷裂。

表2 中間層材料的性能參數(shù)

圖4 不同中間層結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析情況

中間層厚度對陶瓷—金屬連接殘余應(yīng)力也有影響。對0.1～0.8 mm不同厚度中間層結(jié)構(gòu)影響進行仿真分析，圖5給出了中間層厚度與陶瓷基片沿徑向分布應(yīng)力極值關(guān)系曲線，分析表明：增加中間層的厚度可以減小陶瓷基板上的殘余應(yīng)力，但厚度達到0.6 mm以上時，減小效果不明顯，基本達到了可伐與陶瓷的焊接效果，0.4～0.6 mm厚中間層均能達到明顯降低陶瓷基板上殘余應(yīng)力的效果。

圖5 中間層厚度—應(yīng)力分析情況

通過上述分析，綜合考慮各零件結(jié)構(gòu)尺寸等因素，采用厚度為0.5 mm的可伐環(huán)作為中間層墊片制作陶瓷密封組件。使用AgCu28非活性釬料進行Al2O3陶瓷和TC11鈦合金之間釬焊連接，采用真空釬焊工藝制作30個密封組件，焊接部位的形貌見圖6，焊料浸潤狀態(tài)良好，測試組件的漏率小于1×10-10Pa·m3/s，密封性滿足設(shè)計要求。對密封組件進行-55～125 ℃內(nèi)溫度循環(huán)和溫度沖擊試驗，在100個溫度循環(huán)和20個溫度沖擊試驗后，在陶瓷與鈦合金連接部位密封組件未出現(xiàn)裂紋和斷裂情況，試驗后密封組件的漏率仍小于1×10-10Pa·m3/s。

圖6 陶瓷組件焊接部位形貌

試驗結(jié)果表明：陶瓷—可伐—鈦合金復(fù)合結(jié)構(gòu)之間釬焊的焊料浸潤性、可焊接性和密封性良好，采用可伐中間緩沖層可以顯著減小陶瓷和鈦合金異質(zhì)材料焊接部位的殘余應(yīng)力，防止陶瓷斷裂和密封失效。

5 結(jié)束語

用于硅—藍寶石絕對壓力傳感器的陶瓷-鈦合金真空密封組件，可以通過可伐中間層消除由材料熱膨脹系數(shù)不匹配引起的陶瓷和鈦合金材料焊接應(yīng)力，可防止應(yīng)力釋放導(dǎo)致的陶瓷斷裂失效，提高密封可靠性。使用銀基焊料釬焊陶瓷-可伐-鈦合金密封結(jié)構(gòu)的可焊接性和密封性良好，通過高、低溫度試驗考核，密封組件漏率小于1×10-10Pa·m3/s，可以滿足長壽命使用要求。

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Design and analysis of ceramic sealed structure of silicon-on-sapphire absolute pressure sensor

YAO Dong-yuan, XIA Hang, WANG Jun-wei, XIE Sheng-qiu

(The 49th Research Institute，China Electronics Technology Group Corporation，Harbin 150001，China)

The minimized structure design of alumina ceramic-titanium alloy vacuum sealed reference cavity in silicon-on sapphire(SOS) absolute pressure sensor is introduced.The problem of ceramic fracture caused by mismatch of heterogeneous material is discussed.The stress situation of ceramic-titanium alloy packaging structure is calculated and analyzed.The residual stress of ceramic structure is reduced through the design of intermediate buffer layer, the ceramic seal failure caused by ceramic breakage is removed.Kovar material with the similar thermal expansion coefficient is selected as the middle layer.The middle layer structure is optimized by comparing the residual stress generated by the different thickness buffer layer.LTCC processing technology and vacuum brazing process are used to make the ceramic-kovar-titanium alloy sealing components.The component passes the high and low temperature test, and the leaking rate is less than 1×10-10Pa·m3/s, it is sealed and reliable,which meets the life requirement of working life of the absolute pressure sensor.

silicon-on-sapphire(SOS)；absolute pressure sensor; alumina ceramic; vacuum sealed structure

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0065—04

2017—07—03

TP 212

A

1000—9787(2017)08—0065—04

姚東媛(1971-)，女，高級工程師，主要從事壓力傳感器及相關(guān)產(chǎn)品的研究與開發(fā)工作。