硅
--藍寶石絕壓傳感器陶瓷密封結構設計與分析

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構設計與分析

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構設計，探討了異質材料不匹配引起的陶瓷斷裂問題，對陶瓷—鈦合金封裝結構的應力情況進行了計算和分析，通過中間緩沖層設計、減小陶瓷承受的結構殘余應力，消除了由陶瓷斷裂導致的密封失效；選擇熱脹系數相近的可伐中間層材料，對比不同厚度緩沖層產生的殘余應力，優化中間層結構，采用LTCC加工技術與真空釬焊工藝結合制作了陶瓷—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； 真空密封結構

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計和密封可靠性是其長期穩定工作的關鍵。傳感器真空封裝常采用金屬管殼、金屬隔離膜片等形式，也有部分產品借鑒了高溫真空電子器件的封裝結構。

隨著材料加工和工藝技術的發展，金屬—陶瓷封裝在電子器件中應用越來越廣泛，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、不導電等優點，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差異可導致陶瓷與金屬之間的應力比相同條件下的金屬與金屬之間連接的殘余應力更大，易出現焊接失效、陶瓷斷裂、密封失效等情況[5]。金屬—陶瓷結構應用中急需解決異質材料可焊性、焊接的殘余應力、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—鈦合金密封組件結構進行研究，減少殘余應力的影響，提高了密封組件結構和密封的可靠性。

1 結構設計

硅—藍寶石高溫絕壓傳感器通過金屬彈性結構與被測介質接觸進行壓力測量，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定和長壽命的保障。采用陶瓷粉經熱壓鑄成型的圓形陶瓷組件封裝傳感器的真空腔，密封腔體設計體積為3.197 cm3，其漏率小于1×10-9Pa·m3/s。經試驗和長期貯存，該結構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，其基體材料使用鈦合金，并利用陶瓷基板實現密封和電氣連接。為了實現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計兩個鈦合金金屬連接環，形成金屬—陶瓷密封組件，組件結構如圖1所示。金屬連接環與傳感器基體鈦合金結構焊接在一起，構成絕壓傳感器真空參考密封腔。通過減少和優化密封腔結構尺寸，設計密封結構腔體體積僅為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 陶瓷密封組件結構示意

2 材料、工藝設計

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構，另外鈦合金的可焊性差、異質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鈦合金不僅具有穩定性好、熱導率低、密度比較小、強度較高等優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境中使用。另外，陶瓷敏感組件中金屬連接環也使用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的作用并承受制品中較高的溫度梯度、介質損耗較小、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技術制成陶瓷基板，能夠實現密封和多層間內外電氣連接。

2.2 工藝設計

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采用Mo—Mn金屬化法制備鎳金屬化層，即可實現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微小裂紋，裂紋位于金屬環連接外側根部。

要求密封組件經過高、低溫試驗后，漏率和強度均不降低，對密封組件進行-55～125 ℃溫度循環試驗，在30個循環后密封組件在陶瓷與鈦合金連接部位出現斷裂情況，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、收縮而產生應變，由于不同材料的熱膨脹系數不同將導致組件各部分發生應變的程度不相同。陶瓷材料線膨脹系數較小、無法產生相應變形，在陶瓷與鈦合金連接處將產生熱應力。在保溫或者冷卻過程中，應力不能夠很好地釋放，使組件產生殘余應力，導致裂紋、斷裂等焊接缺陷。殘余應力是導致釬焊組件在較低的工作強度下和低應力服役過程中失效并產生疲勞斷裂的主要原因。溫度試驗可加速斷裂失效的速度。殘余應力的計算公式為

(1)

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

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

使用ANSYS有限元軟件進行結構仿真，圖3給出了陶瓷基板與連接環之間的結構應力分布情況，分析結果顯示：焊接過程中，在陶瓷基板上由于陶瓷—鈦合金材料性能和結構產生的沿徑向應力分布為(-205.77，235.15)MPa，應力最大位置在鈦合金環外側根部表面、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，陶瓷所承受拉應力已經超過了斷裂強度，因此，焊接在陶瓷基板上產生的應力可引起其斷裂。

圖3 陶瓷—鈦合金結構應力分析情況

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

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

另外，可以采用應力緩沖層將焊接應力集中到中間層，其基本原理是利用緩解層的塑性變形釋放熱應力從而達到降低焊接殘余應力的目的。所選中間層要求彈性模量低、與硬質合金的熱膨脹系數更接近，方可在釬焊中實現緩解釬焊應力。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、結構且工藝成熟，但無氧銅與氧化鋁陶瓷的性能參數差別較大、封裝結構產生的應力較大，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構應力情況進行分析，分析時給定材料與溫度有關的參數如表2，經理論計算，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力為42.45 MPa，由于可伐合金與陶瓷的熱膨脹系數相近，焊接在陶瓷上產生的殘余應力比鈦合金小。圖4給出了ANSYS有限元軟件仿真結果，分析結果顯示：焊接過程中，在陶瓷基板上由于陶瓷—可伐—鈦合金材料和結構產生的沿徑向應力分布為-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力、防止陶瓷斷裂。

表2 中間層材料的性能參數

圖4 不同中間層結構應力分析情況

中間層厚度對陶瓷—金屬連接殘余應力也有影響。對0.1～0.8 mm不同厚度中間層結構影響進行仿真分析，圖5給出了中間層厚度與陶瓷基片沿徑向分布應力極值關系曲線，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力的效果。

圖5 中間層厚度—應力分析情況

通過上述分析，綜合考慮各零件結構尺寸等因素，采用厚度為0.5 mm的可伐環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，焊料浸潤狀態良好，測試組件的漏率小于1×10-10Pa·m3/s，密封性滿足設計要求。對密封組件進行-55～125 ℃內溫度循環和溫度沖擊試驗，在100個溫度循環和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

試驗結果表明：陶瓷—可伐—鈦合金復合結構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材料焊接部位的殘余應力，防止陶瓷斷裂和密封失效。

5 結束語

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不匹配引起的陶瓷和鈦合金材料焊接應力，可防止應力釋放導致的陶瓷斷裂失效，提高密封可靠性。使用銀基焊料釬焊陶瓷-可伐-鈦合金密封結構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。

[1] Boccaccini A R.Glass and glass-ceramic matrix composite mate-rials:A review[J].International Ceramic Review,2002,51(1):24-35.

[2] Zhao H S, Liang T X, Liu B.Synthesis and properties of copper conductive adhesives modified by SiO2nanoparticles[J].International Journal of Adhesion & Adhesives, 2007, 27:429-433.

[3] Wolfram H, Volker R, Elke A, et al.Principles and phenomena of bioengineering with glass-ceramics for dental resto-ration[J].Journal of the European Ceramic Society, 2007, 27(2-3):1521-1526.

[4] Pinakidou F, Katsikini M, Kavouras P, et al.Structural role and coordination environment of Fe in Fe2O3-PbO-SiO2-Na2O composite glasses[J].Journal of Non-Crystalline Solids,2008,354(2-9):105-111.

[5] 鄧滕輝.Al2O3陶瓷與金屬的活性針焊研究[D].昆明:昆明理工大學,2015:1-2.

[6] 李科杰.新編傳感器技術手冊[M].北京:國防工業出版,2002:490-496.

[7] 崔光浩,鄒向光.絕壓傳感器中陶瓷/鈦合金焊接技術研究[J].傳感器與微系統,2010,29(2):179-180.

[8] 張喜燕,趙永慶.鈦合金及應用[M].北京:化學工業出版社,2004:22-23.

[9] 朱治友.氧化鉛陶瓷和TC4釬焊工藝及性能研究[D].天津:天津大學,2014:2-3.

[10] 宋庭豐,蔣小松.Al2O3陶瓷與可伐合金釬焊的研究進展[J].電焊機,2017,47(4):60-66.

[11] 羅蒙麗.硬質合金釬焊技術的現狀與發展[J].硬質合金,2015,32(2):108-115.

[12] 陳 娜,盧威銀.銅基釬料的安裝釬焊工藝研究[J].熱加工工藝,2013,42(3):78-79.

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產品的研究與開發工作。