本發明屬于半導體芯片封裝，具體涉及一種基于納米銀燒結與齊平封裝的高溫高頻力敏芯片封裝結構及封裝工藝。
背景技術：
1、在航空發動機熱端監測、燃燒過程控制及核反應堆內部狀態感知等涉及超高溫（最高472℃）、高頻瞬態壓力測量（≥100khz）的極端應用場景中，傳統mems?力敏芯片的封裝與互連技術面臨諸多協同性難題，已難以滿足設備對動態響應能力、測量精度及長期穩定性的嚴苛需求。
2、傳統壓力傳感器多采用非齊平式封裝結構，其敏感膜片前方的凹陷腔體或導壓通道易形成典型的“管腔效應”，等效于亥姆霍茲共振腔，在動態壓力測量中表現為聲學低通濾波器，會嚴重衰減高頻壓力信號，引發相位延遲、信號失真及系統固有頻率下降，同時還會引入附加靜壓誤差，且在極端溫度環境下，材料熱膨脹系數（cte）失配會進一步加劇性能退化，導致靜態與動態測量的系統性偏差。在互連技術方面，現有高溫壓力傳感器常用的金絲鍵合、玻璃燒結、常規釬焊等方式均存在顯著缺陷：金絲在300℃以上易發生晶粒粗化、蠕變與界面脆斷，且鍵合點高度不均會增大膜片與封裝端面的高度差，進一步誘導腔體效應；玻璃熔封會因芯片與金屬殼體的cte不匹配，會產生較大封裝殘余應力，直接傳遞至膜片邊緣，引發零點漂移、遲滯誤差，且在高溫循環中易出現裂紋；sn系或?agcu系常規焊料在高溫下會發生界面脆化或疲勞損傷，其體積收縮還會改變封裝氣隙，引發腔體共振效應，導致10khz以上高頻動態響應嚴重失真，無法滿足≥100khz?帶寬要求。納米銀燒結雖廣泛應用于高溫互連場景，但現有技術多針對功率器件，若直接應用于mems力敏芯片，會面臨燒結收縮不均導致膜片與基座高度差失控、燒結溫度曲線不合理引發大殘余應力等問題，且未與齊平封裝形成協同設計，仍無法從根本上消除腔體效應。
3、綜上，現有技術難以同時解決高溫高頻環境下封裝應力失控、腔體效應干擾及封裝失效等核心問題，亟需構建一種針對soi力敏芯片的納米銀燒結互連與高平整度齊平式封裝創新工藝體系。
技術實現思路
1、本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術的不足，提供一種基于納米銀燒結與齊平封裝的高溫高頻力敏芯片封裝結構。該封裝結構通過將soi力敏芯片的敏感膜片與可伐合金外殼的前端面保持共面布置實現零高度差，有效消除管腔效應，使得傳感器能夠實現無失真的高頻壓力信號測量，顯著提升傳感器的動態響應特性、靜態精度及高溫環境下的可靠性，解決了超高溫（最高?472℃）、高頻（≥100khz）場景下傳統封裝的管腔效應、應力失控及可靠性不足等問題。
2、為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：一種基于納米銀燒結與齊平封裝的高溫高頻力敏芯片封裝結構，其特征在于，包括可伐合金外殼和設置在可伐合金外殼內的芯片主體，所述可伐合金外殼與芯片主體之間設置有氮化硅墊片，所述芯片主體包括氮化鋁陶瓷基板以及位于氮化鋁陶瓷基板上的soi力敏芯片，且氮化鋁陶瓷基板與soi力敏芯片之間具有納米銀燒結互連層，所述氮化鋁陶瓷基板的表面設有用于電路連接的金屬化層，所述soi力敏芯片的背腔外周設置有低熔點玻璃密封環，且背腔與低熔點玻璃密封環圍合形成高真空參考腔，所述soi力敏芯片的敏感膜片與可伐合金外殼的前端面保持共面布置。
3、同時，本發明還公開了一種基于納米銀燒結與齊平封裝的高溫高頻力敏芯片封裝結構的封裝工藝，其特征在于，該工藝包括以下步驟：
4、步驟一、基板預處理與金屬化：采用磁控濺射工藝在氮化鋁陶瓷板的表面沉積ti/pt/au?金屬化層，再經光刻工藝刻蝕形成預設電路圖，獲得用于電路連接的金屬化層，得到氮化鋁陶瓷基板；
5、步驟二、納米銀漿涂布與芯片倒裝：采用絲網印刷在步驟一中的氮化鋁陶瓷基板的焊盤區域涂布納米銀漿，采用高精度倒裝設備將soi力敏芯片的電路面與氮化鋁陶瓷基板的焊盤區域對準并貼合，并通過限位結構控制兩者的鍵合間隙，形成倒裝組件；
6、步驟三、納米銀燒結互連：將步驟二中的倒裝組件置于真空或惰性氣氛保護的燒結設備中，按照預設溫度曲線完成納米銀漿的脫脂、燒結及致密化，形成納米銀燒結互連層；
7、步驟四、玻璃環密封與真空腔制備：將低熔點玻璃預成型環置于步驟三中已形成納米銀燒結互連層的倒裝組件中soi力敏芯片背腔外周的密封區域，并整體移入真空鍵合設備，抽真空后通過精密控溫實現低熔點玻璃預成型環熔封形成低熔點玻璃密封環，與soi力敏芯片背腔圍合形成高真空參考腔，獲得芯片主體；
8、步驟五、齊平結構成型與應力釋放：通過精密加工獲得可伐合金外殼以及配套的氮化硅墊片，然后與步驟四中獲得的芯片主體進行裝配，并使得soi力敏芯片的敏感膜片與可伐合金外殼的前端面共面，再進行低溫退火處理，釋放封裝殘余應力。
9、本發明選用與soi力敏芯片熱膨脹系數匹配的氮化鋁陶瓷板作為基板，通過濺射和光刻工藝形成精細電路圖，為后續與芯片的互連提供基礎，避免在高溫極端環境下因熱膨脹系數適配導致的性能退化；然后涂布納米銀漿并進行芯片倒裝，經燒結形成納米銀燒結互連層，使得soi力敏芯片與氮化鋁陶瓷基板之間形成高溫穩定的互連結構；接著，通過低熔點玻璃預成型環的設置與抽真空后的熔封，使得低熔點玻璃預成型環熔化后流動并充分潤濕soi力敏芯片與氮化鋁陶瓷基板的封接界面，形成致密的氣密封接，緩慢冷卻后，高真空環境被永久“捕獲”在soi力敏芯片背面的腔體內，同步形成絕壓傳感器所需的高真空參考腔；再通過精密加工保證各結構關鍵尺寸，并在裝配過程中優選采用專用夾具進行精確定位，實現soi力敏芯片的敏感膜片與可伐合金外殼的前端面共面，并采用應力管理工藝即低溫退火處理，進一步釋放互連層與封裝界面處的微觀殘余應力，最小化封裝殘余應力，從而穩定傳感器的零點輸出并提高長期可靠性。
10、上述的封裝工藝，其特征在于，步驟一中所述金屬化層為ti/pt/au多層結構，其中ti層厚度為?10nm~50nm，pt層厚度為?20nm~80nm，au層厚度為?200nm~500nm。本發明利用ti/pt/au多層結構中的ti?層作為粘附層提供強粘附性，提高了其與直接接觸的氮化鋁陶瓷基板的結合力，pt層作為擴散阻擋層，有效阻擋元素互擴散，維持多層結構在高溫燒結過程中的穩定性，最外層的au?層作為燒結界面潤濕層，直接與納米銀漿接觸，改善潤濕性，使得氮化鋁陶瓷基板與納米銀漿中的納米銀形成良好金屬鍵合。此外，ti/pt/au多層結構中還可采用具備優異的擴散阻擋性能的pd層代替pt層。
11、上述的封裝工藝，其特征在于，步驟二中所述納米銀漿包含以下質量百分含量的組分：粒徑30nm~80nm的納米銀顆粒70%~85%，粒徑100nm~300nm的低熔點無鉛玻璃粉1%~5%，乙二醇/松油醇混合溶劑10%~20%，且乙二醇與松油醇的體積比為1:2，分散劑與粘結劑及穩定劑合計1.8%~5%。該納米銀漿中的納米銀顆粒形成主體燒結結構與頸結，低熔點無鉛玻璃粉提升界面潤濕性與燒結強度，常用的低熔點無鉛玻璃粉為鉍系硼硅酸鹽玻璃粉（bi2o3–b2o3–sio2），乙二醇/松油醇混合溶劑控制納米銀漿的流變性能，添加的分散劑與粘結劑及穩定劑有效防止顆粒聚集，提高印刷品質。其中，分散劑用于防止納米銀顆粒團聚，確保漿料均勻穩定，常用種類包括聚合物類如聚乙烯吡咯烷酮（pvp）、聚丙烯酸（paa）及小分子表面活性劑如十二烷基苯磺酸鈉（sdbs）、油胺；粘接劑使得納米銀漿在溶劑揮發后銀膜保持形狀，不易開裂或從基板上脫落，常用種類包括纖維素類如乙基纖維素、樹脂類如丙烯酸樹脂、酚醛樹脂（需確保高溫下能完全分解）；穩定劑可防止納米銀在儲存和運輸過程中被氧化或聚集，常用種類包括抗氧化劑有機胺類（如乙醇胺）、有機酸類（如檸檬酸），以及絡合劑。
12、上述的封裝工藝，其特征在于，步驟二中所述絲網印刷的工藝參數為：網板目數250目~350目，印刷厚度10μm~25μm，印刷壓力0.15mpa~0.30mpa，且涂布納米銀漿后在80℃~120℃的空氣或氮氣氛圍中預干燥5min~10min，以去除納米銀漿中的部分溶劑。
13、上述的封裝工藝，其特征在于，步驟二中所述soi力敏芯片采用mems?工藝制備，器件層厚度為50μm~150μm。通常，soi力敏芯片中器件層厚度根據傳感器靈敏度與固有頻率需求設定。
14、上述的封裝工藝，其特征在于，步驟三中所述預設溫度曲線包括四個階段：第一階段以1℃/s~2℃/s的升溫速率升至120℃保溫5min~10min，第二階段以0.5℃/s~1℃/s的升溫速率升至200℃保溫10min~15min，第三階段以0.5℃/s的升溫速率升至260℃~300℃保溫20min~30min，第四階段以0.2℃/s~0.5℃/s的升溫速率升至320℃~350℃保溫15min~20min。先快速升溫至120℃進行第一階段短暫保溫，以去除納米銀漿中的有機溶劑，然后升至200℃保溫，以促進納米銀顆粒初步頸結，接著慢速升溫至260℃~300℃并充分保溫，實現銀顆粒面擴散與致密化，最后緩慢升溫至320℃~350℃保溫，以強化soi力敏芯片與氮化鋁陶瓷基板的界面金屬擴散，形成高溫穩定的納米銀燒結互連層。同時，該燒結過程采用真空或惰性氣氛保護，以防止銀氧化，降低孔洞率，提高燒結密度。
15、上述的封裝工藝，其特征在于，步驟四中所述真空鍵合設備中抽真空至真空度為1×10-3pa以下，低熔點玻璃預成型環熔封的溫度為450℃~550℃，保溫時間為10min~15min。基于低熔點玻璃預成型環的組分，精密控制控制熔封的真空度、溫度和保溫時間，確保低熔點玻璃預成型環熔化后充分潤濕soi力敏芯片與氮化鋁陶瓷基的封接界面，提高氣密封接的致密性。
16、上述的封裝工藝，其特征在于，步驟五中所述低溫退火處理的工藝條件為：氮氣氛圍，退火溫度200℃，保溫時間30min。
17、本發明與現有技術相比具有以下優點：
18、1、本發明采用齊平式封裝結構，通過將soi力敏芯片的敏感膜片與可伐合金外殼的前端面保持共面布置，實現兩者的零高度差，有效消除管腔效應，避免其帶來的高頻壓力信號的嚴重衰減及信號失真、頻率下降等問題，使得傳感器能夠實現無失真的高頻壓力信號測量，顯著提升傳感器的動態響應特性、靜態精度及高溫環境下的可靠性，滿足超高溫（472℃）下的長期氣密性、機械強度和應力穩定性需求，適配中低壓（0~250kpa）絕壓測量場景。
19、2、本發明采用倒裝芯片布局構建齊平封裝結構，通過將soi力敏芯片的電路面朝下與氮化鋁陶瓷基板的焊盤區域對準并貼合，再經納米銀燒結實現soi力敏芯片與氮化鋁陶瓷基板的倒裝互連，提高了兩者高溫互連穩定性，從而保證了齊平封裝結構的穩定性；同時，該齊平封裝結構中耐高溫的玻璃密封環保證了soi力敏芯片與氮化鋁陶瓷基板之間密封形成高真空參考腔，且還能抵抗機械擠壓，避免狹小空間內密封失效；該工藝將納米銀燒結與玻璃熔封工藝深度融合，通過材料復合設計與工藝集成優化，實現結構性連接與氣密性封裝的功能統一的性能協同，突破傳統單一封裝技術的性能局限，為高精度mems器件封裝提供高效可靠的解決方案。
20、3、不同于現有技術中將陶瓷與芯片進行固化和陶瓷封裝以解決熱循環分層問題或者常規通過真空靜電鍵合形成真空腔以提升芯片靈敏度，本發明在納米銀燒結工藝基礎上搭配低熔點玻璃預成型環進行抽真空熔封，一方面通過氣密封接實現高氣密性密封形成高真空參考腔，適用于絕壓傳感器，另一方面與氮化鋁陶瓷基板、可伐合金外殼、soi力敏芯片形成熱膨脹系數匹配的材料體系，有效抑制熱應力，減少熱應力導致的零點漂移，配合齊平封裝結構抑制“管腔效應”，確保傳感器在寬溫區內的測量精度和長期穩定性，實現了微型化封裝設計。
21、4、本發明采用印刷方式在氮化鋁陶瓷基板上涂布納米銀漿，兼容大規模mems封裝線，使得齊平封裝結構無需復雜微加工即可實現，可推廣至多種soi和封裝基座材料。
22、5、不同于現有技術中采用僅含有納米銀顆粒的水溶性納米銀漿，本發明采用含有納米銀顆粒、低熔點無鉛玻璃粉以及有機溶劑的納米銀漿，利用玻璃粉組分填充其制備的納米銀燒結互連層中間隙、增強界面結合力，抑制銀氧化與遷移，增強了納米銀燒結互連層的連接效果，在實現力敏芯片倒裝封裝結構連接并兼顧其機械強度的同時，為后續玻璃環密封奠定物質基礎，保證了低熔點玻璃預成型環熔化后可以充分并快速進入并潤濕芯片與基板封裝界面形成高致密的氣密封接，適用于超高溫環境（高達472℃）及寬溫區（-55℃~472℃）。
23、6、不同于現有技術中應用于民用柔性/剛性電路及可穿戴設備中的力敏芯片封裝結構僅對其導電性、互連和散熱性能有要求而不涉及極端環境，本發明的高溫高頻力敏芯片封裝結構使得傳感器動態響應帶寬與信號保真度顯著提升，靜態測量誤差降低，在極端環境下具備優異的長期穩定性、氣密性及機械強度，可承受超高溫、振動、狹小空間等工況，滿足航空發動機熱端監測等極端場景的嚴苛需求，適用于國防軍工等領域。
24、下面通過附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步的詳細描述。