浸润传感器 苏-57进化论（二），被拍扁的苏-27

苏-57进化论（二），被拍扁的苏-27

　　苏-57需要满足俄空天军提出的苛刻作战要求，其中包括与F-22争夺制空权和执行深度穿透对地打击任务。在设计PAK-FA时，苏霍伊设计局以F-22为假想敌进行了针对性设计，将该机打造为一种隐身并具有超级机动和超级巡航能力的战斗机，机身广泛采用复合材料制造意图降低RCS。

　　所以该机在设计和制造中应用了俄罗斯最尖端战斗机技术，涵盖隐身、气动、发动机、复合材料、系统集成和武器。该机的大部分具体设计特点被严格保密，在其真正作战能力和性能方面的问题多于答案，因此很难评估苏霍伊设计师是否已经成功克服了研发高性能隐身战斗机所要面对的严峻挑战，例如结合了超音速巡航性能的高敏捷性与机动性、传感器融合和强大多任务能力。

　　在总体气动布局上，苏-57延续了已经过苏-27验证的升力体翼身融合气动布局。该布局当年由苏联中央空气流体动力学研究院提出，特点是主翼和中央机身融合为一个扁平的中央升力体，其纵向剖面为翼型。两台发动机以宽间距短舱的形式布置在下方两侧在机腹形成一个“隧道”，升力体产生的升力最多能占飞机总升力的20%。

苏-57具有典型的升力体气动布局

　　升力体气动布局具有以下优点：内部空间大（使苏-27具有庞大内油，苏-57能在机身内置纵列弹舱），消除了传统设计机翼和机身之间的气动干扰，降低了阻力，由于机身也能提供可观升力因此提高了整机升阻比，有利于实现较高的机动性能，当然该布局也存在浸润面积大的缺点。

　　由于苏-57为了隐身采用了菱形机身截面，全动垂尾外倾角度很大，再加上加莱特进气道倾斜侧壁，所以在整体视觉上就像被拍扁的苏-27，这恰恰反映出两者在设计思路上的一脉相承。

苏-57与苏-27的正面对比

　　苏-57全机有12个可动控制面，包括全动平尾和垂尾、副翼、机翼前缘襟翼、襟副翼和可调前缘涡流控制器（LEVCON），两片垂尾都向内偏时就可作为减速板使用。进气口前方的LEVCON可对其产生的脱体涡进行控制，并提供一定的配平功能。LEVCON是前缘边条的进一步发展，能大幅改善苏-57的大迎角操控，在不使用矢量推力的情况下也能提供快速的失速改出。

苏-57大幅下垂的LEVCON

苏-57的降落减速状态

　　先进飞行控制系统和推力矢量喷管使苏-57具有很强的抗偏离特性，并在偏航和俯仰轴上都具有高度的机动性，使飞机不仅能做如“布加乔夫眼镜蛇”和“敲钟”这样的超高迎角机动，还能做高度损失很小的水平旋转机动（“落叶飘”）。苏-57的超音速巡航能力和作战高度也将使该机具备比前一代战斗机大幅增加的优势。

苏-57的“落叶飘”机动

　　苏-57广泛使用复合材料制造，结构重量的25%和蒙皮的近70%都是复合材料。在对静力测试机身和早期原型机进行测试之后，苏霍伊的设计师发现机身结构无法承受极端机动产生的应力，因此对苏-57的机身内部进行了改进，大幅增强了机身结构强度。

苏-57的大面积复材蒙皮

苏-57制造材料占比：40-44%铝合金 22-26%复材 18%钛合金 10%钢铁 4%其他 ​​​​

　　第二阶段机身在外观上最大的不同是：1、发动机舱上下方都涂覆吸波涂料而不是第一阶段机身裸露的钛合金耐热蒙皮。2、进气道侧面的泄气门经过重新设计和重新定位，并优化了机身口盖的锯齿外形。3、尾椎明显扩大，截面外形也经过重新设计。上述细化设计都有助于苏-57生产型降低RCS。

经过隐身细化的苏-57第二阶段机身，图为T-50-10原型机

　　该机的弹药被安装在发动机机舱之间机腹的两个串列主弹舱，以及翼根处两个三角形凸起近距格斗弹舱内。武器内置化不仅能保持飞机的隐身外形，还大幅降低了阻力，维持飞机的高机动性能。

　　先进发动机和气动设计使苏-57能实现不开加力的持续超音速巡航，凭借大内油，苏-57的超音速航程超过1500公里，是苏-27的两倍以上。在苏-57宽间距矢量喷管设计中，苏霍伊解决了F-22尾喷管只能进行俯仰控制的局限，左右喷管转轴的垂直中心线向外侧偏转了32度（右喷管向右偏，左喷管向左偏），使喷管可以在一个V形相交平面内偏转，两个喷管非对称偏转时能产生滚转和偏航控制力矩。这种3D推力矢量控制能力能在操纵面失效时，仍能在低速时保持对飞机的精确控制。

苏-57的矢量尾喷管与苏-35和苏-30MKI如出一辙

　　试飞员谢尔盖·博格丹称苏-57的飞行性能与苏-35差不多，但该机的超音速加速能力要强悍许多，具有“粗暴而狂野”的加速能力，他还指出苏-57具有良好的可控尾旋特性，能迅速改出。

　　苏-57延续了俄制战斗机在简易跑道上起降的传统，具有坚固的起落架、前轮挡泥板、进气口格栅、能有效防止发动机吸入异物。

带挡泥板的前轮

隐身设计

　　与第四代俄制战斗机相比，苏-57的雷达截面积大幅降低，尤其是前向，该机复合材料和雷达吸波材料的重量占比高达25％。但长期以来T-50原型机外露的铆钉、不加修饰的弹舱门、直通式进气口和发动机舱设计让人们质疑其隐身能力。虽然随着T-50原型机的演进，该机隐身细节设计逐步优化，但仍能看出苏-57为了高机动性和机腹大型武器舱，在隐身设计上做出重大妥协。

已坠毁的T-50S-1生产型机身表面维护盖板的螺丝也经过了隐身处理

　　苏-57在隐身设计理念上与F-22有很大不同。根据2014年出版的俄罗斯军事学说，俄前线航空兵的主要任务是防空和为地面部队提供战术级对地支援，苏-57并不像F-22那样需要在有先进综合防空系统威胁存在的情况下在敌对空域争夺制空权。所以苏-57并不是一种全向隐身的战斗机，其隐身设计主要针对前向，该机可以被视为一种反隐形战斗机，在遭遇F-22时先依靠多阵面雷达和光电系统从远距离发起超视距攻击，然后凭借机动性优势和定向红外对抗系统在近距格斗中获胜。

　　所以与F-22相比，苏-57在后机身隐身设计上就显得漫不经心了。通过综合应用隐身外形设计和吸波材料，苏-57的RCS仍比苏-27大幅降低，苏霍伊在2013年12月提交的一份专利中对该机雷达截面积的估计是“平均为0.1-1平方米”。尽管苏-57的全向隐身能力可能不如F-22、F-35、歼-20，但即使这样，该机RCS仍大幅低于四代半战斗机，如“阵风”和“台风”。

　　不管怎样，苏-57仍将是俄罗斯空军装备的第一种隐身战斗机，该机在平面外形遵循边缘平行的隐身设计原则，机翼和控制翼面的前后缘，以及蒙皮盖板的锯齿状边缘都以几个特定的角度互相平行，把雷达回波集中于向几个方向反射，降低被截获的概率。此外，苏-57的内部弹舱和与蒙皮齐平的共形天线都维持了飞机的隐身外形，风挡前方的红外搜索与跟踪（IRST）转球在不使用时会转向后方，露出RAM材料制造的壳体，以减少其雷达回波。

　　苏-57的进气道难以遮掩发动机正面的强反射源，生产飞机在改用“产品30”发动机之后才能彻底解决直通式进气道在隐身上的最大缺陷。苏-57机身表面广泛采用吸波材料，并对风挡和座舱盖玻璃进行了铟锡氧化物涂层处理，使座舱内部的雷达反射最小化。

从苏-57的直通式进气道设计上也能看出该机在隐身上的妥协

传感器融合

　　苏-57的航电和传感器系统都通过一台中央计算机进行接入和控制，该机的航电是苏霍伊公司自己进行集成的，打破了苏联时期的惯例。过去由仪表制造商负责新型战斗机的火控和飞行导航系统，对于苏霍伊设计局来说，集成工作一般被委托给拉缅斯科耶仪器设计局（RPKB）。

苏-57座舱模拟器早期型

在2019年的莫斯科航展上，俄方展示了苏-57的最新单块大屏显示器

　　苏-57配备了提赫米诺夫仪器制造研究院（NIIP Tikhomirov）全新研制的Sh121多功能集成无线电电子系统（MIRES），其核心组件是N036“松鼠”有源相控阵雷达系统和L402“喜马拉雅”电子对抗系统。

　　N036“松鼠”大概是目前天线阵数量最多的战斗机雷达系统，除了安装在苏-57机鼻雷达罩内的N036-1-01 X波段有源相控阵天线（1552个T/R模块）外，该机还在机鼻两侧安装了两块N036B-1-01 X波段有源相控阵侧视天线（各有358个T/R模块）来增加雷达系统的扫描角度，能扫描飞机前半球270度（左右各135度）的空域。

　　这还不算完，苏-57还在机翼前缘安装了两套N036L-1-01 L波段有源相控阵天线，不仅被用作N036Sh“死神”敌我识别系统的收发天线，根据未经证实的消息，苏-57的机载N036UVS计算机能对上述X和L波段天线阵列获取的雷达信号进行综合处理，获得探测隐身战斗机的能力。

N036“松鼠”雷达系统

　　这是因为现代战斗机雷达隐身技术主要针对S波段和X波段的火控雷达有效，对L波段雷达没有多大效果，因此后者可以探测到隐身目标。但L波段雷达在探测距离和精度上还不能满足火控要求，所以N036L-1-01仅被俄罗斯称为“敌我识别系统”，这大概是苏-57的一种专门针对F-22和F-35的航电，也能被看做是对苏-57明显更高RCS的补偿，这将有助于对西方隐身战斗机进行远程探测。

　　L402“喜马拉雅”电子对抗套件由卡卢加附近的无线电工程研究院（KNIRTI）研制，该系统有自己的有源相控阵天线，位于发动机之间尾椎内，但当系统工作在与雷达相同的频率时，就使用N036的天线阵列。

尾椎内L402“喜马拉雅”系统的有源相控阵天线

　　101KS“环礁”光电系统由叶卡捷琳堡的拉尔光学和机械厂（UOMZ）研制，由五个子系统组成。第一个是101KS-V——安装在座舱前方的红外搜索和跟踪（IRST）转塔，用于探测、识别和跟踪空中目标。第二个是安装在机背和前机身下方的101KS-O定向红外对抗（DIRCM）转塔，发射调制激光干扰来袭导弹的红外引导头，苏-57是全球第一种装备该设备的战斗机。第三个是101KS-U紫外导弹逼近告警传感器（MAWS），可与DIRCM转塔配合使用，苏-57机身安装了四个传感器以实现全覆盖。第四个是101KS-P高分辨率热像仪，用于低空和夜间飞行，系统的两个传感器安装在翼根近距空空导弹舱前端。最后一个101KS-N导航和瞄准吊舱，挂载于进气口下方，用于对地任务的目标识别和瞄准。

101KS“环礁”光电系统安装位置示意图

定向红外对抗系统

　　101KS-O使苏-57成为世界上第一种装备激光定向红外对抗系统的战斗机，以往该系统仅被用于装备军用直升机、运输机和客机上，用于干扰来袭的肩扛式防空导弹。苏-57装备该系统说明俄罗斯在激光定向红外对抗系统的研制上已经有了长足进步，其发射的调制激光可能已能破坏现代红外成像制导空空导弹（如AIM-9X）引导头的跟踪机制，这在全球尚属首创。从中也反映出苏-57的主要设计理念：依靠高机动性、有限隐身能力和现代电子战和光电对抗系统来躲避超视距和视距内空空导弹的攻击。

　　101KS-O的两个气泡式激光转塔被安装在苏-57座舱后的机背上方和座舱下的下颚部位，内置激光发射器反射镜组件，分别对机身上半球和下半球形成360度全覆盖。在101KS-U MAWS探测到来袭导弹之后，自卫系统会自动控制101KS-O瞄准导弹来袭方向，自动持续发射调制激光，直到致盲其引导头使导弹偏离本机为止。

101KS-O组件

101KS-O的安装位置

　　从某种意义上说，苏-57装备的101KS-O可能会成为未来视距内空战的“游戏规则改变者”。如果该装置的确有效，将使现代红外成像空空导弹有效性和杀伤率大幅下降，从而抵消掉西方战斗机在格斗弹上相对俄罗斯的优势。在战斗机上安装DIRCM系统是前所未有的，作为这方面的先驱者，苏-57很可能会引领战斗机机载DIRCM发展的潮流。

MEMS压阻式压力传感器倒装焊封装的研究和发展

张迪雅1，2，梁 庭1，2，姚 宗1，2，李旺旺1，2，张 瑞1，2，熊继军1，2

（1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原030051；

2.中北大学电子测试技术国防科技重点实验室，山西 太原030051）

摘 要： 介绍了倒装焊接技术在MEMS压阻式压力传感器封装领域的优势和目前研制的压力敏感芯片的倒装焊的关键技术。根据封装结构设计和基板材料的不同，详细论述了国内外MEMS压阻式压力传感器倒装焊技术的研究成果。最后总结了MEMS压力传感器倒装焊技术的发展前景和所面临的挑战。

0 引言

微机电系统(Microelectromechanical Systems，MEMS)压力敏感芯片经过几十年的发展已经相当成熟，但是很多芯片却没有作为产品得到实际应用，主要原因是没有解决了封装问题，所以必须重视和积极发展MEMS封装技术[1]。MEMS的封装既能保护芯片又可以实现芯片与载体基板的机械连接和电气连接[2]。可以看出封装对传感器的应用是相当重要的一步。

传统压力传感器的封装方式主要是充油隔离式胶粘引丝和裸露式胶粘引丝，如图1所示。倒装焊技术源于IBM的C4技术(Controlled Collapse Chip Connection)，是一种将晶片直接与基板相互连接的先进封装技术。在封装过程中，芯片以正面朝下的方式，让芯片上的结合点透过金属导体与基板的结合点相互连接的封装技术，如图2所示。两种方式相比，虽然传统引线键合方式的应用已经成熟，但无法实现传感器的小型化封装，而倒装焊接具有短互联、小面积、立体通道、安装密度高等许多优异的封装特性，可以实现小型化封装。无论从节省工艺成本还是提高系统性能的角度, 倒装芯片技术都大有前途[3]。

压力传感器在现代工业生产过程中经常用来检测设备和产品的性能及参数等，其广泛应用于各种工业生产、航空航天等各行业[4]。目前国内外在MEMS压力传感器的产品主要还是引线键合，对倒装焊的应用还很少。近年来各个国家都在积极研制不同结构设计的倒装焊，以满足市场的需求。在不同环境下使用的MEMS压力传感器工作要求不同，以至于基板材料和倒装焊工艺的选择也不同。

1 倒装焊封装的关键技术

倒装焊封装工艺的基本步骤：首先在压力敏感芯片焊盘上制作多层金属膜(Under Bump Metallurgy，UBM)，然后在UBM上进行焊接凸点制作，最后将芯片倒装焊接在基板上，底部填充固化。下面介绍了其中几个具体步骤。

1.1 UBM制备

多层金属膜是在芯片上焊盘与凸点之间的一层金属化层，淀积在芯片焊盘的顶层。由于铝焊盘不能直接与焊料等材料直接连接，所以制备UBM作为过渡层，使芯片与基板互连工艺更容易实现、互连可靠性更高[5]。只有UBM与芯片焊盘及凸焊点间形成良好的欧姆接触，才能确保优良的电性能和导热性能。

UBM通常由黏附层、扩散阻挡层和浸润层等多层金属膜组成。目前，采用的沉积方式有溅射、蒸发、电镀三种基本方法。2004年华中科技大学成功在铝焊盘上通过溅射方法制备了厚度为0.2/0.3 μm的Ti/Cu，其中Ti为粘附、扩散阻挡层，Cu为浸润焊接层[6，7]。选择合适的材料才能确保连接有良好的黏附性能和机械性能，在进行焊料回流或焊点退火等高温处理时，能够保证凸焊点材料不会穿透 UBM 而进入芯片的焊盘中。UBM材料的选择见表1。

1.2 焊接凸点

在制作完成UMB后，要在其上面制备出一定厚度的球形或方形凸点，然后再将倒装芯片连接到基板上。芯片凸点的高度一般为几十微米到几百微米不等，凸点的尺寸小且芯片脆弱易损伤,要保证凸点的一致性有一定的难度[8]。倒装芯片中凸点不仅可以实现芯片与基板互联，还提供了芯片的散热途径，且对芯片形成了保护[9，10]。凸点的制作方法有很多种，包括蒸发、溅射、电镀、化学镀、钉头法等不同方法。其中电镀法较为常用。

倒装焊接有焊料和导电胶两种互连方式，无论哪种互连方式都与凸点的制备有关。焊料互连一般采用回流焊、热压焊和热超声焊，如图3所示。其中回流焊一般在制备了软凸点(焊料金属）时采用，热压焊和热超声焊在制备了硬凸点（Au/Cu)时采用。台湾半导体制造有限公司在硅片的铜焊盘上制备了Ti/Cu/Ni的UBM层，应用电镀法分别使用不同焊料Sn-Ag凸点和Sn-Pb(含铅)凸点，通过分析测试发现Sn-Ag凸点更具有优越性[11]。导电胶粘接分为各项异性导电胶和各项同性导电胶。各向异性导电胶施加在整个空隙之间，只在垂直方向导电，可以实现小节距工艺(Fine pitch)。各向同性导电胶只加在接触点空隙之间，一般采用含银颗粒的环氧树脂浆液。

最后，再进行底部填充。底部填充可以提供芯片与基板的良好粘接，保护芯片表面不受污染，匹配焊点、基板材料和芯片的热膨胀系数。但对于MEMS压力传感器来说，填满间隙会影响活动部件的运动，从一定程度上限制了其在MEMS中的应用。

1.3 基板材料选择

影响MEMS压力传感器倒装焊还有一个重要因素：热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion，CTE）[12]。

芯片和基板的热膨胀系数是不同的，芯片倒装焊在基板上，通过焊接凸点使得芯片上产生一定的应力,所以基板外壳材料的选择直接关系着倒装焊接的残余应力大小。

倒装焊的封装外壳材料分为有机和无机两种。有机材料主要是印制电路（PCB）板；无机材料主要是陶瓷，有低温共烧陶瓷（LTCC）、高温共烧陶瓷（HTCC）、氮化铝陶瓷（ALN)等。陶瓷材料的杨氏模量高不易变形，与硅的热膨胀系数相近且高频有效，属于高强度材料，无论在怎样的环境下都可以获得稳定的性能。与有机材料相比，陶瓷材料的特性更为优越。德国慕尼黑大学成功将芯片倒装焊在HTCC基板上制作了微型麦克风[5]。一些常用材料特性表如表2所示[8]。

2 国内外的研究现状

传统的压力传感器的封装结构，采用引线键合结构，随着市场需求的不断提高，该结构已经无法满足压力传感器的小型化封装。倒装焊接具有高密度，无引线和可靠的优点，为实现传感器的小型化封装开辟了一条新路。MEMS压力传感器的封装技术都是由集成电路封装技术发展和演变而来的，目前集成电路的封装已经相当成熟，但对于一个压力传感器必须始终保持与外界连通，但又要保护器件使之并不暴露给压力媒介中的某些有害物质外壳材料，立体结构，可靠性的要求决定了MEMS封装的难点所在[13]。目前对于压力传感器的倒装焊封装的研究很少，各国都在积极寻找可行有效的解决办法，努力提升传感器封装的稳定性。为了满足市场不断更新的需求，相关研究集中在压力传感器封装的材料选择和结构设计。

中国电子科技集团公司第48研究所提出了一种压力敏感芯片的倒装焊接封装，将背面感压绝压型敏感芯片使用纯金凸点和柯伐合金引脚，采用超声热压焊与基座形成刚性连接，如图4所示，该倒装焊结构是在焊接前进行点胶，靠胶粘剂来固定敏感芯片，抗振动和冲击，这样焊点仅起导电作用，不是受力部位。试验证明了此种封装的可靠性，实现了对绝压压力传感器的无引线封装，大大缩小了传感器的体积，为压力传感器的小型化开辟了道路。但这种结构中胶粘剂压力强度有限，无法实现大压力差压传感器的封装[14]。

随着电子技术的发展，国外对压力传感器的倒装焊封装已经有了一定的成果，提出了不同的结构设计，使用不同的基板材料，应用在不同场合和温度下。在2006年Francesca Campabadal 等人设计的压阻式压力传感器，解决了小尺寸和高的互联线封装密度的问题，如可以满足手机的一些微型部件的要求[15]。该设计为正面感压型倒装焊封装结构如图5所示，采用一个FR-4型的PCB板并在其中间钻孔，芯片的背面深刻蚀与Pyrex玻璃键合。采用回流焊工艺制备Sn/Pb（63/37)焊接凸点，把芯片正面朝下与PCB板上的金焊盘连接起来厚度为100 ?滋m,并用环氧树脂（OG147-7)密封，另一面的PCB孔上是使用了一个传感器的盖子（polyurethane)，使气体压力通过管子直接到达PCB的钻孔，对芯片薄膜形成压力。该传感器结构具有高灵敏度和稳定的输出，在结构上实现了小型化。但并不适用于高温环境下。

虽然国内外的科研工作者在压力传感器的倒装焊封装结构的设计方面已经取得了很大的进步，但大部分设计都是将芯片与基板之间粘接或焊接在一起，由于两者的热膨胀系数不同，大部分设计都采用热膨胀系数与芯片相似的基板材料，但并不是完全相同，会产生相应的残余应力，使结构的稳定性受到影响。

2013年德国慕尼黑应用科技大学的T.Waber等人设计出一种压力传感器新型的倒装焊结构，具有低残余压力，进一步解决了芯片和基板热膨胀系数不同的问题。新设计的原理图如图6所示[16，17]。将一硅片深腔刻蚀与另一硅片进行键合后进行减薄，形成薄膜，薄膜的正面是一个标准的惠斯通电桥，四个电阻条在薄膜的边缘有最大的应力以便获得最大的灵敏度，芯片上的焊盘为铝焊盘，UBM是由Ti，Ni，Cu，Au形成，其实的凸点由SnAgCu焊料制作。这种新的封装技术是将芯片倒装焊在一个铜弹片上。铜弹片通过表面贴装元件(SMD)安装在陶瓷(HTCC)腔室的底部。压力敏感芯片通过无铅焊料倒装焊在铜弹性片上，通过这个弹性片可以减小由于芯片和基板热膨胀系数不匹配所产生的应力。同时，该设计将ASIC(专用集成电路)和芯片封装在同一个管壳里，实现了小型化。

3 MEMS压力传感器封装的发展方向

近年来，国内外的封装技术飞速发展，封装的结构形式也更加多样化。MEMS压力传感器都是尺寸极小的精密元件，其封装尺寸也在不断趋于小型化，对其封装的难度也随之增大。对于MEMS压力传感器的封装要解决的问题有很多，比如寄生应力、芯片隔离、气密性、芯片保护等，都需要不断进行研究以期更好的解决[18，19]。近年来MEMS传感器的气密性封装成为国内外的研究热点，特别是对于MEMS压阻式压力传感器中的可动部件，对其进行气密封装，可以隔离大气、灰尘、水汽等污染物，可见密封对提高传感器的可靠性和使用寿命有帮助。另一方面，MEMS压力传感器的封装，可以在芯片设计阶段就运用数学模型对各个封装步骤和影响因素进行模拟，然后选出最合适的封装材料并且制定最佳的工艺方案[11，20]。

4 结束语

目前，MEMS压力传感器的封装结构不断趋于小型化，引线键合的传统方式已经不能满足应用需求，因此人们必然会加快对倒装焊封装结构的研究。

本文总结了MEMS压力传感器的基本工艺步骤，分析了国内外几种最新的MEMS压力传感器的倒装焊封装结构，这几种结构各具特点，可用于不同的环境下。与国外相比，国内在这方面的研究还有一定的差距，已经有很多大学和研究所在加快开展这方面的研究工作。

通过调研发现，与传感器本身相比，传感器的封装成本约占到60％，甚至80％，必须进一步解决传感器封装成本高和稳定性的问题以期实现倒装焊封装传感器的产品化。

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途安车油压报警有几种原因,机油压力过低,机油压力传感器有故障,最好用测机油压力的表接上发动机油道测量一下各转速下的压力值和传感器的状态。发生在刚刚更...

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