硅壓阻式壓力傳感器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)及失效分析
2010/4/2 13:33:00
1 引言
硅壓阻式壓力傳感器是目前使用最廣泛、用量最大的傳感器之一,廣泛應(yīng)用于航天、航空、艦船等軍事工程和武器裝備中,成為當(dāng)今發(fā)展高新技術(shù)裝備不可缺少的電子產(chǎn)品。而硅壓阻式壓力傳感器的一些參數(shù)隨環(huán)境溫度的改變而發(fā)生變化，為了保證產(chǎn)品具有很高的強(qiáng)壯度，從而使產(chǎn)品在使用過(guò)程中的可靠性有保障，盡早發(fā)現(xiàn)硅壓阻式壓力傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造工藝缺陷是解決上述問(wèn)題的根本，但是,硅壓阻式壓力傳感器還缺乏統(tǒng)一的可靠性試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn),限制了它的使用和可靠性的提高。究其原因,主要是因?yàn)槿鄙俳y(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)方法及傳感器不可拆卸,使分析困難。所以在產(chǎn)品研制開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要突破傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)技術(shù)思路，采用可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法對(duì)其及進(jìn)行試驗(yàn)參考[1]。
2 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法
可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)樣件施加單一的或綜合的極限環(huán)境應(yīng)力,快速激發(fā)出產(chǎn)品潛在缺陷,并通過(guò)故障原因分析、失效模式分析和改進(jìn)措施提高產(chǎn)品可靠性的試驗(yàn)方法。它在產(chǎn)品研制設(shè)計(jì)中作用顯著,其基本過(guò)程如下:
•通過(guò)施加超過(guò)產(chǎn)品可能承受限度的應(yīng)力,促使?jié)撛诠收媳憩F(xiàn)出來(lái);
•確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)、正常操作和破壞的應(yīng)力限;
•進(jìn)行失效分析直至找到故障的根本原因,確定所有故障模式和相關(guān)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)問(wèn)題;
•進(jìn)行改進(jìn)并通過(guò)重新試驗(yàn)檢驗(yàn)這種改進(jìn)措施在失效環(huán)境下的效果。
可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)施加的應(yīng)力量級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的模擬試驗(yàn),并且常常是多個(gè)應(yīng)力綜合施加。因此,它的激發(fā)效率極高,激發(fā)效果顯著,能夠在短時(shí)間內(nèi)激發(fā)出試件諸多潛伏的和間歇性的缺陷。
在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)中,應(yīng)力的施加是一步步地增加,一次次地排除缺陷,故也叫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)(StepStess Testing :SST) 。另外,也有稱(chēng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)為應(yīng)力壽命試驗(yàn),以及應(yīng)力裕度和強(qiáng)壯試驗(yàn)(Stress Margin And Robustness Test :SMART) 等等。
從可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是評(píng)價(jià)和改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性的觀點(diǎn)來(lái)看,產(chǎn)品制造工藝缺陷引發(fā)的失效就與其無(wú)關(guān)[4]。
3 試驗(yàn)方案
3.1 試驗(yàn)樣品結(jié)構(gòu)
該硅壓阻式壓力傳感器采用MEMS技術(shù)和集成電路工藝，在單晶硅片的特定晶向上制成應(yīng)變電阻構(gòu)成的惠斯登檢測(cè)電橋，并同時(shí)利用硅的彈性力學(xué)特性，制作出集應(yīng)力敏感與力電轉(zhuǎn)換檢測(cè)于一體的硅壓阻力敏元件。其中該硅壓阻式壓力傳感器的封裝形式是采用充油的不銹鋼結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為充油壓敏芯體，其基本制造工藝過(guò)程包括貼片、引線、封裝殼體、充油及二次組裝等。圖1是硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖[2]。
其中硅油的作用是防止被測(cè)介質(zhì)與硅基片直接接觸，避免了腐蝕性介質(zhì)對(duì)基片的損壞。
3.2 試驗(yàn)方法
基于常規(guī)試驗(yàn)設(shè)備的溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)與可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)設(shè)備的該項(xiàng)試驗(yàn)內(nèi)容相同，包含低溫和高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)。本文主要介紹低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中在降至極低的溫度后發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的破壞極限，此時(shí)則可以停止此步試驗(yàn)[2]。
投入試驗(yàn)樣本，由于壓力變送的正常工作溫度范圍為-25℃—70℃所以低溫試驗(yàn)從-30℃開(kāi)始，步長(zhǎng)為-5℃，壓力變送器的工作環(huán)境為公路運(yùn)輸，溫變率為5℃/min。為保證試件在各溫度值完全達(dá)到平衡，各臺(tái)階停留時(shí)間設(shè)置為50分鐘。每個(gè)溫度段在達(dá)到溫度穩(wěn)定時(shí)間后開(kāi)始功能和性能測(cè)試，之后進(jìn)行5次上下電功能測(cè)試，保證每次上下電后功能、性能可以完全恢復(fù)。試驗(yàn)直至降到一定低溫時(shí)，將步長(zhǎng)改為2℃。實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄壓力變送器對(duì)應(yīng)各應(yīng)力輸出值并依據(jù)失效判定方法判定是否失效。下圖為低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的試驗(yàn)剖面圖。
3.3 試驗(yàn)失效判據(jù)
參數(shù)漂移在壓力變送器失效模式中占有一定比例。其中本文主要討論零位輸出隨溫度變化而產(chǎn)生的漂移。硅壓阻式壓力傳感器的零位溫度系數(shù)≤0.02％／℃FS，常溫下零位輸出位4mA，傳感器的滿量程為16mA.所以硅壓阻式壓力傳感器隨溫度變化零位輸出失效判據(jù)為：
％
其中：
為傳感器所處環(huán)境溫度與常溫的差值
為對(duì)應(yīng)溫度變化所產(chǎn)生的零位輸出變化值
FS為傳感器的滿量程輸出（16mA）
即當(dāng)傳感器所處環(huán)境與常溫的差值為
時(shí)，如果傳感器的零位輸出變化量超出 
％時(shí)傳感器此時(shí)判定為失效。
4 傳感器失效分析
4.1 失效模式
該硅壓阻式壓力傳感器在低溫試驗(yàn)環(huán)境下主要存在以下幾種失效模式為：
a 彈性膜片鍵合點(diǎn)斷開(kāi);
b 外出線焊接點(diǎn)脫開(kāi);
c 參數(shù)逐漸退化。
4.2 失效分析
鍵合點(diǎn)斷開(kāi)的樣品經(jīng)解剖分析發(fā)現(xiàn)主要原因是在刻蝕鋁保護(hù)層時(shí),鋁電極表面上的低溫鈍化層沒(méi)有完全腐蝕干凈,剩余的低溫SiO2 薄層介于金絲和鋁電極之間,減小了金絲的鍵合拉力,在膜片變形造成的對(duì)金絲的反復(fù)拉扯中脫落。如果沒(méi)有嚴(yán)格的鍵合工藝質(zhì)量的檢查,鍵合帶來(lái)的缺陷可能在樣品裝配前沒(méi)有被發(fā)現(xiàn),但是,溫度的作用,卻會(huì)導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的劣化,而造成鍵合點(diǎn)開(kāi)裂,導(dǎo)致器件的失效。
由于彈性膜片和陶瓷轉(zhuǎn)接環(huán)之間的密封膠在低溫環(huán)境下具有較大的彈性應(yīng)變,在疲勞試驗(yàn)時(shí),使鍵合點(diǎn)和金絲不斷受到力的作用,隨著壓力循環(huán)次數(shù)的不斷增加,使金絲產(chǎn)生疲勞,進(jìn)而在脆弱處斷裂。
硅油的凈化處理是薄膜隔離式壓力傳感器封裝中至關(guān)重要的工藝步驟，若硅油凈化不干凈，硅油或傳感器受壓部分的充油腔內(nèi)就會(huì)混有氣體、水分等可壓縮、易揮發(fā)的物質(zhì)，在全溫區(qū)內(nèi)的體積變化就會(huì)沒(méi)有規(guī)律可言，造成外界的待測(cè)壓力不能準(zhǔn)確、規(guī)則地傳遞到芯片，從而使得壓力傳感器的溫漂比較嚴(yán)重。這種現(xiàn)象反映在零點(diǎn)的溫漂上。因此，為了防止硅油的污染導(dǎo)致壓力傳感器的失效，我們采取了一些必要的措施。首先，選擇高溫下盡可能穩(wěn)定的硅油；其次，盡量選擇具有良好鈍化層的芯片；最后，在不影響靈敏度的前提下，還可以在封裝過(guò)程中對(duì)芯片以及引線進(jìn)行涂敷鈍化層處理。
在溫度為-62℃時(shí)出現(xiàn)零點(diǎn)輸出不正常經(jīng)檢查是由于硅壓阻式壓力傳感器中的集成處理電路中的運(yùn)算放大器在該溫度環(huán)境下不能正常工作。
參考文獻(xiàn)
[1] 齊虹，王蘊(yùn)輝，易德興，硅壓力傳感器的可靠性試驗(yàn)方法及失效分析.傳感器技術(shù)學(xué)報(bào),2001,20(4):31-33.
[2] 關(guān)榮豐, MEMS機(jī)油壓力傳感器可靠性研究.微納電子技術(shù),2007,第7/8期.
[3] 褚衛(wèi)華,陳循,陶俊勇,高加速壽命試驗(yàn)_HALT_與高加速應(yīng)力篩選_HASS.強(qiáng)度與環(huán)境,2002,29(4):23-25.
[4] 李超,尹霞,陳琨, 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)狀與展望.質(zhì)量與可靠性,2002.2(122):24-28.
硅壓阻式壓力傳感器是目前使用最廣泛、用量最大的傳感器之一,廣泛應(yīng)用于航天、航空、艦船等軍事工程和武器裝備中,成為當(dāng)今發(fā)展高新技術(shù)裝備不可缺少的電子產(chǎn)品。而硅壓阻式壓力傳感器的一些參數(shù)隨環(huán)境溫度的改變而發(fā)生變化，為了保證產(chǎn)品具有很高的強(qiáng)壯度，從而使產(chǎn)品在使用過(guò)程中的可靠性有保障，盡早發(fā)現(xiàn)硅壓阻式壓力傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造工藝缺陷是解決上述問(wèn)題的根本，但是,硅壓阻式壓力傳感器還缺乏統(tǒng)一的可靠性試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn),限制了它的使用和可靠性的提高。究其原因,主要是因?yàn)槿鄙俳y(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)方法及傳感器不可拆卸,使分析困難。所以在產(chǎn)品研制開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要突破傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)技術(shù)思路，采用可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法對(duì)其及進(jìn)行試驗(yàn)參考[1]。
2 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法
可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)樣件施加單一的或綜合的極限環(huán)境應(yīng)力,快速激發(fā)出產(chǎn)品潛在缺陷,并通過(guò)故障原因分析、失效模式分析和改進(jìn)措施提高產(chǎn)品可靠性的試驗(yàn)方法。它在產(chǎn)品研制設(shè)計(jì)中作用顯著,其基本過(guò)程如下:
•通過(guò)施加超過(guò)產(chǎn)品可能承受限度的應(yīng)力,促使?jié)撛诠收媳憩F(xiàn)出來(lái);
•確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)、正常操作和破壞的應(yīng)力限;
•進(jìn)行失效分析直至找到故障的根本原因,確定所有故障模式和相關(guān)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)問(wèn)題;
•進(jìn)行改進(jìn)并通過(guò)重新試驗(yàn)檢驗(yàn)這種改進(jìn)措施在失效環(huán)境下的效果。
可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)施加的應(yīng)力量級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的模擬試驗(yàn),并且常常是多個(gè)應(yīng)力綜合施加。因此,它的激發(fā)效率極高,激發(fā)效果顯著,能夠在短時(shí)間內(nèi)激發(fā)出試件諸多潛伏的和間歇性的缺陷。
在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)中,應(yīng)力的施加是一步步地增加,一次次地排除缺陷,故也叫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)(StepStess Testing :SST) 。另外,也有稱(chēng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)為應(yīng)力壽命試驗(yàn),以及應(yīng)力裕度和強(qiáng)壯試驗(yàn)(Stress Margin And Robustness Test :SMART) 等等。
從可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是評(píng)價(jià)和改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性的觀點(diǎn)來(lái)看,產(chǎn)品制造工藝缺陷引發(fā)的失效就與其無(wú)關(guān)[4]。
3 試驗(yàn)方案
3.1 試驗(yàn)樣品結(jié)構(gòu)
該硅壓阻式壓力傳感器采用MEMS技術(shù)和集成電路工藝，在單晶硅片的特定晶向上制成應(yīng)變電阻構(gòu)成的惠斯登檢測(cè)電橋，并同時(shí)利用硅的彈性力學(xué)特性，制作出集應(yīng)力敏感與力電轉(zhuǎn)換檢測(cè)于一體的硅壓阻力敏元件。其中該硅壓阻式壓力傳感器的封裝形式是采用充油的不銹鋼結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為充油壓敏芯體，其基本制造工藝過(guò)程包括貼片、引線、封裝殼體、充油及二次組裝等。圖1是硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖[2]。
圖1 試驗(yàn)樣品結(jié)構(gòu)示意圖
其中硅油的作用是防止被測(cè)介質(zhì)與硅基片直接接觸，避免了腐蝕性介質(zhì)對(duì)基片的損壞。
3.2 試驗(yàn)方法
基于常規(guī)試驗(yàn)設(shè)備的溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)與可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)設(shè)備的該項(xiàng)試驗(yàn)內(nèi)容相同，包含低溫和高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)。本文主要介紹低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中在降至極低的溫度后發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的破壞極限，此時(shí)則可以停止此步試驗(yàn)[2]。
投入試驗(yàn)樣本，由于壓力變送的正常工作溫度范圍為-25℃—70℃所以低溫試驗(yàn)從-30℃開(kāi)始，步長(zhǎng)為-5℃，壓力變送器的工作環(huán)境為公路運(yùn)輸，溫變率為5℃/min。為保證試件在各溫度值完全達(dá)到平衡，各臺(tái)階停留時(shí)間設(shè)置為50分鐘。每個(gè)溫度段在達(dá)到溫度穩(wěn)定時(shí)間后開(kāi)始功能和性能測(cè)試，之后進(jìn)行5次上下電功能測(cè)試，保證每次上下電后功能、性能可以完全恢復(fù)。試驗(yàn)直至降到一定低溫時(shí)，將步長(zhǎng)改為2℃。實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄壓力變送器對(duì)應(yīng)各應(yīng)力輸出值并依據(jù)失效判定方法判定是否失效。下圖為低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的試驗(yàn)剖面圖。
圖2 低溫試驗(yàn)剖面圖
3.3 試驗(yàn)失效判據(jù)
參數(shù)漂移在壓力變送器失效模式中占有一定比例。其中本文主要討論零位輸出隨溫度變化而產(chǎn)生的漂移。硅壓阻式壓力傳感器的零位溫度系數(shù)≤0.02％／℃FS，常溫下零位輸出位4mA，傳感器的滿量程為16mA.所以硅壓阻式壓力傳感器隨溫度變化零位輸出失效判據(jù)為：
％其中：
為傳感器所處環(huán)境溫度與常溫的差值為對(duì)應(yīng)溫度變化所產(chǎn)生的零位輸出變化值FS為傳感器的滿量程輸出（16mA）
即當(dāng)傳感器所處環(huán)境與常溫的差值為
時(shí)，如果傳感器的零位輸出變化量超出 ％時(shí)傳感器此時(shí)判定為失效。4 傳感器失效分析
4.1 失效模式
該硅壓阻式壓力傳感器在低溫試驗(yàn)環(huán)境下主要存在以下幾種失效模式為：
a 彈性膜片鍵合點(diǎn)斷開(kāi);
b 外出線焊接點(diǎn)脫開(kāi);
c 參數(shù)逐漸退化。
4.2 失效分析
鍵合點(diǎn)斷開(kāi)的樣品經(jīng)解剖分析發(fā)現(xiàn)主要原因是在刻蝕鋁保護(hù)層時(shí),鋁電極表面上的低溫鈍化層沒(méi)有完全腐蝕干凈,剩余的低溫SiO2 薄層介于金絲和鋁電極之間,減小了金絲的鍵合拉力,在膜片變形造成的對(duì)金絲的反復(fù)拉扯中脫落。如果沒(méi)有嚴(yán)格的鍵合工藝質(zhì)量的檢查,鍵合帶來(lái)的缺陷可能在樣品裝配前沒(méi)有被發(fā)現(xiàn),但是,溫度的作用,卻會(huì)導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的劣化,而造成鍵合點(diǎn)開(kāi)裂,導(dǎo)致器件的失效。
由于彈性膜片和陶瓷轉(zhuǎn)接環(huán)之間的密封膠在低溫環(huán)境下具有較大的彈性應(yīng)變,在疲勞試驗(yàn)時(shí),使鍵合點(diǎn)和金絲不斷受到力的作用,隨著壓力循環(huán)次數(shù)的不斷增加,使金絲產(chǎn)生疲勞,進(jìn)而在脆弱處斷裂。
硅油的凈化處理是薄膜隔離式壓力傳感器封裝中至關(guān)重要的工藝步驟，若硅油凈化不干凈，硅油或傳感器受壓部分的充油腔內(nèi)就會(huì)混有氣體、水分等可壓縮、易揮發(fā)的物質(zhì)，在全溫區(qū)內(nèi)的體積變化就會(huì)沒(méi)有規(guī)律可言，造成外界的待測(cè)壓力不能準(zhǔn)確、規(guī)則地傳遞到芯片，從而使得壓力傳感器的溫漂比較嚴(yán)重。這種現(xiàn)象反映在零點(diǎn)的溫漂上。因此，為了防止硅油的污染導(dǎo)致壓力傳感器的失效，我們采取了一些必要的措施。首先，選擇高溫下盡可能穩(wěn)定的硅油；其次，盡量選擇具有良好鈍化層的芯片；最后，在不影響靈敏度的前提下，還可以在封裝過(guò)程中對(duì)芯片以及引線進(jìn)行涂敷鈍化層處理。
在溫度為-62℃時(shí)出現(xiàn)零點(diǎn)輸出不正常經(jīng)檢查是由于硅壓阻式壓力傳感器中的集成處理電路中的運(yùn)算放大器在該溫度環(huán)境下不能正常工作。
參考文獻(xiàn)
[1] 齊虹，王蘊(yùn)輝，易德興，硅壓力傳感器的可靠性試驗(yàn)方法及失效分析.傳感器技術(shù)學(xué)報(bào),2001,20(4):31-33.
[2] 關(guān)榮豐, MEMS機(jī)油壓力傳感器可靠性研究.微納電子技術(shù),2007,第7/8期.
[3] 褚衛(wèi)華,陳循,陶俊勇,高加速壽命試驗(yàn)_HALT_與高加速應(yīng)力篩選_HASS.強(qiáng)度與環(huán)境,2002,29(4):23-25.
[4] 李超,尹霞,陳琨, 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)狀與展望.質(zhì)量與可靠性,2002.2(122):24-28.
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