硅壓阻式壓力傳感器可靠性強化試驗及失效分析
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,廣泛應用于航天、航空、艦船等軍事工程和武器裝備中,成為當今發(fā)展高新技術裝備不可缺少的電子產品。而硅壓阻式壓力傳感器的一些參數隨環(huán)境溫度的改變而發(fā)生變化，為了保證產品具有很高的強壯度，從而使產品在使用過程中的可靠性有保障，盡早發(fā)現硅壓阻式壓力傳感器系統(tǒng)設計和制造工藝缺陷是解決上述問題的根本，但是,硅壓阻式壓力傳感器還缺乏統(tǒng)一的可靠性試驗方法和標準,限制了它的使用和可靠性的提高。究其原因,主要是因為缺少統(tǒng)一的實驗方法及傳感器不可拆卸,使分析困難。所以在產品研制開發(fā)過程中，需要突破傳統(tǒng)的可靠性試驗技術思路，采用可靠性強化試驗方法對其及進行試驗參考[1]。
2 可靠性強化試驗方法
可靠性強化試驗是對產品的設計樣件施加單一的或綜合的極限環(huán)境應力,快速激發(fā)出產品潛在缺陷,并通過故障原因分析、失效模式分析和改進措施提高產品可靠性的試驗方法。它在產品研制設計中作用顯著,其基本過程如下:
•通過施加超過產品可能承受限度的應力,促使?jié)撛诠收媳憩F出來;
•確定產品設計、正常操作和破壞的應力限;
•進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的產品設計問題;
•進行改進并通過重新試驗檢驗這種改進措施在失效環(huán)境下的效果。
可靠性強化試驗施加的應力量級遠遠高于傳統(tǒng)的模擬試驗,并且常常是多個應力綜合施加。因此,它的激發(fā)效率極高,激發(fā)效果顯著,能夠在短時間內激發(fā)出試件諸多潛伏的和間歇性的缺陷。
在可靠性強化試驗中,應力的施加是一步步地增加,一次次地排除缺陷,故也叫步進應力試驗(StepStess Testing :SST) 。另外,也有稱可靠性強化試驗為應力壽命試驗,以及應力裕度和強壯試驗(Stress Margin And Robustness Test :SMART) 等等。
從可靠性強化試驗是評價和改進產品設計可靠性的觀點來看,產品制造工藝缺陷引發(fā)的失效就與其無關[4]。
3 試驗方案
3.1 試驗樣品結構
該硅壓阻式壓力傳感器采用MEMS技術和集成電路工藝，在單晶硅片的特定晶向上制成應變電阻構成的惠斯登檢測電橋，并同時利用硅的彈性力學特性，制作出集應力敏感與力電轉換檢測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構，稱為充油壓敏芯體，其基本制造工藝過程包括貼片、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構示意圖[2]。
其中硅油的作用是防止被測介質與硅基片直接接觸，避免了腐蝕性介質對基片的損壞。
3.2 試驗方法
基于常規(guī)試驗設備的溫度步進應力試驗與可靠性強化試驗設備的該項試驗內容相同，包含低溫和高溫步進應力試驗。本文主要介紹低溫步進應力試驗，試驗過程中在降至極低的溫度后發(fā)現產品的破壞極限，此時則可以停止此步試驗[2]。
投入試驗樣本，由于壓力變送的正常工作溫度范圍為-25℃—70℃所以低溫試驗從-30℃開始，步長為-5℃，壓力變送器的工作環(huán)境為公路運輸，溫變率為5℃/min。為保證試件在各溫度值完全達到平衡，各臺階停留時間設置為50分鐘。每個溫度段在達到溫度穩(wěn)定時間后開始功能和性能測試，之后進行5次上下電功能測試，保證每次上下電后功能、性能可以完全恢復。試驗直至降到一定低溫時，將步長改為2℃。實驗過程記錄壓力變送器對應各應力輸出值并依據失效判定方法判定是否失效。下圖為低溫步進應力試驗的試驗剖面圖。
3.3 試驗失效判據
參數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生的漂移。硅壓阻式壓力傳感器的零位溫度系數≤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為：
％
其中：
為傳感器所處環(huán)境溫度與常溫的差值
為對應溫度變化所產生的零位輸出變化值
FS為傳感器的滿量程輸出（16mA）
即當傳感器所處環(huán)境與常溫的差值為
時，如果傳感器的零位輸出變化量超出 
％時傳感器此時判定為失效。
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 彈性膜片鍵合點斷開;
b 外出線焊接點脫開;
c 參數逐漸退化。
4.2 失效分析
鍵合點斷開的樣品經解剖分析發(fā)現主要原因是在刻蝕鋁保護層時,鋁電極表面上的低溫鈍化層沒有完全腐蝕干凈,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金絲的反復拉扯中脫落。如果沒有嚴格的鍵合工藝質量的檢查,鍵合帶來的缺陷可能在樣品裝配前沒有被發(fā)現,但是,溫度的作用,卻會導致不可逆轉的劣化,而造成鍵合點開裂,導致器件的失效。
由于彈性膜片和陶瓷轉接環(huán)之間的密封膠在低溫環(huán)境下具有較大的彈性應變,在疲勞試驗時,使鍵合點和金絲不斷受到力的作用,隨著壓力循環(huán)次數的不斷增加,使金絲產生疲勞,進而在脆弱處斷裂。
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就會混有氣體、水分等可壓縮、易揮發(fā)的物質，在全溫區(qū)內的體積變化就會沒有規(guī)律可言，造成外界的待測壓力不能準確、規(guī)則地傳遞到芯片，從而使得壓力傳感器的溫漂比較嚴重。這種現象反映在零點的溫漂上。因此，為了防止硅油的污染導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，還可以在封裝過程中對芯片以及引線進行涂敷鈍化層處理。
在溫度為-62℃時出現零點輸出不正常經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算放大器在該溫度環(huán)境下不能正常工作。
參考文獻
[1] 齊虹，王蘊輝，易德興，硅壓力傳感器的可靠性試驗方法及失效分析.傳感器技術學報,2001,20(4):31-33.
[2] 關榮豐, MEMS機油壓力傳感器可靠性研究.微納電子技術,2007,第7/8期.
[3] 褚衛(wèi)華,陳循,陶俊勇,高加速壽命試驗_HALT_與高加速應力篩選_HASS.強度與環(huán)境,2002,29(4):23-25.
[4] 李超,尹霞,陳琨, 可靠性強化試驗技術現狀與展望.質量與可靠性,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,廣泛應用于航天、航空、艦船等軍事工程和武器裝備中,成為當今發(fā)展高新技術裝備不可缺少的電子產品。而硅壓阻式壓力傳感器的一些參數隨環(huán)境溫度的改變而發(fā)生變化，為了保證產品具有很高的強壯度，從而使產品在使用過程中的可靠性有保障，盡早發(fā)現硅壓阻式壓力傳感器系統(tǒng)設計和制造工藝缺陷是解決上述問題的根本，但是,硅壓阻式壓力傳感器還缺乏統(tǒng)一的可靠性試驗方法和標準,限制了它的使用和可靠性的提高。究其原因,主要是因為缺少統(tǒng)一的實驗方法及傳感器不可拆卸,使分析困難。所以在產品研制開發(fā)過程中，需要突破傳統(tǒng)的可靠性試驗技術思路，采用可靠性強化試驗方法對其及進行試驗參考[1]。
2 可靠性強化試驗方法
可靠性強化試驗是對產品的設計樣件施加單一的或綜合的極限環(huán)境應力,快速激發(fā)出產品潛在缺陷,并通過故障原因分析、失效模式分析和改進措施提高產品可靠性的試驗方法。它在產品研制設計中作用顯著,其基本過程如下:
•通過施加超過產品可能承受限度的應力,促使?jié)撛诠收媳憩F出來;
•確定產品設計、正常操作和破壞的應力限;
•進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的產品設計問題;
•進行改進并通過重新試驗檢驗這種改進措施在失效環(huán)境下的效果。
可靠性強化試驗施加的應力量級遠遠高于傳統(tǒng)的模擬試驗,并且常常是多個應力綜合施加。因此,它的激發(fā)效率極高,激發(fā)效果顯著,能夠在短時間內激發(fā)出試件諸多潛伏的和間歇性的缺陷。
在可靠性強化試驗中,應力的施加是一步步地增加,一次次地排除缺陷,故也叫步進應力試驗(StepStess Testing :SST) 。另外,也有稱可靠性強化試驗為應力壽命試驗,以及應力裕度和強壯試驗(Stress Margin And Robustness Test :SMART) 等等。
從可靠性強化試驗是評價和改進產品設計可靠性的觀點來看,產品制造工藝缺陷引發(fā)的失效就與其無關[4]。
3 試驗方案
3.1 試驗樣品結構
該硅壓阻式壓力傳感器采用MEMS技術和集成電路工藝，在單晶硅片的特定晶向上制成應變電阻構成的惠斯登檢測電橋，并同時利用硅的彈性力學特性，制作出集應力敏感與力電轉換檢測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構，稱為充油壓敏芯體，其基本制造工藝過程包括貼片、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構示意圖[2]。
圖1 試驗樣品結構示意圖
其中硅油的作用是防止被測介質與硅基片直接接觸，避免了腐蝕性介質對基片的損壞。
3.2 試驗方法
基于常規(guī)試驗設備的溫度步進應力試驗與可靠性強化試驗設備的該項試驗內容相同，包含低溫和高溫步進應力試驗。本文主要介紹低溫步進應力試驗，試驗過程中在降至極低的溫度后發(fā)現產品的破壞極限，此時則可以停止此步試驗[2]。
投入試驗樣本，由于壓力變送的正常工作溫度范圍為-25℃—70℃所以低溫試驗從-30℃開始，步長為-5℃，壓力變送器的工作環(huán)境為公路運輸，溫變率為5℃/min。為保證試件在各溫度值完全達到平衡，各臺階停留時間設置為50分鐘。每個溫度段在達到溫度穩(wěn)定時間后開始功能和性能測試，之后進行5次上下電功能測試，保證每次上下電后功能、性能可以完全恢復。試驗直至降到一定低溫時，將步長改為2℃。實驗過程記錄壓力變送器對應各應力輸出值并依據失效判定方法判定是否失效。下圖為低溫步進應力試驗的試驗剖面圖。
圖2 低溫試驗剖面圖
3.3 試驗失效判據
參數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生的漂移。硅壓阻式壓力傳感器的零位溫度系數≤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為：
％其中：
為傳感器所處環(huán)境溫度與常溫的差值為對應溫度變化所產生的零位輸出變化值FS為傳感器的滿量程輸出（16mA）
即當傳感器所處環(huán)境與常溫的差值為
時，如果傳感器的零位輸出變化量超出 ％時傳感器此時判定為失效。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 彈性膜片鍵合點斷開;
b 外出線焊接點脫開;
c 參數逐漸退化。
4.2 失效分析
鍵合點斷開的樣品經解剖分析發(fā)現主要原因是在刻蝕鋁保護層時,鋁電極表面上的低溫鈍化層沒有完全腐蝕干凈,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金絲的反復拉扯中脫落。如果沒有嚴格的鍵合工藝質量的檢查,鍵合帶來的缺陷可能在樣品裝配前沒有被發(fā)現,但是,溫度的作用,卻會導致不可逆轉的劣化,而造成鍵合點開裂,導致器件的失效。
由于彈性膜片和陶瓷轉接環(huán)之間的密封膠在低溫環(huán)境下具有較大的彈性應變,在疲勞試驗時,使鍵合點和金絲不斷受到力的作用,隨著壓力循環(huán)次數的不斷增加,使金絲產生疲勞,進而在脆弱處斷裂。
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就會混有氣體、水分等可壓縮、易揮發(fā)的物質，在全溫區(qū)內的體積變化就會沒有規(guī)律可言，造成外界的待測壓力不能準確、規(guī)則地傳遞到芯片，從而使得壓力傳感器的溫漂比較嚴重。這種現象反映在零點的溫漂上。因此，為了防止硅油的污染導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，還可以在封裝過程中對芯片以及引線進行涂敷鈍化層處理。
在溫度為-62℃時出現零點輸出不正常經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算放大器在該溫度環(huán)境下不能正常工作。
參考文獻
[1] 齊虹，王蘊輝，易德興，硅壓力傳感器的可靠性試驗方法及失效分析.傳感器技術學報,2001,20(4):31-33.
[2] 關榮豐, MEMS機油壓力傳感器可靠性研究.微納電子技術,2007,第7/8期.
[3] 褚衛(wèi)華,陳循,陶俊勇,高加速壽命試驗_HALT_與高加速應力篩選_HASS.強度與環(huán)境,2002,29(4):23-25.
[4] 李超,尹霞,陳琨, 可靠性強化試驗技術現狀與展望.質量與可靠性,2002.2(122):24-28.
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