硅压阻式压力传感器可靠性强化试验及失效分析
2010/4/2 13:33:00
1 引言
硅压阻式压力传感器是目前使用最广泛、用量最大的传感器之一,广泛应用于航天、航空、舰船等军事工程和武器装备中,成为当今发展高新技术装备不可缺少的电子产品。而硅压阻式压力传感器的一些参数随环境温度的改变而发生变化，为了保证产品具有很高的强壮度，从而使产品在使用过程中的可靠性有保障，尽早发现硅压阻式压力传感器系统设计和制造工艺缺陷是解决上述问题的根本，但是,硅压阻式压力传感器还缺乏统一的可靠性试验方法和标准,限制了它的使用和可靠性的提高。究其原因,主要是因为缺少统一的实验方法及传感器不可拆卸,使分析困难。所以在产品研制开发过程中，需要突破传统的可靠性试验技术思路，采用可靠性强化试验方法对其及进行试验参考[1]。
2 可靠性强化试验方法
可靠性强化试验是对产品的设计样件施加单一的或综合的极限环境应力,快速激发出产品潜在缺陷,并通过故障原因分析、失效模式分析和改进措施提高产品可靠性的试验方法。它在产品研制设计中作用显著,其基本过程如下:
•通过施加超过产品可能承受限度的应力,促使潜在故障表现出来;
•确定产品设计、正常操作和破坏的应力限;
•进行失效分析直至找到故障的根本原因,确定所有故障模式和相关的产品设计问题;
•进行改进并通过重新试验检验这种改进措施在失效环境下的效果。
可靠性强化试验施加的应力量级远远高于传统的模拟试验,并且常常是多个应力综合施加。因此,它的激发效率极高,激发效果显著,能够在短时间内激发出试件诸多潜伏的和间歇性的缺陷。
在可靠性强化试验中,应力的施加是一步步地增加,一次次地排除缺陷,故也叫步进应力试验(StepStess Testing :SST) 。另外,也有称可靠性强化试验为应力寿命试验,以及应力裕度和强壮试验(Stress Margin And Robustness Test :SMART) 等等。
从可靠性强化试验是评价和改进产品设计可靠性的观点来看,产品制造工艺缺陷引发的失效就与其无关[4]。
3 试验方案
3.1 试验样品结构
该硅压阻式压力传感器采用MEMS技术和集成电路工艺，在单晶硅片的特定晶向上制成应变电阻构成的惠斯登检测电桥，并同时利用硅的弹性力学特性，制作出集应力敏感与力电转换检测于一体的硅压阻力敏元件。其中该硅压阻式压力传感器的封装形式是采用充油的不锈钢结构，称为充油压敏芯体，其基本制造工艺过程包括贴片、引线、封装壳体、充油及二次组装等。图1是硅压阻式压力传感器结构示意图[2]。
其中硅油的作用是防止被测介质与硅基片直接接触，避免了腐蚀性介质对基片的损坏。
3.2 试验方法
基于常规试验设备的温度步进应力试验与可靠性强化试验设备的该项试验内容相同，包含低温和高温步进应力试验。本文主要介绍低温步进应力试验，试验过程中在降至极低的温度后发现产品的破坏极限，此时则可以停止此步试验[2]。
投入试验样本，由于压力变送的正常工作温度范围为-25℃—70℃所以低温试验从-30℃开始，步长为-5℃，压力变送器的工作环境为公路运输，温变率为5℃/min。为保证试件在各温度值完全达到平衡，各台阶停留时间设置为50分钟。每个温度段在达到温度稳定时间后开始功能和性能测试，之后进行5次上下电功能测试，保证每次上下电后功能、性能可以完全恢复。试验直至降到一定低温时，将步长改为2℃。实验过程记录压力变送器对应各应力输出值并依据失效判定方法判定是否失效。下图为低温步进应力试验的试验剖面图。
3.3 试验失效判据
参数漂移在压力变送器失效模式中占有一定比例。其中本文主要讨论零位输出随温度变化而产生的漂移。硅压阻式压力传感器的零位温度系数≤0.02％／℃FS，常温下零位输出位4mA，传感器的满量程为16mA.所以硅压阻式压力传感器随温度变化零位输出失效判据为：
％
其中：
为传感器所处环境温度与常温的差值
为对应温度变化所产生的零位输出变化值
FS为传感器的满量程输出（16mA）
即当传感器所处环境与常温的差值为
时，如果传感器的零位输出变化量超出 
％时传感器此时判定为失效。
4 传感器失效分析
4.1 失效模式
该硅压阻式压力传感器在低温试验环境下主要存在以下几种失效模式为：
a 弹性膜片键合点断开;
b 外出线焊接点脱开;
c 参数逐渐退化。
4.2 失效分析
键合点断开的样品经解剖分析发现主要原因是在刻蚀铝保护层时,铝电极表面上的低温钝化层没有完全腐蚀干净,剩余的低温SiO2 薄层介于金丝和铝电极之间,减小了金丝的键合拉力,在膜片变形造成的对金丝的反复拉扯中脱落。如果没有严格的键合工艺质量的检查,键合带来的缺陷可能在样品装配前没有被发现,但是,温度的作用,却会导致不可逆转的劣化,而造成键合点开裂,导致器件的失效。
由于弹性膜片和陶瓷转接环之间的密封胶在低温环境下具有较大的弹性应变,在疲劳试验时,使键合点和金丝不断受到力的作用,随着压力循环次数的不断增加,使金丝产生疲劳,进而在脆弱处断裂。
硅油的净化处理是薄膜隔离式压力传感器封装中至关重要的工艺步骤，若硅油净化不干净，硅油或传感器受压部分的充油腔内就会混有气体、水分等可压缩、易挥发的物质，在全温区内的体积变化就会没有规律可言，造成外界的待测压力不能准确、规则地传递到芯片，从而使得压力传感器的温漂比较严重。这种现象反映在零点的温漂上。因此，为了防止硅油的污染导致压力传感器的失效，我们采取了一些必要的措施。首先，选择高温下尽可能稳定的硅油；其次，尽量选择具有良好钝化层的芯片；最后，在不影响灵敏度的前提下，还可以在封装过程中对芯片以及引线进行涂敷钝化层处理。
在温度为-62℃时出现零点输出不正常经检查是由于硅压阻式压力传感器中的集成处理电路中的运算放大器在该温度环境下不能正常工作。
参考文献
[1] 齐虹，王蕴辉，易德兴，硅压力传感器的可靠性试验方法及失效分析.传感器技术学报,2001,20(4):31-33.
[2] 关荣丰, MEMS机油压力传感器可靠性研究.微纳电子技术,2007,第7/8期.
[3] 褚卫华,陈循,陶俊勇,高加速寿命试验_HALT_与高加速应力筛选_HASS.强度与环境,2002,29(4):23-25.
[4] 李超,尹霞,陈琨, 可靠性强化试验技术现状与展望.质量与可靠性,2002.2(122):24-28.
硅压阻式压力传感器是目前使用最广泛、用量最大的传感器之一,广泛应用于航天、航空、舰船等军事工程和武器装备中,成为当今发展高新技术装备不可缺少的电子产品。而硅压阻式压力传感器的一些参数随环境温度的改变而发生变化，为了保证产品具有很高的强壮度，从而使产品在使用过程中的可靠性有保障，尽早发现硅压阻式压力传感器系统设计和制造工艺缺陷是解决上述问题的根本，但是,硅压阻式压力传感器还缺乏统一的可靠性试验方法和标准,限制了它的使用和可靠性的提高。究其原因,主要是因为缺少统一的实验方法及传感器不可拆卸,使分析困难。所以在产品研制开发过程中，需要突破传统的可靠性试验技术思路，采用可靠性强化试验方法对其及进行试验参考[1]。
2 可靠性强化试验方法
可靠性强化试验是对产品的设计样件施加单一的或综合的极限环境应力,快速激发出产品潜在缺陷,并通过故障原因分析、失效模式分析和改进措施提高产品可靠性的试验方法。它在产品研制设计中作用显著,其基本过程如下:
•通过施加超过产品可能承受限度的应力,促使潜在故障表现出来;
•确定产品设计、正常操作和破坏的应力限;
•进行失效分析直至找到故障的根本原因,确定所有故障模式和相关的产品设计问题;
•进行改进并通过重新试验检验这种改进措施在失效环境下的效果。
可靠性强化试验施加的应力量级远远高于传统的模拟试验,并且常常是多个应力综合施加。因此,它的激发效率极高,激发效果显著,能够在短时间内激发出试件诸多潜伏的和间歇性的缺陷。
在可靠性强化试验中,应力的施加是一步步地增加,一次次地排除缺陷,故也叫步进应力试验(StepStess Testing :SST) 。另外,也有称可靠性强化试验为应力寿命试验,以及应力裕度和强壮试验(Stress Margin And Robustness Test :SMART) 等等。
从可靠性强化试验是评价和改进产品设计可靠性的观点来看,产品制造工艺缺陷引发的失效就与其无关[4]。
3 试验方案
3.1 试验样品结构
该硅压阻式压力传感器采用MEMS技术和集成电路工艺，在单晶硅片的特定晶向上制成应变电阻构成的惠斯登检测电桥，并同时利用硅的弹性力学特性，制作出集应力敏感与力电转换检测于一体的硅压阻力敏元件。其中该硅压阻式压力传感器的封装形式是采用充油的不锈钢结构，称为充油压敏芯体，其基本制造工艺过程包括贴片、引线、封装壳体、充油及二次组装等。图1是硅压阻式压力传感器结构示意图[2]。
图1 试验样品结构示意图
其中硅油的作用是防止被测介质与硅基片直接接触，避免了腐蚀性介质对基片的损坏。
3.2 试验方法
基于常规试验设备的温度步进应力试验与可靠性强化试验设备的该项试验内容相同，包含低温和高温步进应力试验。本文主要介绍低温步进应力试验，试验过程中在降至极低的温度后发现产品的破坏极限，此时则可以停止此步试验[2]。
投入试验样本，由于压力变送的正常工作温度范围为-25℃—70℃所以低温试验从-30℃开始，步长为-5℃，压力变送器的工作环境为公路运输，温变率为5℃/min。为保证试件在各温度值完全达到平衡，各台阶停留时间设置为50分钟。每个温度段在达到温度稳定时间后开始功能和性能测试，之后进行5次上下电功能测试，保证每次上下电后功能、性能可以完全恢复。试验直至降到一定低温时，将步长改为2℃。实验过程记录压力变送器对应各应力输出值并依据失效判定方法判定是否失效。下图为低温步进应力试验的试验剖面图。
图2 低温试验剖面图
3.3 试验失效判据
参数漂移在压力变送器失效模式中占有一定比例。其中本文主要讨论零位输出随温度变化而产生的漂移。硅压阻式压力传感器的零位温度系数≤0.02％／℃FS，常温下零位输出位4mA，传感器的满量程为16mA.所以硅压阻式压力传感器随温度变化零位输出失效判据为：
％其中：
为传感器所处环境温度与常温的差值为对应温度变化所产生的零位输出变化值FS为传感器的满量程输出（16mA）
即当传感器所处环境与常温的差值为
时，如果传感器的零位输出变化量超出 ％时传感器此时判定为失效。4 传感器失效分析
4.1 失效模式
该硅压阻式压力传感器在低温试验环境下主要存在以下几种失效模式为：
a 弹性膜片键合点断开;
b 外出线焊接点脱开;
c 参数逐渐退化。
4.2 失效分析
键合点断开的样品经解剖分析发现主要原因是在刻蚀铝保护层时,铝电极表面上的低温钝化层没有完全腐蚀干净,剩余的低温SiO2 薄层介于金丝和铝电极之间,减小了金丝的键合拉力,在膜片变形造成的对金丝的反复拉扯中脱落。如果没有严格的键合工艺质量的检查,键合带来的缺陷可能在样品装配前没有被发现,但是,温度的作用,却会导致不可逆转的劣化,而造成键合点开裂,导致器件的失效。
由于弹性膜片和陶瓷转接环之间的密封胶在低温环境下具有较大的弹性应变,在疲劳试验时,使键合点和金丝不断受到力的作用,随着压力循环次数的不断增加,使金丝产生疲劳,进而在脆弱处断裂。
硅油的净化处理是薄膜隔离式压力传感器封装中至关重要的工艺步骤，若硅油净化不干净，硅油或传感器受压部分的充油腔内就会混有气体、水分等可压缩、易挥发的物质，在全温区内的体积变化就会没有规律可言，造成外界的待测压力不能准确、规则地传递到芯片，从而使得压力传感器的温漂比较严重。这种现象反映在零点的温漂上。因此，为了防止硅油的污染导致压力传感器的失效，我们采取了一些必要的措施。首先，选择高温下尽可能稳定的硅油；其次，尽量选择具有良好钝化层的芯片；最后，在不影响灵敏度的前提下，还可以在封装过程中对芯片以及引线进行涂敷钝化层处理。
在温度为-62℃时出现零点输出不正常经检查是由于硅压阻式压力传感器中的集成处理电路中的运算放大器在该温度环境下不能正常工作。
参考文献
[1] 齐虹，王蕴辉，易德兴，硅压力传感器的可靠性试验方法及失效分析.传感器技术学报,2001,20(4):31-33.
[2] 关荣丰, MEMS机油压力传感器可靠性研究.微纳电子技术,2007,第7/8期.
[3] 褚卫华,陈循,陶俊勇,高加速寿命试验_HALT_与高加速应力筛选_HASS.强度与环境,2002,29(4):23-25.
[4] 李超,尹霞,陈琨, 可靠性强化试验技术现状与展望.质量与可靠性,2002.2(122):24-28.
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