硅壓力傳感器可靠性強化試驗研究

迅速、真正提高的目的。因此，在同等期限內(nèi)，應(yīng)用這項技術(shù)所獲得的可靠性要比傳統(tǒng)方法高得多，更為重要的是在短時間內(nèi)就可以獲得早期的高可靠性，而且不像傳統(tǒng)方法那樣，需要進行長時間的可靠性增長，因此也就大大降低了研制成本。在國外，源于市場對可靠性觀念的更新和關(guān)鍵技術(shù)的突破，使這項技術(shù)在90年代得到迅速發(fā)展，近幾年應(yīng)用越來越多，發(fā)展越來越快，但由于對技術(shù)的保密與封鎖，國內(nèi)難以見到具體內(nèi)容的報道。

在我國傳感器領(lǐng)域該項技術(shù)研究起步較晚，目前開展傳感器可靠性提高工作的模式還比較傳統(tǒng)，即通過常規(guī)的可靠性試驗，測試出產(chǎn)品的可靠性壽命，在可靠性測試出現(xiàn)產(chǎn)品失效后，再考慮設(shè)計上的更改，往往需要很長的時間才能獲得較高的可靠性。

2 可靠性強化試驗的技術(shù)思想

傳統(tǒng)的可靠性試驗是基于模擬真實環(huán)境的試驗方法，其特點是：模擬真實環(huán)境，考慮設(shè)計裕度，確保試驗過關(guān)。這種試驗方法周期長、試驗費用高；而可靠性加速試驗的目的只是識別及量化在使用壽命末期導(dǎo)致產(chǎn)品損耗的失效及其失效機理，而不是暴露產(chǎn)品的缺陷，與傳統(tǒng)的可靠性試驗相比不產(chǎn)生新的失效機理。

可靠性強化試驗突破了傳統(tǒng)可靠性試驗的技術(shù)思路，將快速激發(fā)缺陷的試驗機理引入到可靠性試驗中。在產(chǎn)品設(shè)汁階段，通過施加強化的環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力來進行可靠性試驗，激發(fā)產(chǎn)生故障和暴露設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)，以暴露與產(chǎn)品設(shè)汁有關(guān)的早期失效故障，便于修改設(shè)計。這樣就可以大大縮短試驗時間，提高試驗效率，降低試驗費用。采用這種方法獲得的可靠性要比傳統(tǒng)的方法高得多，更重要的是，可在短時間內(nèi)獲得早期可靠性，而不像傳統(tǒng)方法那樣需要進行長時間的可靠性增長。

可靠性強化試驗是破壞性試驗，目的是要引起失效，試驗樣品針對少量的抽樣產(chǎn)品進行，進行試驗的時間設(shè)在設(shè)計周期的末期，設(shè)計、材料、元器件和工藝等都準備就緒，生產(chǎn)還沒有開始之前，在產(chǎn)品研制生產(chǎn)階段的具體時段如圖1所示。

3 硅壓力傳感器的失效原理

根據(jù)可靠性試驗研究結(jié)果統(tǒng)計，硅壓力傳感器失效模式主要有以下幾種形式：參數(shù)漂移（零點時漂、溫度漂移）、絕緣性能降低、芯體滲漏、膜片破裂、焊縫裂紋、鍵合點斷開、內(nèi)部元器件脫落、外引線斷開、參數(shù)退化等。采用常規(guī)的溫度、機械、通電老化試驗，可以使部分問題得到改觀，但由于常規(guī)試驗難以暴露存在的全部缺陷，也就無法從根本上實現(xiàn)傳感器的高可靠性。

硅壓力傳感器的失效模式及失效比例統(tǒng)計結(jié)果表明，由溫度和濕度等環(huán)境因素變化引起失效占有較大的份額。這類問題的出現(xiàn)，主要是芯片表面吸附水分子膜后發(fā)生電化學(xué)腐蝕造成的，芯片與焊料、鍵合點界面等都可能發(fā)生電化學(xué)腐蝕，這些水分子主要來源于封裝材料固有吸潮性，還有外界引入的潮氣，無論是哪種吸潮方式，吸潮機理的吸潮速率方程均為

式中：Cw為t時刻材料吸收水分子的濃度；C∞為材料吸收水分子的飽和濃度；Vm為材料吸潮速率常數(shù)。

從硅壓力傳感器常規(guī)的濕熱試驗中發(fā)現(xiàn)，溫度越高，水分子的滲透速率越快，材料壽命越短，即Vm是溫度T的函數(shù)。

式中：A為相對濕度100％時的常數(shù)；△E為失效激活能；k為玻爾茲曼常數(shù)。

這樣的情況下，芯體的電極電位在應(yīng)力作用下就會發(fā)生改變，這種電位的改變是

式中：M為原子量；σ為施加的應(yīng)力值；Y為楊式模量；σ為密度；F為法拉第常數(shù)；n為參與電化學(xué)反應(yīng)的分子數(shù)；Z為強度-應(yīng)力耦合因子。

這種腐蝕會增加微裂紋的變化速度，加劇某些位移的應(yīng)力導(dǎo)致傳感器加速失效。

芯體在制造過程中造成的位錯、劃痕、微裂紋、損傷等缺陷，在外載荷應(yīng)力的作用下會發(fā)生局部晶格結(jié)構(gòu)的滑動帶變化，當(dāng)應(yīng)力超過強度極限或發(fā)生累積效應(yīng)時，就會導(dǎo)致芯體滲漏甚至膜片破裂，引起芯體不穩(wěn)定的應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系。則

式中：FS為屈服載荷；A0為初始橫截面面積；σS為屈服應(yīng)力。

當(dāng)外部環(huán)境產(chǎn)生的應(yīng)力大于或接近芯體的屈服應(yīng)力，將會導(dǎo)致芯體加速失效。

4 硅壓力傳感器可靠性強化試驗剖面

4.1 強化試驗應(yīng)力的選取

傳感器的失效模式是由其失效機理決定的，失效過程的快慢同時受到環(huán)境條件和工作條件等應(yīng)力的影響。傳感器承受的應(yīng)力不同，有可能產(chǎn)生相同或不同的失效機理，也可能一種失效模式存在多種失效機理，在選擇試驗應(yīng)力的時候，應(yīng)該選擇對傳感器失效產(chǎn)生較大影響的應(yīng)力條件。

綜合分析硅壓力傳感器的失效原理，開展硅壓力傳感器可靠性強化試驗，認為試驗的敏感應(yīng)力應(yīng)當(dāng)集中為振動應(yīng)力、溫度應(yīng)力、濕度應(yīng)力。結(jié)構(gòu)設(shè)計、焊接工藝、封裝工藝的缺陷可以由振動變量和溫濕度變量來激發(fā)，引發(fā)指標(biāo)退化的缺陷可以由溫濕度變量來激發(fā)，這些試驗應(yīng)力，可以單一施加，也可以順序施加或同時施加。

4.2 強化試驗應(yīng)力強度的確定

硅壓力傳感器可靠性強化試驗應(yīng)力量級要超出產(chǎn)品的設(shè)計極限，但最高量級不能超過傳感器破壞極限應(yīng)力，應(yīng)力的強度要從小量級開始，按步長逐步遞增，直到出現(xiàn)全部試樣失效。

用戶提出的技術(shù)要求為沒計規(guī)范的極限應(yīng)力；設(shè)計人員按照一定的設(shè)計裕度進行傳感器設(shè)計，即為設(shè)計極限應(yīng)力；傳感器在工作極限應(yīng)力范圍內(nèi)不應(yīng)產(chǎn)生失效，篩選應(yīng)力低于工作極限應(yīng)力；傳感器在破壞極限應(yīng)力范圍內(nèi)不會出現(xiàn)不可逆的失效，可靠性強化試驗應(yīng)力強度不可超過破壞極限應(yīng)力，關(guān)系如圖2所示。

4.3 強化試驗的應(yīng)力量級及試驗時間

（1）隨機振動強化試驗

振動方向：互相垂直的3軸6個方向；頻率范圍：5～2000 Hz；振動量級：初始振動量級為設(shè)計規(guī)范極限上限，最高振動量級為30 g RMS；量級步長：2～3 g RMS；振動時間：每步10 min。

（2）溫度強化試驗

①高溫試驗

溫度量級：初始溫度量級為設(shè)計規(guī)范極限上限溫度TA，最高溫度量級以傳感器出現(xiàn)非正常失效為準；量級步長：TA×10％；保持時間：每步24～96 h。

②低溫試驗

溫度量級：初始溫度量級為設(shè)計規(guī)范極限下限溫度TB，最高溫度量級為-70℃；量級步長：TB×10％；保持時間：每步24～96 h。

③高低溫沖擊試驗

溫度量級：初始量級為設(shè)計規(guī)范極限溫度TA，TB，最高量級參照高低溫試驗要求；量級步長：設(shè)計規(guī)范極限溫度×10％；保持時間：1～2 h（根據(jù)傳感器熱容量確定）；循環(huán)次數(shù)：5次。

在上述試驗中，傳感器均需要進行通斷電。

（3）高溫高濕強化試驗

溫度量級：初始量級為60℃，上限溫度85℃；量級步長：10℃；濕度量級：93％～97％RH；保持時間：每步24～96 h。

5 結(jié)束語

傳感器技術(shù)是目前發(fā)展最迅速的高新技術(shù)之一，其技術(shù)水平直接影響信息系統(tǒng)和工業(yè)自動化的技術(shù)水平。傳感器可靠性技術(shù)是與傳感器設(shè)計、生產(chǎn)技術(shù)同步發(fā)展的一項重要基礎(chǔ)技術(shù)。新的市場觀念是，產(chǎn)品不僅要有良好的性能指標(biāo)，更需要在產(chǎn)品的設(shè)計全壽命期內(nèi)有很高的可靠性?？煽啃詮娀囼炞鳛橐环N新型的試驗技術(shù)，效率高、成本低，可以從根本上提高硅壓力傳感器的固有可靠性，快速獲得早期高可靠性，從而大大縮短產(chǎn)品研制時間，加快新產(chǎn)品投放市場的速度，提高產(chǎn)品的市場占有率和競爭力。