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，應用這項技術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鍵技術的突破，使這項技術在90年代得到迅速發(fā)展，近幾年應用越來越多，發(fā)展越來越快，但由于對技術的保密與封鎖，國內難以見到具體內容的報道。

在我國傳感器領域該項技術研究起步較晚，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，測試出產品的可靠性壽命，在可靠性測試出現(xiàn)產品失效后，再考慮設計上的更改，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，考慮設計裕度，確保試驗過關。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致產品損耗的失效及其失效機理，而不是暴露產品的缺陷，與傳統(tǒng)的可靠性試驗相比不產生新的失效機理。

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。在產品設汁階段，通過施加強化的環(huán)境應力和工作應力來進行可靠性試驗，激發(fā)產生故障和暴露設計中的薄弱環(huán)節(jié)，以暴露與產品設汁有關的早期失效故障，便于修改設計。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品進行，進行試驗的時間設在設計周期的末期，設計、材料、元器件和工藝等都準備就緒，生產還沒有開始之前，在產品研制生產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為參與電化學反應的分子數(shù)；Z為強度-應力耦合因子。

這種腐蝕會增加微裂紋的變化速度，加劇某些位移的應力導致傳感器加速失效。

芯體在制造過程中造成的位錯、劃痕、微裂紋、損傷等缺陷，在外載荷應力的作用下會發(fā)生局部晶格結構的滑動帶變化，當應力超過強度極限或發(fā)生累積效應時，就會導致芯體滲漏甚至膜片破裂，引起芯體不穩(wěn)定的應變-應力關系。則

式中：FS為屈服載荷；A0為初始橫截面面積；σS為屈服應力。

當外部環(huán)境產生的應力大于或接近芯體的屈服應力，將會導致芯體加速失效。

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力的影響。傳感器承受的應力不同，有可能產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，在選擇試驗應力的時候，應該選擇對傳感器失效產生較大影響的應力條件。

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，認為試驗的敏感應力應當集中為振動應力、溫度應力、濕度應力。結構設計、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)指標退化的缺陷可以由溫濕度變量來激發(fā)，這些試驗應力，可以單一施加，也可以順序施加或同時施加。

4.2 強化試驗應力強度的確定

硅壓力傳感器可靠性強化試驗應力量級要超出產品的設計極限，但最高量級不能超過傳感器破壞極限應力，應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。

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

4.3 強化試驗的應力量級及試驗時間

（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 結束語

傳感器技術是目前發(fā)展最迅速的高新技術之一，其技術水平直接影響信息系統(tǒng)和工業(yè)自動化的技術水平。傳感器可靠性技術是與傳感器設計、生產技術同步發(fā)展的一項重要基礎技術。新的市場觀念是，產品不僅要有良好的性能指標，更需要在產品的設計全壽命期內有很高的可靠性。可靠性強化試驗作為一種新型的試驗技術，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，從而大大縮短產品研制時間，加快新產品投放市場的速度，提高產品的市場占有率和競爭力。