MEMS機(jī)油壓力傳感器可靠性研究

1 引言

　　MEMS是在集成電路生產(chǎn)技術(shù)和專用的微機(jī)電加工方法的基礎(chǔ)上蓬勃發(fā)展起來的高新技術(shù)，用MEMS技術(shù)研制的壓力傳感器具有體積小、重量輕、響應(yīng)快、靈敏度高、易于批量生產(chǎn)、成本低的優(yōu)勢(shì)，它們已經(jīng)開始逐步取代基于傳統(tǒng)機(jī)電技術(shù)的壓力傳感器。目前已有多種MEMS壓力傳感器應(yīng)用到了汽車電子系統(tǒng)中，如發(fā)動(dòng)機(jī)共軌壓力、機(jī)油壓力、歧管空氣進(jìn)氣壓力、汽車胎壓壓力等。其中機(jī)油壓力傳感器是用于測(cè)量汽車發(fā)動(dòng)機(jī)油壓力的重要傳感器，其可靠性直接關(guān)系到汽車和人的安全性。本文選用MEMS壓力芯片，成功開發(fā)出汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力傳感器，研究了機(jī)油壓力傳感器的封裝工藝和可靠性。在傳感器的開發(fā)過程中，嚴(yán)格按汽車電子產(chǎn)品質(zhì)量要求，對(duì)傳感器的封裝及組裝過程進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和測(cè)試，并通過工藝優(yōu)化極大地提高了傳感器的可靠性能。

2 工作原理和制造工藝

　　MEMS壓力傳感器是利用壓阻效應(yīng)原理，采用集成工藝技術(shù)經(jīng)過摻雜、擴(kuò)散，沿單晶硅片上的特定晶向，制成應(yīng)變電阻，構(gòu)成惠斯通電橋，利用硅材料的彈性力學(xué)特性，在同一硅材料上進(jìn)行各向異性微加工，制成了一個(gè)集力敏與力電轉(zhuǎn)換檢測(cè)于一體的擴(kuò)散硅傳感器。通常傳感器芯片上制作有4個(gè)多晶硅電阻，電阻制作在硅薄膜的邊沿位置，這是因?yàn)樵诒∧さ倪呇靥帲?dāng)薄膜受到作用力時(shí)，應(yīng)變引起的電阻變化最大。4個(gè)壓阻R1，R2，R3，R4組成惠斯通電橋構(gòu)成壓力檢測(cè)電路，當(dāng)電橋中輸入電壓為Vin，并設(shè)膜片上的4個(gè)壓阻相等(即R1=R3=R3=R4=R)，當(dāng)薄膜受力變形時(shí)，兩個(gè)電阻變大，兩個(gè)電阻變小，且△R1=-△R2=△R3=-△R4=△R，則其輸出電壓Vout可表示為

　　式中Voffset是在零應(yīng)力和零應(yīng)變時(shí)傳感器的輸出。由式(1)可知壓阻壓力傳感器有兩種工作方式，一種是恒電壓工作方式，另一種為恒流工作方式。

　　MEMS壓力傳感器的一一種重要封裝形式是采用充油的不銹鋼結(jié)構(gòu)，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是充油壓敏芯體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是壓力傳感器二次封裝樣品。

3 可靠性實(shí)驗(yàn)

3.1 芯片貼片工藝

　　傳感器的貼片工藝對(duì)傳感器的性能影響很大，一般要求有足夠的貼片強(qiáng)度、盡可能小的貼片應(yīng)力和能滿足傳感器的工作溫度等。用于壓力芯片的貼片材料主要有焊料和膠，不同的貼片材料對(duì)傳感器性能影響有很大不同。由于焊料貼片時(shí)要求對(duì)芯片背面進(jìn)行金屬化處理，工藝相對(duì)較復(fù)雜，而用膠進(jìn)行貼片，其工藝更簡(jiǎn)單，且成本較低，所以本壓力傳感器選用貼片膠工藝進(jìn)行貼片。由于固化后膠的軟硬對(duì)傳感器的性能有很大影響，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了軟硬膠對(duì)壓力傳感器零點(diǎn)輸出的影響，針對(duì)同一芯片，分別采用無(wú)貼片膠、軟貼片膠(楊氏模量約為1～100 MPa量級(jí)，玻璃化溫度低于-40 ℃)、硬貼片膠(楊氏模量為3.56 GPa，玻璃化溫度為85℃)等三種情況，在-30～125℃下對(duì)傳感器的零點(diǎn)輸出進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3所示，圖中給了兩個(gè)傳感器樣品的測(cè)試結(jié)果。

　　從圖3可以看出，貼片膠對(duì)傳感器零點(diǎn)的影響隨溫度變化而變化，在低溫時(shí)，使用了硬膠貼片的傳感器的零點(diǎn)明顯高于使用軟膠與無(wú)膠的，這種差別隨著溫度的升高變得越來越小。這主要有三個(gè)原因：①貼片膠的彈性模量隨溫度的升高而變??；②貼片膠高溫固化，在低溫時(shí)會(huì)引起收縮殘余應(yīng)力；③貼片膠和芯片材料熱膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的熱應(yīng)力。特別需要注意的是，在85℃之后，硬膠的影響突然變小，小到幾乎與無(wú)膠的情況相同。這是因?yàn)橛材z的玻璃化溫度(Tg)為85℃，高于Tg點(diǎn)時(shí)膠的楊氏模量變小，因而對(duì)傳感器的零點(diǎn)溫漂影響變小。因此，在選用貼片膠時(shí)，要求膠的Tg大于傳感器的工作溫度，以確保傳感器零點(diǎn)的穩(wěn)定性和工作的可靠性。

3.2 引線鍵合工藝

　　用于引線鍵合的鍵合線有Al線和Au線，由于Au線性能更優(yōu)，所以壓力傳感器的鍵合工藝選用Au線。鍵合時(shí)要使鍵合面保持清沽，否則會(huì)影響鍵合強(qiáng)度，等離子清洗是一種能有效提高鍵合強(qiáng)度的方法。由于機(jī)油壓力傳感器工作環(huán)境惡劣，尤其是頻繁的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致金絲有缺陷的地方疲勞斷裂，或者最容易疲勞的位置如第二焊點(diǎn)附近的頸部位置發(fā)生斷裂，因此要求更高的鍵合質(zhì)量。曾對(duì)所研制的機(jī)油壓力傳感器進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，在一批試驗(yàn)樣品中經(jīng)過6×105次加壓和卸壓試驗(yàn)之后，發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)樣品失效，故障分析結(jié)果表明：一個(gè)樣品的失效模式為信號(hào)處理電路上的一個(gè)電阻損壞；另一個(gè)樣品的失效模式為金絲線斷裂，如圖4(a)，(b)所示。對(duì)于這種情況，可以采用雙金絲鍵合工藝，并盡量選用高純度、低缺陷的金絲，并做好引線鍵合前各封裝器件的清潔工作，如圖4(c)所示。這樣對(duì)金絲鍵合工藝進(jìn)行改進(jìn)后，在可靠性試驗(yàn)中，未曾出現(xiàn)金絲斷裂的質(zhì)量問題。

3.3 硅油的選擇和處理

　　由于芯片對(duì)所處環(huán)境的要求比較特殊，所以與硅芯片接觸的硅油需要具備以下特點(diǎn)：良好的介電性能、盡可能小的熱脹系數(shù)、化學(xué)穩(wěn)定性好以及耐熱和耐寒性能好。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，因?yàn)槿魞艋桓蓛?，硅油或傳感器受壓部分的充油腔?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，可以用來評(píng)價(jià)封裝的好壞。通常，由于在恒壓源激勵(lì)的情況下壓力傳感器的靈敏度溫度系數(shù)為負(fù)值，所以壓力傳感器的零點(diǎn)稍有下降，如圖5的樣品5，6，7，8所示；而硅油凈化不充分的壓力傳感器零點(diǎn)的溫漂卻非常大，且隨著溫度的升高而升高，如圖5中的樣品1，2，3，4所示。試驗(yàn)表明，像樣品1，2，3，4這類溫漂很大的傳感器的溫度補(bǔ)償是比較困難的，所以封裝時(shí)必須確保硅油品質(zhì)和填充量恰到好處。

　　硅油長(zhǎng)期在高溫下工作會(huì)發(fā)生變化，如果新分解的化學(xué)成分里面有小顆粒的導(dǎo)電物質(zhì)，這種物質(zhì)可能會(huì)穿過芯片的鈍化層破壞芯片或者介入擴(kuò)散電阻條中間，形成短路或污染。如圖6是隔離封裝的壓力傳感器在125℃高溫下長(zhǎng)時(shí)間放置的數(shù)據(jù)曲線。

　　1#，2#，3#涂敷了保護(hù)層，4#，5#沒有涂敷保護(hù)層?？梢钥吹剑瑳]有保護(hù)層的傳感器在高溫下存儲(chǔ)了約200 h后，它的零點(diǎn)突然發(fā)生了變化，之后數(shù)據(jù)不穩(wěn)定；涂了保護(hù)層的壓力傳感器的零點(diǎn)在600多小時(shí)后仍然很穩(wěn)定。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，還可以在封裝過程中對(duì)芯片以及引線進(jìn)行涂敷鈍化層的處理。

4 結(jié)論

　　分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)油壓力傳感器封裝材料及各個(gè)工藝步驟都會(huì)影響傳感器的性能和可靠性。貼片膠性能不能滿足要求，會(huì)引起傳感器信號(hào)漂移和高溫不穩(wěn)定性；引線鍵合強(qiáng)度不夠，在工作中會(huì)斷裂；硅油化學(xué)穩(wěn)定和耐溫性能不夠好，會(huì)造成傳感器高溫輸出信號(hào)不穩(wěn)定，硅油中的空氣和雜質(zhì)會(huì)造成傳感器零點(diǎn)輸出偏大等，這些問題的存在將影響傳感器的長(zhǎng)期可靠性。