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(shù)所獲得的可靠性要比傳統方法高得多，更為重要的是在短時(shí)間內就可以獲得早期的高可靠性，而且不像傳統方法那樣，需要進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的可靠性增長(cháng)，因此也就大大降低了研制成本。在國外，源于市場(chǎng)對可靠性觀(guān)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，近幾年應用越來(lái)越多，發(fā)展越來(lái)越快，但由于對技術(shù)的保密與封鎖，國內難以見(jiàn)到具體內容的報道。

在我國傳感器領(lǐng)域該項技術(shù)研究起步較晚，目前開(kāi)展傳感器可靠性提高工作的模式還比較傳統，即通過(guò)常規的可靠性試驗，測試出產(chǎn)品的可靠性壽命，在可靠性測試出現產(chǎn)品失效后，再考慮設計上的更改，往往需要很長(cháng)的時(shí)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

傳統的可靠性試驗是基于模擬真實(shí)環(huán)境的試驗方法，其特點(diǎn)是：模擬真實(shí)環(huán)境，考慮設計裕度，確保試驗過(guò)關(guān)。這種試驗方法周期長(cháng)、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(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)品設汁階段，通過(guò)施加強化的環(huán)境應力和工作應力來(lái)進(jìn)行可靠性試驗，激發(fā)產(chǎn)生故障和暴露設計中的薄弱環(huán)節，以暴露與產(chǎn)品設汁有關(guān)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(shí)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的方法高得多，更重要的是，可在短時(shí)間內獲得早期可靠性，而不像傳統方法那樣需要進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的可靠性增長(cháng)。

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(jìn)行，進(jìn)行試驗的時(shí)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(chǎn)還沒(méi)有開(kāi)始之前，在產(chǎn)品研制生產(chǎn)階段的具體時(shí)段如圖1所示。

3 硅壓力傳感器的失效原理

根據可靠性試驗研究結果統計，硅壓力傳感器失效模式主要有以下幾種形式：參數漂移（零點(diǎn)時(shí)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(diǎn)斷開(kāi)、內部元器件脫落、外引線(xiàn)斷開(kāi)、參數退化等。采用常規的溫度、機械、通電老化試驗，可以使部分問(wèn)題得到改觀(guān)，但由于常規試驗難以暴露存在的全部缺陷，也就無(wú)法從根本上實(shí)現傳感器的高可靠性。

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(lèi)問(wèn)題的出現，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(diǎn)界面等都可能發(fā)生電化學(xué)腐蝕，這些水分子主要來(lái)源于封裝材料固有吸潮性，還有外界引入的潮氣，無(wú)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(shí)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。

從硅壓力傳感器常規的濕熱試驗中發(fā)現，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。

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

這樣的情況下，芯體的電極電位在應力作用下就會(huì )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；n為參與電化學(xué)反應的分子數；Z為強度-應力耦合因子。

這種腐蝕會(huì )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(guò)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(huì )發(fā)生局部晶格結構的滑動(dòng)帶變化，當應力超過(guò)強度極限或發(fā)生累積效應時(shí)，就會(huì )導致芯體滲漏甚至膜片破裂，引起芯體不穩定的應變-應力關(guān)系。則

式中：FS為屈服載荷；A0為初始橫截面面積；σS為屈服應力。

當外部環(huán)境產(chǎn)生的應力大于或接近芯體的屈服應力，將會(huì )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(guò)程的快慢同時(shí)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(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，在選擇試驗應力的時(shí)候，應該選擇對傳感器失效產(chǎn)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(kāi)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(dòng)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(dòng)變量和溫濕度變量來(lái)激發(fā)，引發(fā)指標退化的缺陷可以由溫濕度變量來(lái)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(shí)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(chǎn)品的設計極限，但最高量級不能超過(guò)傳感器破壞極限應力，應力的強度要從小量級開(kāi)始，按步長(cháng)逐步遞增，直到出現全部試樣失效。

用戶(hù)提出的技術(shù)要求為沒(méi)計規范的極限應力；設計人員按照一定的設計裕度進(jìn)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(chǎn)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(huì )出現不可逆的失效，可靠性強化試驗應力強度不可超過(guò)破壞極限應力，關(guān)系如圖2所示。

4.3 強化試驗的應力量級及試驗時(shí)間

（1）隨機振動(dòng)強化試驗

振動(dòng)方向：互相垂直的3軸6個(gè)方向；頻率范圍：5～2000 Hz；振動(dòng)量級：初始振動(dòng)量級為設計規范極限上限，最高振動(dòng)量級為30 g RMS；量級步長(cháng)：2～3 g RMS；振動(dòng)時(shí)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范極限上限溫度TA，最高溫度量級以傳感器出現非正常失效為準；量級步長(cháng)：TA×10％；保持時(shí)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范極限下限溫度TB，最高溫度量級為-70℃；量級步長(cháng)：TB×10％；保持時(shí)間：每步24～96 h。

③高低溫沖擊試驗

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

在上述試驗中，傳感器均需要進(jìn)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(cháng)：10℃；濕度量級：93％～97％RH；保持時(shí)間：每步24～96 h。

5 結束語(yǔ)

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和工業(yè)自動(dòng)化的技術(shù)水平。傳感器可靠性技術(shù)是與傳感器設計、生產(chǎn)技術(shù)同步發(fā)展的一項重要基礎技術(shù)。新的市場(chǎng)觀(guān)念是，產(chǎn)品不僅要有良好的性能指標，更需要在產(chǎn)品的設計全壽命期內有很高的可靠性?？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(shí)間，加快新產(chǎn)品投放市場(chǎng)的速度，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率和競爭力。