硅壓力傳感器可靠性強化試驗研究
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。
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
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。
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
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
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。
(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。
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