硅壓力傳感器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)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(xiàng)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(shí)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(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的可靠性增長(zhǎng)，因此也就大大降低了研制成本。在國(guó)外，源于市場(chǎng)對(duì)可靠性觀念的更新和關(guān)鍵技術(shù)的突破，使這項(xiàng)技術(shù)在90年代得到迅速發(fā)展，近幾年應(yīng)用越來(lái)越多，發(fā)展越來(lái)越快，但由于對(duì)技術(shù)的保密與封鎖，國(guó)內(nèi)難以見(jiàn)到具體內(nèi)容的報(bào)道。

在我國(guó)傳感器領(lǐng)域該項(xiàng)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(tǒng)，即通過(guò)常規(guī)的可靠性試驗(yàn)，測(cè)試出產(chǎn)品的可靠性壽命，在可靠性測(cè)試出現(xiàn)產(chǎn)品失效后，再考慮設(shè)計(jì)上的更改，往往需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能獲得較高的可靠性。

2 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的技術(shù)思想

傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)是基于模擬真實(shí)環(huán)境的試驗(yàn)方法，其特點(diǎn)是：模擬真實(shí)環(huán)境，考慮設(shè)計(jì)裕度，確保試驗(yàn)過(guò)關(guān)。這種試驗(yàn)方法周期長(zhǎng)、試驗(yàn)費(fèi)用高；而可靠性加速試驗(yàn)的目的只是識(shí)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(jī)理，而不是暴露產(chǎn)品的缺陷，與傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)相比不產(chǎn)生新的失效機(jī)理。

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)突破了傳統(tǒng)可靠性試驗(yàn)的技術(shù)思路，將快速激發(fā)缺陷的試驗(yàn)機(jī)理引入到可靠性試驗(yàn)中。在產(chǎn)品設(shè)汁階段，通過(guò)施加強(qiáng)化的環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力來(lái)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，激發(fā)產(chǎn)生故障和暴露設(shè)計(jì)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(jì)。這樣就可以大大縮短試驗(yàn)時(shí)間，提高試驗(yàn)效率，降低試驗(yàn)費(fèi)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(shí)間內(nèi)獲得早期可靠性，而不像傳統(tǒng)方法那樣需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的可靠性增長(zhǎng)。

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是破壞性試驗(yàn)，目的是要引起失效，試驗(yàn)樣品針對(duì)少量的抽樣產(chǎn)品進(jìn)行，進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)間設(shè)在設(shè)計(jì)周期的末期，設(shè)計(jì)、材料、元器件和工藝等都準(zhǔn)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(jù)可靠性試驗(yàn)研究結(jié)果統(tǒng)計(jì)，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(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(nèi)部元器件脫落、外引線斷開(kāi)、參數(shù)退化等。采用常規(guī)的溫度、機(jī)械、通電老化試驗(yàn)，可以使部分問(wèn)題得到改觀，但由于常規(guī)試驗(yàn)難以暴露存在的全部缺陷，也就無(wú)法從根本上實(shí)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(jì)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(lèi)問(wèn)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(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(jī)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(shù)。

從硅壓力傳感器常規(guī)的濕熱試驗(yàn)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(duì)濕度100％時(shí)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(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(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(qiáng)度-應(yīng)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(yīng)力導(dǎo)致傳感器加速失效。

芯體在制造過(guò)程中造成的位錯(cuò)、劃痕、微裂紋、損傷等缺陷，在外載荷應(yīng)力的作用下會(huì)發(fā)生局部晶格結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)帶變化，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)強(qiáng)度極限或發(fā)生累積效應(yīng)時(shí)，就會(huì)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(huì)導(dǎo)致芯體加速失效。

4 硅壓力傳感器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)剖面

4.1 強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)力的選取

傳感器的失效模式是由其失效機(jī)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(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(jī)理，也可能一種失效模式存在多種失效機(jī)理，在選擇試驗(yàn)應(yīng)力的時(shí)候，應(yīng)該選擇對(duì)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(kāi)展硅壓力傳感器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，認(rèn)為試驗(yàn)的敏感應(yīng)力應(yīng)當(dāng)集中為振動(dòng)應(yīng)力、溫度應(yīng)力、濕度應(yīng)力。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(biāo)退化的缺陷可以由溫濕度變量來(lái)激發(fā)，這些試驗(yàn)應(yīng)力，可以單一施加，也可以順序施加或同時(shí)施加。

4.2 強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)力強(qiáng)度的確定

硅壓力傳感器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)力量級(jí)要超出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)極限，但最高量級(jí)不能超過(guò)傳感器破壞極限應(yīng)力，應(yīng)力的強(qiáng)度要從小量級(jí)開(kāi)始，按步長(zhǎng)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(méi)計(jì)規(guī)范的極限應(yīng)力；設(shè)計(jì)人員按照一定的設(shè)計(jì)裕度進(jìn)行傳感器設(shè)計(jì)，即為設(shè)計(jì)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(huì)出現(xiàn)不可逆的失效，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)力強(qiáng)度不可超過(guò)破壞極限應(yīng)力，關(guān)系如圖2所示。

4.3 強(qiáng)化試驗(yàn)的應(yīng)力量級(jí)及試驗(yàn)時(shí)間

（1）隨機(jī)振動(dòng)強(qiáng)化試驗(yàn)

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(jí)：初始振動(dòng)量級(jí)為設(shè)計(jì)規(guī)范極限上限，最高振動(dòng)量級(jí)為30 g RMS；量級(jí)步長(zhǎng)：2～3 g RMS；振動(dòng)時(shí)間：每步10 min。

（2）溫度強(qiáng)化試驗(yàn)

①高溫試驗(yàn)

溫度量級(jí)：初始溫度量級(jí)為設(shè)計(jì)規(guī)范極限上限溫度TA，最高溫度量級(jí)以傳感器出現(xiàn)非正常失效為準(zhǔn)；量級(jí)步長(zhǎng)：TA×10％；保持時(shí)間：每步24～96 h。

②低溫試驗(yàn)

溫度量級(jí)：初始溫度量級(jí)為設(shè)計(jì)規(guī)范極限下限溫度TB，最高溫度量級(jí)為-70℃；量級(jí)步長(zhǎng)：TB×10％；保持時(shí)間：每步24～96 h。

③高低溫沖擊試驗(yàn)

溫度量級(jí)：初始量級(jí)為設(shè)計(jì)規(guī)范極限溫度TA，TB，最高量級(jí)參照高低溫試驗(yàn)要求；量級(jí)步長(zhǎng)：設(shè)計(jì)規(guī)范極限溫度×10％；保持時(shí)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(yàn)中，傳感器均需要進(jìn)行通斷電。

（3）高溫高濕強(qiáng)化試驗(yàn)

溫度量級(jí)：初始量級(jí)為60℃，上限溫度85℃；量級(jí)步長(zhǎng)：10℃；濕度量級(jí)：93％～97％RH；保持時(shí)間：每步24～96 h。

5 結(jié)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(tǒng)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(shè)計(jì)、生產(chǎn)技術(shù)同步發(fā)展的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)技術(shù)。新的市場(chǎng)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(jì)全壽命期內(nèi)有很高的可靠性?？煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)作為一種新型的試驗(yàn)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(jìng)爭(zhēng)力。