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硅压力传感器可靠性强化试验研究 |
1 引言 随着社会的进步和国家的发展，国际竞争日趋深化和激烈，市场对产品的要求越来越高，既要求有高的性能，又要求有高的可靠性，也就是说在产品的整个使用过程中，要保证产品在设计寿命期内性能稳定不变。这是国内外各个行业新一轮对产品可靠性的挑战。可靠性强化试验技术正是满足这一挑战要求的高效快速的方法。 20世纪80年代，国外科研人员在研究和发展产品应力筛选技术的同时，就已经注意到由设计造成的潜在缺陷的残留量仍然不少，这说明产品可靠性的提高仍然有可观的空间。同时价格和研制周期也是市场竞争的焦点问题。 国外的实践经验证明，可靠性强化试验正是综合解决这些问题的最好方法。该项技术的基本原理是利用故障物理学的概念，对产品失效情况和应力等级进行分析研究。通过这项研究，可以达到短时高效暴露产品缺陷，使产品的可靠性得到迅速、真正提高的目的。因此，在同等期限内，应用这项技术所获得的可靠性要比传统方法高得多，更为重要的是在短时间内就可以获得早期的高可靠性，而且不像传统方法那样，需要进行长时间的可靠性增长，因此也就大大降低了研制成本。在国外，源于市场对可靠性观念的更新和关键技术的突破，使这项技术在90年代得到迅速发展，近几年应用越来越多，发展越来越快，但由于对技术的保密与封锁，国内难以见到具体内容的报道。 在我国传感器领域该项技术研究起步较晚，目前开展传感器可靠性提高工作的模式还比较传统，即通过常规的可靠性试验，测试出产品的可靠性寿命，在可靠性测试出现产品失效后，再考虑设计上的更改，往往需要很长的时间才能获得较高的可靠性。 2 可靠性强化试验的技术思想 传统的可靠性试验是基于模拟真实环境的试验方法，其特点是：模拟真实环境，考虑设计裕度，确保试验过关。这种试验方法周期长、试验费用高；而可靠性加速试验的目的只是识别及量化在使用寿命末期导致产品损耗的失效及其失效机理，而不是暴露产品的缺陷，与传统的可靠性试验相比不产生新的失效机理。 可靠性强化试验突破了传统可靠性试验的技术思路，将快速激发缺陷的试验机理引入到可靠性试验中。在产品设汁阶段，通过施加强化的环境应力和工作应力来进行可靠性试验，激发产生故障和暴露设计中的薄弱环节，以暴露与产品设汁有关的早期失效故障，便于修改设计。这样就可以大大缩短试验时间，提高试验效率，降低试验费用。采用这种方法获得的可靠性要比传统的方法高得多，更重要的是，可在短时间内获得早期可靠性，而不像传统方法那样需要进行长时间的可靠性增长。 可靠性强化试验是破坏性试验，目的是要引起失效，试验样品针对少量的抽样产品进行，进行试验的时间设在设计周期的末期，设计、材料、元器件和工艺等都准备就绪，生产还没有开始之前，在产品研制生产阶段的具体时段如图1所示。  3 硅压力传感器的失效原理 根据可靠性试验研究结果统计，硅压力传感器失效模式主要有以下几种形式：参数漂移（零点时漂、温度漂移）、绝缘性能降低、芯体渗漏、膜片破裂、焊缝裂纹、键合点断开、内部元器件脱落、外引线断开、参数退化等。采用常规的温度、机械、通电老化试验，可以使部分问题得到改观，但由于常规试验难以暴露存在的全部缺陷，也就无法从根本上实现传感器的高可靠性。 硅压力传感器的失效模式及失效比例统计结果表明，由温度和湿度等环境因素变化引起失效占有较大的份额。这类问题的出现，主要是芯片表面吸附水分子膜后发生电化学腐蚀造成的，芯片与焊料、键合点界面等都可能发生电化学腐蚀，这些水分子主要来源于封装材料固有吸潮性，还有外界引入的潮气，无论是哪种吸潮方式，吸潮机理的吸潮速率方程均为 式中：Cw为t时刻材料吸收水分子的浓度；C∞为材料吸收水分子的饱和浓度；Vm为材料吸潮速率常数。 从硅压力传感器常规的湿热试验中发现，温度越高，水分子的渗透速率越快，材料寿命越短，即Vm是温度T的函数。 式中：A为相对湿度100％时的常数；△E为失效激活能；k为玻尔兹曼常数。 这样的情况下，芯体的电极电位在应力作用下就会发生改变，这种电位的改变是 式中：M为原子量；σ为施加的应力值；Y为杨式模量；σ为密度；F为法拉第常数；n为参与电化学反应的分子数；Z为强度-应力耦合因子。 这种腐蚀会增加微裂纹的变化速度，加剧某些位移的应力导致传感器加速失效。 芯体在制造过程中造成的位错、划痕、微裂纹、损伤等缺陷，在外载荷应力的作用下会发生局部晶格结构的滑动带变化，当应力超过强度极限或发生累积效应时，就会导致芯体渗漏甚至膜片破裂，引起芯体不稳定的应变-应力关系。则 式中：FS为屈服载荷；A0为初始横截面面积；σS为屈服应力。 当外部环境产生的应力大于或接近芯体的屈服应力，将会导致芯体加速失效。 4 硅压力传感器可靠性强化试验剖面 4.1 强化试验应力的选取 传感器的失效模式是由其失效机理决定的，失效过程的快慢同时受到环境条件和工作条件等应力的影响。传感器承受的应力不同，有可能产生相同或不同的失效机理，也可能一种失效模式存在多种失效机理，在选择试验应力的时候，应该选择对传感器失效产生较大影响的应力条件。 综合分析硅压力传感器的失效原理，开展硅压力传感器可靠性强化试验，认为试验的敏感应力应当集中为振动应力、温度应力、湿度应力。结构设计、焊接工艺、封装工艺的缺陷可以由振动变量和温湿度变量来激发，引发指标退化的缺陷可以由温湿度变量来激发，这些试验应力，可以单一施加，也可以顺序施加或同时施加。 4.2 强化试验应力强度的确定 硅压力传感器可靠性强化试验应力量级要超出产品的设计极限，但最高量级不能超过传感器破坏极限应力，应力的强度要从小量级开始，按步长逐步递增，直到出现全部试样失效。 用户提出的技术要求为没计规范的极限应力；设计人员按照一定的设计裕度进行传感器设计，即为设计极限应力；传感器在工作极限应力范围内不应产生失效，筛选应力低于工作极限应力；传感器在破坏极限应力范围内不会出现不可逆的失效，可靠性强化试验应力强度不可超过破坏极限应力，关系如图2所示。  4.3 强化试验的应力量级及试验时间 （1）随机振动强化试验 振动方向：互相垂直的3轴6个方向；频率范围：5～2000 Hz；振动量级：初始振动量级为设计规范极限上限，最高振动量级为30 g RMS；量级步长：2～3 g RMS；振动时间：每步10 min。 （2）温度强化试验 ①高温试验 温度量级：初始温度量级为设计规范极限上限温度TA，最高温度量级以传感器出现非正常失效为准；量级步长：TA×10％；保持时间：每步24～96 h。 ②低温试验 温度量级：初始温度量级为设计规范极限下限温度TB，最高温度量级为-70℃；量级步长：TB×10％；保持时间：每步24～96 h。 ③高低温冲击试验 温度量级：初始量级为设计规范极限温度TA，TB，最高量级参照高低温试验要求；量级步长：设计规范极限温度×10％；保持时间：1～2 h（根据传感器热容量确定）；循环次数：5次。 在上述试验中，传感器均需要进行通断电。 （3）高温高湿强化试验 温度量级：初始量级为60℃，上限温度85℃；量级步长：10℃；湿度量级：93％～97％RH；保持时间：每步24～96 h。 5 结束语 传感器技术是目前发展最迅速的高新技术之一，其技术水平直接影响信息系统和工业自动化的技术水平。传感器可靠性技术是与传感器设计、生产技术同步发展的一项重要基础技术。新的市场观念是，产品不仅要有良好的性能指标，更需要在产品的设计全寿命期内有很高的可靠性。可靠性强化试验作为一种新型的试验技术，效率高、成本低，可以从根本上提高硅压力传感器的固有可靠性，快速获得早期高可靠性，从而大大缩短产品研制时间，加快新产品投放市场的速度，提高产品的市场占有率和竞争力。 |
