關于硅壓力傳感器的性能強度測試說明

　　對于硅壓力傳感器可靠性強化試驗研究，在同等期限內(nèi)，應用這項技術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，需要進行長時間的可靠性增長，因此也就大大降低了研制成本。在國外，源于市場對可靠性觀念的更新和關鍵技術的突破，使這項技術在90年代得到迅速發(fā)展，近幾年應用越來越多，發(fā)展越來越快，但由于對技術的保密與封鎖，國內(nèi)難以見到具體內(nèi)容的報道。

　　在我國領域該項技術研究起步較晚，目前開展可靠性提高工作的模式還比較傳統(tǒng)，即通過常規(guī)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(xiàn)產(chǎn)品失效后，再考慮設計上的更改，往往需要很長的時間才能獲得較高的可靠性。

　　可靠性強化試驗的技術思想

　　傳統(tǒng)的可靠性試驗是基于模擬真實環(huán)境的試驗方法，其特點是：模擬真實環(huán)境，考慮設計裕度，確保試驗過關。這種試驗方法周期長、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(tǒng)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(tǒng)可靠性試驗的技術思路，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，通過施加強化的環(huán)境應力和工作應力來進行可靠性試驗，激發(fā)產(chǎn)生故障和暴露設計中的薄弱環(huán)節(jié)，以暴露與產(chǎn)品設汁有關的早期失效故障，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(tǒng)的方法高得多，更重要的是，可在短時間內(nèi)獲得早期可靠性，而不像傳統(tǒng)方法那樣需要進行長時間的可靠性增長。

　　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)品進行，進行試驗的時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)還沒有開始之前，在產(chǎn)品研制生產(chǎn)階段的具體時段如圖1所示。

　　硅壓力的失效原理

　　根據(jù)可靠性試驗研究結果統(tǒng)計，硅壓力失效模式主要有以下幾種形式：參數(shù)漂移（零點時漂、溫度漂移）、絕緣性能降低、芯體滲漏、膜片破裂、焊縫裂紋、鍵合點斷開、內(nèi)部元器件脫落、外引線斷開、參數(shù)退化等。采用常規(guī)的溫度、機械、通電老化試驗，可以使部分問題得到改觀，但由于常規(guī)試驗難以暴露存在的全部缺陷，也就無法從根本上實現(xiàn)的高可靠性。

　　硅壓力傳感器的失效模式及失效比例統(tǒng)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。這類問題的出現(xiàn)，主要是芯片表面吸附水分子膜后發(fā)生電化學腐蝕造成的，芯片與焊料、鍵合點界面等都可能發(fā)生電化學腐蝕，這些水分子主要來源于封裝材料固有吸潮性，還有外界引入的潮氣，無論是哪種吸潮方式，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為相對濕度100％時的常數(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力作用下就會發(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(shù)；n為參與電化學反應的分子數(shù)；Z為強度-應力耦合因子。

　　這種腐蝕會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發(fā)生局部晶格結構的滑動帶變化，當應力超過強度極限或發(fā)生累積效應時，就會導致芯體滲漏甚至膜片破裂，引起芯體不穩(wěn)定的應變-應力關系。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，將會導致芯體加速失效。

　　硅壓力傳感器可靠性強化試驗剖面

　　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，失效過程的快慢同時受到環(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變量和溫濕度變量來激發(fā)，引發(fā)指標退化的缺陷可以由溫濕度變量來激發(fā)，這些試驗應力，可以單一施加，也可以順序施加或同時施加。

　　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傳感器破壞極限應力，應力的強度要從小量級開始，按步長逐步遞增，直到出現(xiàn)全部試樣失效。

　　用戶提出的技術要求為沒計規(guī)范的極限應力；設計人員按照一定的設計裕度進行傳感器設計，即為設計極限應力；傳感器在工作極限應力范圍內(nèi)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(nèi)不會出現(xiàn)不可逆的失效，可靠性強化試驗應力強度不可超過破壞極限應力，關系如圖2所示。

　　強化試驗的應力量級及試驗時間

　?。?）隨機振動強化試驗

　　振動方向：互相垂直的3軸6個方向；頻率范圍：5～2000 Hz；振動量級：初始振動量級為設計規(guī)范極限上限，最高振動量級為30 g RMS；量級步長：2～3 g RMS；振動時間：每步10 min。

　?。?）溫度強化試驗

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　　溫度量級：初始溫度量級為設計規(guī)范極限上限溫度TA，最高溫度量級以傳感器出現(xiàn)非正常失效為準；量級步長：TA×10％；保持時間：每步24～96 h。

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　　溫度量級：初始溫度量級為設計規(guī)范極限下限溫度TB，最高溫度量級為-70℃；量級步長：TB×10％；保持時間：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(guī)范極限溫度TA，TB，最高量級參照高低溫試驗要求；量級步長：設計規(guī)范極限溫度×10％；保持時間：1～2 h（根據(jù)傳感器熱容量確定）；循環(huán)次數(shù)：5次。

　　在上述試驗中，傳感器均需要進行通斷電。

　?。?）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：10℃；濕度量級：93％～97％RH；保持時間：每步24～96 h。

　　傳感器技術是目前發(fā)展最迅速的高新技術之一，其技術水平直接影響信息系統(tǒng)和工業(yè)自動化的技術水平。傳感器可靠性技術是與傳感器設計、生產(chǎn)技術同步發(fā)展的一項重要基礎技術。新的市場觀念是，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(nèi)有很高的可靠性。可靠性強化試驗作為一種新型的試驗技術，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)品研制時間，加快新產(chǎn)品投放市場的速度，提高產(chǎn)品的市場占有率和競爭力。

深圳市力準傳感技術有限公司是專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)高品質(zhì)、高精度力值測量傳感器的廠家。主要產(chǎn)品有微型壓式傳感器、拉壓式傳感器、S型傳感器、稱重傳感器、測力傳感器、扭矩傳感器、位移傳感器、壓力變送器、液壓傳感器、控制儀表、以及手持儀等力控產(chǎn)品達千余種。

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