MEMS機(jī)油壓力傳感器可靠性研究

在集成電路生產(chǎn)工藝和專用微機(jī)電加工方法的基礎(chǔ)上，MEMS是一項(xiàng)蓬勃發(fā)展的高新技術(shù)，采用MEMS技術(shù)開(kāi)發(fā)的壓力傳感器具有體積小、重量輕、響應(yīng)快、靈敏度高、批量生產(chǎn)容易、成本低等優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代了基于傳統(tǒng)機(jī)電技術(shù)的壓力傳感器。目前，許多MEMS壓力傳感器應(yīng)用于汽車(chē)電子系統(tǒng)，如發(fā)動(dòng)機(jī)共軌壓力、油壓力、歧管空氣進(jìn)氣壓力、輪胎壓力等。其中，油壓傳感器是測(cè)量汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)油壓的重要傳感器，其可靠性直接關(guān)系到汽車(chē)和人的安全。選擇MEMS壓力芯片，成功研發(fā)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)油壓力傳感器，研究油壓力傳感器的封裝工藝和可靠性。在傳感器開(kāi)發(fā)過(guò)程中，嚴(yán)格按照汽車(chē)電子產(chǎn)品的質(zhì)量要求，分析和測(cè)試傳感器的包裝和安裝過(guò)程，大大提高了傳感器的可靠性。

二是工作原理和制造技術(shù)。

MEMS壓力傳感器利用壓阻效應(yīng)原理，采用集成工藝技術(shù)混合擴(kuò)散，沿單晶硅片上的特定晶方向形成應(yīng)變電阻，形成惠斯通電橋，利用硅片材料的彈性力學(xué)特性，在同一硅片材料上進(jìn)行各向異性微加工，形成集力敏和力電轉(zhuǎn)換檢測(cè)為一體的擴(kuò)散硅片傳感器。一般來(lái)說(shuō)，傳感器芯片產(chǎn)生4個(gè)多晶硅電阻，電阻制作在硅膜的邊緣，是因?yàn)樵谀さ倪吘墸?dāng)膜受到作用力時(shí)，應(yīng)變引起的電阻變化最大。4個(gè)電阻R1、R2、R3、R4構(gòu)成惠斯通電橋構(gòu)成壓力檢測(cè)電路，當(dāng)電橋輸入的電壓為Vin時(shí)，膜上的4個(gè)電阻相等(即R1=R3=R3=R4)，當(dāng)膜受力變形時(shí)，2個(gè)電阻變大，2個(gè)電阻變小，

Voffset是傳感器零應(yīng)力和零應(yīng)變時(shí)的輸出。從式(1)可以看出，壓阻壓力傳感器有兩種工作方式，一種是恒壓工作，另一種是恒流工作。

MEMS壓力傳感器的重要包裝形式之一是采用充油不銹鋼結(jié)構(gòu)，稱為充油的基本制造技術(shù)包括芯片、導(dǎo)線、包裝箱、充油和二次組裝。

三是可靠的實(shí)驗(yàn)。

3.1芯片貼片技術(shù)。

傳感器的芯片技術(shù)對(duì)傳感器的性能有很大影響，一般要求足夠的芯片強(qiáng)度，盡可能小的芯片應(yīng)力，滿足傳感器的工作溫度等。對(duì)壓力芯片使用的貼片材料主要有焊料和膠料，不同的貼片材料對(duì)傳感器的性能有很大影響。焊接芯片時(shí)需要金屬化處理芯片背面，技術(shù)復(fù)雜，用膠片芯片，技術(shù)簡(jiǎn)單，成本低，本壓力傳感器選擇芯片技術(shù)芯片。固化后粘合劑的硬度對(duì)傳感器的性能有很大影響，因此粘合劑對(duì)壓力傳感器零點(diǎn)輸出的影響進(jìn)行了試驗(yàn)，對(duì)于同一芯片，分別采用無(wú)粘合劑、軟粘合劑(楊氏模量約為1~10MPa量級(jí)，玻璃化溫度低于-40℃)，硬粘合劑(楊氏模量為3.56GPa，玻璃化溫度為85℃)等3種情況，在-30~125℃進(jìn)行了試驗(yàn)。

粘合劑對(duì)傳感器零點(diǎn)的影響隨溫度的變化而變化，在低溫下，使用硬粘合劑的傳感器零點(diǎn)明顯高于使用軟粘合劑和無(wú)粘合劑，這種差異隨溫度的上升而變小。這主要有三個(gè)原因：①膠水的彈性模量隨溫度升高而變??；②膠水的高溫硬化，低溫時(shí)會(huì)引起收縮的殘余應(yīng)力；③膠水與芯片材料的熱膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的熱應(yīng)力。特別需要注意的是，85℃后，硬膠的影響突然變小，幾乎與無(wú)膠的情況相同。這是因?yàn)橛蚕鹉z的玻璃化溫度(Tg)為85℃，高于Tg時(shí)橡膠的楊氏模量變小，對(duì)傳感器零點(diǎn)溫度的影響變小。因此，在選擇膠水時(shí)，膠水的Tg大于傳感器的工作溫度，確保傳感器零點(diǎn)的穩(wěn)定性和工作可靠性。

3.2引線連接技術(shù)。

引線鍵有Al線和Au線兩種，Au線性能好，壓力傳感器的鍵技術(shù)選擇Au線。在鍵合過(guò)程中，要保持鍵合面清，否則會(huì)影響鍵合強(qiáng)度，等離子清洗是有效提高鍵合強(qiáng)度的方法。油壓傳感器工作環(huán)境惡劣，特別是頻繁振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致金絲有缺陷的地方疲勞斷裂，或者最容易疲勞的地方，例如第二焊點(diǎn)附近的頸部位置斷裂，因此需要較高的鍵合質(zhì)量。曾經(jīng)對(duì)開(kāi)發(fā)的油壓傳感器進(jìn)行過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，在一組樣品中經(jīng)過(guò)6×105次加壓和卸壓試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)樣品發(fā)生故障，故障分析結(jié)果顯示，一個(gè)樣品的故障模式是信號(hào)處理電路的電阻損壞，另一個(gè)樣品的故障模式是金線斷裂。在這種情況下，可采用雙金絲鍵合工藝，盡量選擇高純度、低缺陷的金絲，在引線鍵合過(guò)程中進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。

3.3硅油的選擇和處理。

由于芯片對(duì)環(huán)境的要求特殊，接觸硅芯片的硅油需要具備以下特點(diǎn)：良好的介電性能，盡可能小的熱膨脹系數(shù)，良好的化學(xué)穩(wěn)定性，良好的耐熱性和耐寒性。硅油的凈化處理是薄膜隔離壓力傳感器封裝的重要技術(shù)步驟，如果凈化不干凈，硅油和傳感器的壓力部分的油腔混合氣體、水分等容易揮發(fā)的物質(zhì)，溫度區(qū)整體的體積變化不規(guī)則，外部的待測(cè)壓力不能正確地傳遞給芯片，壓力傳感器的溫度變化更加嚴(yán)重。這種現(xiàn)象反映在零點(diǎn)的溫度漂移上，可用于評(píng)估包裝質(zhì)量。通常，由于恒壓源激勵(lì)下壓力傳感器的靈敏度溫度系數(shù)為負(fù)值，壓力傳感器的零點(diǎn)稍下降，如圖5、6、7、8所示硅油凈化不足的壓力傳感器零點(diǎn)的溫度漂移很大，但隨著溫度漂移量的增加，這種溫度漂移量很難保證硅油的高度。

硅油在高溫下長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)發(fā)生變化。如果新分解的化學(xué)成分中含有小顆粒的導(dǎo)電性物質(zhì)，可能會(huì)通過(guò)芯片鈍化層破壞芯片或介入擴(kuò)散阻力條的中間，形成短路或污染。如圖6所示，隔離包裝的壓力傳感器長(zhǎng)時(shí)間放置在125℃的高溫下。

1#、2#、3#涂抹保護(hù)層，4#、5#未涂抹保護(hù)層。沒(méi)有保護(hù)層的傳感器在高溫下保存約200小時(shí)后，其零點(diǎn)突然發(fā)生變化，之后數(shù)據(jù)不穩(wěn)定涂有保護(hù)層的壓力傳感器零點(diǎn)在600小時(shí)以上后也穩(wěn)定。因此，為了防止硅油污染引起的壓力傳感器故障，采取了必要的措施。首先，在高溫下盡量選擇穩(wěn)定的硅油，其次，盡量選擇鈍化層好的芯片，最后，在不影響敏感度的情況下，在封裝過(guò)程中也可以對(duì)芯片和導(dǎo)線進(jìn)行鈍化層處理。

四是結(jié)論。

分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，油壓傳感器的包裝材料和各工藝步驟都會(huì)影響傳感器的性能和可靠性。貼片橡膠的性能不能滿足要求，傳感器信號(hào)的漂移和高溫不穩(wěn)定的導(dǎo)線連接強(qiáng)度不足，工作中斷裂的硅化學(xué)穩(wěn)定性和耐溫性不足，傳感器的高溫輸出信號(hào)不穩(wěn)定，硅油中的空氣和雜質(zhì)傳感器的零點(diǎn)輸出過(guò)大等。這些問(wèn)題的存在會(huì)影響傳感器的長(zhǎng)期可靠性。

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