MEMS機油壓力傳感器可靠性研究

.頁MEMS機油壓力傳感器可靠性研究1引言MEMS是在集成電路生產(chǎn)技術(shù)和專用的微機電加工方法的基礎(chǔ)上蓬勃發(fā)展起來的高新技術(shù)，用MEMS技術(shù)研制的壓力傳感器具有體積小、重量輕、響應快、靈敏度高、易于批量生產(chǎn)、成本低的優(yōu)勢，它們已經(jīng)開始逐步取代基于傳統(tǒng)機電技術(shù)的壓力傳感器。目前已有多種MEMS壓力傳感器應用到了汽車電子系統(tǒng)中，如發(fā)動機共軌壓力、機油壓力、歧管空氣進氣壓力、汽車胎壓壓力等。其中機油壓力傳感器是用于測量汽車發(fā)動機油壓力的重要傳感器，其可

1引言MEMS是在集成電路生產(chǎn)技術(shù)和專用的微機電加工方法的基礎(chǔ)上蓬勃發(fā)展起來的高新技術(shù)，用MEMS技術(shù)研制的壓力傳感器具有體積小、重量輕、響應快、靈敏度高、易于批量生產(chǎn)、成本低的優(yōu)勢，它們已經(jīng)開始逐步取代基于傳統(tǒng)機電技術(shù)的壓力傳感器。目前已有多種MEMS壓力傳感器應用到了汽車電子系統(tǒng)中，如發(fā)動機共軌壓力、機油壓力、歧管空氣進氣壓力、汽車胎壓壓力等。其中機油壓力傳感器是用于測量汽車發(fā)動機油壓力的重要傳感器，其可靠性直接關(guān)系到汽車和人的安全性。本文選用MEMS壓力芯片，成功開發(fā)出汽車發(fā)動機機油壓力傳感器，研究了機油壓力傳感器的封裝工藝和可靠性。在傳感器的開發(fā)過程中，嚴格按汽車電子產(chǎn)品質(zhì)量要求，對傳感器的封裝及組裝過程進行了系統(tǒng)的分析和測試，并通過工藝優(yōu)化極大地提高了傳感器的可靠性能。2工作原理和制造工藝MEMS壓力傳感器是利用壓阻效應原理，采用集成工藝技術(shù)經(jīng)過摻雜、擴散，沿單晶硅片上的特定晶向，制成應變電阻，構(gòu)成惠斯通電橋，利用硅材料的彈性力學特性，在同一硅材料上進行各向異性微加工，制成了一個集力敏與力電轉(zhuǎn)換檢測于一體的擴散硅傳感器。通常傳感器芯片上制作有4個多晶硅電阻，電阻制作在硅薄膜的邊沿位置，這是因為在薄膜的邊沿處，當薄膜受到作用力時，應變引起的電阻變化最大。4個壓阻R1，R2，R3，R4組成惠斯通電橋構(gòu)成壓力檢測電路，當電橋中輸入電壓為Vin，并設(shè)膜片上的4個壓阻相等(即R1=R3=R3=R4=R)，當薄膜受力變形時，兩個電阻變大，兩個電阻變小，且△R1=-△R2=△R3=-△R4=△R，則其輸出電壓Vout可表示為MEMS機油壓力傳感器可靠性研究MEMS是在集成電路生產(chǎn)技術(shù)和專用的微機電加工方法的基礎(chǔ)上蓬勃發(fā)展起來的高新技術(shù)，用MEMS技術(shù)研制的壓力傳感器具有體積小、重量輕、響應快、靈敏度高、易于批量生產(chǎn)、成本低的優(yōu)勢，它們已經(jīng)開始逐步取代基于傳統(tǒng)機電技術(shù)的壓力傳感器。目前已有多種MEMS壓力傳感器應用到了汽車電子系統(tǒng)中，如發(fā)動機共軌壓力、機油壓力、歧管空氣進氣壓力、汽車胎壓壓力等。其中機油壓力傳感器是用于測量汽車發(fā)動機油壓力的重要傳感器，其可靠性直接關(guān)系到汽車和人的安全性。本文選用MEMS壓力芯片，成功開發(fā)出汽車發(fā)動機機油壓力傳感器，研究了機油壓力傳感器的封裝工藝和可靠性。在傳感器的開發(fā)過程中，嚴格按汽車電子產(chǎn)品質(zhì)量要求，對傳感器的封裝及組裝過程進行了系統(tǒng)的分析和測試，并通過工藝優(yōu)化極大地提高了傳感器的可靠性能。2工作原理和制造工藝MEMS壓力傳感器是利用壓阻效應原理，采用集成工藝技術(shù)經(jīng)過摻雜、擴散，沿單晶硅片上的特定晶向，制成應變電阻，構(gòu)成惠斯通電橋，利用硅材料的彈性力學特性，在同一硅材料上進行各向異性微加工，制成了一個集力敏與力電轉(zhuǎn)換檢測于一體的擴散硅傳感器。通常傳感器芯片上制作有4個多晶硅電阻，電阻制作在硅薄膜的邊沿位置，這是因為在薄膜的邊沿處，當薄膜受到作用力時，應變引起的電阻變化最大。4個壓阻R1，R2，R3，R4組成惠斯通電橋構(gòu)成壓力檢測電路，當電橋中輸入電壓為Vin，并設(shè)膜片上的4個壓阻相等(即R1=R3=R3=R4=R)，當薄膜受力變形時，兩個電阻變大，兩個電阻變小，且△R1=-△R2=△R3=-△R4=△R，則其輸出電壓Vout可表示為式中Voffset是在零應力和零應變時傳感器的輸出。由式(1)可知壓阻壓力傳感器有兩種工作方式，一種是恒電壓工作方式，另一種為恒流工作方式。MEMS壓力傳感器的一一種重要封裝形式是采用充油的不銹鋼結(jié)構(gòu)，稱為充油壓敏芯體，其基本制造工藝過程包括貼片、引線、封裝殼體、充油及二次組裝等。圖1是充油壓敏芯體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是壓力傳感器二次封裝樣品。3可靠性實驗3.1芯片貼片工藝傳感器的貼片工藝對傳感器的性能影響很大，一般要求有足夠的貼片強度、盡可能小的貼片應力和能滿足傳感器的工作溫度等。用于壓力芯片的貼片材料主要有焊料和膠，不同的貼片材料對傳感器性能影響有很大不同。由于焊料貼片時要求對芯片背面進行金屬化處理，工藝相對較復雜，而用膠進行貼片，其工藝更簡單，且成本較低，所以本壓力傳感器選用貼片膠工藝進行貼片。由于固化后膠的軟硬對傳感器的性能有很大影響，通過實驗測試了軟硬膠對壓力傳感器零點輸出的影響，針對同一芯片，分別采用無貼片膠、軟貼片膠(楊氏模量約為1～100MPa量級，玻璃化溫度低于-40℃)、硬貼片膠(楊氏模量為3.56GPa，玻璃化溫度為85℃)等三種情況，在-30～125℃下對傳感器的零點輸出進行了測試，測試結(jié)果如圖3所示，圖中給了兩個傳感器樣品的測試結(jié)果。從圖3可以看出，貼片膠對傳感器零點的影響隨溫度變化而變化，在低溫時，使用了硬膠貼片的傳感器的零點明顯高于使用軟膠與無膠的，這種差別隨著溫度的升高變得越來越小。這主要有三個原因：①貼片膠的彈性模量隨溫度的升高而變??；②貼片膠高溫固化，在低溫時會引起收縮殘余應力；③貼片膠和芯片材料熱膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的熱應力。特別需要注意的是，在85℃之后，硬膠的影響突然變小，小到幾乎與無膠的情況相同。這是因為硬膠的玻璃化溫度(Tg)為85℃，高于Tg點時膠的楊氏模量變小，因而對傳感器的零點溫漂影響變小。因此，在選用貼片膠時，要求膠的Tg大于傳感器的工作溫度，以確保傳感器零點的穩(wěn)定性和工作的可靠性。3.2引線鍵合工藝用于引線鍵合的鍵合線有Al線和Au線，由于Au線性能更優(yōu)，所以壓力傳感器的鍵合工藝選用Au線。鍵合時要使鍵合面保持清沽，否則會影響鍵合強度，等離子清洗是一種能有效提高鍵合強度的方法。由于機油壓力傳感器工作環(huán)境惡劣，尤其是頻繁的振動會導致金絲有缺陷的地方疲勞斷裂，或者最容易疲勞的位置如第二焊點附近的頸部位置發(fā)生斷裂，因此要求更高的鍵合質(zhì)量。曾對所研制的機油壓力傳感器進行了臺架試驗，在一批試驗樣品中經(jīng)過6×105次加壓和卸壓試驗之后，發(fā)現(xiàn)有兩個樣品失效，故障分析結(jié)果表明：一個樣品的失效模式為信號處理電路上的一個電阻損壞；另一個樣品的失效模式為金絲線斷裂，如圖4(a)，(b)所示。對于這種情況，可以采用雙金絲鍵合工藝，并盡量選用高純度、低缺陷的金絲，并做好引線鍵合前各封裝器件的清潔工作，如圖4(c)所示。這樣對金絲鍵合工藝進行改進后，在可靠性試驗中，未曾出現(xiàn)金絲斷裂的質(zhì)量問題。

3.3硅油的選擇和處理由于芯片對所處環(huán)境的要求比較特殊，所以與硅芯片接觸的硅油需要具備以下特點：良好的介電性能、盡可能小的熱脹系數(shù)、化學穩(wěn)定性好以及耐熱和耐寒性能好。硅油的凈化處理是薄膜隔離式壓力傳感器封裝中至關(guān)重要的工藝步驟，因為若凈化不干凈，硅油或傳感器受壓部分的充油腔內(nèi)就會混有氣體、水分等可壓縮、易揮發(fā)的物質(zhì)，在全溫區(qū)內(nèi)的體積變化就會沒有規(guī)律可言，造成外界的待測壓力不能準確、規(guī)則地傳遞到芯片，從而使得壓力傳感器的溫漂比較嚴重。這種現(xiàn)象反映在零點的溫漂上，可以用來評價封裝的好壞。通常，由于在恒壓源激勵的情況下壓力傳感器的靈敏度溫度系數(shù)為負值，所以壓力傳感器的零點稍有下降，如圖5的樣品5，6，7，8所示；而硅油凈化不充分的壓力傳感器零點的溫漂卻非常大，且隨著溫度的升高而升高，如圖5中的樣品1，2，3，4所示。試驗表明，像樣品1，2，3，4這類溫漂很大的傳感器的溫度補償是比較困難的，所以封裝時必須確保硅油品質(zhì)和填充量恰到好處。

硅油長期在高溫下工作會發(fā)生變化，如果新分解的化學成分里面有小顆粒的導電物質(zhì)，這種物質(zhì)可能會穿過芯片的鈍化層破壞芯片或者介入擴散電阻條中間，形成短路或污染。如圖6是隔離封裝的壓力傳感器在125℃高溫下長時間放置的數(shù)據(jù)曲線。

1#，2#，3#涂敷了保護層，4#，5#沒有涂敷保護層?？梢钥吹剑瑳]有保護層的傳感器在高溫下存儲了約200h后，它的零點突然發(fā)生了變化，之后數(shù)據(jù)不穩(wěn)定；涂了保護層的壓力傳感器的零點在600多小時后仍然很穩(wěn)定。因此，為了防止硅油的污染導致壓力傳感器的失效，我們采取了一些必要的措施。首先，選擇高溫下盡可能穩(wěn)定的硅油；其次，盡量選擇具有良好鈍化層的芯片；最后，在不影響靈敏度的前提下，還可以在封裝過程中對芯片以及引線進行涂敷鈍化層的