對于硅壓力傳感器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)研究,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)行長時(shí)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(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)用越來越多,發(fā)展越來越快,但由于對技術(shù)的保密與封鎖,國內(nèi)難以見到具體內(nèi)容的報(bào)道。
在我國領(lǐng)域該項(xiàng)技術(shù)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(yàn),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(shè)計(jì)上的更改,往往需要很長的時(shí)間才能獲得較高的可靠性。
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)過關(guān)。這種試驗(yàn)方法周期長、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,通過施加強(qiáng)化的環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力來進(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)行長時(shí)間的可靠性增長。
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)還沒有開始之前,在產(chǎn)品研制生產(chǎn)階段的具體時(shí)段如圖1所示。
硅壓力的失效原理
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、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(jī)械、通電老化試驗(yàn),可以使部分問題得到改觀,但由于常規(guī)試驗(yàn)難以暴露存在的全部缺陷,也就無法從根本上實(shí)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(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(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(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。
硅壓力傳感器可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)剖面
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激發(fā),引發(fā)指標(biāo)退化的缺陷可以由溫濕度變量來激發(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。
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)力量級要超出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)極限,但最高量級不能超過傳感器破壞極限應(yīng)力,應(yīng)力的強(qiáng)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(shù)要求為沒計(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)度不可超過破壞極限應(yīng)力,關(guān)系如圖2所示。
強(qiáng)化試驗(yàn)的應(yīng)力量級及試驗(yàn)時(shí)間
?。?)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:初始振動(dòng)量級為設(shè)計(jì)規(guī)范極限上限,最高振動(dòng)量級為30 g RMS;量級步長:2~3 g RMS;振動(dòng)時(shí)間:每步10 min。
?。?)溫度強(qiáng)化試驗(yàn)
?、俑邷卦囼?yàn)
溫度量級:初始溫度量級為設(shè)計(jì)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(zhǔn);量級步長:TA×10%;保持時(shí)間:每步24~96 h。
?、诘蜏卦囼?yàn)
溫度量級:初始溫度量級為設(shè)計(jì)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(shí)間:每步24~96 h。
?、鄹叩蜏貨_擊試驗(yàn)
溫度量級:初始量級為設(shè)計(jì)規(guī)范極限溫度TA,TB,最高量級參照高低溫試驗(yàn)要求;量級步長: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。
?。?)高溫高濕強(qiáng)化試驗(yàn)
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(shí)間:每步24~96 h。
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)品投放市場的速度,提高產(chǎn)品的市場占有率和競爭力。
深圳市力準(zhǔn)傳感技術(shù)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(dá)千余種。
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