硅壓阻壓力傳感器靜電損傷故障分析

摘 要：靜電損傷對(duì)電子產(chǎn)品的危害日益凸顯，其中對(duì)質(zhì)量與可靠性方面的影響尤為顯著。硅壓阻壓力傳感器屬于靜電敏感器件，在生產(chǎn)制造和使用中對(duì)靜電防護(hù)應(yīng)給予高度重視。針對(duì)某型號(hào)傳感器使用中出現(xiàn)的零點(diǎn)輸出超差，通過(guò)排查及定位分析，確定了該故障是由傳感器內(nèi)部敏感芯片受靜電損傷造成的；對(duì)靜電產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，并提出了糾正措施，為在生產(chǎn)制造過(guò)程中提高傳感器質(zhì)量和可靠性提供了參考。

關(guān)鍵詞：壓力傳感器；靜電損傷；故障分析

中圖分類號(hào)：TP212" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）06-0068-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.06.017

0" " 引言

硅壓阻壓力傳感器廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，其優(yōu)點(diǎn)為：靈敏度高、響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確性高、批產(chǎn)成品率高等。近來(lái)，用戶對(duì)硅壓阻壓力傳感器的需求迅速增長(zhǎng)，該類型傳感器尺寸小、信號(hào)弱且內(nèi)部存在薄氧化層，因而屬于靜電敏感器件，對(duì)靜電防護(hù)需要給予高度重視[1]。本文通過(guò)對(duì)壓力傳感器使用中出現(xiàn)的常溫和低溫零點(diǎn)輸出超差進(jìn)行排查及定位分析，確定了該故障是由傳感器內(nèi)部敏感芯片受靜電損傷造成的，并對(duì)該缺陷產(chǎn)生失效模式的機(jī)理進(jìn)行分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了糾正措施。

1" " 故障情況和排查分析

1.1" " 故障情況

某型號(hào)壓力傳感器用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口壓力，發(fā)動(dòng)機(jī)在工作中出現(xiàn)異常，判斷為傳感器故障。

故障壓力傳感器在返廠測(cè)試時(shí)，高低溫的零點(diǎn)輸出和出廠測(cè)試的數(shù)據(jù)發(fā)生了偏移，并且在低溫環(huán)境下偏移較大，測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示。

1.2" " 壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理

該壓力傳感器采用硅壓阻原理，利用充灌隔離介質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過(guò)隔離膜片感知外部壓力，再通過(guò)充灌保護(hù)液體（硅油）傳遞到敏感芯片，敏感芯片與金屬燒結(jié)管座引線內(nèi)部鍵合引出，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3" " 故障樹(shù)分析及故障原因排查

根據(jù)壓力傳感器的故障樹(shù)分析（圖2），對(duì)造成壓力傳感器零點(diǎn)偏移的原因逐個(gè)進(jìn)行探究。

1.3.1" " 傳感器絕緣子漏油X1

硅壓阻壓力傳感器的敏感芯片與金屬燒結(jié)管座的引線通過(guò)鍵合的方式引出電信號(hào)[2]，燒結(jié)管座的玻璃絕緣子是可伐合金與玻璃燒結(jié)而成，如果絕緣子泄漏會(huì)導(dǎo)致傳感器輸出故障。將故障傳感器的保護(hù)膠摳掉，觀察燒結(jié)管座絕緣子，未發(fā)現(xiàn)漏油現(xiàn)象；然后將故障傳感器裝到測(cè)試工裝中，對(duì)其進(jìn)行加壓試驗(yàn)，觀察燒結(jié)管座的玻璃絕緣子，也未發(fā)現(xiàn)漏油現(xiàn)象。

根據(jù)硅壓阻傳感器結(jié)構(gòu)原理可知，如果絕緣子漏油，傳感器的滿量程輸出會(huì)有明顯降低[3]，對(duì)比出廠和返廠測(cè)試數(shù)據(jù)，故障傳感器的滿量程輸出沒(méi)有明顯降低，證明傳感器沒(méi)有漏油現(xiàn)象。

排除傳感器絕緣子漏油故障X1。

1.3.2" " 傳感器膜片漏油X2

硅壓阻壓力傳感器通過(guò)金屬膜片感受被測(cè)壓力，通過(guò)硅油傳遞給敏感芯片，如果傳感器的膜片有損傷，傳感器輸出會(huì)出現(xiàn)異常。觀察故障傳感器金屬膜片，無(wú)形變，也無(wú)漏油現(xiàn)象。

根據(jù)硅壓阻壓力傳感器的結(jié)構(gòu)原理可知，如果膜片有漏油現(xiàn)象，在給傳感器施加滿量程壓力的時(shí)候，油就會(huì)從膜片處冒出，同時(shí)傳感器的輸出也會(huì)出現(xiàn)明顯降低，故障傳感器經(jīng)過(guò)用戶反復(fù)使用后，再?gòu)?fù)測(cè)，滿量程輸出未見(jiàn)明顯降低，所以判斷膜片沒(méi)有漏油。

排除傳感器膜片漏油故障X2。

1.3.3" " 傳感器鍵合引線故障X3

硅壓阻壓力傳感器的敏感芯片是通過(guò)鍵合引線絲與金屬燒結(jié)管座的金屬管腳相連，如鍵合引線受到損傷或鍵合工藝不穩(wěn)定導(dǎo)致鍵合引線絲虛連等，則會(huì)導(dǎo)致傳感器輸出異常。繼續(xù)對(duì)故障傳感器進(jìn)行解剖，將傳感器金屬膜片剔除，硅油放空，清洗后用高倍放大鏡觀察內(nèi)部敏感芯片和金屬管腳的鍵合引線，發(fā)現(xiàn)鍵合引線完好無(wú)損，無(wú)脫落現(xiàn)象。

用專用推拉力機(jī)測(cè)試引線的鍵合拉力，鍵合拉力均大于0.07 N，滿足GJB 548B—2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》中規(guī)定的鍵合拉力≥0.04 N的要求，證明零點(diǎn)輸出偏移不是由鍵合引線故障所致。

排除傳感器鍵合引線故障X3。

1.3.4" " 傳感器應(yīng)力釋放X4

硅壓阻壓力傳感器是由不同材料通過(guò)多種工藝組裝在一起，材料與材料之間必然會(huì)產(chǎn)生不同的應(yīng)力，例如：敏感芯片通過(guò)硅膠粘到金屬管座、金屬膜片通過(guò)激光焊接到金屬管座等等，如果工藝不穩(wěn)定會(huì)在傳感器內(nèi)部產(chǎn)生很大的應(yīng)力，也會(huì)導(dǎo)致傳感器輸出故障。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，如果傳感器是內(nèi)部應(yīng)力釋放導(dǎo)致零點(diǎn)輸出偏移，應(yīng)該是不同溫度下零點(diǎn)輸出整體平移[4]，而故障傳感器的現(xiàn)象是隨溫度變化輸出變化不一致，故障現(xiàn)象與應(yīng)力釋放引起的零點(diǎn)整體平移不符。

排除傳感器應(yīng)力釋放故障X4。

1.3.5" " 傳感器靜電損傷X5

硅壓阻壓力傳感器尺寸小、信號(hào)弱且內(nèi)部存在薄氧化層，因此屬于靜電敏感器件，如果在裝配和測(cè)試過(guò)程中引入靜電，會(huì)造成傳感器輸出故障。繼續(xù)解剖故障傳感器，將傳感器的敏感芯片取下，用100倍和500倍顯微鏡分別觀察敏感芯片，未發(fā)現(xiàn)任何異常。

用探針臺(tái)測(cè)試敏感芯片的橋路電阻，如表2所示，橋路電阻相比出廠數(shù)據(jù)有不同程度的變化。

如果敏感芯片受到硬擊穿的靜電損傷，外觀會(huì)有明顯的燒傷和燒蝕點(diǎn)；但如果是軟擊穿的靜電損傷，芯片外觀不會(huì)有明顯損傷，但芯片的電阻會(huì)有變化的現(xiàn)象，所以該故障不排除是靜電損傷所致。

1.3.6" " 傳感器過(guò)壓損傷X6

硅壓阻壓力傳感器如果受到大壓力沖擊，會(huì)發(fā)生膜片變形、輸出故障。對(duì)現(xiàn)有的同類型傳感器進(jìn)行過(guò)壓試驗(yàn)，2倍、4倍過(guò)壓恢復(fù)后，傳感器零點(diǎn)無(wú)變化；繼續(xù)加大壓力，7倍過(guò)壓后，膜片變形，傳感器芯片碎裂，無(wú)輸出，與故障傳感器零點(diǎn)偏移現(xiàn)象不符。

根據(jù)以上試驗(yàn)得出結(jié)論，傳感器零點(diǎn)偏移的故障不是由過(guò)壓導(dǎo)致的，排除傳感器過(guò)壓損傷故障X6。

綜上所述，該故障傳感器不排除是靜電損傷傳感器的敏感芯片，導(dǎo)致傳感器的零點(diǎn)輸出發(fā)生了偏移。

2" " 故障機(jī)理分析

2.1" " 靜電敏感等級(jí)劃分

根據(jù)GJB 1649—1993《電子產(chǎn)品防靜電放電控制大綱》，靜電敏感器件按表3所示分成三個(gè)等級(jí)。

靜電敏感電壓在16 000 V以下的產(chǎn)品都為靜電敏感產(chǎn)品[5]，硅壓阻壓力傳感器由于其尺寸小、信號(hào)弱且內(nèi)部存在薄氧化層，靜電敏感電壓一般為3 000 V左右，因此屬于靜電敏感器件，需要對(duì)靜電防護(hù)方面給予高度重視。

2.2" " 故障機(jī)理

造成傳感器靜電損傷有兩種不同的物理過(guò)程：

1）當(dāng)傳感器受到靜電損傷后，靜電在敏感芯片的高阻區(qū)產(chǎn)生一個(gè)功率足夠大的電流，在一定時(shí)間內(nèi)這個(gè)電流所產(chǎn)生的熱量不能有效散出，從而導(dǎo)致高阻區(qū)溫度升高，柵氧化層（絕緣體）被擊穿，敏感芯片上會(huì)留下?lián)舸┗驘g點(diǎn)，高倍顯微鏡下可見(jiàn)熔坑，屬于致命失效（硬擊穿）。

2）當(dāng)靜電能量不足以在高阻區(qū)或柵氧化層（絕緣體）形成熔融通道，只引起局部破壞時(shí)，會(huì)使柵極（金屬）電壓發(fā)生變化，它下方硅材料的摻雜濃度也會(huì)相應(yīng)地變化，甚至可能出現(xiàn)反向摻雜的情況，就會(huì)導(dǎo)致橋路電阻的變化或絕緣膜微損傷等，造成局部參數(shù)劣化，這一類屬于參數(shù)退化失效（軟擊穿）。

根據(jù)以上機(jī)理分析，故障壓力傳感器應(yīng)該是在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中受到靜電損傷，造成傳感器敏感芯片的軟擊穿，導(dǎo)致傳感器零點(diǎn)輸出發(fā)生偏移。

3" " 問(wèn)題復(fù)現(xiàn)和糾正措施

3.1" " 問(wèn)題復(fù)現(xiàn)

低靜電能量放電造成的微結(jié)構(gòu)損傷屬于偶發(fā)事件，會(huì)導(dǎo)致壓力傳感器部分參數(shù)退化，難以準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)。

對(duì)同類型壓力傳感器進(jìn)行靜電放電試驗(yàn)，按照GB/T 17626.2—2018《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗(yàn)》要求，由傳感器引腳引入靜電，每個(gè)電壓檔加5次，依次將靜電電壓加大，測(cè)試傳感器零點(diǎn)輸出，有部分傳感器出現(xiàn)了零點(diǎn)偏移的現(xiàn)象。

對(duì)零點(diǎn)偏移的傳感器進(jìn)行溫度性能測(cè)試，傳感器的溫度性能有一定的變化，故障得以部分復(fù)現(xiàn)。

3.2" " 糾正措施

針對(duì)靜電對(duì)壓力傳感器造成的損傷，一是要通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和改善工藝提高傳感器自身的抗靜電能力，另一方面在生產(chǎn)過(guò)程中還需要采取一系列的靜電防護(hù)措施，避免產(chǎn)品在封裝、調(diào)試、運(yùn)輸、使用過(guò)程中發(fā)生靜電損傷事件。

在傳感器生產(chǎn)制造過(guò)程中應(yīng)采取的防靜電措施有：1）車間要鋪設(shè)防靜電地板；2）防靜電工作臺(tái)要充分接地；3）相對(duì)濕度控制在40%以上。

對(duì)操作者應(yīng)采取的防靜電措施有[6]：1）凡是與傳感器接觸的，都必須佩戴自動(dòng)報(bào)警防靜電腕帶；2）凡是與傳感器接觸的，都必須穿防靜電工作服，戴防靜電帽。

壓力傳感器包裝、運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中防靜電措施有：1）包裝：應(yīng)將傳感器放入防靜電包裝盒或包裝袋中，拆下包裝盒后應(yīng)立即將傳感器放入導(dǎo)電盒中。2）運(yùn)輸：盡量將傳感器裝滿盒子，以免引起碰撞摩擦。3）儲(chǔ)存：庫(kù)房相對(duì)濕度應(yīng)保持在30%RH～40%RH。

4" " 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)硅壓阻壓力傳感器零點(diǎn)輸出異常的故障現(xiàn)象進(jìn)行了分析，確定了是靜電損傷傳感器內(nèi)部敏感芯片，使傳感器敏感芯片受到軟擊穿，導(dǎo)致敏感芯片阻值變化，傳感器零點(diǎn)輸出發(fā)生偏移。針對(duì)靜電損傷提出了在傳感器的生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)靜電防護(hù)，同時(shí)提出了靜電防護(hù)措施，有利于提高傳感器的質(zhì)量和可靠性。

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收稿日期：2024-11-19

作者簡(jiǎn)介：金琦（1978—），男，遼寧沈陽(yáng)人，高級(jí)工程師，研究方向：硅壓阻式壓力傳感器及測(cè)控儀表。