MEMS倒装式压力传感器失效分析

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MEMS倒装式压力传感器失效分析

党伟刚 王瑞 刘东 梁庭 雷程

（中北大学微纳器件与系统教育部重点实验室 陕西华燕航空仪表有限公司 淮海工业集团有限公司）

摘要 

针对 MEMS 倒装式压力传感器在测试过程中出现的问题，分析压力传感器故障与芯片设计、芯片制备、传感器一体化封装的关联，为压力传感器预防性维护和失效分析提供参考。论文选用某课题组 2021-2022 期间研究成功的传感器芯片，对其进行芯片到一体化集成传感器的封装，并对测试期间出现问题进行分析，以及对其故障进行修复。结果表明，倒装式压力传感器在长时间工作后玻璃通孔内的金属点电极发生翘曲，与周围溅射金属形成断层导致断路，利用导电浆料对通孔进行填充的方式进行修复，修复后的传感器在工况下寿命得到极大延长。论文提出了一种倒转式压力传感器的失效分析全流程，对传感器的故障分布、可靠性进行了有效分析，为制定有针对性的预防性维护方案提供了参考。

1 引言

当前信息技术对社会发展、科学进步起到了决定性的作用。现代信息技术的基础包括信息采集、信息传输与信息处理。信息采集离不开传感器技术。传感器位于信息采集系统之首、检测与控制之前，是感知、获取与检测的最前端［1］。传感器作为感知和获取信息的“器官”，伴随着科技的发展活跃在各个领域［2］。

微机电系统（micro-electro-mechanical system，MEMS）传感器是采用微机械加工技术制造的一种新型传感器，具有微型化、多样化、智能化、无线化等技术特点。MEMS 传感器在军工、商业领域有着广泛应用［3］，如压力传感器［4~7］、光学传感器［8~9］、麦克风等［10~12］。其中，高温压力传感器常应用于高温恶劣环境下的压力原位测量，如航空航天飞行器外表面的高温压力测量，以及汽车、飞机发动机机舱内的高温压力测量控制［13］。

高温高压工况对于传感器来说是最常见的极端应用环境之一，尤其是长时间的高温环境也是考核传感器可靠性的一个重要因素。本文针对 SOI倒装式压力传感器在测试中遇到的电阻失效现象进行剖析与优化。从来源-定位-解决-测试四个角度对其进行分析，研究其失效机理。

2 传感器失效分析步骤

2.1 倒装式压力传感器工作原理

压阻效应是指当半导体材料在受到压力的作用时，能带产生相应的变化，致使能谷的能量移动，导致半导体材料的电阻率发生变化的现象［14］。将具有压阻效应的半导体材料通过 MEMS 工艺加工的方式制备成压力敏感膜片上的压敏电阻，并用压敏电阻组成惠斯通电桥，如图 1 所示。就可以实现将压力信号转换为电信号的过程，这就是压力传感器的工作机理。

输出电压与电阻的关系表达式可以表示为

2.2 倒装式压力传感器模型与实物

本文采用的倒装式压力传感器芯片为实验室前期成果，具体模型如图 2 所示。

已经制备好的 SOI 倒装式压力传感器芯片如图 3 所示，设计一体化封装如图 4 所示以适配复杂测试环境。

对已经封装好的传感器如图 5 所示进行300 ℃老化测试，测试结果如图 6 所示。结果表明，传感器输出在 300 ℃下 43 h 内无异常如图6（a）所示，43 h 后传感器输出出现波动如图 6（b）所示。

对其进行分析，可以从芯片设计与传感器制备两个大方面进行分析。芯片设计包括尺寸、结构的设计；封装包括短路、开路、传感器损坏等方面入手，具体步骤如图 7 所示。

3 传感器失效分析及优化

3.1 传感器封装失效分析

为排除传感器封装的问题，从导线开始对传感器封装进行逐步拆解并测试：首先利用激光切割将传感器封帽去除，对传感器插针表面进行测试；接着利用超声机将芯片与传感器基座分离，测试传感器接线柱与后端导线连通性；之后，测试传感器表面金属焊盘；最后，利用探针对传感器芯片玻璃通孔内金属点电极进行测试，如图 8 所示。

对传感器封装传感器进行逐步拆解，测试得到结果，如表 1 所示。

3.2 传感器芯片失效分析及优化

通过 3.1 节可以确定传感器失效的原因主要来自于敏感芯片层，为此提出传感器芯片失效分析方法。

对于已经制备好的压力传感器芯片，由于在金属焊盘上已经测不到电阻值，故采用探针台将探针插入传感器玻璃通孔的底部，发现电阻值时断时续，由此可以说明传感器芯片的器件层电阻未失效。为探究具体失效原因，采用砂纸研磨的方式如图 5~6 将传感器芯片磨平到玻璃通孔的截面，根据传感器通孔内形貌进一步判断。

通过电子显微镜观察通孔内金属形貌，如图10 所示。由图可知，传感器敏感芯片的金属点电极在经过高温老化试验后，出现了翘曲，导致与周围溅射金属出现断层，这也是传感器芯片电阻测不到的主要原因。

在压力传感器失效的原因定位后，需要对传感器的 失 效 问 题 进 行 解 决 以 应 对 传 感 器 的 应 用 需求。针对传感器金属点电极翘曲的问题解决方案有两种：一是探索新的欧姆接触工艺参数，以应对传感器在长时间高温下工作；二是利用导电浆料对玻璃通孔进行填充，这样不仅可以为传感器金属点电极与金属焊盘添加一层连接层，而且不用去摸索新的工艺参数，还可以让之前的传感器芯片继续投入使用。

本文采用第二种方式对传感器进行修复，如图11所示为导电浆料填充后传感器玻璃通孔截面图。

4 传感器优化后性能测试

通过优化传感器封装工艺制备新的传感器，并对传感器性能进行标定测试，传感器标定可分为常温环境性能测试及高温环境性能测试，为降低由于测试平台引起的误差，测试与之前老化实验是同一测试平台内进行，如图 12 所示。

常温 标 定 条 件 ：放置 烘 箱 分 别 设 置 25 ℃ 、100 ℃、235 ℃、300 ℃，保温 10 min 后进行测量，目的是确保传感器已经达到设定温度。在保温的条件下，利用导压管为传感器施加 0.1 MPa~1 MPa 的压力，设置步长为 0.1 MPa，共十个测试点，测试过程中通过高精度万用表采集传感器的输出值，如图13（a）~（d）所示为传感器在各温度状态下压力-输出曲线。

由图 13 可知 传 感 器 各 个 温 度 段 下 线 性 度 良好，计算可得传感器 25 ℃、100 ℃、235 ℃、300 ℃下静态性能参数如表 2 所示。

其中，灵敏度的单位为 mV/MPa。

高温老化实验测试：传感器高温老化实验采用与前文一致实验设备，主要目的是为了验证传感器在优化封装工艺后，是否还会再出现长时间高温电阻失效的情况。此实验未采用分阶段测试的方式，选择长时间老化的方式，测试结果如图 14 所示。

测试结果表明，传感器在优化工艺后，在 300 ℃的温度下 224 h 内未有失效的现象出现，并且传感器的零点输出也逐步趋于零，证明高温对传感器起到了老化的作用。由此可以证明，此方式确实有益于传感器的工况寿命。

5 结语

本文研究在 MEMS 倒装式高温压力传感器测试中出现电阻失效的故障，提出传感器失效分析的流程，将传感器失效分析从封装和芯片两个角度展开。通过逐步拆解传感器封装并测试排除传感器故障的因素，再通过测试传感器芯片焊盘、玻璃通孔的方式确定传感器器件层压敏电阻条正常，随后通过砂纸研磨的方式将芯片磨到通孔侧面，观察通孔的截面图来定位传感器电阻时断时续的主要因素。采用通孔内填充高温导电浆料的方式来修补传感器通孔，对修复完的传感器进行性能测试及受命老 化 测 试 ，修复 的 传 感 器 在 常 温 下 灵 敏 度 为 ，100 ℃下灵敏度为 91.75 mV/MPa，235 ℃下灵敏度为 71.45 mV/MPa，300 ℃ 灵敏 度 为 60.83 mV/MPa，耐 300 ℃老化测试达到 100 h 以上。综上，证明采用对通孔内填充导电浆料的方式可行，对优化传感器封装工艺可以起到参考作用。

本文采用的通孔填充方式虽然起到了修补的作用，但是通孔内溅射金属翘曲的现象客观存在，不容忽略。在接下来的工作中，还需要探索更优的金属工艺参数来制备金属点电极，与通孔填充同步进行可以更好地保证传感器在高温下工作的可靠性。