硅压力传感器的失效原理

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硅压力传感器的失效原理

根据可靠性试验研究结果统计，硅压力传感器失效模式主要有以下几种形式：参数漂移（零点时漂、温度漂移）、绝缘性能降低、芯体渗漏、膜片破裂、焊缝裂纹、键合点断开、内部元器件脱落、外引线断开、参数退化等。采用常规的温度、机械、通电老化试验，可以使部分问题得到改观，但由于常规试验难以暴露存在的全部缺陷，也就无法从根本上实现传感器的高可靠性。
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硅压力传感器的失效模式及失效比例统计结果表明，由温度和湿度等环境因素变化引起失效占有较大的份额。这类问题的出现，主要是芯片表面吸附水分子膜后发生电化学腐蚀造成的，芯片与焊料、键合点界面等都可能发生电化学腐蚀，这些水分子主要来源于封装材料固有吸潮性，还有外界引入的潮气，无论是哪种吸潮方式，吸潮机理的吸潮速率方程均为
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) I9 h" v( @" o6 W2 p( G1 j8 w3 e式中：Cw为t时刻材料吸收水分子的浓度；C∞为材料吸收水分子的饱和浓度；Vm为材料吸潮速率常数。
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  Z# g1 o6 K# ^! Z( E5 k* F2 K8 d从硅压力传感器常规的湿热试验中发现，温度越高，水分子的渗透速率越快，材料寿命越短，即Vm是温度T的函数。
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; V; h" I8 X0 Y3 M6 C4 I6 R' V式中：A为相对湿度100％时的常数；△E为失效激活能；k为玻尔兹曼常数。
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这样的情况下，芯体的电极电位在应力作用下就会发生改变，这种电位的改变是
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式中：M为原子量；σ为施加的应力值；Y为杨式模量；σ为密度；F为法拉第常数；n为参与电化学反应的分子数；Z为强度-应力耦合因子。

这种腐蚀会增加微裂纹的变化速度，加剧某些位移的应力导致传感器加速失效。

芯体在制造过程中造成的位错、划痕、微裂纹、损伤等缺陷，在外载荷应力的作用下会发生局部晶格结构的滑动带变化，当应力超过强度极限或发生累积效应时，就会导致芯体渗漏甚至膜片破裂，引起芯体不稳定的应变-应力关系。则
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式中：FS为屈服载荷；A0为初始横截面面积；σS为屈服应力。

当外部环境产生的应力大于或接近芯体的屈服应力，将会导致芯体加速失效。

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芯体的电极电位在应力作用下就会发生改变