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扩散硅压力传感器失效研究刘炳袁林杰锋渊工业和信息化部电子第五研究所袁 广东广州511370冤摘要院扩散硅压力传感器具有精度高尧 利于小型化和智能化等特点而被广泛使用遥 针对该类传感器出现的不同失效模式袁 合理采用 X 射线检测系统尧 OBIRCH 定位尧 荧光定位和 SEM&EDS 等技术袁 可以快速准确地定位失效位置遥 列举了芯片破裂尧 过电击穿尧 腐蚀迁移和连接不良等典型的失效案例袁 并介绍了在实际分析过程中如何应用上述定位分析手段袁 对分析类似失效案例起到了一定的参考作用遥关键词院扩散硅压力传感器曰 失效分析曰 荧光定位曰 光诱导电阻变化曰 X 射线中图分类号院 TP 212文献标志码院 A文章编号院 1672-5468 渊2023冤 03-0048-08doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2023.03.009Failure Research of Diffused Silicon Pressure SensorsLIU Bing袁 LIN Jiefeng渊CEPREI袁 Guangzhou 511370袁 China冤Abstract院Diffused silicon pressure sensors are widely used because of their high precision袁miniaturization袁 and intelligence.According to the different failure modes of such sensors袁 X-raydetection system袁OBIRCH positioning袁fluorescence positioning袁SEM&EDS and othertechnologies can be reasonably used to quickly and accurately locate the failure position.Thetypical failure cases袁 such as chip rupture袁 overelectric breakdown袁 corrosion migration袁 andpoor connection袁 are listed袁 and how to apply the above positioning analysis methods in the actualanalysis process is introduced袁 which plays a certain reference role in the analysis of similarfailure cases.Keywords院diffused silicon pressure sensor曰failure analysis曰fluorescence localization曰OBIRCH曰 X-ray收稿日期院 2022-09-05修回日期院 2022-09-27作者简介院 刘炳 渊1993要冤袁 男袁 广东韶关人袁 工业和信息化部电子第五研究所元器件可靠性分析中心助理工程师袁 从事模块尧 电子元器件失效分析工作遥电 子 产 品 可 靠 性 与 环 境 试 验耘蕴耘悦栽砸韵晕陨悦 孕砸韵阅哉悦栽 砸耘L陨粤月陨蕴I栽再 粤晕阅 耘晕灾陨R韵晕酝耘晕栽粤蕴 栽耘杂栽陨晕郧可靠性物理与失效分析技术0引言早期国内外普遍使用以弹性元件为主的机械式压力传感器袁 20 世纪 70 年代以后袁 压阻式尧 电容式尧 电感式尧 振弦式和压电式的压力传感器应用得越来越多遥 属于压阻式的扩散硅压力传感器具有精度高尧 尺寸小尧 易于集成化和智能化等优点袁 被广泛地应用于流体压力尧 液位和流量的测量1遥 对扩散硅压力传感器失效案列进行了分析袁 研究了其失效机理袁 并改善了其生产工艺袁 以持续提高扩散硅压力传感器的可靠性遥阅陨粤晕在陨 悦匀粤晕孕陨晕 运耘运粤韵X陨晕郧 再哉 匀哉粤晕允I晕郧 杂匀陨再粤晕48阅陨粤晕在陨 悦匀粤晕孕陨晕 运耘运粤韵X陨晕郧 再哉 匀哉粤晕允I晕郧 杂匀陨再粤晕第 3 期1原理与结构半导体单晶硅受机械压力作用时袁 在不同方向上电阻率会发生相应的变化袁 这个现象称为压阻效应遥 通过半导体平面工艺袁 采用扩散或注入的方式在一定晶向硅片的一定位置上形成 4 个电阻袁 相互连接成惠斯通电桥遥 将硅片背面中间加工为凹槽尧 四周为支撑的硅杯结构袁 就制成了扩散硅感压芯片遥感压芯片与基座的封装质量是影响传感器性能的重要因素遥 早期的感压芯片与基座的封装采用胶粘剂或密封圈袁 该方式存在易泄露和蠕变的风险遥为了提高可靠性袁 目前普遍采用更先进的金硅共熔或静电封接等技术2遥 针对不同的应用场景袁 凹槽可以直接与底座形成密闭的腔体袁 也可以通过导管与外部环境连接3遥 扩散硅压力传感器典型结构如图 1 所示袁 芯片与引脚通过键合引线连接遥为了避免感压芯片受到外部环境污染而影响可靠性袁 可以从以下两个方向对传感器的结构进行改进院1冤 将封装好的芯片浸放在由金属隔离膜片和基座组成的密闭腔体中袁 腔内充满了在高真空状态下充灌的硅油袁 待测环境的压力通过隔离膜片尧 硅油传递到感压芯片上曰2冤 将芯片感压侧和电气连接侧分开袁 被测环境直接与芯片背面接触袁 芯片正面电桥与外部引脚通过金属支柱连接袁 典型结构如图 2 所示遥当感压芯片上尧 下两面所受压力不等时袁 由于压阻效应和晶向位置的关系袁 电桥输出与压力大小正相关的电压信号遥 但由于这个信号很微弱袁 需要进行放大尧 补偿等处理后才能向后端设备传输袁 压力传感器电路原理如图 3 所示4遥在早期的产品中袁 基于半导体硅材料本身固有特性袁 可能会受到工艺过程和外部辐照等环境因素的影响袁 PN 结内部或与氧化层接触界面产生缺陷而形成不稳定漏电通道遥 通过改进氧化工艺尧 在感压电阻周围扩散保护环尧 在芯片表面增加氮化硅保护层等手段袁 可以大大地改善硅材料本身特性造成的不稳定失效5遥2常用设备与技术基于扩散硅芯片本身具有半导体的特性袁 在对其进行失效分析的过程中袁 需要利用晶体管图示仪等设备对传感器进行无损电特性测试遥 基于扩散硅芯片的多种多样的复杂封装结构袁 可以借助 X 射线检测系统进行无损结构分析遥 针对密封结构的失效分析袁 可以结合荧光定位技术和剖面分析技术对失效位置的形貌进行展示遥 在完成对传感器的失效定位后袁 利用扫描电子显微镜对失效位置进行微区成像分析和能谱分析遥2.1 晶体管图示仪晶体管图示仪也称曲线扫描仪袁 它能够直观地展示半导体器件的电流-电压 渊I/V冤 特性曲线袁 可以根据需要选择直流尧 交流尧 逐点扫描的模式袁 并图 1扩散硅压力传感器典型结构 1待测气压粘接粘接形变待测气压形变感压腔体图 2扩散硅压力传感器典型结构 2图 3扩散硅压力传感器电路原理压力信号信号处理电路+电源-仪表RL变送器部分用户系统应用压力传感器芯片玻璃接触 WAFFR金属氧化物P 型单晶 S 压电陶瓷金属触点级溶块顶部玻璃玻璃垫片金属支柱感压芯片玻璃晶片玻璃底座刘炳等院 扩散硅压力传感器失效研究49电子产品可靠性与环境试验阅陨粤晕在陨 悦匀粤晕孕陨晕 运耘运粤韵X陨晕郧 再哉 匀哉粤晕允I晕郧 杂匀陨再粤晕电子产品可靠性与环境试验2023 年且在显示屏上直接读出电压尧 电流参数袁 以及对比失效品和良品的 I/V 特性6遥对于纯电阻特性的硅芯片袁 图示仪和数字万用表都可以测出其阻值遥 对于做了 PN 结保护的扩散硅芯片袁 图示仪能够更直观地展示开路尧 短路尧 漏电失效特性遥2.2 X 射线检测系统X 射线检测系统包括 2D X-ray 和 3D X-ray渊CT冤 两种模式袁 其原理是利用不同密度尧 厚度尧形状的材料对 X 射线的吸收能力的差异袁 对穿透待测物质的 X 射线进行检测尧 放大等处理后袁 就会形成与物质结构相关的黑白图像7遥3D X-ray 成像后袁 可以从任意角度对传感器芯片尧 键合和基座等结构进行无损分析遥 对于定位失效位置袁 判断结构损伤的产生时间点具有重要意义袁 可为传感器开封等分析提供重要的指导作用遥2.3 OBIRCH 定位技术激 光 束 电 阻 异 常 侦 测 渊 OBRICH院 OpticalBeam Induced Resistance Change冤 定位技术是利用金属尧 多晶硅和掺杂硅吸收近红外光后电阻会发生变化袁 电阻变化量与材料的光照材料电阻率尧 电阻温度系数和掺杂浓度等有关8遥扩散硅芯片由于工艺控制不良而存在缺陷袁 或在使用过程中受到外部辐照尧 静电等应力作用而产生损伤袁 就会导致对应位置阻抗特性发生变化遥 通过在外部施加恒定大小的电压袁 使用激光对芯片逐点扫描并记录电流变化情况袁 就可以将扩散硅芯片上的缺陷或损伤点标记出来遥2.4 荧光定位技术荧光定位技术是一种无损检测手段袁 利用荧光在裂缝中进行渗透袁 经荧光染色的位置在暗室条件下袁 由紫外灯照射或显示剂处理后会发亮遥当感压芯片与玻璃基座的粘接位置出现裂缝袁就会破坏感压腔体的气密性遥 将传感器整体置于真空环境中一段时间袁 然后将传感器置于荧光溶剂中袁 通过静置或加压使得荧光充分渗透感压腔体内部遥 清洗传感器表面残留荧光剂袁 再对芯片与玻璃基座进行剖面分析袁 根据内部是否存在荧光来判断感压腔体是否发生泄露遥2.5 SEM&EDS扫描电子显微镜 渊SEM冤 的工作原理是利用极细的高能电子束对失效样品被观察区域进行扫描轰击袁 对从样品表面散射的电子或从内部激发出的二次电子等信号进行检测尧 放大等处理袁 则可以获得与样品表面材质尧 结构有关的微区形貌10-12遥每种元素的外层电子受激后在不同层之间发生跃迁会释放具有特定能量的特征 X-射线袁 X 射线能谱仪 渊EDS冤 正是利用该原理袁 通过对特征 X-射线能量值进行检测并与标准谱图对比袁 从而可以确定元素的种类和含量遥利用 SEM 可以非常清晰地展示扩散硅压力芯片静电损伤尧 机械破裂和腐蚀迁移等失效形貌袁 结合 EDS袁 可以精确地检测失效位置的物质成分遥3案例分析根据扩散硅压力传感器在实际应用中出现的不同失效模式和失效机理袁 可以综合采用上述各种分析手段进行分析遥3.1 感压芯片开裂某型号扩散硅压力传感器装到整机上试验过程发现失效袁 表现为输出信号异常遥电特性测试发现样品各引脚之间电阻值明显变大袁 甚至为开路状态遥 采用机械方法对样品进行开封袁 发现感压芯片从中间位置破裂尧 脱落袁 断口边缘锋利袁 脱落区域近似呈四方形袁 如图 45 所示遥该失效的产生主要是外部存在比较大的压力袁导致芯片两侧的压力差超过芯片承受范围遥 如果是在正常的压力环境中发生失效袁 则需要评估该型号压力传感器的耐压值袁 确保选用的传感器规格符合现场环境要求遥图 4传感器内部形貌芯片50阅陨粤晕在陨 悦匀粤晕孕陨晕 运耘运粤韵X陨晕郧 再哉 匀哉粤晕允I晕郧 杂匀陨再粤晕第 3 期对于图 2 所示结构的传感器袁 感压芯片受到过大压力冲击的裂纹比较隐蔽袁 裂纹往往位于凹槽侧壁延与底部交界位置袁 可以借助 SEM 观察袁 如图6耀8 所示遥3.2 芯片粘接开裂某型号扩散硅压力传感器在客户现场出现压力误差袁 且当待测压力与大气压力的压差增大时袁 误差呈线性增大遥传感器内部形貌如图 9 所示袁 通过 X 射线检查袁 发现感压芯片由上下两部分粘接而成袁 结构与图 1 所示类似袁 如图 1011 所示遥利用荧光试剂对感压芯片进行渗入试验袁 再对感压芯片进行剖面分析袁 在紫外灯照射下显色遥 结果在感压芯片内部腔体侧壁发现荧光袁 说明感压腔体与外部存在泄露通道遥图 8感压芯片裂纹放大 SEM 形貌感压芯片芯片基板金属底座图 9传感器内部整体形貌芯片 1粘接图 10 感压芯片正面 X-ray 形貌芯片 2图 11 感压芯片侧面 X-ray 形貌芯片 1芯片 2感压腔体图 12感压芯片侧面 X-ray 形貌芯片 2芯片 1腔体荧光粘接图 5感压芯片整体形貌破裂图 7芯片凹槽形貌图 6感压芯片背面形貌凹槽裂纹刘炳等院 扩散硅压力传感器失效研究51电子产品可靠性与环境试验阅陨粤晕在陨 悦匀粤晕孕陨晕 运耘运粤韵X陨晕郧 再哉 匀哉粤晕允I晕郧 杂匀陨再粤晕电子产品可靠性与环境试验2023 年对图 12 发光粘接位置进行剖面分析袁 发现粘接位置开裂袁 裂纹从边角位置向内部延伸袁 裂纹路径曲折尧 边角锋锐袁 呈现机械开裂特征袁 如图 13所示遥感压芯片粘接位置开裂袁 当外部待测气压与感压腔体内部气压存在一定压差时袁 较大压力侧气体会通过裂缝释放袁 使得内尧 外压力差减小袁 导致测得的压力值存在较大误差遥3.3 导线破损某型号扩散硅压力传感器经过高低温尧 振动试验后发生失效袁 表现为 4 只引脚对外壳绝缘电阻均小于 5 k赘袁 正常是大于 100 M赘遥电测确认失效品 4 只引脚对外壳绝缘阻值为k赘 级别袁 与委托方描述的失效现象一致遥 通过 X射线检查袁 可知样品内部结构如图 14 所示遥从导线侧往芯体方向研磨袁 直到图 14 虚线位置袁 发现 4 根导线绝缘皮变形尧 破损袁 内部铜线贴近金属外壳袁 如图 1516 所示遥继续研磨袁 测试发现 4 根导线对外壳绝缘阻抗均大于 100 M赘袁 说明样品导线对外壳漏电位置位于图 14 虚线位置遥从样品结构分析发现袁 导线从外部较小内径腔体进入较大内径的转接板腔体袁 导线受到向外拉力后容易在入口位置接触外壳遥 样品生产完工后袁 导线通过胶体与样品整体外壳固定袁 受到外部应力作用影响较小遥 因此袁 判断样品在生产阶段受到机械应力和热应力作用袁 导线绝缘皮变形尧 破损袁 露出内部铜线遥 在随整机试验过程中袁 导线与外壳绝缘电阻值进一步减小遥3.4 引脚焊点开裂某型号扩散硅压力传感器在试验过程中输出异常袁 检测发现部分引脚之间开路遥电测确认袁 失效样品部分引脚之间开路遥 将样品从图 17 所示位置分割开袁 发现开路位置位于导线侧袁 使用 2D X-ray 检查没有发现异常袁 如图 18所示遥图 13感压芯片侧面 X-ray 形貌芯片 2芯片 1图 14样品侧面 X-ray 形貌导线转接板芯体图 16黑线剖面放大 SEM 形貌图 15样品剖面形貌开裂黑线金属外壳铜线图 18样品导线侧 X-ray 形貌图 17样品分割位置芯体侧导线侧52阅陨粤晕在陨 悦匀粤晕孕陨晕 运耘运粤韵X陨晕郧 再哉 匀哉粤晕允I晕郧 杂匀陨再粤晕第 3 期通过 3D X-ray 渊CT冤 检查袁 发现样品外接的4 根导线与金属引脚焊接位置开裂袁 图 19 展示的是图 18 虚线位置 CT 形貌袁 剖面形貌如图 20 所示袁 裂纹边缘锋锐袁 裂纹两侧轮廓吻合袁 呈现机械开裂特征遥导线与壳体之间通过黑色胶体固定袁 导线没有松动袁 金属引脚玻璃绝缘子位置未见开裂袁 说明导线与金属引脚安装完成之后相对位置固定遥 因此袁比较大可能是导线在焊接完成之后尧 与壳体固定之前受到外部机械应力而裂开袁 导致样品在使用过程中发生开路失效遥3.5 过电击穿某型号扩散硅压力传感器装到整机上试验过程中发生失效袁 表现为零点输出漂移遥电特性测试发现良品输入正极对输出负极为PN 结特性袁 而失效品对应引脚之间为 PN 结并联电阻的特性袁 如图 21 所示袁 即失效样品内部存在漏电通道遥为了确定失效位置袁 采用 OBIRCH 失效定位技术袁 在失效样品输入正极与输出负极之间加电遥结果发现袁 感压芯片金属化与电阻膜接触界面出现阻抗异常点袁 放大观察袁 发现阻抗异常点发黑袁 如图 22 所示遥 去除金属化层后袁 可见阻抗异常点下方有源区存在熔融孔洞袁 孔洞由内向外炸开袁 呈现击穿烧毁特征袁 如图 23 所示遥结合样品电测尧 OBIRCH 失效定位结果和烧毁点形貌袁 判断样品电源输入端引入异常电压袁 导致内部芯片击穿烧毁遥3.6 腐蚀迁移某型号扩散硅压力传感器装到整机上使用若干年后发生失效袁 表现为输出信号偏差大遥电测发现失效样品部分引脚之间阻抗明显低于正常值遥 通过 X 射线检查尧 解剖后发现样品结构与图 2 类似遥剖面分析发现袁 良品玻璃垫片层完整袁 如图24 所示遥 失效样品玻璃垫片层破裂袁 如图 25 所示袁 SEM 检查发现玻璃垫片层表面存在枝晶状物质袁 如图 26 所示遥 能谱分析结果显示袁 枝晶状物图 19导线焊接位置 CT 形貌图 20导线焊接位置剖面形貌图 21失效品输入正极对输出负极的 I-V 特性曲线图图 23感压芯片阻抗异常位置有源区 SEM 形貌阻抗导常点发黑图 22OBIRCH 定位阻抗异常位置形貌击穿孔洞击穿孔洞刘炳等院 扩散硅压力传感器失效研究53电子产品可靠性与环境试验阅陨粤晕在陨 悦匀粤晕孕陨晕 运耘运粤韵X陨晕郧 再哉 匀哉粤晕允I晕郧 杂匀陨再粤晕电子产品可靠性与环境试验2023 年质的主要金属元素为 Ag袁 如图 27 所示遥 进一步确认袁 芯片与引出端之间的金属支柱主要金属元素含有 Ag遥结合电测结果尧 SEM 形貌和能谱结果袁 可知失效品玻璃垫片破裂袁 在水汽尧 温度和电场的综合作用下袁 高电位端的金属支柱 Ag 材料发生电化学腐蚀袁 银原子失去电子变成银离子袁 沿着破裂的玻璃垫片层迁移到低电位端得到电子再变回原子袁 在不同引脚之间形成枝晶状物质袁 导致不同引脚之间漏电遥4结束语本文介绍了扩散硅压力传感器的结构原理和失效分析过程中常用的检测设备与技术袁 包括 X 射线检测系统尧 荧光定位技术尧 OBIRCH 定位技术尧SEM&EDS 等袁 通过实际案例讲解如何应用上述技术对扩散硅压力传感器进行失效分析遥 总结了常见失效机理袁 并提出了如表 1 所示的几点改善建议袁 为减少类似失效袁 提高产品的可靠性提供了一定的参考遥参考文献院1 徐广宗.扩散硅压力传感器 J.水电厂自动化袁 1995渊1冤院 56-60.2 李和太袁 李晔辰.硅片键合技术的研究进展 J.传感器世界袁 2002 渊9冤院 6-10.3 刘沁袁 吕忠钢袁 陈艳文.扩散硅压力传感器结构设计及封装工艺研究 J.仪表技术与传感器袁 1996 渊10冤院18-19.4 乔立永袁 石成英袁 李进军.扩散硅压力传感器特性分析及其应用举例 J.仪器仪表用户袁 2007袁 14 渊5冤院 49-51.5 李占东袁 周建国袁 孟庆馥.扩散硅压力传感器现场使用存在问题和解决对策 J.仪器仪表用户袁 2020袁 27渊7冤院 18-20曰 81.6 蔡伟智.图示仪在 LED 失效分析中的应用 J.电子质量袁 2006 渊12冤院 31-33.7 路浩天袁 卢晓青袁 张祥春袁 等.X 射线三维 CT 技术在元器件失效分析中的应用 J.CT 理论与应用研究袁表 1失效机理及改善建议失效机理改善建议芯片开裂选用耐压等级更高的传感器粘接开裂改善粘接工艺袁 采用金硅共熔或静电封接技术焊点开裂改进引脚连接方式袁 加强连接可靠性导线破损优化腔体结构设计袁 增加导线表面保护过电击穿增加外围保护电路腐蚀迁移优化玻璃垫片结构袁 加强引脚间绝缘隔离图 27失效品玻璃垫片表面枝晶状物质能谱结果图 24良品玻璃垫片形貌引脚图 25失效品玻璃垫片形貌图 26失效品玻璃垫片表面放大 SEM 形貌CKOKAlKSiKBiMAgL45.539.931.070.2511.2731.9478.8012.910.830.191.126.1654阅陨粤晕在陨 悦匀粤晕孕陨晕 运耘运粤韵X陨晕郧 再哉 匀哉粤晕允I晕郧 杂匀陨再粤晕第 3 期2012袁 21 渊3冤院 9.8 陈选龙袁 刘丽媛袁 孙哲袁 等.OBIRCH 用于集成电路短路的背面失效定位 J.半导体技术袁 2015 渊11冤院 856-860.9 王赫袁 白素平袁 闫钰锋.荧光渗透探伤裂纹长度测量技术研究 J.长春理工大学学报 渊自然科学版冤袁 2021渊1冤院 22-27.10 恩云飞袁 来萍袁 李少平.电子元器件失效分析技术M.北京院 电子工业出版社袁 2015.11 陈胜.SEM-EDS 技术在表面成分分析中的应用 D.杭州院 杭州电子科技大学袁 2015.12 翟青霞袁 黄海蛟袁 刘东袁 等援 解析 SEM驭EDS 分析原理及应用 J.印制电路信息袁 2012 渊5冤院 66-70.刘炳等院 扩散硅压力传感器失效研究采用自主研发技术袁 开发出一种真空绝热复合材料袁 节能效果较传统保温材料提高 1020 倍遥近日袁 南京工业大学王泽鹏尧 韩保恒等同学在陈舟副教授尧 胡军峰副教授和姚山季教授等的指导下袁凭借该项技术在第十三届 野挑战杯冶 中国大学生创业计划竞赛全国决赛中斩获科技创新和未来产业组金奖遥该真空绝热复合材料主要由纳米级无机纤维芯材尧 超薄金属阻隔膜和气体吸附材料袁 通过真空熔焊一体化成型技术制备而成遥 其利用真空绝热原理袁 可有效地避免气体对流传热引起的热对流遥 项目团队利用自主研发的高真空快速激光焊接装备袁可对厚度仅为 0.1 mm 的超薄金属阻隔膜进行无漏焊接袁 实现真空绝热复合材料在-196800 益极温领域的应用遥同时袁 为了降低真空绝热复合材料热传导性能袁 该项目团队采用高速离心-二次喷吹纳米纤维成型技术袁 开发出纳米级无机纤维芯材遥野我们研发的纳米级无机纤维芯材属于玻璃纤维的一种袁 传统玻璃纤维的直径大约 79 滋m袁 我们量产的纤维直径仅为 520 nm袁 可有效地增加芯材孔隙率和比表面积袁 降低孔径遥冶 项目团队负责人王泽鹏表示袁纤维直径对导热性能影响较大袁 玻璃纤维芯材就像无数条搭接的高速公路袁 在单位时间和单位质量内袁 纤维直径越细袁 热能传导的 野千米数冶 就越多袁 热传导的时间和路径也就越长袁 保温能力也就得到了提升遥野 这 种 复 合 材 料 的 常 温 导 热 系 数 仅 为0.001 2 W/渊m 窑 K冤袁 节能效果较传统保温材料提高了 1020 倍袁 在达到相同节能率标准情况下袁 厚度仅为现有传统保温材料的 1/10袁 综合成本仅为现有传统保温材料的 60%80%袁 节能效果显著遥 同时产品可实现绿色回收尧 循环再利用遥冶 项目团队成员韩保恒介绍遥据悉袁 该项目产品可用于医药冷链尧 钢铁石化等极低和极高温领域的保温绝热遥 目前袁 该项技术已在徐工集团尧 中集集团和国药集团等企业应用袁参与了国有大型企业的节能改造工程遥渊下载网址院 http:/ 下载日期院 2023-06-10冤新型真空绝热复合材料 能在极温环境下应用55