中心論題：

• 分析MEMS機油壓力傳感器的工作原理和制造工藝
• 從機油壓力傳感器封裝材料及各個(gè)工藝步驟等方面研究可靠性

解決方案：

• 選用工藝簡(jiǎn)單、成本較低的貼片膠工藝進(jìn)行貼片
• 采用雙金絲鍵合工藝，選用高純度低缺陷的金絲，做好引線(xiàn)鍵合前各封裝器件的清潔工作
• 選擇高溫下穩定的硅油和有良好鈍化層的芯片必要時(shí)對芯片以及引線(xiàn)進(jìn)行涂敷鈍化層處理

引言
MEMS是在集成電路生產(chǎn)技術(shù)和專(zhuān)用的微機電加工方法的基礎上蓬勃發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)，用MEMS技術(shù)研制的壓力傳感器具有體積小、重量輕、響應快、靈敏度高、易于批量生產(chǎn)、成本低的優(yōu)勢，它們已經(jīng)開(kāi)始逐步取代基于傳統機電技術(shù)的壓力傳感器。目前已有多種MEMS壓力傳感器應用到了汽車(chē)電子系統中，如發(fā)動(dòng)機共軌壓力、機油壓力、歧管空氣進(jìn)氣壓力、汽車(chē)胎壓壓力等。其中機油壓力傳感器是用于測量汽車(chē)發(fā)動(dòng)機油壓力的重要傳感器，其可靠性直接關(guān)系到汽車(chē)和人的安全性。本文選用MEMS壓力芯片，成功開(kāi)發(fā)出汽車(chē)發(fā)動(dòng)機機油壓力傳感器，研究了機油壓力傳感器的封裝工藝和可靠性。在傳感器的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，嚴格按汽車(chē)電子產(chǎn)品質(zhì)量要求，對傳感器的封裝及組裝過(guò)程進(jìn)行了系統的分析和測試，并通過(guò)工藝優(yōu)化極大地提高了傳感器的可靠性能。

工作原理和制造工藝
MEMS壓力傳感器是利用壓阻效應原理，采用集成工藝技術(shù)經(jīng)過(guò)摻雜、擴散，沿單晶硅片上的特定晶向，制成應變電阻，構成惠斯通電橋，利用硅材料的彈性力學(xué)特性，在同一硅材料上進(jìn)行各向異性微加工，制成了一個(gè)集力敏與力電轉換檢測于一體的擴散硅傳感器。通常傳感器芯片上制作有4個(gè)多晶硅電阻，電阻制作在硅薄膜的邊沿位置，這是因為在薄膜的邊沿處，當薄膜受到作用力時(shí)，應變引起的電阻變化最大。4個(gè)壓阻R1，R2，R3，R4組成惠斯通電橋構成壓力檢測電路，當電橋中輸入電壓為Vin，并設膜片上的4個(gè)壓阻相等(即R1=R3=R3=R4=R)，當薄膜受力變形時(shí)，兩個(gè)電阻變大，兩個(gè)電阻變小，且△R1=-△R2=△R3=-△R4=△R，則其輸出電壓Vout可表示為

 
式中Voffset是在零應力和零應變時(shí)傳感器的輸出。由式(1)可知壓阻壓力傳感器有兩種工作方式，一種是恒電壓工作方式，另一種為恒流工作方式。

MEMS壓力傳感器的一一種重要封裝形式是采用充油的不銹鋼結構，稱(chēng)為充油壓敏芯體，其基本制造工藝過(guò)程包括貼片、引線(xiàn)、封裝殼體、充油及二次組裝等。圖1是充油壓敏芯體結構示意圖，圖2是壓力傳感器二次封裝樣品。

可靠性實(shí)驗
芯片貼片工藝
傳感器的貼片工藝對傳感器的性能影響很大，一般要求有足夠的貼片強度、盡可能小的貼片應力和能滿(mǎn)足傳感器的工作溫度等。用于壓力芯片的貼片材料主要有焊料和膠，不同的貼片材料對傳感器性能影響有很大不同。由于焊料貼片時(shí)要求對芯片背面進(jìn)行金屬化處理，工藝相對較復雜，而用膠進(jìn)行貼片，其工藝更簡(jiǎn)單，且成本較低，所以本壓力傳感器選用貼片膠工藝進(jìn)行貼片。由于固化后膠的軟硬對傳感器的性能有很大影響，通過(guò)實(shí)驗測試了軟硬膠對壓力傳感器零點(diǎn)輸出的影響，針對同一芯片，分別采用無(wú)貼片膠、軟貼片膠(楊氏模量約為1～100 MPa量級，玻璃化溫度低于-40 ℃)、硬貼片膠(楊氏模量為3.56 GPa，玻璃化溫度為85℃)等三種情況，在-30～125℃下對傳感器的零點(diǎn)輸出進(jìn)行了測試，測試結果如圖3所示，圖中給了兩個(gè)傳感器樣品的測試結果。

從圖3可以看出，貼片膠對傳感器零點(diǎn)的影響隨溫度變化而變化，在低溫時(shí)，使用了硬膠貼片的傳感器的零點(diǎn)明顯高于使用軟膠與無(wú)膠的，這種差別隨著(zhù)溫度的升高變得越來(lái)越小。這主要有三個(gè)原因：①貼片膠的彈性模量隨溫度的升高而變小;②貼片膠高溫固化，在低溫時(shí)會(huì )引起收縮殘余應力;③貼片膠和芯片材料熱膨脹系數不同產(chǎn)生的熱應力。特別需要注意的是，在85℃之后，硬膠的影響突然變小，小到幾乎與無(wú)膠的情況相同。這是因為硬膠的玻璃化溫度(Tg)為85℃，高于Tg點(diǎn)時(shí)膠的楊氏模量變小，因而對傳感器的零點(diǎn)溫漂影響變小。因此，在選用貼片膠時(shí)，要求膠的Tg大于傳感器的工作溫度，以確保傳感器零點(diǎn)的穩定性和工作的可靠性。

引線(xiàn)鍵合工藝
用于引線(xiàn)鍵合的鍵合線(xiàn)有Al線(xiàn)和Au線(xiàn)，由于A(yíng)u線(xiàn)性能更優(yōu)，所以壓力傳感器的鍵合工藝選用Au線(xiàn)。鍵合時(shí)要使鍵合面保持清沽，否則會(huì )影響鍵合強度，等離子清洗是一種能有效提高鍵合強度的方法。由于機油壓力傳感器工作環(huán)境惡劣，尤其是頻繁的振動(dòng)會(huì )導致金絲有缺陷的地方疲勞斷裂，或者最容易疲勞的位置如第二焊點(diǎn)附近的頸部位置發(fā)生斷裂，因此要求更高的鍵合質(zhì)量。曾對所研制的機油壓力傳感器進(jìn)行了臺架試驗，在一批試驗樣品中經(jīng)過(guò)6×105次加壓和卸壓試驗之后，發(fā)現有兩個(gè)樣品失效，故障分析結果表明：一個(gè)樣品的失效模式為信號處理電路上的一個(gè)電阻損壞;另一個(gè)樣品的失效模式為金絲線(xiàn)斷裂，如圖4(a)，(b)所示。對于這種情況，可以采用雙金絲鍵合工藝，并盡量選用高純度、低缺陷的金絲，并做好引線(xiàn)鍵合前各封裝器件的清潔工作，如圖4(c)所示。這樣對金絲鍵合工藝進(jìn)行改進(jìn)后，在可靠性試驗中，未曾出現金絲斷裂的質(zhì)量問(wèn)題。

 
硅油的選擇和處理
由于芯片對所處環(huán)境的要求比較特殊，所以與硅芯片接觸的硅油需要具備以下特點(diǎn)：良好的介電性能、盡可能小的熱脹系數、化學(xué)穩定性好以及耐熱和耐寒性能好。硅油的凈化處理是薄膜隔離式壓力傳感器封裝中至關(guān)重要的工藝步驟，因為若凈化不干凈，硅油或傳感器受壓部分的充油腔內就會(huì )混有氣體、水分等可壓縮、易揮發(fā)的物質(zhì)，在全溫區內的體積變化就會(huì )沒(méi)有規律可言，造成外界的待測壓力不能準確、規則地傳遞到芯片，從而使得壓力傳感器的溫漂比較嚴重。這種現象反映在零點(diǎn)的溫漂上，可以用來(lái)評價(jià)封裝的好壞。通常，由于在恒壓源激勵的情況下壓力傳感器的靈敏度溫度系數為負值，所以壓力傳感器的零點(diǎn)稍有下降，如圖5的樣品5，6，7，8所示;而硅油凈化不充分的壓力傳感器零點(diǎn)的溫漂卻非常大，且隨著(zhù)溫度的升高而升高，如圖5中的樣品1，2，3，4所示。試驗表明，像樣品1，2，3，4這類(lèi)溫漂很大的傳感器的溫度補償是比較困難的，所以封裝時(shí)必須確保硅油品質(zhì)和填充量恰到好處。

 
硅油長(cháng)期在高溫下工作會(huì )發(fā)生變化，如果新分解的化學(xué)成分里面有小顆粒的導電物質(zhì)，這種物質(zhì)可能會(huì )穿過(guò)芯片的鈍化層破壞芯片或者介入擴散電阻條中間，形成短路或污染。如圖6是隔離封裝的壓力傳感器在125℃高溫下長(cháng)時(shí)間放置的數據曲線(xiàn)。

 
1#，2#，3#涂敷了保護層，4#，5#沒(méi)有涂敷保護層?？梢钥吹?，沒(méi)有保護層的傳感器在高溫下存儲了約200 h后，它的零點(diǎn)突然發(fā)生了變化，之后數據不穩定;涂了保護層的壓力傳感器的零點(diǎn)在600多小時(shí)后仍然很穩定。因此，為了防止硅油的污染導致壓力傳感器的失效，我們采取了一些必要的措施。首先，選擇高溫下盡可能穩定的硅油;其次，盡量選擇具有良好鈍化層的芯片;最后，在不影響靈敏度的前提下，還可以在封裝過(guò)程中對芯片以及引線(xiàn)進(jìn)行涂敷鈍化層的處理。

結論
分析和實(shí)驗結果表明，機油壓力傳感器封裝材料及各個(gè)工藝步驟都會(huì )影響傳感器的性能和可靠性。貼片膠性能不能滿(mǎn)足要求，會(huì )引起傳感器信號漂移和高溫不穩定性;引線(xiàn)鍵合強度不夠，在工作中會(huì )斷裂;硅油化學(xué)穩定和耐溫性能不夠好，會(huì )造成傳感器高溫輸出信號不穩定，硅油中的空氣和雜質(zhì)會(huì )造成傳感器零點(diǎn)輸出偏大等，這些問(wèn)題的存在將影響傳感器的長(cháng)期可靠性。