- 机油压力传感器的封装工艺和可靠性研究

3.2 引线键合工艺

用于引线键合的键合线有Al线和Au线，由于Au线性能更优，所以压力传感器的键合工艺选用Au线。键合时要使键合面保持清沽，否则会影响键合强度，等离子清洗是一种能有效提高键合强度的方法。由于机油压力传感器工作环境恶劣，尤其是频繁的振动会导致金丝有缺陷的地方疲劳断裂，或者最容易疲劳的位置如第二焊点附近的颈部位置发生断裂，因此要求更高的键合质量。曾对所研制的机油压力传感器进行了台架试验，在一批试验样品中经过6×105次加压和卸压试验之后，发现有两个样品失效，故障分析结果表明：一个样品的失效模式为信号处理电路上的一个电阻损坏；另一个样品的失效模式为金丝线断裂，如图4(a)，(b)所示。对于这种情况，可以采用双金丝键合工艺，并尽量选用高纯度、低缺陷的金丝，并做好引线键合前各封装器件的清洁工作，如图4(c)所示。这样对金丝键合工艺进行改进后，在可靠性试验中，未曾出现金丝断裂的质量问题。

3.3 硅油的选择和处理

由于芯片对所处环境的要求比较特殊，所以与硅芯片接触的硅油需要具备以下特点：良好的介电性能、尽可能小的热胀系数、化学稳定性好以及耐热和耐寒性能好。硅油的净化处理是薄膜隔离式压力传感器封装中至关重要的工艺步骤，因为若净化不干净，硅油或传感器受压部分的充油腔内就会混有气体、水分等可压缩、易挥发的物质，在全温区内的体积变化就会没有规律可言，造成外界的待测压力不能准确、规则地传递到芯片，从而使得压力传感器的温漂比较严重。这种现象反映在零点的温漂上，可以用来评价封装的好坏。通常，由于在恒压源激励的情况下压力传感器的灵敏度温度系数为负值，所以压力传感器的零点稍有下降，如图5的样品5，6，7，8所示；而硅油净化不充分的压力传感器零点的温漂却非常大，且随着温度的升高而升高，如图5中的样品1，2，3，4所示。试验表明，像样品1，2，3，4这类温漂很大的传感器的温度补偿是比较困难的，所以封装时必须确保硅油品质和填充量恰到好处。

硅油长期在高温下工作会发生变化，如果新分解的化学成分里面有小颗粒的导电物质，这种物质可能会穿过芯片的钝化层破坏芯片或者介入扩散电阻条中间，形成短路或污染。如图6是隔离封装的压力传感器在125℃高温下长时间放置的数据曲线。

1#，2#，3#涂敷了保护层，4#，5#没有涂敷保护层。可以看到，没有保护层的传感器在高温下存储了约200 h后，它的零点突然发生了变化，之后数据不稳定；涂了保护层的压力传感器的零点在600多小时后仍然很稳定。因此，为了防止硅油的污染导致压力传感器的失效，我们采取了一些必要的措施。首先，选择高温下尽可能稳定的硅油；其次，尽量选择具有良好钝化层的芯片；最后，在不影响灵敏度的前提下，还可以在封装过程中对芯片以及引线进行涂敷钝化层的处理。

 结论

分析和实验结果表明，机油压力传感器封装材料及各个工艺步骤都会影响传感器的性能和可靠性。贴片胶性能不能满足要求，会引起传感器信号漂移和高温不稳定性；引线键合强度不够，在工作中会断裂；硅油化学稳定和耐温性能不够好，会造成传感器高温输出信号不稳定，硅油中的空气和杂质会造成传感器零点输出偏大等，这些问题的存在将影响传感器的长期可靠性。