采用綜合學(xué)科研究法有效封裝MEMS加速儀

摘要

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）封裝的重要性與日俱增，在MEMS產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)成功的商業(yè)化過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。封裝系統(tǒng)應(yīng)由MEMS執(zhí)行感應(yīng)功能，而且還要使它避免受到外界環(huán)境的影響，同時(shí)持續(xù)地改進(jìn)質(zhì)量，達(dá)到較高的ppm性能。我們采用SOIC封裝的其中一款加速儀出現(xiàn)器件斷裂的ppm性能較低。這種MEMS封裝非常獨(dú)特，它必須維持一個(gè)特定的共振頻率，從而防止傳感器被粘住或卡住。同時(shí)，封裝必須確保傳感器是可靠的和完整的，沒(méi)有出現(xiàn)斷裂或輸出偏差。我們采用一種綜合學(xué)科研究方法來(lái)確定合適的固晶材料來(lái)徹底解決器件斷裂的問(wèn)題，這種方法涉及振動(dòng)分析、電氣響應(yīng)測(cè)定、壓力分析和斷裂力學(xué)。

簡(jiǎn)介

MEMS加速儀在汽車安全氣囊系統(tǒng)中作為碰撞感應(yīng)器已經(jīng)有超過(guò)十年的歷史。最近，MEMS加速儀被進(jìn)一步應(yīng)用到電子消費(fèi)品中，例如手機(jī)、筆記本電腦、游戲控制器和手持PDA。加速儀產(chǎn)品需要經(jīng)歷兩種不同的制造流程，即傳感器制造和封裝流程。采用了一種表面微機(jī)械加工工藝，為加速儀感應(yīng)器芯片的制造制作可移動(dòng)的指針并檢測(cè)質(zhì)量。有效地封裝MEMS器件通常會(huì)面臨許多挑戰(zhàn)，并且是阻礙MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破性增長(zhǎng)和采用的主要因素之一［1］-［2］。MEMS封裝技術(shù)主要來(lái)自于微電子封裝技術(shù)。在集成電路中，封裝主要用于防止電子器件受到外部損害。MEMS封裝與此相反，它必須允許器件真正地接觸或觀察外部環(huán)境以實(shí)現(xiàn)感應(yīng)功能，同時(shí)要保護(hù)器件避免受到損害和出現(xiàn)長(zhǎng)期的故障。感應(yīng)器封裝的難題是，除了向PC板提供一個(gè)底座外，環(huán)境或封裝對(duì)變頻器產(chǎn)生的壓力不應(yīng)當(dāng)影響傳感器的性能。

MEMS加速儀包含一個(gè)MEMS器件，該器件與一個(gè)ASIC接口，ASIC可以將MEMS器件的電容輸出轉(zhuǎn)換為一個(gè)表示MEMS器件感受到的加速度的電壓。加速度綜合起來(lái)就是器件的速度。在安全氣囊應(yīng)用中，當(dāng)速度足夠高時(shí)，安全氣囊就會(huì)被展開。MEMS加速儀發(fā)生的任何失真，例如過(guò)度的封裝壓力或器件振動(dòng)，都會(huì)導(dǎo)致在安全氣囊算法中引入錯(cuò)誤的信號(hào)。安全氣囊感應(yīng)器必須響應(yīng)汽車碰撞產(chǎn)生的力量，同時(shí)隔離安全氣囊所在的振動(dòng)環(huán)境的反應(yīng)。該封裝和傳感器的力學(xué)特征是非常重要的考慮因素。例如，在某些汽車應(yīng)用中，振動(dòng)信號(hào)的頻率可以高達(dá)20kHz。如果封裝的一個(gè)或多個(gè)固有頻率與高能量輸入信號(hào)的頻率相同或與之接近，那么傳感器的封裝輸出信號(hào)將發(fā)生失真，甚至?xí)箓鞲衅鳟a(chǎn)生機(jī)械損傷。

飛思卡爾MEMS加速儀的傳感器是通過(guò)在硅基片上進(jìn)行表面微機(jī)械加工制作的。使用蝕刻空腔外罩晶圓將傳感器的活動(dòng)部件與外部環(huán)境隔絕，再使用玻璃熔塊將蝕刻空腔外罩晶圓密實(shí)地粘貼到基片上。粘合的傳感器晶圓成形后，通過(guò)固晶粘合到一個(gè)銅引線框架，然后用線與ASIC芯片連接在一起。傳感器外包一層凝膠涂層，組裝完成后再經(jīng)過(guò)超模壓處理。作為成本較低的解決方案，我們選用了16個(gè)引線的SOIC封裝，ASIC芯片和感應(yīng)單元并排放置。研究發(fā)現(xiàn)，引起信號(hào)失真的主要原因與封裝共振和固晶共振有關(guān)。為了解決這些封裝問(wèn)題，我們采用罐封方式，并使用了硬固晶膠。遺憾的是，實(shí)施的硬固晶材料造成芯片斷裂的ppm性能很低。我們采用了一種綜合學(xué)科研究法來(lái)評(píng)估工藝和材料對(duì)芯片斷裂的影響，并提供更好的解決方案來(lái)徹底解決這一問(wèn)題。

問(wèn)題和解決方案

圖1（a）展示了16引線SOIC封裝的成品封裝模型及其加速儀的橫切面。封裝由一個(gè)傳感器芯片組成，其細(xì)節(jié)構(gòu)造如圖1（b）所示，傳感器芯片與一個(gè)外罩粘合在一起，一部分外罩延伸到靠近焊線墊的基片上。ASIC和感應(yīng)單元并排放置，芯片被連接到銅引線框架。在進(jìn)行超模處理之前，使用極低模量的有機(jī)硅凝膠覆蓋整個(gè)感應(yīng)單元。

在應(yīng)用領(lǐng)域，振動(dòng)環(huán)境要求封裝的固有頻率大于20kHz，從而避免傳感器產(chǎn)生與共振有關(guān)的問(wèn)題。為了滿足這些要求，采用高模量環(huán)氧固晶膠D替換此前的4點(diǎn)軟固晶膠A。低ppm性牟的部件無(wú)法正常工作，稍后發(fā)現(xiàn)感應(yīng)單元的基片芯片破裂。如圖2所示，裂紋貫穿整個(gè)有源器件。斷面分析顯示，裂紋從感應(yīng)單元基片的頂部開始，沿著基片、玻璃熔塊和外罩之間的接觸面延伸。裂紋通常從切割邊開始，一些部件只有一個(gè)斷裂起點(diǎn)，而其他部件可能有多個(gè)斷裂起點(diǎn)。因此，接下來(lái)的問(wèn)題是引起感應(yīng)單元芯片斷裂的原因是什么？斷裂是在什么時(shí)候發(fā)生的？是在加工、組裝期間，還是在焊接回流期間？是否可以重新設(shè)計(jì)封裝，使它在加工、組裝期間，以及在客戶處和實(shí)地使用時(shí)變得更加牢固和可靠？

圖 1 （a） 16引線SOIC封裝的成品封裝及解晰圖（b） 傳感器的SEM圖

故障分析和封裝重新設(shè)計(jì)時(shí)采用了有限元分析方法。我們采用了兩種方法來(lái)評(píng)估組裝和暴露給外部環(huán)境期間的芯片應(yīng)力和斷裂風(fēng)險(xiǎn)。一種方法是常規(guī)應(yīng)力分析，另一種是基于斷裂力學(xué)的分析。需要分析的階段包括外罩晶圓與感應(yīng)單元基片晶圓的粘合、感應(yīng)單元與引線架的連接、引線粘結(jié)、超模壓、回流焊接和熱循環(huán)。

圖2 感應(yīng)單元基片上的裂紋的SEM圖