采用綜合學(xué)科研究法有效封裝MEMS加速儀 - 全文

摘要

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）封裝的重要性與日俱增，在MEMS產(chǎn)品實現(xiàn)成功的商業(yè)化過程中發(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封裝非常獨特，它必須維持一個特定的共振頻率，從而防止傳感器被粘住或卡住。同時，封裝必須確保傳感器是可靠的和完整的，沒有出現(xiàn)斷裂或輸出偏差。我們采用一種綜合學(xué)科研究方法來確定合適的固晶材料來徹底解決器件斷裂的問題，這種方法涉及振動分析、電氣響應(yīng)測定、壓力分析和斷裂力學(xué)。

簡介

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)有超過十年的歷史。最近，MEMS加速儀被進(jìn)一步應(yīng)用到電子消費品中，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的指針并檢測質(zhì)量。有效地封裝MEMS器件通常會面臨許多挑戰(zhàn)，并且是阻礙MEMS技術(shù)實現(xiàn)突破性增長和采用的主要因素之一［1］-［2］。MEMS封裝技術(shù)主要來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)境以實現(xiàn)感應(yīng)功能，同時要保護(hù)器件避免受到損害和出現(xiàn)長期的故障。感應(yīng)器封裝的難題是，除了向PC板提供一個底座外，環(huán)境或封裝對變頻器產(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MEMS器件，該器件與一個ASIC接口，ASIC可以將MEMS器件的電容輸出轉(zhuǎn)換為一個表示MEMS器件感受到的加速度的電壓。加速度綜合起來就是器件的速度。在安全氣囊應(yīng)用中，當(dāng)速度足夠高時，安全氣囊就會被展開。MEMS加速儀發(fā)生的任何失真，例如過度的封裝壓力或器件振動，都會導(dǎo)致在安全氣囊算法中引入錯誤的信號。安全氣囊感應(yīng)器必須響應(yīng)汽車碰撞產(chǎn)生的力量，同時隔離安全氣囊所在的振動環(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，振動信號的頻率可以高達(dá)20kHz。如果封裝的一個或多個固有頻率與高能量輸入信號的頻率相同或與之接近，那么傳感器的封裝輸出信號將發(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地粘貼到基片上。粘合的傳感器晶圓成形后，通過固晶粘合到一個銅引線框架，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)過超模壓處理。作為成本較低的解決方案，我們選用了16個引線的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題，我們采用罐封方式，并使用了硬固晶膠。遺憾的是，實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)科研究法來評估工藝和材料對芯片斷裂的影響，并提供更好的解決方案來徹底解決這一問題。

問題和解決方案

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)硅凝膠覆蓋整個感應(yīng)單元。

在應(yīng)用領(lǐng)域，振動環(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點軟固晶膠A。低ppm性牟的部件無法正常工作，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，一些部件只有一個斷裂起點，而其他部件可能有多個斷裂起點。因此，接下來的問題是引起感應(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)計封裝，使它在加工、組裝期間，以及在客戶處和實地使用時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)計時采用了有限元分析方法。我們采用了兩種方法來評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。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

A. 常規(guī)應(yīng)力分析

常規(guī)應(yīng)力分析用于確定不同封裝階段存在高應(yīng)力的位置。假設(shè)芯片邊緣沒有缺陷。圖3顯示了感應(yīng)單元基片在模壓階段存在高應(yīng)力的位置基片與外罩晶圓以及玻璃熔塊之間的接觸位置承受的彎曲壓力最大。因為外罩晶圓與濕法腐蝕工藝存在一個~54o的角度，因此存在幾何不對稱以及一個應(yīng)力奇異性。這一區(qū)域的應(yīng)力量級對網(wǎng)狀形狀敏感，并且會隨著網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的加密而升高，但是應(yīng)力分布是有效的。高應(yīng)力位置區(qū)與觀察到的斷裂起始位置正好是重疊的。

圖3 感應(yīng)單元基片承受最大的張應(yīng)力

B. 斷裂力學(xué)分析

硅片的機(jī)械完整性主要取決于它所經(jīng)歷的工藝處理。這些工藝處理包括晶片磨薄、表面處理工藝（研磨、拋光、蝕刻）及將晶圓加工需要的尺寸。在進(jìn)行這些工藝加工期間，芯片表面或邊緣可能會出現(xiàn)缺陷。如果出現(xiàn)缺陷的位置正好位于應(yīng)力奇異性區(qū)域，那么芯片在后續(xù)的封裝過程和鑒定檢測期間就容易產(chǎn)生可靠性問題。在斷裂力學(xué)分析中，假設(shè)基片的關(guān)鍵位置已經(jīng)存在缺陷。假設(shè)裂紋尺寸大約為芯片厚度的1/300。應(yīng)變能釋放率G是指促使裂紋擴(kuò)展的能量，其計算方式為：

其中，為圍繞裂紋尖端的任意路徑；W指應(yīng)變能；Ti是牽引向量；ui 是位移向量，nx 是Γ上的外向單位法向量的x部分。

從晶圓粘合、固晶、引線粘結(jié)、模壓到回流都建了模型，圖4顯示了在進(jìn)行晶圓粘合期間裂紋擴(kuò)展的能量?？梢钥闯?，對于當(dāng)前使用的固晶材料D，回流焊接是擴(kuò)展裂紋的最主要工藝。該產(chǎn)品此前使用固晶膠A設(shè)計，沒有出現(xiàn)裂紋。從圖4可以看出，與使用固晶D相比，使用固晶A時的裂紋擴(kuò)展的可能性非常低。然而，當(dāng)封裝安裝在板卡上時，固晶膠A會引起共振問題。因此，要解決這個問題，在選擇合適的固晶膠時，必須確保芯片不會出現(xiàn)裂紋且不會引起共振。

圖字：relative energy available for crack propogation：裂紋擴(kuò)展的相對能量；Energy for crack propogation relative to wafer bonding：晶片粘合期間裂紋擴(kuò)展的相對能量；Die attach-D：固晶膠D；Wafer bonding：晶圓粘結(jié); G-CELL Attach：感應(yīng)單元粘結(jié)；wire bonding：引線粘結(jié)；Molding：模壓；solder reflow：焊接回流

圖4 每個封裝工藝產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展能量

因為固晶材料會引起芯片出現(xiàn)裂紋，因此需要對不同材料進(jìn)行評估。最初使用的固晶A在7 kHz的頻率下會引起感應(yīng)單元出現(xiàn)共振，這會引入信號失真故障。稍后用固晶膠D代替了固晶膠A，固晶膠D的共振頻率為400 kHz，不會引起信號失真。然而，固晶膠D會對已經(jīng)存在裂紋的芯片產(chǎn)生影響。因此，需要根據(jù)共振頻率和剛性尋找一種可接受的固晶材料。圖5顯示了失真可接受的固晶膠共振頻率。

可接受的標(biāo)準(zhǔn)是速度要小于1m/s。圖5顯示不管固晶膠的Q值是多少，最小固晶共振頻率為17 kHz。

圖字：Velocity error versus die attach resonant frequency：速度誤差與固晶共振頻率的對比；velocity error（m/s）：速度誤差（m/s）；frequency（kHz）：頻率（kHz）

圖5 速度誤差與固晶膠共振頻率的對比

選擇固晶材料

飛思卡爾MEMS加速儀采用了活動和固定板。一旦感應(yīng)單元的頻率達(dá)到了其限幅點，MEMS中板就會以機(jī)械方式碰撞制動裝置，防止碰到感應(yīng)板的頂部和底部，從而避免引起靜摩擦和短路。標(biāo)準(zhǔn)處理會使MEMS器件出現(xiàn)位移，對頂板和底板的制動裝置產(chǎn)生不對稱的作用力，這會使高加速輸入信號出現(xiàn)輸出失真。在固晶共振頻率下，信號失真會Q倍增加。

利用球跌落測試檢測失真并驗證器件的能力。將一個金屬球掉落到一個懸掛的不銹鋼板上，當(dāng)金屬球撞擊到鋼板上時將產(chǎn)生多種頻率。如果MEMS加速儀出現(xiàn)了任何失真，那么綜合速度不會回到0 kph。

圖字：board1-balldrop 45cm，400ms，potted：板1-球跌落高度為45厘米，時間為400毫秒，灌封；velocity（kph）：速度（kph）；die-attach A：固晶膠A；die-attach D：固晶膠D；Time（s）：時間（秒）

圖 6 對不同固晶膠執(zhí)行球跌落測試時的速度

在上圖中，固晶膠D的測試結(jié)果是最理想的，沒有出現(xiàn)任何失真，而固晶膠A由于失真產(chǎn)生了-0.2 kph的誤差。根據(jù)球跌落測試，感應(yīng)單元限幅點的頻率大約為20 kHz。任何大于這個值的封裝頻率將不會引起共振問題。對使用不同固晶膠的封裝進(jìn)行了基于有限元的模型分析。由于在平面運動中，只有這兩個移動與感應(yīng)單元的X和Y軸有關(guān)，因此只給出了固有頻率的第一和第二模態(tài)。表1列出了各種固晶材料的屬性，并針對給定固晶膠和產(chǎn)生的封裝共振頻率進(jìn)行了分析。這些材料分屬兩種極端類別。硬固晶膠如固晶膠D滿足封裝共振條件，但是會引起芯片裂紋。軟固晶膠如固晶膠A不會引起芯片裂紋，但是封裝不符合共振要求。

表1材料特性和各種固晶的固有頻率

因此進(jìn)行了一項研究，確定理想的固晶材料的屬性的范圍，以及對封裝共振頻率和芯片應(yīng)力的影響。圖5給出了根據(jù)固晶模量計算的感應(yīng)單元的固有頻率，以及感應(yīng)單元基片承受的相應(yīng)的最大張應(yīng)力。

圖字：gcel natural frequency（kHz）：感應(yīng)單元固有頻率（kHz）；1st mode：第一模態(tài)；2nd mode：第二模態(tài)；die max stress：芯片最大應(yīng)力；Max tensile stress on die（Mpa）：芯片承受的最大張應(yīng)力（Mpa）

圖5 根據(jù)固晶模量計算得出的感應(yīng)單元基片的最大張應(yīng)力和封裝共振頻率

研究發(fā)現(xiàn)，與修改熱膨脹系數(shù)［4］相比，芯片應(yīng)力對固晶模量更加敏感。從圖5可以看出，模量接近10的固晶材料具有較低的芯片應(yīng)力，并且滿足共振頻率要求。

經(jīng)過一些研究后，我們發(fā)現(xiàn)固晶材料E滿足我們的性能要求。為了確保采用新固晶膠的芯片的共振性能足夠滿足要求，我們對材料模量隨溫度的變化進(jìn)行了測量。同時進(jìn)行了動態(tài)力學(xué)分析（DMA）。對測試樣本進(jìn)行了處理，將材料放到一個扁平的預(yù)成型的腔中并進(jìn)行固化處理。然后測試樣本隨溫度的變化。圖6顯示了材料的模量。

圖字：storage modulus （MPa）：儲能模量（MPa）；Temp：溫度

圖6 固晶膠E的存儲模量

用內(nèi)部確定的固晶E的性能對封裝進(jìn)行的模態(tài)分析表明，它的固有頻率大于20 kHz。此外，圖4顯示了固晶E的裂紋擴(kuò)展能量與固晶A相似，因此不會產(chǎn)生芯片斷裂的問題。因此，固晶膠E被用于替換固晶膠D，因為它非常柔韌，不會使芯片斷裂，同時也具有足夠的硬度，滿足共振要求。對這種新的固晶材料進(jìn)行鑒定檢測和試封裝后發(fā)現(xiàn)，整個測試樣本中沒有出現(xiàn)任何芯片斷裂。

結(jié)語

本文16引線SOIC加速儀封裝的完整工藝流程進(jìn)行了評估解以了解造成低ppm水平芯片斷裂的裂紋擴(kuò)展和傾向。找出了兩個危害最大的關(guān)鍵工序。影響最大的是焊接回流工序，其次是引線粘結(jié)工序。引起芯片斷裂的主要參數(shù)是感應(yīng)單元固晶膠的硬度。目前使用的固晶膠D使感應(yīng)單元基片芯片非常容易出現(xiàn)斷裂。通過反向工程確定了可以同時滿足感應(yīng)單元固有頻率和封裝可靠性需求的固晶材料。采用推薦的固晶膠E后，封裝在處理通常會引入裂紋和感應(yīng)單元固有頻率要求的工藝時表現(xiàn)更加強(qiáng)韌。