采用综合学科研究法有效封装MEMS加速仪

摘要

微机电系统（MEMS）封装的重要性与日俱增，在MEMS产品实现成功的商业化过程中发挥了重要作用。封装系统应由MEMS执行感应功能，而且还要使它避免受到外界环境的影响，同时持续地改进质量，达到较高的ppm性能。我们采用SOIC封装的其中一款加速仪出现器件断裂的ppm性能较低。这种MEMS封装非常独特，它必须维持一个特定的共振频率，从而防止传感器被粘住或卡住。同时，封装必须确保传感器是可靠的和完整的，没有出现断裂或输出偏差。我们采用一种综合学科研究方法来确定合适的固晶材料来彻底解决器件断裂的问题，这种方法涉及振动分析、电气响应测定、压力分析和断裂力学。

简介

MEMS加速仪在汽车安全气囊系统中作为碰撞感应器已经有超过十年的历史。最近，MEMS加速仪被进一步应用到电子消费品中，例如手机、笔记本电脑、游戏控制器和手持PDA。加速仪产品需要经历两种不同的制造流程，即传感器制造和封装流程。采用了一种表面微机械加工工艺，为加速仪感应器芯片的制造制作可移动的指针并检测质量。有效地封装MEMS器件通常会面临许多挑战，并且是阻碍MEMS技术实现突破性增长和采用的主要因素之一［1］-［2］。MEMS封装技术主要来自于微电子封装技术。在集成电路中，封装主要用于防止电子器件受到外部损害。MEMS封装与此相反，它必须允许器件真正地接触或观察外部环境以实现感应功能，同时要保护器件避免受到损害和出现长期的故障。感应器封装的难题是，除了向PC板提供一个底座外，环境或封装对变频器产生的压力不应当影响传感器的性能。

MEMS加速仪包含一个MEMS器件，该器件与一个ASIC接口，ASIC可以将MEMS器件的电容输出转换为一个表示MEMS器件感受到的加速度的电压。加速度综合起来就是器件的速度。在安全气囊应用中，当速度足够高时，安全气囊就会被展开。MEMS加速仪发生的任何失真，例如过度的封装压力或器件振动，都会导致在安全气囊算法中引入错误的信号。安全气囊感应器必须响应汽车碰撞产生的力量，同时隔离安全气囊所在的振动环境的反应。该封装和传感器的力学特征是非常重要的考虑因素。例如，在某些汽车应用中，振动信号的频率可以高达20kHz。如果封装的一个或多个固有频率与高能量输入信号的频率相同或与之接近，那么传感器的封装输出信号将发生失真，甚至会使传感器产生机械损伤。

飞思卡尔MEMS加速仪的传感器是通过在硅基片上进行表面微机械加工制作的。使用蚀刻空腔外罩晶圆将传感器的活动部件与外部环境隔绝，再使用玻璃熔块将蚀刻空腔外罩晶圆密实地粘贴到基片上。粘合的传感器晶圆成形后，通过固晶粘合到一个铜引线框架，然后用线与ASIC芯片连接在一起。传感器外包一层凝胶涂层，组装完成后再经过超模压处理。作为成本较低的解决方案，我们选用了16个引线的SOIC封装，ASIC芯片和感应单元并排放置。研究发现，引起信号失真的主要原因与封装共振和固晶共振有关。为了解决这些封装问题，我们采用罐封方式，并使用了硬固晶胶。遗憾的是，实施的硬固晶材料造成芯片断裂的ppm性能很低。我们采用了一种综合学科研究法来评估工艺和材料对芯片断裂的影响，并提供更好的解决方案来彻底解决这一问题。

问题和解决方案

图1（a）展示了16引线SOIC封装的成品封装模型及其加速仪的横切面。封装由一个传感器芯片组成，其细节构造如图1（b）所示，传感器芯片与一个外罩粘合在一起，一部分外罩延伸到靠近焊线垫的基片上。ASIC和感应单元并排放置，芯片被连接到铜引线框架。在进行超模处理之前，使用极低模量的有机硅凝胶覆盖整个感应单元。

在应用领域，振动环境要求封装的固有频率大于20kHz，从而避免传感器产生与共振有关的问题。为了满足这些要求，采用高模量环氧固晶胶D替换此前的4点软固晶胶A。低ppm性牟的部件无法正常工作，稍后发现感应单元的基片芯片破裂。如图2所示，裂纹贯穿整个有源器件。断面分析显示，裂纹从感应单元基片的顶部开始，沿着基片、玻璃熔块和外罩之间的接触面延伸。裂纹通常从切割边开始，一些部件只有一个断裂起点，而其他部件可能有多个断裂起点。因此，接下来的问题是引起感应单元芯片断裂的原因是什么？断裂是在什么时候发生的？是在加工、组装期间，还是在焊接回流期间？是否可以重新设计封装，使它在加工、组装期间，以及在客户处和实地使用时变得更加牢固和可靠？

图 1 （a） 16引线SOIC封装的成品封装及解晰图（b） 传感器的SEM图

故障分析和封装重新设计时采用了有限元分析方法。我们采用了两种方法来评估组装和暴露给外部环境期间的芯片应力和断裂风险。一种方法是常规应力分析，另一种是基于断裂力学的分析。需要分析的阶段包括外罩晶圆与感应单元基片晶圆的粘合、感应单元与引线架的连接、引线粘结、超模压、回流焊接和热循环。

图2 感应单元基片上的裂纹的SEM图

A. 常规应力分析

常规应力分析用于确定不同封装阶段存在高应力的位置。假设芯片边缘没有缺陷。图3显示了感应单元基片在模压阶段存在高应力的位置基片与外罩晶圆以及玻璃熔块之间的接触位置承受的弯曲压力最大。因为外罩晶圆与湿法腐蚀工艺存在一个~54o的角度，因此存在几何不对称以及一个应力奇异性。这一区域的应力量级对网状形状敏感，并且会随着网状结构的加密而升高，但是应力分布是有效的。高应力位置区与观察到的断裂起始位置正好是重叠的。

图3 感应单元基片承受最大的张应力

B. 断裂力学分析

硅片的机械完整性主要取决于它所经历的工艺处理。这些工艺处理包括晶片磨薄、表面处理工艺（研磨、抛光、蚀刻）及将晶圆加工需要的尺寸。在进行这些工艺加工期间，芯片表面或边缘可能会出现缺陷。如果出现缺陷的位置正好位于应力奇异性区域，那么芯片在后续的封装过程和鉴定检测期间就容易产生可靠性问题。在断裂力学分析中，假设基片的关键位置已经存在缺陷。假设裂纹尺寸大约为芯片厚度的1/300。应变能释放率G是指促使裂纹扩展的能量，其计算方式为：

其中，为围绕裂纹尖端的任意路径；W指应变能；Ti是牵引向量；ui 是位移向量，nx 是Γ上的外向单位法向量的x部分。

从晶圆粘合、固晶、引线粘结、模压到回流都建了模型，图4显示了在进行晶圆粘合期间裂纹扩展的能量。可以看出，对于当前使用的固晶材料D，回流焊接是扩展裂纹的最主要工艺。该产品此前使用固晶胶A设计，没有出现裂纹。从图4可以看出，与使用固晶D相比，使用固晶A时的裂纹扩展的可能性非常低。然而，当封装安装在板卡上时，固晶胶A会引起共振问题。因此，要解决这个问题，在选择合适的固晶胶时，必须确保芯片不会出现裂纹且不会引起共振。

图字：relative energy available for crack propogation：裂纹扩展的相对能量；Energy for crack propogation relative to wafer bonding：晶片粘合期间裂纹扩展的相对能量；Die attach-D：固晶胶D；Wafer bonding：晶圆粘结; G-CELL Attach：感应单元粘结；wire bonding：引线粘结；Molding：模压；solder reflow：焊接回流

图4 每个封装工艺产生的裂纹扩展能量

因为固晶材料会引起芯片出现裂纹，因此需要对不同材料进行评估。最初使用的固晶A在7 kHz的频率下会引起感应单元出现共振，这会引入信号失真故障。稍后用固晶胶D代替了固晶胶A，固晶胶D的共振频率为400 kHz，不会引起信号失真。然而，固晶胶D会对已经存在裂纹的芯片产生影响。因此，需要根据共振频率和刚性寻找一种可接受的固晶材料。图5显示了失真可接受的固晶胶共振频率。

可接受的标准是速度要小于1m/s。图5显示不管固晶胶的Q值是多少，最小固晶共振频率为17 kHz。

图字：Velocity error versus die attach resonant frequency：速度误差与固晶共振频率的对比；velocity error（m/s）：速度误差（m/s）；frequency（kHz）：频率（kHz）

图5 速度误差与固晶胶共振频率的对比

选择固晶材料

飞思卡尔MEMS加速仪采用了活动和固定板。一旦感应单元的频率达到了其限幅点，MEMS中板就会以机械方式碰撞制动装置，防止碰到感应板的顶部和底部，从而避免引起静摩擦和短路。标准处理会使MEMS器件出现位移，对顶板和底板的制动装置产生不对称的作用力，这会使高加速输入信号出现输出失真。在固晶共振频率下，信号失真会Q倍增加。

利用球跌落测试检测失真并验证器件的能力。将一个金属球掉落到一个悬挂的不锈钢板上，当金属球撞击到钢板上时将产生多种频率。如果MEMS加速仪出现了任何失真，那么综合速度不会回到0 kph。

图字：board1-balldrop 45cm，400ms，potted：板1-球跌落高度为45厘米，时间为400毫秒，灌封；velocity（kph）：速度（kph）；die-attach A：固晶胶A；die-attach D：固晶胶D；Time（s）：时间（秒）

图 6 对不同固晶胶执行球跌落测试时的速度

在上图中，固晶胶D的测试结果是最理想的，没有出现任何失真，而固晶胶A由于失真产生了-0.2 kph的误差。根据球跌落测试，感应单元限幅点的频率大约为20 kHz。任何大于这个值的封装频率将不会引起共振问题。对使用不同固晶胶的封装进行了基于有限元的模型分析。由于在平面运动中，只有这两个移动与感应单元的X和Y轴有关，因此只给出了固有频率的第一和第二模态。表1列出了各种固晶材料的属性，并针对给定固晶胶和产生的封装共振频率进行了分析。这些材料分属两种极端类别。硬固晶胶如固晶胶D满足封装共振条件，但是会引起芯片裂纹。软固晶胶如固晶胶A不会引起芯片裂纹，但是封装不符合共振要求。

表1材料特性和各种固晶的固有频率

因此进行了一项研究，确定理想的固晶材料的属性的范围，以及对封装共振频率和芯片应力的影响。图5给出了根据固晶模量计算的感应单元的固有频率，以及感应单元基片承受的相应的最大张应力。

图字：gcel natural frequency（kHz）：感应单元固有频率（kHz）；1st mode：第一模态；2nd mode：第二模态；die max stress：芯片最大应力；Max tensile stress on die（Mpa）：芯片承受的最大张应力（Mpa）

图5 根据固晶模量计算得出的感应单元基片的最大张应力和封装共振频率

研究发现，与修改热膨胀系数［4］相比，芯片应力对固晶模量更加敏感。从图5可以看出，模量接近10的固晶材料具有较低的芯片应力，并且满足共振频率要求。

经过一些研究后，我们发现固晶材料E满足我们的性能要求。为了确保采用新固晶胶的芯片的共振性能足够满足要求，我们对材料模量随温度的变化进行了测量。同时进行了动态力学分析（DMA）。对测试样本进行了处理，将材料放到一个扁平的预成型的腔中并进行固化处理。然后测试样本随温度的变化。图6显示了材料的模量。

图字：storage modulus （MPa）：储能模量（MPa）；Temp：温度

图6 固晶胶E的存储模量

用内部确定的固晶E的性能对封装进行的模态分析表明，它的固有频率大于20 kHz。此外，图4显示了固晶E的裂纹扩展能量与固晶A相似，因此不会产生芯片断裂的问题。因此，固晶胶E被用于替换固晶胶D，因为它非常柔韧，不会使芯片断裂，同时也具有足够的硬度，满足共振要求。对这种新的固晶材料进行鉴定检测和试封装后发现，整个测试样本中没有出现任何芯片断裂。

结语

本文16引线SOIC加速仪封装的完整工艺流程进行了评估解以了解造成低ppm水平芯片断裂的裂纹扩展和倾向。找出了两个危害最大的关键工序。影响最大的是焊接回流工序，其次是引线粘结工序。引起芯片断裂的主要参数是感应单元固晶胶的硬度。目前使用的固晶胶D使感应单元基片芯片非常容易出现断裂。通过反向工程确定了可以同时满足感应单元固有频率和封装可靠性需求的固晶材料。采用推荐的固晶胶E后，封装在处理通常会引入裂纹和感应单元固有频率要求的工艺时表现更加强韧。