介紹

高壓滅菌器測(cè)試也叫高壓鍋測(cè)試，是惡劣環(huán)境所用的器件通常都要求進(jìn)行的一種質(zhì)量測(cè)試。 直到最近，汽車安全行業(yè)才開始提出高壓滅菌器測(cè)試要求，以檢驗(yàn)用于氣囊傳感器的 MEMS加速計(jì) [1]。為了進(jìn)行此測(cè)試，器件在環(huán)境試驗(yàn)箱不帶電存儲(chǔ)96/168小時(shí)，環(huán)境試驗(yàn)箱的氣壓為15psig、溫度為120oC，相對(duì)濕度為100%。高壓滅菌器經(jīng)過一定的暴露時(shí)間后，器件在室溫下重新測(cè)試。

盡管傳感器的傳感結(jié)構(gòu)在密封環(huán)境下封裝，以防止水分入侵，但MEMS加速計(jì)仍要承受高壓滅菌壓力，因?yàn)樗芰习b材料可在過壓和過濕條件下吸收水分。要測(cè)試加速計(jì)對(duì)高壓滅菌器壓力的易感性，我們將80個(gè) MEMS加速計(jì)置于高壓滅菌器測(cè)試條件下。如圖1所示，加速計(jì)由MEMS傳感單元（g-cell）和控制ASIC組成，采用堆疊芯片結(jié)構(gòu)組裝在一個(gè)QFN 封裝中。傳感單元由飛思卡爾二聚表面微流構(gòu)成，使用玻璃熔塊通過晶片鍵合技術(shù)密封在密封腔里。

高壓滅菌器測(cè)試結(jié)果顯示，25oC時(shí)，9個(gè)部件無(wú)法達(dá)到偏移規(guī)范，要求9位輸出的偏移變化少于+/- 26個(gè)計(jì)數(shù)。失效部件的最大偏移變化是-48/+39個(gè)計(jì)數(shù)。 當(dāng)部件進(jìn)行168小時(shí)測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)了更多器件失效（與偏移變化的失效行為相同）。還發(fā)現(xiàn)這些部件在-40oC 和125oC下具有較小的偏移變化和較緊湊的分布。失效器件還顯示在空氣中暴露一段時(shí)間后，出現(xiàn)緩慢回歸規(guī)范的“自愈”行為。在正常大氣條件下進(jìn)行120℃焙燒，可以加速恢復(fù)過程。失效和恢復(fù)流程是可重復(fù)和可逆的。

圖 1. MEMS 加速計(jì)： (a) QFN 封裝視圖（模具帽未顯示）；(b) LSM角度的傳感單元芯片視圖

為了確定高壓滅菌器失效的根源，我們創(chuàng)建了一個(gè)失效分析魚骨圖（圖2），全面查看高壓滅菌器測(cè)試條件下（濕度、壓力和溫度）偏移變化的所有可能原因。從以下四個(gè)主要方面審查了設(shè)計(jì)和制造工藝：封裝、ASIC、傳感器（g-cell）和測(cè)試。因此發(fā)現(xiàn)了微機(jī)械傳感獨(dú)有的三種失效機(jī)理。這三種機(jī)理是：

• 導(dǎo)致偏移變化的封裝應(yīng)力
• 電阻漏電
• 寄生電容變化

II. 封裝應(yīng)力影響

環(huán)氧樹脂塑封（EMC）材料能吸收水分，且吸熱會(huì)膨脹 [2]。掃描聲學(xué)顯微鏡（C-SAM）檢測(cè)還揭示，復(fù)合模具和引線框架之間出現(xiàn)過多分層。這些變化會(huì)改變封裝和傳感單元的應(yīng)力狀態(tài)，從而引起偏移變化。FEA 封裝建模（圖3）用于模擬這種應(yīng)力變化的影響。這個(gè)模型考慮了 EMC 和引線框架之間的非對(duì)稱分層。根據(jù)達(dá)到平衡時(shí)水分?jǐn)z取大于0.54%這一原理，試驗(yàn)還假設(shè)吸濕應(yīng)力為0.15%。

圖 2. 高壓滅菌器失效分析魚骨圖

FEA 模擬結(jié)果顯示，傳感器的慣性質(zhì)量位移相當(dāng)對(duì)稱，但是由于分層和吸濕膨脹，封裝的位移場(chǎng)不對(duì)稱。模擬顯示，吸濕膨脹引起的位移與125℃時(shí)熱應(yīng)變引起的位移數(shù)量級(jí)相同。 封裝應(yīng)力引起的最大偏移變化預(yù)測(cè)只有4個(gè)計(jì)數(shù)（最壞情況）。

用激光蝕刻去除傳感單元周圍的主要EMC部分，進(jìn)一步分析失效器件。這一做法思路是，封裝的應(yīng)力場(chǎng)將大幅改變，如果器件對(duì)封裝應(yīng)力敏感，這可能導(dǎo)致偏移變化。但測(cè)試結(jié)果顯示，大部分EMC移除之后，器件只有非常小的偏移變化。這一結(jié)果符合原來(lái)的 FEA預(yù)測(cè)，EMC的吸濕膨脹只會(huì)對(duì)偏移變化產(chǎn)生非常小的影響，封裝應(yīng)力作為高壓滅菌器失效的根源被排除。

盡管研究顯示封裝應(yīng)力不是高壓滅菌器失效的根源，值得一提的是，這歸因于應(yīng)力不敏感傳感器/封裝設(shè)計(jì)。封裝吸濕應(yīng)力非常大，如果傳感器設(shè)計(jì)不正確，可能成為導(dǎo)致高壓滅菌器失效的主要原因。減少封裝應(yīng)力易感性的設(shè)計(jì)策略已在[3]中討論。

圖3 . EMC 吸濕膨脹的FEA模擬

圖4. 剝層分析，消除封裝應(yīng)力作為失效根源

III. 漏電影響

環(huán)氧材料的介電性能也可以通過水分?jǐn)z取來(lái)改變。如圖4所示，攝取水分之后，環(huán)氧/玻璃/云母復(fù)合材料的體積電阻率減少10倍以上（高達(dá)1%）。此外，盡管高壓滅菌器試驗(yàn)箱中使用了去離子水，高壓滅菌器大氣的水凝結(jié)可以把封裝材料內(nèi)的離子污染聚集在一起，形成不同潛力的傳感器之間的漏電通道。

MEMS傳感器的加工步驟也有助于形成潛在的漏電通道。一方面，犧牲性氧化蝕刻步驟中使用的氫氟酸可能留下氟離子。而且，密封材料（玻璃熔塊）中富含氧化鉛，特定條件下可以沉淀成導(dǎo)電鉛結(jié)。圖5中的SEM圖顯示了玻璃熔塊鍵合區(qū)出現(xiàn)的結(jié)節(jié)或團(tuán)塊非常明顯（但Auger 分析不能區(qū)別它們是鉛還是氧化鉛）。

圖 5. 玻璃熔塊區(qū)的SEM圖

圖6 調(diào)制器掃頻測(cè)量結(jié)果

應(yīng)該指出的是，如果“火”線和地線之間存在電阻漏電，則會(huì)出現(xiàn)偏移變化。∑△ 調(diào)制器前端對(duì)保存在差分電容器中的電荷（即傳感單元）進(jìn)行采樣。理想情況是，當(dāng)傳感單元帶有Vref電荷時(shí)，電荷傳送到集成電容器，不會(huì)隨著時(shí)間推移而改變。但是如果充電電極（或火線）與地線之間存在漏電通道，就不會(huì)將所有電荷傳送到集成電容器，電荷可能漏電到地線，導(dǎo)致集成的值較小，當(dāng)差分電容器具有不同程度的漏電時(shí)，會(huì)出現(xiàn)凈偏移變化。

很難直接測(cè)量漏電（大于1Gohm）。用曲線跟蹤測(cè)量高壓滅菌器測(cè)試前后引腳之間的I-V，不顯示引腳之間有明顯的電阻變化。于是采用間接漏電測(cè)量方法。這種方法主要測(cè)量調(diào)制器的掃頻。調(diào)制器時(shí)鐘頻率為8-1MHz不等，在每個(gè)時(shí)鐘頻率點(diǎn)取偏移值。圖6顯示了掃頻測(cè)量的結(jié)果。測(cè)量發(fā)現(xiàn)，失效器件（器件1718和器件1079）的偏移隨著調(diào)制器時(shí)鐘頻率而不同，但正常器件（器件533和1121）則保持大致相同的偏移。這種現(xiàn)象的原因是固定直流電漏電，較長(zhǎng)集成時(shí)間（較低時(shí)鐘頻率）會(huì)導(dǎo)致集成的電荷值較小。

掃頻結(jié)果似乎說明偏移失效與漏電有關(guān)，因?yàn)橐傻碾姾闪侩S著集成時(shí)間而變化。問題是，漏電發(fā)生位置在哪里？為了找出漏電位置，執(zhí)行了FA操作，通過激光蝕刻和化學(xué)蝕刻，選擇性地去除某些區(qū)域的EMC材料。將EMC材料從傳感單元鍵合“存放”區(qū)域去除（圖7）發(fā)現(xiàn)，漏電行為（偏移與調(diào)制器時(shí)鐘頻率有關(guān)）消失。這證明焊盤存放區(qū)域內(nèi)存在漏電通道。由此斷定，高壓滅菌器大氣的水凝結(jié)聚集了離子，從而促進(jìn)了漏電。多晶硅轉(zhuǎn)子或傳感單元導(dǎo)電帽之間可能有漏電。

圖7 查出泄露位置的剝層分析

為了消除直流電漏電，因此從設(shè)計(jì)上建議在多晶硅轉(zhuǎn)子上覆蓋氮化硅鈍化層，作為修復(fù)方法。 鈍化層設(shè)計(jì)的生產(chǎn)和高壓滅菌測(cè)試作為下一步實(shí)施。

IV. 寄生電容

盡管前面的 FA 操作已經(jīng)顯示失效部件和漏電行為之間具有某種聯(lián)系，但不能認(rèn)為漏電是高壓滅菌失效的唯一（或首要）根源。實(shí)際上是不能排除因高壓滅菌壓力而引起寄生電容變化。根據(jù)下列公式（圖5），寄生電容（從鍵合線到鍵合線）估計(jì)大約為50fF。

其中 l是鍵合線的長(zhǎng)度，r 是鍵合線的半徑，d是兩條鍵合線之間的距離，εr是EMC的介電常數(shù)（干燥時(shí)和高壓滅菌測(cè)試之后）。

象體積電阻率一樣，EMC材料的介電常數(shù)也可以通過攝取水分來(lái)改變（圖4）。干燥條件和吸水條件下的介電常數(shù)變化可能高達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在低頻率范圍（小于1Hz），這種影響更明顯。在較高頻率范圍，差別通常小很多。測(cè)試 MEMS 加速計(jì)的 QEN封裝所用的特定EMC材料與 MEMS器件采用相同的高壓滅菌器測(cè)試條件。表1顯示了EMC材料的介電常數(shù)在高壓滅菌器壓力前后可能增加2.8%。

表1 EMC的介電性能： 96小時(shí)的高壓滅菌器測(cè)試之后

EMC 介電常數(shù)出現(xiàn)2.8%的變化可能產(chǎn)生1.4fF的電容變化。如此小的電容變化要使用 LCR 儀表測(cè)量出來(lái)是不可能的，但它足以在9位輸出上產(chǎn)生15個(gè)計(jì)數(shù)的偏移變化。高壓滅菌器壓力產(chǎn)生的寄生電容變化很難控制，因?yàn)樗荅MC材料特征的一部分。但有幾種設(shè)計(jì)對(duì)策可以緩解此問題。一種方法是提高傳感器靈敏度，從而只需要較低的調(diào)制器增益。我們的觀察也支持這種方法，發(fā)現(xiàn)用不同的MEMS加速計(jì)設(shè)計(jì)（具有2倍靈敏度）在高壓滅菌器測(cè)試中有更好的表現(xiàn)。另一種方法是采用不同前端/架構(gòu)設(shè)計(jì)，將屏蔽節(jié)點(diǎn)從中間節(jié)點(diǎn)分離出來(lái)，這樣敏感節(jié)點(diǎn)和屏蔽節(jié)點(diǎn)之間的寄生電容不會(huì)產(chǎn)生偏移。

V. 結(jié)論

本文共討論了MEMS加速計(jì)的三種高壓滅菌器失效機(jī)理。分別說明了每一種失效機(jī)理的FA方法（通過建模和測(cè)量）和設(shè)計(jì)改進(jìn)。排除了封裝應(yīng)力作為高壓滅菌器失效的根源。傳感單元內(nèi)的漏電通過調(diào)制器掃頻測(cè)量得到了確認(rèn)。依據(jù)EMC材料的介電性能測(cè)量研究了寄生電容。我們認(rèn)為漏電和寄生電容變化都存在于高壓滅菌失效器件中。最后還為所確定的每個(gè)根源建議了設(shè)計(jì)對(duì)策。當(dāng)測(cè)試結(jié)果一出來(lái)，就會(huì)按照?qǐng)?bào)告的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行這些改進(jìn)。

感謝

筆者誠(chéng)摯感謝飛思卡爾傳感器和制動(dòng)器解決方案事業(yè)部Grusonia 和Hera項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)ARAL實(shí)驗(yàn)室的Joseph Hon、Keith Kraver和Ryan Hooper提供的援助和支持。

參考資料

• Automotive Electronics Council, “Failure Mechanism Based Stress Test Qualification for Integrated Circuits,” AEC-Q100-Rev G, May 14, 2007.
• Stellrecht, Han and Pecht, “Characterization of Hygroscopic Swelling Behavior of Mold Compounds and Plastic Packages”, IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, Vol. 27, 2004.
• Lin and McNeil, “An Optimized Design of MEMS Capacitive Teeter Totter Acceleration Transducer”, Freescale Analog RF Mixed-Signal Sensors & Microsystems Technical Enrichment Matrix Workshop, Jan 10, 2008
• Gonon, et al., “Effects of Hydrothermal Aging on the Dielectric Properties of Epoxy Composites”, 7th international conference on Properties and Applications of Dielectric Materials, Nagoya, June 2003.
• Ulaby, “Fundamentals of Applied Electromagnetics”, 5th Edition, 2006