隨著電子產(chǎn)品的微型化和智能化，MEMS（Micro-electromechanical Systems，微機(jī)電系統(tǒng)）傳感器因其體積小、重量輕、工藝一致性好，得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。MEMS振動(dòng)傳感器作為一種常用產(chǎn)品，在小至智能手機(jī)、手持設(shè)備，大至飛機(jī)、導(dǎo)彈中都廣泛應(yīng)用，而一旦其失效，就會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)狀態(tài)感知錯(cuò)誤，影響設(shè)備使用甚至造成裝備毀壞，其質(zhì)量與可靠性是設(shè)備正常使用的重要前提。而MEMS振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)精密、工藝復(fù)雜，不僅包括傳統(tǒng)集成電路的結(jié)構(gòu)和工藝，還包括微小機(jī)械組件，失效原因較為復(fù)雜，包括硅體傾斜、彈性梁損傷、阻尼異常、多余物殘留等，其中封裝膠就是一種常見的多余物。

1 封裝膠殘留致失效的機(jī)理分析

1.1 MEMS振動(dòng)傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理

MEMS是一個(gè)微機(jī)械系統(tǒng)，隨著系統(tǒng)的縮小，表面效應(yīng)將會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位，毛細(xì)管力、范德華力和靜電力增大。由于尺寸效應(yīng)，材料自身表面的瑕疵和錯(cuò)位也不再是小尺寸。MEMS常見的失效模式和原因如下表所示。

表1 MEMS失效模式和原因

典型MEMS傳感器設(shè)計(jì)為三層硅結(jié)構(gòu)，中間層為主芯片，由帶四根梁的硅框架支撐一塊經(jīng)微細(xì)加工而成的硅質(zhì)量塊，上下分別由硅蓋板進(jìn)行限位保護(hù)，上下蓋板是用專用膠與中間層外框架相連，如下圖所示。

圖1 典型MEMS振動(dòng)傳感器微結(jié)構(gòu)

當(dāng)硅框架受到加速度作用時(shí)，加速度使硅質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，硅質(zhì)量塊相對(duì)于硅框架運(yùn)動(dòng)，從而使彈性梁產(chǎn)生應(yīng)力，彈性梁表面的應(yīng)變電阻發(fā)生變化，通過電橋轉(zhuǎn)換為電壓輸出。

在加工中，大多采用圓片級(jí)涂膠、勻膠和鍵合工藝。硅蓋板表面呈凸凹結(jié)構(gòu)，在涂膠量的控制方面，如果涂膠量偏少，則鍵合強(qiáng)度難以保障；如果涂膠偏多，則多余的封裝膠難以清除，因此在鍵合時(shí)，也就有可能對(duì)圓片中的個(gè)別主芯片產(chǎn)生局部膠污染。

1.2 芯片與保護(hù)蓋之間封裝膠導(dǎo)致輸出限幅

如果封裝內(nèi)的封裝膠污染存在于主芯片與保護(hù)蓋之間，改變質(zhì)量塊和保護(hù)蓋上限位塊的間隙寬度，也改變了此間隙的設(shè)計(jì)寬度，使質(zhì)量塊的位移限變小，可能導(dǎo)致傳感器最大量程變小，輸出限幅。

針對(duì)此失效模式，需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行滿量程輸出測(cè)試，即可很容易發(fā)現(xiàn)失效產(chǎn)品，并予以剔除。

1.3 敏感芯體電阻兩電極之間封裝膠致輸出偏移

如果封裝內(nèi)的封裝膠污染存在于芯片兩電極之間，當(dāng)主芯片處于干燥環(huán)境時(shí)，封裝膠處于絕緣狀態(tài)，對(duì)全橋電路不會(huì)產(chǎn)生影響。當(dāng)封裝膠處于潮濕環(huán)境時(shí)，封裝膠因吸潮會(huì)導(dǎo)致絕緣性能下降，相當(dāng)于在橋臂上并聯(lián)一個(gè)較大的電阻。有可能因封裝膠吸收封裝中的水汽，導(dǎo)致其絕緣性能下降，可能引起電橋電阻短接，影響傳感器輸出電平。如下圖所示。

圖2 封裝膠對(duì)電橋影響示意圖

1.4 封裝膠殘留的影響程度分析

由于這種鍵合膠在正常情況下是絕緣狀態(tài)，不會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成電氣影響。因此，只要封裝過程中控制好殼體密封性，產(chǎn)品的性能都會(huì)處于良好狀態(tài)。只有在封裝過程中，殼體密封性不良或芯體封裝時(shí)內(nèi)部殘留濕氣的情況下，才會(huì)導(dǎo)致器件失效情況發(fā)生。對(duì)于芯體封裝時(shí)內(nèi)部殘留濕氣的情況，這種情況可通過高溫應(yīng)力進(jìn)行篩選剔除。對(duì)于殼體密封性不良的情況，可通過高濕應(yīng)力進(jìn)一步篩選剔除。

2 失效案例

2.1 失效現(xiàn)象

某型三軸振動(dòng)傳感器+變換器裝機(jī)前測(cè)試發(fā)現(xiàn)X 軸零點(diǎn)輸出異常，經(jīng)過故障定位，確認(rèn)是其中一型MEMS振動(dòng)傳感器芯片零點(diǎn)輸出異常并伴有波動(dòng)。針對(duì)其開展失效分析工作。

2.2 分析過程

首先開展非破壞性試驗(yàn)分析，對(duì)失效件進(jìn)行外觀檢查，無腐蝕、裂紋或者明顯機(jī)械損傷，一切正常。

然后進(jìn)行破壞性試驗(yàn)分析，對(duì)敏感芯體進(jìn)行開封，用顯微鏡觀察敏感芯體內(nèi)部，未發(fā)現(xiàn)敏感芯體表面有明顯異常現(xiàn)象。失效樣品和對(duì)比件的版圖一致，但芯片表面均有封裝過程中引入的膠污染。如下圖所示：

圖3 失效件芯片表面膠污染形貌

芯片上的膠污染可能帶來兩點(diǎn)影響：一是封裝膠處于主芯片質(zhì)量塊和保護(hù)蓋之問，改變質(zhì)量塊和保護(hù)蓋上限位塊的間隙寬度，也改變了此間隙的設(shè)計(jì)寬度，使質(zhì)量塊的位移限變小，可能導(dǎo)致最大量程變小，輸出限幅。二是封裝膠在吸潮情況下并非完全絕緣，搭接在電阻兩電極之間時(shí)，可能影響器件輸出電平。

已知敏感芯體在產(chǎn)品過程測(cè)試及出廠測(cè)試中，滿量程輸出測(cè)試均合格，且本次產(chǎn)品失效表現(xiàn)為“零點(diǎn)輸出異常并伴有波動(dòng)”，與上述失效模式無關(guān)。

而器件的失效模式，符合敏感芯體電阻兩電極之間封裝膠導(dǎo)致的零點(diǎn)輸出異常。另外，由于受到封裝膠大小、內(nèi)部環(huán)境濕度、吸潮程度以及芯片通電狀態(tài)自熱程度因素的影響，這個(gè)吸潮封裝膠的導(dǎo)電特性會(huì)有相應(yīng)變化，而且處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這種情況可能導(dǎo)致主芯片橋路輸出波動(dòng)此信號(hào)經(jīng)變換器放大后，可顯示出失效產(chǎn)品“零點(diǎn)輸出異常并伴有波動(dòng)”的失效模式。

綜上所述，判斷該型MEMS振動(dòng)傳感器失效原因是封裝鍵合膠殘留在敏感芯片電阻兩電極之間，殘留封裝膠吸收水汽后絕緣性降低，造成橋電阻短接，零點(diǎn)輸出異常，且因?qū)щ娞匦圆环€(wěn)定，輸出有波動(dòng)。

2.3 失效分析結(jié)論和改進(jìn)

該型MEMS振動(dòng)傳感器失效原因：1）主芯片上存在封裝膠，且封裝膠恰好存在于橋路電阻兩電極之間；2）敏感芯體殼體密封性不良吸入水汽或芯體封裝時(shí)內(nèi)部殘留水汽異致封裝膠絕緣性能下降。

經(jīng)過調(diào)研傳感器生產(chǎn)廠家，發(fā)現(xiàn)廠家在敏感芯體的質(zhì)量控制上，采用隨產(chǎn)品整機(jī)篩選條件進(jìn)行控制。產(chǎn)品整機(jī)篩選條件相對(duì)較低，試驗(yàn)時(shí)敏感芯體承受的應(yīng)力還會(huì)相應(yīng)降低，致使該敏感芯體的早期失效未能及時(shí)剔除。建議廠家在生產(chǎn)中注意封裝加工環(huán)境水汽控制、在生產(chǎn)后加芯片篩選，對(duì)于之前已生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)測(cè)，重點(diǎn)關(guān)注零點(diǎn)輸出，排查異常。

3 總結(jié)

MEMS振動(dòng)傳感器在生產(chǎn)過程中，因封裝膠殘留，造成封裝膠污染芯片，常見失效模式包括導(dǎo)致芯片與保護(hù)蓋之間封裝膠導(dǎo)致輸出限幅、敏感芯體電阻兩電極之間封裝膠致輸出偏移且波動(dòng)。針對(duì)某失效MEMS振動(dòng)傳感器開展了失效分析，確認(rèn)了膠污染殘留物在水汽作用下短接了芯片電阻兩極，導(dǎo)致零點(diǎn)輸出異常的失效原因，分析了失效機(jī)理，并提出了在生產(chǎn)中注意封裝加工環(huán)境水汽控制，在生產(chǎn)后加芯片篩選，對(duì)于之前已生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)測(cè)，重點(diǎn)關(guān)注零點(diǎn)輸出，排查異常的改進(jìn)意見。研究結(jié)果對(duì)MEMS振動(dòng)傳感器質(zhì)量與可靠性控制有積極意義。
? ? ? 本文內(nèi)容轉(zhuǎn)載自《金屬熱處理》2019年第9月，版權(quán)歸《金屬熱處理》編輯部所有。