封装胶残留致MEMS振动传感器失效分析

随着电子产品的微型化和智能化，MEMS（Micro-electromechanical Systems，微机电系统）传感器因其体积小、重量轻、工艺一致性好，得到了广泛的发展和应用。MEMS振动传感器作为一种常用产品，在小至智能手机、手持设备，大至飞机、导弹中都广泛应用，而一旦其失效，就会导致振动状态感知错误，影响设备使用甚至造成装备毁坏，其质量与可靠性是设备正常使用的重要前提。而MEMS振动传感器结构精密、工艺复杂，不仅包括传统集成电路的结构和工艺，还包括微小机械组件，失效原因较为复杂，包括硅体倾斜、弹性梁损伤、阻尼异常、多余物残留等，其中封装胶就是一种常见的多余物。

1 封装胶残留致失效的机理分析

1.1 MEMS振动传感器内部结构与工作原理

MEMS是一个微机械系统，随着系统的缩小，表面效应将会占据主导地位，毛细管力、范德华力和静电力增大。由于尺寸效应，材料自身表面的瑕疵和错位也不再是小尺寸。MEMS常见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传感器设计为三层硅结构，中间层为主芯片，由带四根梁的硅框架支撑一块经微细加工而成的硅质量块，上下分别由硅盖板进行限位保护，上下盖板是用专用胶与中间层外框架相连，如下图所示。

图1 典型MEMS振动传感器微结构

当硅框架受到加速度作用时，加速度使硅质量块产生惯性力，硅质量块相对于硅框架运动，从而使弹性梁产生应力，弹性梁表面的应变电阻发生变化，通过电桥转换为电压输出。

在加工中，大多采用圆片级涂胶、匀胶和键合工艺。硅盖板表面呈凸凹结构，在涂胶量的控制方面，如果涂胶量偏少，则键合强度难以保障；如果涂胶偏多，则多余的封装胶难以清除，因此在键合时，也就有可能对圆片中的个别主芯片产生局部胶污染。

1.2 芯片与保护盖之间封装胶导致输出限幅

如果封装内的封装胶污染存在于主芯片与保护盖之间，改变质量块和保护盖上限位块的间隙宽度，也改变了此间隙的设计宽度，使质量块的位移限变小，可能导致传感器最大量程变小，输出限幅。

针对此失效模式，需要对产品进行满量程输出测试，即可很容易发现失效产品，并予以剔除。

1.3 敏感芯体电阻两电极之间封装胶致输出偏移

如果封装内的封装胶污染存在于芯片两电极之间，当主芯片处于干燥环境时，封装胶处于绝缘状态，对全桥电路不会产生影响。当封装胶处于潮湿环境时，封装胶因吸潮会导致绝缘性能下降，相当于在桥臂上并联一个较大的电阻。有可能因封装胶吸收封装中的水汽，导致其绝缘性能下降，可能引起电桥电阻短接，影响传感器输出电平。如下图所示。

图2 封装胶对电桥影响示意图

1.4 封装胶残留的影响程度分析

由于这种键合胶在正常情况下是绝缘状态，不会对产品造成电气影响。因此，只要封装过程中控制好壳体密封性，产品的性能都会处于良好状态。只有在封装过程中，壳体密封性不良或芯体封装时内部残留湿气的情况下，才会导致器件失效情况发生。对于芯体封装时内部残留湿气的情况，这种情况可通过高温应力进行筛选剔除。对于壳体密封性不良的情况，可通过高湿应力进一步筛选剔除。

2 失效案例

2.1 失效现象

某型三轴振动传感器+变换器装机前测试发现X 轴零点输出异常，经过故障定位，确认是其中一型MEMS振动传感器芯片零点输出异常并伴有波动。针对其开展失效分析工作。

2.2 分析过程

首先开展非破坏性试验分析，对失效件进行外观检查，无腐蚀、裂纹或者明显机械损伤，一切正常。

然后进行破坏性试验分析，对敏感芯体进行开封，用显微镜观察敏感芯体内部，未发现敏感芯体表面有明显异常现象。失效样品和对比件的版图一致，但芯片表面均有封装过程中引入的胶污染。如下图所示：

图3 失效件芯片表面胶污染形貌

芯片上的胶污染可能带来两点影响：一是封装胶处于主芯片质量块和保护盖之问，改变质量块和保护盖上限位块的间隙宽度，也改变了此间隙的设计宽度，使质量块的位移限变小，可能导致最大量程变小，输出限幅。二是封装胶在吸潮情况下并非完全绝缘，搭接在电阻两电极之间时，可能影响器件输出电平。

已知敏感芯体在产品过程测试及出厂测试中，满量程输出测试均合格，且本次产品失效表现为“零点输出异常并伴有波动”，与上述失效模式无关。

而器件的失效模式，符合敏感芯体电阻两电极之间封装胶导致的零点输出异常。另外，由于受到封装胶大小、内部环境湿度、吸潮程度以及芯片通电状态自热程度因素的影响，这个吸潮封装胶的导电特性会有相应变化，而且处于不稳定状态，这种情况可能导致主芯片桥路输出波动此信号经变换器放大后，可显示出失效产品“零点输出异常并伴有波动”的失效模式。

综上所述，判断该型MEMS振动传感器失效原因是封装键合胶残留在敏感芯片电阻两电极之间，残留封装胶吸收水汽后绝缘性降低，造成桥电阻短接，零点输出异常，且因导电特性不稳定，输出有波动。

2.3 失效分析结论和改进

该型MEMS振动传感器失效原因：1）主芯片上存在封装胶，且封装胶恰好存在于桥路电阻两电极之间；2）敏感芯体壳体密封性不良吸入水汽或芯体封装时内部残留水汽异致封装胶绝缘性能下降。

经过调研传感器生产厂家，发现厂家在敏感芯体的质量控制上，采用随产品整机筛选条件进行控制。产品整机筛选条件相对较低，试验时敏感芯体承受的应力还会相应降低，致使该敏感芯体的早期失效未能及时剔除。建议厂家在生产中注意封装加工环境水汽控制、在生产后加芯片筛选，对于之前已生产产品进行复测，重点关注零点输出，排查异常。

3 总结

MEMS振动传感器在生产过程中，因封装胶残留，造成封装胶污染芯片，常见失效模式包括导致芯片与保护盖之间封装胶导致输出限幅、敏感芯体电阻两电极之间封装胶致输出偏移且波动。针对某失效MEMS振动传感器开展了失效分析，确认了胶污染残留物在水汽作用下短接了芯片电阻两极，导致零点输出异常的失效原因，分析了失效机理，并提出了在生产中注意封装加工环境水汽控制，在生产后加芯片筛选，对于之前已生产产品进行复测，重点关注零点输出，排查异常的改进意见。研究结果对MEMS振动传感器质量与可靠性控制有积极意义。
      本文内容转载自《金属热处理》2019年第9月，版权归《金属热处理》编辑部所有。