MEMS加速計(jì)的三種高壓滅菌器失效機(jī)理

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(guò)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?！啤?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(shuō)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(wèn)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(guò)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(pán)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