采用綜合學科研究法有效封裝MEMS加速儀（一）

摘要

微機電系統(tǒng)（MEMS）封裝的重要性與日俱增，在MEMS產(chǎn)品實現(xiàn)成功的商業(yè)化過程中發(fā)揮了重要作用。封裝系統(tǒng)應(yīng)由MEMS執(zhí)行感應(yīng)功能，而且還要使它避免受到外界環(huán)境的影響，同時持續(xù)地改進質(zhì)量，達到較高的ppm性能。我們采用SOIC封裝的其中一款加速儀出現(xiàn)器件斷裂的ppm性能較低。這種MEMS封裝非常獨特，它必須維持一個特定的共振頻率，從而防止傳感器被粘住或卡住。同時，封裝必須確保傳感器是可靠的和完整的，沒有出現(xiàn)斷裂或輸出偏差。我們采用一種綜合學科研究方法來確定合適的固晶材料來徹底解決器件斷裂的問題，這種方法涉及振動分析、電氣響應(yīng)測定、壓力分析和斷裂力學。

簡介

MEMS加速儀在汽車安全氣囊系統(tǒng)中作為碰撞感應(yīng)器已經(jīng)有超過十年的歷史。最近，MEMS加速儀被進一步應(yīng)用到電子消費品中，例如手機、筆記本電腦、游戲控制器和手持PDA。加速儀產(chǎn)品需要經(jīng)歷兩種不同的制造流程，即傳感器制造和封裝流程。采用了一種表面微機械加工工藝，為加速儀感應(yīng)器芯片的制造制作可移動的指針并檢測質(zhì)量。有效地封裝MEMS器件通常會面臨許多挑戰(zhàn)，并且是阻礙MEMS技術(shù)實現(xiàn)突破性增長和采用的主要因素之一［1］-［2］。MEMS封裝技術(shù)主要來自于微電子封裝技術(shù)。在集成電路中，封裝主要用于防止電子器件受到外部損害。MEMS封裝與此相反，它必須允許器件真正地接觸或觀察外部環(huán)境以實現(xiàn)感應(yīng)功能，同時要保護器件避免受到損害和出現(xiàn)長期的故障。感應(yīng)器封裝的難題是，除了向PC板提供一個底座外，環(huán)境或封裝對變頻器產(chǎn)生的壓力不應(yīng)當影響傳感器的性能。

MEMS加速儀包含一個MEMS器件，該器件與一個ASIC接口，ASIC可以將MEMS器件的電容輸出轉(zhuǎn)換為一個表示MEMS器件感受到的加速度的電壓。加速度綜合起來就是器件的速度。在安全氣囊應(yīng)用中，當速度足夠高時，安全氣囊就會被展開。MEMS加速儀發(fā)生的任何失真，例如過度的封裝壓力或器件振動，都會導(dǎo)致在安全氣囊算法中引入錯誤的信號。安全氣囊感應(yīng)器必須響應(yīng)汽車碰撞產(chǎn)生的力量，同時隔離安全氣囊所在的振動環(huán)境的反應(yīng)。該封裝和傳感器的力學特征是非常重要的考慮因素。例如，在某些汽車應(yīng)用中，振動信號的頻率可以高達20kHz。如果封裝的一個或多個固有頻率與高能量輸入信號的頻率相同或與之接近，那么傳感器的封裝輸出信號將發(fā)生失真，甚至會使傳感器產(chǎn)生機械損傷。

飛思卡爾MEMS加速儀的傳感器是通過在硅基片上進行表面微機械加工制作的。使用蝕刻空腔外罩晶圓將傳感器的活動部件與外部環(huán)境隔絕，再使用玻璃熔塊將蝕刻空腔外罩晶圓密實地粘貼到基片上。粘合的傳感器晶圓成形后，通過固晶粘合到一個銅引線框架，然后用線與ASIC芯片連接在一起。傳感器外包一層凝膠涂層，組裝完成后再經(jīng)過超模壓處理。作為成本較低的解決方案，我們選用了16個引線的SOIC封裝，ASIC芯片和感應(yīng)單元并排放置。研究發(fā)現(xiàn)，引起信號失真的主要原因與封裝共振和固晶共振有關(guān)。為了解決這些封裝問題，我們采用罐封方式，并使用了硬固晶膠。遺憾的是，實施的硬固晶材料造成芯片斷裂的ppm性能很低。我們采用了一種綜合學科研究法來評估工藝和材料對芯片斷裂的影響，并提供更好的解決方案來徹底解決這一問題。

問題和解決方案

圖1（a）展示了16引線SOIC封裝的成品封裝模型及其加速儀的橫切面。封裝由一個傳感器芯片組成，其細節(jié)構(gòu)造如圖1（b）所示，傳感器芯片與一個外罩粘合在一起，一部分外罩延伸到靠近焊線墊的基片上。ASIC和感應(yīng)單元并排放置，芯片被連接到銅引線框架。在進行超模處理之前，使用極低模量的有機硅凝膠覆蓋整個感應(yīng)單元。

在應(yīng)用領(lǐng)域，振動環(huán)境要求封裝的固有頻率大于20kHz，從而避免傳感器產(chǎn)生與共振有關(guān)的問題。為了滿足這些要求，采用高模量環(huán)氧固晶膠D替換此前的4點軟固晶膠A。低ppm性牟的部件無法正常工作，稍后發(fā)現(xiàn)感應(yīng)單元的基片芯片破裂。如圖2所示，裂紋貫穿整個有源器件。斷面分析顯示，裂紋從感應(yīng)單元基片的頂部開始，沿著基片、玻璃熔塊和外罩之間的接觸面延伸。裂紋通常從切割邊開始，一些部件只有一個斷裂起點，而其他部件可能有多個斷裂起點。因此，接下來的問題是引起感應(yīng)單元芯片斷裂的原因是什么？斷裂是在什么時候發(fā)生的？是在加工、組裝期間，還是在焊接回流期間？是否可以重新設(shè)計封裝，使它在加工、組裝期間，以及在客戶處和實地使用時變得更加牢固和可靠？

圖 1 （a） 16引線SOIC封裝的成品封裝及解晰圖（b） 傳感器的SEM圖

故障分析和封裝重新設(shè)計時采用了有限元