MEMS加速計的三種高壓滅菌器失效機理

介紹

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

盡管傳感器的傳感結構在密封環境下封裝，以防止水分入侵，但MEMS加速計仍要承受高壓滅菌壓力，因為塑料包裝材料可在過壓和過濕條件下吸收水分。要測試加速計對高壓滅菌器壓力的易感性，我們將80個 MEMS加速計置于高壓滅菌器測試條件下。如圖1所示，加速計由MEMS傳感單元（g-cell）和控制ASIC組成，采用堆疊芯片結構組裝在一個QFN 封裝中。傳感單元由飛思卡爾二聚表面微流構成，使用玻璃熔塊通過晶片鍵合技術密封在密封腔里。

高壓滅菌器測試結果顯示，25oC時，9個部件無法達到偏移規范，要求9位輸出的偏移變化少于+/- 26個計數。失效部件的最大偏移變化是-48/+39個計數。 當部件進行168小時測試時，發現了更多器件失效（與偏移變化的失效行為相同）。還發現這些部件在-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間后，出現緩慢回歸規范的“自愈”行為。在正常大氣條件下進行120℃焙燒，可以加速恢復過程。失效和恢復流程是可重復和可逆的。

圖 1. MEMS 加速計： (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，我們創建了一個失效分析魚骨圖（圖2），全面查看高壓滅菌器測試條件下（濕度、壓力和溫度）偏移變化的所有可能原因。從以下四個主要方面審查了設計和制造工藝：封裝、ASIC、傳感器（g-cell）和測試。因此發現了微機械傳感獨有的三種失效機理。這三種機理是：

• 導致偏移變化的封裝應力
• 電阻漏電
• 寄生電容變化

II. 封裝應力影響

環氧樹脂塑封（EMC）材料能吸收水分，且吸熱會膨脹 [2]。掃描聲學顯微鏡（C-SAM）檢測還揭示，復合模具和引線框架之間出現過多分層。這些變化會改變封裝和傳感單元的應力狀態，從而引起偏移變化。FEA 封裝建模（圖3）用于模擬這種應力變化的影響。這個模型考慮了 EMC 和引線框架之間的非對稱分層。根據達到平衡時水分攝取大于0.54%這一原理，試驗還假設吸濕應力為0.15%。

圖 2. 高壓滅菌器失效分析魚骨圖

FEA 模擬結果顯示，傳感器的慣性質量位移相當對稱，但是由于分層和吸濕膨脹，封裝的位移場不對稱。模擬顯示，吸濕膨脹引起的位移與125℃時熱應變引起的位移數量級相同。 封裝應力引起的最大偏移變化預測只有4個計數（最壞情況）。

用激光蝕刻去除傳感單元周圍的主要EMC部分，進一步分析失效器件。這一做法思路是，封裝的應力場將大幅改變，如果器件對封裝應力敏感，這可能導致偏移變化。但測試結果顯示，大部分EMC移除之后，器件只有非常小的偏移變化。這一結果符合原來的 FEA預測，EMC的吸濕膨脹只會對偏移變化產生非常小的影響，封裝應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力不是高壓滅菌器失效的根源，值得一提的是，這歸因于應力不敏感傳感器/封裝設計。封裝吸濕應力非常大，如果傳感器設計不正確，可能成為導致高壓滅菌器失效的主要原因。減少封裝應力易感性的設計策略已在[3]中討論。