李 輝，廖巨華，須自明

（1.飛思卡爾半導(dǎo)體中國(guó)研發(fā)中心蘇州分部，江蘇 蘇州 215011；2.江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心教育培訓(xùn)中心，江蘇 無(wú)錫 214000；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

1 引言

MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）是集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路等于一體的微型器件或系統(tǒng)。它能夠?qū)⑽锢硇盘?hào)轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號(hào)或?qū)㈦妼W(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為物理信號(hào)，實(shí)現(xiàn)從信號(hào)的取樣、處理到執(zhí)行的整體集成。它是微電子學(xué)、材料學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、傳感器、自動(dòng)控制等多學(xué)科交叉的產(chǎn)物。MEMS傳感器有著廣泛的應(yīng)用，其中MEMS加速計(jì)作為重力感應(yīng)傳感器長(zhǎng)期用于工業(yè)控制。近年來(lái)，MEMS加速計(jì)被進(jìn)一步應(yīng)用到了消費(fèi)電子中，如手機(jī)、筆記本電腦、游戲控制器等。MEMS加速計(jì)的制造需要經(jīng)過(guò)兩種不同的流程——傳感器制成和封裝流程，雖然MEMS封裝的基本技術(shù)是從微電子封裝發(fā)展而來(lái)的，但是由于MEMS的特殊性和復(fù)雜性，其封裝與微電子封裝有著很大區(qū)別。對(duì)于傳統(tǒng)芯片來(lái)講，封裝的功能是對(duì)芯片和引線等內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供支撐并保護(hù)，使之不受外部環(huán)境的接觸和腐蝕破壞；而對(duì)于MEMS封裝，除了要具備以上功能外，MEMS器件還要與測(cè)試環(huán)境之間形成一個(gè)接觸界面并獲取非電信號(hào)，而外部環(huán)境的復(fù)雜性對(duì)靈敏度很高的MEMS敏感元件來(lái)講都是具有破壞性的，例如機(jī)械力(應(yīng)力、擺動(dòng)和沖擊等) 、化學(xué)反應(yīng)(氣體、濕度和腐蝕介質(zhì)等) 、物理變化(溫度、壓力和加速度等)都會(huì)干擾甚至損壞MEMS內(nèi)部的微機(jī)械或者微電子芯片。嚴(yán)苛而復(fù)雜的要求使得封裝占到了MEMS制造成本的50%以上[1]。MEMS加速計(jì)產(chǎn)生的任何失真，如達(dá)到過(guò)度的封裝壓力或振動(dòng)，都會(huì)導(dǎo)致在重力感應(yīng)算法中得到錯(cuò)誤信號(hào)。重力感應(yīng)器必須響應(yīng)對(duì)應(yīng)的力量，同時(shí)隔離設(shè)備所在環(huán)境的震動(dòng)反應(yīng)。因此傳感器的力學(xué)特征是非常重要的考慮因素。在一些工業(yè)應(yīng)用中，振動(dòng)信號(hào)的頻率可以很高，如果封裝中的固有頻率與高能量輸入信號(hào)的頻率相近，傳感器的封裝輸出信號(hào)將會(huì)失真，甚至?xí)箓鞲衅魇艿轿锢頁(yè)p傷。

為了解決共振導(dǎo)致的封裝問(wèn)題，通常會(huì)采用罐封的方式，并使用了硬固晶膠。但由于使用硬固晶材料而造成的芯片斷裂，會(huì)導(dǎo)致PPM性能大幅降低。本文所研究的SOIC封裝的MEMS加速計(jì)是通過(guò)在硅基片上進(jìn)行表面微機(jī)械加工制作的，它比同等的DIP封裝減少約30%～50%的空間，厚度方面減少約70%，其中ASIC（專(zhuān)用集成電路）芯片和感應(yīng)單元并排放置，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到了工藝和材料對(duì)芯片斷裂的影響因子，并提供了對(duì)這一問(wèn)題的更好的解決方案。

2 MEMS加速計(jì)的SOIC封裝技術(shù)研究

2.1 SOIC封裝技術(shù)及故障分析

2.1.1 SOIC封裝

小外形集成電路封裝（Small Outline Integrated Circuit Package，SOIC）的外引線數(shù)不超過(guò)28條，一般有寬體和窄體兩種封裝形式。其中具有翼形短引線者稱(chēng)為SOL器件，具有J型短引線者稱(chēng)為SOJ器件。SOIC是表面貼裝集成電路封裝形式中的一種，與其對(duì)應(yīng)的DIP（雙列直插式）封裝有相同的插腳引線。對(duì)這類(lèi)封裝的命名約定是在SOIC或SO后面加引腳數(shù)。例如，14pin的4011的封裝會(huì)被命名為SOIC-14或SO-14。SOIC實(shí)際上至少參考了兩個(gè)不同的封裝標(biāo)準(zhǔn)。EIAJ標(biāo)準(zhǔn)中SOIC的寬度大約為5.3 mm，而JEDE標(biāo)準(zhǔn)中SOIC的寬度大約為3.8 mm[2]。相對(duì)來(lái)說(shuō)，EIAJ封裝尺寸更厚，且稍微更長(zhǎng)一點(diǎn)，在其他方面封裝尺寸是相同的。SOIC封裝比DIP封裝更短而且更窄，對(duì)于SOIC-14來(lái)說(shuō)，兩側(cè)引腳距離大約為6 mm，且封裝體寬為3.9 mm。這些尺寸根據(jù)不同的SOIC封裝會(huì)略有不同。這種封裝兩側(cè)有翼型引腳，并且兩個(gè)引腳間距為1.27 mm。

圖1 SOIC封裝圖

圖1展示了18引線SOIC封裝的成品封裝俯視圖及其加速計(jì)的橫切面。封裝內(nèi)有一個(gè)傳感器芯片，傳感器芯片與一個(gè)外罩粘合在一起，一部分外罩延伸至靠近焊線墊的基片上。ASIC和感應(yīng)單元并排放置在一起，芯片被連接到銅引線框架上。在進(jìn)行超模處理前，使用極低模量的有機(jī)硅凝膠覆蓋在整個(gè)感應(yīng)單元上。

在應(yīng)用領(lǐng)域，在振動(dòng)環(huán)境中要求封裝的固有頻率要大于20 kHz，從而避免傳感器產(chǎn)生共振的相關(guān)問(wèn)題。為了滿(mǎn)足這種要求，采用高模量環(huán)氧固晶膠D替換通常的4點(diǎn)軟固晶膠A，但是產(chǎn)生了低PPM性能問(wèn)題，測(cè)試發(fā)現(xiàn)感應(yīng)單元的基片芯片出現(xiàn)破裂[3]。如圖2所示，裂紋分布于整個(gè)有源器件。斷面分析顯示，裂紋從感應(yīng)單元基片的頂部開(kāi)始，沿著基片、玻璃熔塊和外罩之間的接觸面延伸。裂紋通常是從切割邊開(kāi)始，一些部件只有一個(gè)斷裂起點(diǎn)，而其他的部件有多個(gè)斷裂起點(diǎn)。因此需要研究的是引起感應(yīng)單元芯片斷裂的原因，并且是否可以重新設(shè)計(jì)封裝，使其更加堅(jiān)固可靠。

在故障分析和封裝重新設(shè)計(jì)時(shí)本文采用了有限元分析方法。對(duì)于暴露于外部環(huán)境期間的芯片的應(yīng)力和斷裂風(fēng)險(xiǎn)，采用了兩種方法來(lái)評(píng)估，一種方法是常規(guī)的應(yīng)力分析，另一種是基于斷裂力學(xué)分析。需要分析的階段包括外罩晶圓與感應(yīng)單元基片晶圓間的粘合、感應(yīng)單元與引線架的連接、引線粘結(jié)、超模壓、回流焊接和熱循環(huán)。

圖2 感應(yīng)單元基片上的裂紋圖

2.1.2 常規(guī)應(yīng)力分析與斷裂力學(xué)分析

常規(guī)應(yīng)力分析用于確定不同封裝階段高應(yīng)力存在的位置。因?yàn)橥庹志A與濕法腐蝕工藝存在一個(gè)約54°的角度，因此存在幾何不對(duì)稱(chēng)性以及一個(gè)應(yīng)力奇異性[4]。這一區(qū)域的應(yīng)力量級(jí)對(duì)網(wǎng)狀敏感，并且會(huì)隨著網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的加密而升高，但是應(yīng)力分布是有效的。高應(yīng)力位置區(qū)域與觀察到的斷裂起始位置正好是重疊的。

硅片的機(jī)械完整性主要取決于它所經(jīng)歷的工藝處理技術(shù)。這些工藝處理包括晶片磨薄、表面處理工藝。在進(jìn)行這些工藝加工時(shí)，芯片表面或邊緣可能會(huì)存在缺陷。如果出現(xiàn)缺陷的位置正好在應(yīng)力奇異性區(qū)域，那么芯片在后續(xù)的封裝過(guò)程和鑒定檢測(cè)期就容易產(chǎn)生可靠性的問(wèn)題。在斷裂力學(xué)分析中，是以假設(shè)基片的關(guān)鍵位置已經(jīng)存在缺陷為前提的。假設(shè)裂紋尺寸大約為芯片厚度的1/300，應(yīng)變能釋放率G是指促使裂紋擴(kuò)展的能量，其計(jì)算公式為：

其中，Γ為圍繞裂紋尖端的任意路徑，W指應(yīng)變能，Ti是牽引向量；ui是位移向量，nx是Γ上的外向單位法向量的x部分。

圖3顯示了在進(jìn)行晶圓粘合期間裂紋擴(kuò)展的能量?？梢钥闯觯瑢?duì)于當(dāng)前使用的固晶材料D，回流焊接是導(dǎo)致擴(kuò)展裂紋的最主要工藝。實(shí)驗(yàn)使用了固晶膠A設(shè)計(jì)，沒(méi)有出現(xiàn)裂紋。從圖3可以看出，與使用固晶D相比，使用固晶A時(shí)的裂紋擴(kuò)展的可能性非常低。然而，當(dāng)封裝安裝在板卡上時(shí)，固晶膠A會(huì)引起共振問(wèn)題。因此，要解決這個(gè)問(wèn)題，在選擇合適的固晶膠的同時(shí)，必須確保芯片不會(huì)出現(xiàn)裂紋且不會(huì)引起共振。

圖3 每個(gè)封裝工藝產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展能量

因?yàn)楣叹Р牧蠒?huì)引起芯片的裂紋，因此需要對(duì)不同材料進(jìn)行評(píng)估。最初使用的固晶A在7 kHz的頻率下會(huì)引起感應(yīng)單元出現(xiàn)共振，這會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真故障。之后用固晶膠D代替了固晶膠A，固晶膠D的共振頻率為400 kHz，就不會(huì)引起信號(hào)失真。然而，固晶膠D會(huì)對(duì)已經(jīng)存在裂紋的芯片產(chǎn)生影響。因此，需要根據(jù)共振頻率和剛性尋找一種適用的固晶材料。

2.2 固晶材料的研究

本文的MEMS加速計(jì)采用了活動(dòng)基板和固定基板并存的結(jié)構(gòu)。一旦感應(yīng)單元的頻率達(dá)到其閾值，MEMS中板就會(huì)以機(jī)械方式碰撞制動(dòng)裝置，防止碰到感應(yīng)板的頂部和底部，從而避免引起靜摩擦和短路。加速計(jì)活動(dòng)過(guò)程會(huì)使MEMS器件出現(xiàn)位移，對(duì)頂板和底板的制動(dòng)裝置產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)的作用力，這會(huì)使高加速輸入信號(hào)出現(xiàn)輸出失真。在固晶共振頻率下，信號(hào)失真會(huì)數(shù)倍增加[5]。

表1列出了各種固晶材料的屬性，并針對(duì)給定固晶膠和產(chǎn)生的封裝共振頻率進(jìn)行了分析。這些材料分屬兩種特殊類(lèi)別。硬固晶膠如固晶膠D滿(mǎn)足封裝共振條件，但是會(huì)引起芯片裂紋。軟固晶膠如固晶膠A不會(huì)引起芯片裂紋，但是封裝不符合共振要求。

針對(duì)以上材料的不足，需要研究理想的固晶材料的屬性的范圍，以及對(duì)封裝共振頻率和芯片應(yīng)力的影響。圖4給出了根據(jù)固晶模量計(jì)算的感應(yīng)單元的固有頻率，以及感應(yīng)單元基片承受的相應(yīng)的最大張應(yīng)力。

從圖4可以看出，模量接近10的固晶材料具有較低的芯片應(yīng)力，并且滿(mǎn)足了共振頻率要求。為了確保采用新固晶膠的芯片的共振性能足夠滿(mǎn)足上述要求，我們對(duì)材料模量隨溫度的變化進(jìn)行了測(cè)量，同時(shí)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)力學(xué)分析（DMA），對(duì)測(cè)試樣本進(jìn)行了一定處理，將材料放到一個(gè)扁平的預(yù)成型的腔中進(jìn)行固化處理，然后測(cè)試樣本隨溫度的變化數(shù)據(jù)。圖5顯示了材料的模量。

表1 材料特性和各種固晶的固有頻率

圖4 根據(jù)固晶模量計(jì)算得出的感應(yīng)單元基片的最大張應(yīng)力和封裝共振頻率

圖5 固晶膠E的存儲(chǔ)模量

固晶E的固有頻率是大于20 kHz的，此外，圖3顯示了固晶E的裂紋擴(kuò)展能量與固晶A相似，因此產(chǎn)生芯片斷裂問(wèn)題的概率較小。因此，固晶膠E可以替換固晶膠D，因?yàn)樗浅Ｈ犴g，不會(huì)使芯片斷裂，同時(shí)也具有足夠的硬度，容易滿(mǎn)足共振的要求。對(duì)這種新的固晶材料進(jìn)行鑒定檢測(cè)和試封裝后發(fā)現(xiàn)，整個(gè)測(cè)試樣本中沒(méi)有出現(xiàn)任何芯片斷裂。

3 總結(jié)

經(jīng)過(guò)以上實(shí)驗(yàn)分析，針對(duì)MEMS加速計(jì)的SOIC封裝的完整工藝流程進(jìn)行了評(píng)估以了解造成低ppm水平芯片斷裂的裂紋擴(kuò)展和傾向，找出了具有危害性的關(guān)鍵工序。引起芯片斷裂的主要參數(shù)是感應(yīng)單元固晶膠的硬度。目前使用的固晶膠D非常容易使感應(yīng)單元基片芯片出現(xiàn)斷裂。通過(guò)反向工程確定了可以同時(shí)滿(mǎn)足感應(yīng)單元固有頻率和封裝可靠性要求的固晶材料。采用固晶膠E后，MEMS加速計(jì)的SOIC封裝呈現(xiàn)出更加強(qiáng)韌的特性。這對(duì)于MEMS傳感器特殊封裝技術(shù)的研究有著借鑒意義，對(duì)降低MEMS傳感器制造成本、擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域、推進(jìn)傳感器的快速發(fā)展有著現(xiàn)實(shí)意義。

[1]蔡梅妮，林友玲，車(chē)錄鋒. 用于器件級(jí)真空封裝的MEMS加速度傳感器的設(shè)計(jì)與制作[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2012，12.

[2]Hsu, T R. MEMS Packaging[M]. T R. Hsu, Institute of Electrical Engineers, United Kingdom, 2004.

[3]Hsu, T R. MEMS and Microsystems Design and Manufacture[M]. McGraw-Hill, 2002.

[4]Tai-Ran Hsu. RELIABILITY IN MEMS PACKAGING[C].44th International Reliability Physics Symposium, San Jose, CA, March 2006. 26-30.

[5]MEMS Reliability Newsletter on MEMS Fatigue[EB/OL].Exponent, 2001,1(1). www.exponent.com/practices/MEMS/MEMS v1 1.pdf.