MEMS加速计的三种高压灭菌器失效机理

2013-11-19 21:15:08来源: 互联网

介绍

高压灭菌器测试也叫高压锅测试,是恶劣环境所用的器件通常都要求进行的一种质量测试。 直到最近,汽车安全行业才开始提出高压灭菌器测试要求,以检验用于气囊传感器MEMS加速计 [1]。为了进行此测试,器件在环境试验箱不带电存储96/168小时,环境试验箱的气压为15psig、温度为120oC,相对湿度为100%。高压灭菌器经过一定的暴露时间后,器件在室温下重新测试。

尽管传感器的传感结构在密封环境下封装,以防止水分入侵,但MEMS加速计仍要承受高压灭菌压力,因为塑料包装材料可在过压和过湿条件下吸收水分。要测试加速计对高压灭菌器压力的易感性,我们将80个 MEMS加速计置于高压灭菌器测试条件下。如图1所示,加速计由MEMS传感单元(g-cell)和控制ASIC组成,采用堆叠芯片结构组装在一个QFN 封装中。传感单元由飞思卡尔二聚表面微流构成,使用玻璃熔块通过晶片键合技术密封在密封腔里。

高压灭菌器测试结果显示,25oC时,9个部件无法达到偏移规范,要求9位输出的偏移变化少于+/- 26个计数。失效部件的最大偏移变化是-48/+39个计数。 当部件进行168小时测试时,发现了更多器件失效(与偏移变化的失效行为相同)。还发现这些部件在-40oC 和125oC下具有较小的偏移变化和较紧凑的分布。失效器件还显示在空气中暴露一段时间后,出现缓慢回归规范的“自愈”行为。在正常大气条件下进行120℃焙烧,可以加速恢复过程。失效和恢复流程是可重复和可逆的。


图 1. MEMS 加速计: (a) QFN 封装视图(模具帽未显示);(b) LSM角度的传感单元芯片视图

为了确定高压灭菌器失效的根源,我们创建了一个失效分析鱼骨图(图2),全面查看高压灭菌器测试条件下(湿度、压力和温度)偏移变化的所有可能原因。从以下四个主要方面审查了设计和制造工艺:封装、ASIC、传感器(g-cell)和测试。因此发现了微机械传感独有的三种失效机理。这三种机理是:

  • 导致偏移变化的封装应力
  • 电阻漏电
  • 寄生电容变化

II. 封装应力影响

环氧树脂塑封(EMC)材料能吸收水分,且吸热会膨胀 [2]。扫描声学显微镜(C-SAM)检测还揭示,复合模具和引线框架之间出现过多分层。这些变化会改变封装和传感单元的应力状态,从而引起偏移变化。FEA 封装建模(图3)用于模拟这种应力变化的影响。这个模型考虑了 EMC 和引线框架之间的非对称分层。根据达到平衡时水分摄取大于0.54%这一原理,试验还假设吸湿应力为0.15%。


图 2. 高压灭菌器失效分析鱼骨图

FEA 模拟结果显示,传感器的惯性质量位移相当对称,但是由于分层和吸湿膨胀,封装的位移场不对称。模拟显示,吸湿膨胀引起的位移与125℃时热应变引起的位移数量级相同。 封装应力引起的最大偏移变化预测只有4个计数(最坏情况)。

用激光蚀刻去除传感单元周围的主要EMC部分,进一步分析失效器件。这一做法思路是,封装的应力场将大幅改变,如果器件对封装应力敏感,这可能导致偏移变化。但测试结果显示,大部分EMC移除之后,器件只有非常小的偏移变化。这一结果符合原来的 FEA预测,EMC的吸湿膨胀只会对偏移变化产生非常小的影响,封装应力作为高压灭菌器失效的根源被排除。

尽管研究显示封装应力不是高压灭菌器失效的根源,值得一提的是,这归因于应力不敏感传感器/封装设计。封装吸湿应力非常大,如果传感器设计不正确,可能成为导致高压灭菌器失效的主要原因。减少封装应力易感性的设计策略已在[3]中讨论。

 

图3 . EMC 吸湿膨胀的FEA模拟


图4. 剥层分析,消除封装应力作为失效根源

III. 漏电影响

环氧材料的介电性能也可以通过水分摄取来改变。如图4所示,摄取水分之后,环氧/玻璃/云母复合材料的体积电阻率减少10倍以上(高达1%)。此外,尽管高压灭菌器试验箱中使用了去离子水,高压灭菌器大气的水凝结可以把封装材料内的离子污染聚集在一起,形成不同潜力的传感器之间的漏电通道。

MEMS传感器的加工步骤也有助于形成潜在的漏电通道。一方面,牺牲性氧化蚀刻步骤中使用的氢氟酸可能留下氟离子。而且,密封材料(玻璃熔块)中富含氧化铅,特定条件下可以沉淀成导电铅结。图5中的SEM图显示了玻璃熔块键合区出现的结节或团块非常明显(但Auger 分析不能区别它们是铅还是氧化铅)。

图 5. 玻璃熔块区的SEM图


图6 调制器扫频测量结果

应该指出的是,如果“火”线和地线之间存在电阻漏电,则会出现偏移变化。∑△ 调制器前端对保存在差分电容器中的电荷(即传感单元)进行采样。理想情况是,当传感单元带有Vref电荷时,电荷传送到集成电容器,不会随着时间推移而改变。但是如果充电电极(或火线)与地线之间存在漏电通道,就不会将所有电荷传送到集成电容器,电荷可能漏电到地线,导致集成的值较小,当差分电容器具有不同程度的漏电时,会出现净偏移变化。

很难直接测量漏电(大于1Gohm)。用曲线跟踪测量高压灭菌器测试前后引脚之间的I-V,不显示引脚之间有明显的电阻变化。于是采用间接漏电测量方法。这种方法主要测量调制器的扫频。调制器时钟频率为8-1MHz不等,在每个时钟频率点取偏移值。图6显示了扫频测量的结果。测量发现,失效器件(器件1718和器件1079)的偏移随着调制器时钟频率而不同,但正常器件(器件533和1121)则保持大致相同的偏移。这种现象的原因是固定直流电漏电,较长集成时间(较低时钟频率)会导致集成的电荷值较小。

扫频结果似乎说明偏移失效与漏电有关,因为要集成的电荷量随着集成时间而变化。问题是,漏电发生位置在哪里?为了找出漏电位置,执行了FA操作,通过激光蚀刻和化学蚀刻,选择性地去除某些区域的EMC材料。将EMC材料从传感单元键合“存放”区域去除(图7)发现,漏电行为(偏移与调制器时钟频率有关)消失。这证明焊盘存放区域内存在漏电通道。由此断定,高压灭菌器大气的水凝结聚集了离子,从而促进了漏电。多晶硅转子或传感单元导电帽之间可能有漏电。


图7 查出泄露位置的剥层分析

为了消除直流电漏电,因此从设计上建议在多晶硅转子上覆盖氮化硅钝化层,作为修复方法。 钝化层设计的生产和高压灭菌测试作为下一步实施。

IV. 寄生电容

尽管前面的 FA 操作已经显示失效部件和漏电行为之间具有某种联系,但不能认为漏电是高压灭菌失效的唯一(或首要)根源。实际上是不能排除因高压灭菌压力而引起寄生电容变化。根据下列公式(图5),寄生电容(从键合线到键合线)估计大约为50fF。

其中 l是键合线的长度,r 是键合线的半径,d是两条键合线之间的距离,εr是EMC的介电常数(干燥时和高压灭菌测试之后)。

象体积电阻率一样,EMC材料的介电常数也可以通过摄取水分来改变(图4)。干燥条件和吸水条件下的介电常数变化可能高达两个数量级。在低频率范围(小于1Hz),这种影响更明显。在较高频率范围,差别通常小很多。测试 MEMS 加速计的 QEN封装所用的特定EMC材料与 MEMS器件采用相同的高压灭菌器测试条件。表1显示了EMC材料的介电常数在高压灭菌器压力前后可能增加2.8%。

表1 EMC的介电性能: 96小时的高压灭菌器测试之后

项目 体积电阻率(ohm-cm) 介电常数 耗散因子(%)
RT 150C
T=0 5.00E+16 1.00E+10 3.6 0.5
PCT96h 1.00E+16 2.00E+10 3.7 0.7

EMC 介电常数出现2.8%的变化可能产生1.4fF的电容变化。如此小的电容变化要使用 LCR 仪表测量出来是不可能的,但它足以在9位输出上产生15个计数的偏移变化。高压灭菌器压力产生的寄生电容变化很难控制,因为它是EMC材料特征的一部分。但有几种设计对策可以缓解此问题。一种方法是提高传感器灵敏度,从而只需要较低的调制器增益。我们的观察也支持这种方法,发现用不同的MEMS加速计设计(具有2倍灵敏度)在高压灭菌器测试中有更好的表现。另一种方法是采用不同前端/架构设计,将屏蔽节点从中间节点分离出来,这样敏感节点和屏蔽节点之间的寄生电容不会产生偏移。

V. 结论

本文共讨论了MEMS加速计的三种高压灭菌器失效机理。分别说明了每一种失效机理的FA方法(通过建模和测量)和设计改进。排除了封装应力作为高压灭菌器失效的根源。传感单元内的漏电通过调制器扫频测量得到了确认。依据EMC材料的介电性能测量研究了寄生电容。我们认为漏电和寄生电容变化都存在于高压灭菌失效器件中。最后还为所确定的每个根源建议了设计对策。当测试结果一出来,就会按照报告的测试结果进行这些改进。

关键字:MEMS  加速计

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1119/article_20959.html
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