MEMS加速计高压灭菌器失效机理与设计改进

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的 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

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。

感谢

笔者诚挚感谢飞思卡尔传感器和制动器解决方案事业部Grusonia 和Hera项目团队ARAL实验室的Joseph Hon、Keith Kraver和Ryan Hooper提供的援助和支持。

参考资料

• Automotive Electronics Council, “Failure Mechanism Based Stress Test Qualification for Integrated Circuits,” AEC-Q100-Rev G, May 14, 2007.
• Stellrecht, Han and Pecht, “Characterization of Hygroscopic Swelling Behavior of Mold Compounds and Plastic Packages”, IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, Vol. 27, 2004.
• Lin and McNeil, “An Optimized Design of MEMS Capacitive Teeter Totter Acceleration Transducer”, Freescale Analog RF Mixed-Signal Sensors & Microsystems Technical Enrichment Matrix Workshop, Jan 10, 2008
• Gonon, et al., “Effects of Hydrothermal Aging on the Dielectric Properties of Epoxy Composites”, 7th international conference on Properties and Applications of Dielectric Materials, Nagoya, June 2003.
• Ulaby, “Fundamentals of Applied Electromagnetics”, 5th Edition, 2006