為消除MEMS加速度計(jì)經(jīng)由高壓釜測試后，因補(bǔ)償值改變造成封裝應(yīng)力、電阻漏失與產(chǎn)生寄生電容變更三大失敗機(jī)制的弊端，產(chǎn)業(yè)界現(xiàn)正透過FA技術(shù)深究背后主因，并根據(jù)FA測試結(jié)果，分別提出解決之道，以強(qiáng)化產(chǎn)品的性能。
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加速計(jì)在經(jīng)過高壓釜測試后，往往有補(bǔ)償值變動的現(xiàn)象。微機(jī)械感測器所獨(dú)有的可能失敗機(jī)制有因補(bǔ)償值變更而導(dǎo)致的封裝應(yīng)力、電阻漏失(Ohmic Leakage)及寄生電容變更三種。同時(shí)，也會運(yùn)用故障分析(FA)技術(shù)來辨認(rèn)高壓釜測試失敗的真正起因。根據(jù)FA測試的結(jié)果，進(jìn)行修正動作，即藉由提出不同的設(shè)計(jì)技術(shù)，以改善產(chǎn)品韌性，解決高壓釜測試失敗問題。  

高壓釜測試導(dǎo)致補(bǔ)償值異動

高壓釜測試又稱為壓力鍋測試，是一種常見的品管測試程序，專門用來測試必須用在嚴(yán)苛環(huán)境中的元件。至今，汽車安全業(yè)界才開始運(yùn)用此一程序來測試安全氣囊感應(yīng)器所使用的MEMS加速計(jì)，為進(jìn)行此一測試，元件必須在斷電情況下，儲存在氣壓15psig、120℃、濕度100%的受控環(huán)境密室中達(dá)96凜168小時(shí)。然后在高壓釜時(shí)間結(jié)束后，于室溫下再度測試。  

盡管感測器的感應(yīng)架構(gòu)為預(yù)防濕氣侵入，系在密封環(huán)境下進(jìn)行封裝，然MEMS加速計(jì)并非能完全抵抗高壓釜的壓力，因塑膠封裝仍有可能在高壓與過潮情況下吸收水分。為測試加速計(jì)對于高壓釜的感應(yīng)，針對八十個(gè)MEMS加速計(jì)施以高壓釜測試。如圖1所示，加速計(jì)由MEMS感應(yīng)單元(G-cell)和控制用特定應(yīng)用積體電路(ASIC)組成，并組裝在一個(gè)四方形扁平無接腳封裝(QFN)內(nèi)，再加上堆疊式晶片封裝。G-cell系以飛思卡爾的雙復(fù)合(Two- poly)表面微機(jī)械流程制造、再用玻璃介質(zhì)晶片接合方式密封在一個(gè)真空腔內(nèi)。  

圖1 MEMS加速計(jì)：(a)為QFN封裝外觀(未顯示塑模外蓋)，(b)為雷射掃描顯微鏡下的G-cell晶片外觀。
高壓釜測試結(jié)果顯示，有九個(gè)元件無法通過25℃下的規(guī)格測試，亦即補(bǔ)償值變動在9位元輸出時(shí)，必須低于±26次。未通過測試的元件，其最大補(bǔ)償值變動達(dá)到 -48/+39次。若將測試時(shí)間延長至168小時(shí)，未能通過測試(亦即同樣會發(fā)生補(bǔ)償值變動的現(xiàn)象)的元件數(shù)量還會再增加。此外，發(fā)現(xiàn)這些元件在-40℃ 及125℃時(shí)的補(bǔ)償值變動會較少，以及失敗的元件會呈現(xiàn)「自我還原」的現(xiàn)象，亦即隨著處于空氣中的時(shí)間增加、逐漸恢復(fù)原本的規(guī)格。若在一般氣壓下將元件施以120℃的烘烤，還原速度還會加快。換言之，失敗跟復(fù)原過程是可逆的，且可一再重復(fù)。  

為分辨高壓釜測試造成失敗的真正起因，繪制一份錯(cuò)誤分析魚骨圖(圖2)，藉以詳細(xì)檢視所有可能造成補(bǔ)償值在高壓釜測試環(huán)境下變動的誘因(濕氣、壓力、溫度等)。設(shè)計(jì)與制造程序則從封裝、ASIC、感測器及測試四個(gè)關(guān)鍵面向檢查，找出三種微機(jī)械感應(yīng)器所獨(dú)有的可能失敗機(jī)制，分別是因封裝應(yīng)力造成的補(bǔ)償值變動、電阻漏失及寄生電容變動。  

圖2 高壓釜測試失敗分析魚骨圖

封裝應(yīng)力效應(yīng)影響元件/封裝設(shè)計(jì)

眾所周知，環(huán)氧樹脂塑型化合物(EMC)材質(zhì)會吸收濕氣，因潮濕而發(fā)生膨脹。經(jīng)超音波掃描顯微鏡(C-SAM)檢測也發(fā)現(xiàn)，在塑型化合物與鉛框架之間也會出現(xiàn)過度脫離現(xiàn)象。這些變化會影響封裝及G-cell的應(yīng)力狀態(tài)，于是造成補(bǔ)償值偏移。以有限元素分析(FEA)封裝模型(圖3)來模擬這種應(yīng)力變動造成的效果，該模型將EMC與鉛框架之間的非對稱脫離納入考量。同時(shí)假設(shè)當(dāng)最后達(dá)到平衡、水氣吸收超過0.54%時(shí)，會有0.15%的潮濕變形。  

圖3 EMC潮濕膨脹的FEA模擬
FEA模擬結(jié)果顯示，感測器檢測質(zhì)量的位移是相當(dāng)對稱的，并不像封裝那樣因脫離及潮濕變形而發(fā)生的非線性位移。根據(jù)模擬顯示指出，因潮濕膨脹而造成的補(bǔ)償變動與125℃時(shí)由于熱張力造成的程度相仿。由于封裝應(yīng)力造成的最大補(bǔ)償值變動預(yù)計(jì)只有四次(最壞狀況)，于是以雷射蝕刻移除測試失敗元件的G-cell 晶圓外包覆的大部分EMC材質(zhì)(圖4)。如此做的動機(jī)，在于封裝的應(yīng)力區(qū)域應(yīng)會顯著變形，因此若元件對于封裝應(yīng)力敏感，則應(yīng)也會導(dǎo)致補(bǔ)償值變動。但根據(jù)測試結(jié)果顯示，當(dāng)大部分的EMC移除后，元件只有非常小幅的補(bǔ)償值變動。此符合先前FEA的預(yù)測，亦即EMC的潮濕膨脹與補(bǔ)償值變動的關(guān)系不大，因此封裝應(yīng)力因素可從造成高壓釜測試失敗的肇因中剔除。  

圖4 分解以便排除封裝應(yīng)力可能為肇因之分析

雖然研究顯示封裝應(yīng)力并非高壓釜測試失敗的主因，它還是值得一提，因?yàn)樗鼤绊憣?yīng)力較不敏感的元件/封裝的設(shè)計(jì)。若封裝潮濕變形十分明顯，那么當(dāng)感測器設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)，此點(diǎn)即有可能變成導(dǎo)致高壓釜測試失敗的主因。  

間接漏失技術(shù)測試漏失效應(yīng)

環(huán)氧基樹脂材質(zhì)的絕緣特性也會隨著水氣吸收而變。環(huán)氧樹脂/玻璃/云母(Mica)化合物在吸入水氣后(多達(dá)1%)，會導(dǎo)致108倍以上的大規(guī)模電阻降低。此外，雖然高壓釜使用的是去離子水，但是從測試環(huán)境空氣中凝結(jié)而來的水分仍可能污染封裝材質(zhì)內(nèi)部，形成不同電位導(dǎo)體之間的漏失路徑。  

MEMS感測器的處理步驟也可能造成潛在的漏失路徑。氧化物蝕刻步驟中所使用的氫氟酸，也可能留下殘馀的氟離子。此外，密封用材質(zhì)(玻璃介質(zhì))也富含氧化鉛，在特定情況下，可能會沉淀而形成導(dǎo)電的節(jié)點(diǎn)。圖5的掃描式電子顯微鏡照片顯示玻璃介質(zhì)結(jié)合區(qū)域已出現(xiàn)導(dǎo)電節(jié)點(diǎn)叢(雖然電子能譜儀分析無法分辨是鉛還是氧化鉛)。  

圖5 玻璃介質(zhì)結(jié)合區(qū)域的掃描式電子顯微鏡照

值得注意的是，在「熱線」與接地端之間的電阻漏失，也可能造成補(bǔ)償值變動。Σ△調(diào)變器前端會取樣差異電容(亦即G-cell)所儲存的電荷。理想來說，當(dāng) G-cell充電已達(dá)參考電壓Vref，電荷便會通過累積電容，不會再隨時(shí)間變動。但是，若在充電電極(或熱線)與接地端之間存在漏失路徑，電荷便不會全數(shù)前往累積電容而是漏往接地端，結(jié)果積少成多，最后形成補(bǔ)償值偏移。  [!--empirenews.page--]

要直接測量漏失(>1Gohm)并不容易。在高壓釜測試前后以曲線逼近法測量腳位之間的電流-電壓，亦無法明顯呈現(xiàn)出腳位之間的電阻變化，因此必須改采間接漏失測量技術(shù)。此種方式系以調(diào)變器頻率掃描測量為基礎(chǔ)，調(diào)變器頻率為8M～1MHz，而每次時(shí)脈頻率變動時(shí)便測量補(bǔ)償值。圖6顯示的就是頻率掃描測量的結(jié)果，測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，測試失敗裝置的補(bǔ)償值(裝置編號1718與1079)會隨調(diào)變器時(shí)脈頻率變動，但是良好的元件(元件編號533與1121)則大致保持同樣的補(bǔ)償值。這種現(xiàn)象的理論根據(jù)是，在固定直流漏電下，累積間隔時(shí)間越長(時(shí)脈頻率低)，能累積的電荷量便越少。  

圖6 調(diào)變器頻率掃描測量結(jié)果

頻率掃描結(jié)果似乎顯示補(bǔ)償失敗與漏失有關(guān)，因?yàn)槔鄯e的電荷量會隨著累積時(shí)間而變，發(fā)生漏失時(shí)，問題仍然存在。為辨認(rèn)漏失位置，進(jìn)行FA作業(yè)，以雷射及化學(xué)蝕刻選擇性地移除特定部位的EMC材質(zhì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，將EMC材質(zhì)從G-cell結(jié)合區(qū)域移除(圖7)，漏失模式(補(bǔ)償值與調(diào)變器時(shí)脈頻率的相依性)便消失。此證明漏失路徑的確存在于結(jié)合板區(qū)域。它也證明漏失是由于高壓釜環(huán)境的凝結(jié)水及其中的離子而來，漏失可能存在于多晶矽滑槽(Runners)、或是位在滑槽和G-cell導(dǎo)體外蓋之間。  

為消除直流漏失，建議以氮化矽鈍化層覆蓋多晶矽滑槽，藉以修正設(shè)計(jì)。具備鈍化層設(shè)計(jì)的制造與高壓釜測試將會在下一次進(jìn)行。  

圖7 分解以便顯示漏失位置

增加感測器敏感度以避免寄生電容

雖然先前的FA作業(yè)顯示錯(cuò)誤部分與漏失行為有相當(dāng)密切的關(guān)聯(lián)，但并不代表漏失是唯一(或主要)的測試失敗因素。事實(shí)上，因高壓釜造成的寄生電容變化也不可忽視。寄生電容(結(jié)合線材之間)可根據(jù)公式1大略估得，數(shù)值約為50fF。  

(公式1)  

公式l代表結(jié)合線材長度、r代表線材半徑、d代表兩線之間的距離、Epsilon代表EMC的絕緣系數(shù)(在乾燥與高壓釜測試后)。  

與電阻一樣，EMC材質(zhì)的絕緣系數(shù)也會隨著水氣吸收而變動。在乾燥時(shí)與吸足水分后，絕緣系數(shù)的變動可能高達(dá)兩位數(shù)。此一效應(yīng)在低頻時(shí)(<1Hz)更為明顯；在高頻時(shí)，差異通常較小。MEMS加速計(jì)的QFN封裝所使用的特定EMC材質(zhì)在測試時(shí)，所接受的高壓釜測試條件與MEMS元件是一致的。表1顯示 EMC材質(zhì)的絕緣系數(shù)在測試前后約會增加2.8%。  

EMC絕緣系數(shù)的2.8%變化會導(dǎo)致1.4fF的電容變化。如此細(xì)微的電容變化是無法以電感、電容、電阻(LCR)測量計(jì)加以測量，但是已經(jīng)足夠造成9位元輸出十五次的補(bǔ)償值變動。高壓釜測試產(chǎn)生的寄生電容變動難以控制，因?yàn)樗揪褪荅MC材質(zhì)的本質(zhì)之一。然而，仍有數(shù)種設(shè)計(jì)方式可以減緩這些問題，其中之一就是增加感測器敏感度，因此所需的調(diào)變器增益便較低。這是從不同的MEMS加速計(jì)兩倍敏感度設(shè)計(jì)驗(yàn)證所得，后者在高壓釜測試后的表現(xiàn)亦較佳。其他方式還有使用不同的前端/架構(gòu)設(shè)計(jì)，以消除外盾節(jié)點(diǎn)與中間節(jié)點(diǎn)之間的耦合，這樣感應(yīng)節(jié)點(diǎn)與外盾節(jié)點(diǎn)間的寄生電容便不會影響補(bǔ)償值。  

失敗機(jī)制解決方案出爐

總結(jié)來說，三種會導(dǎo)致MEMS加速計(jì)的高壓釜測試失敗的機(jī)制都已探討過，每一種錯(cuò)誤機(jī)制也都使用FA技巧(同時(shí)透過模型和測量)及改良設(shè)計(jì)。封裝應(yīng)力已被排除在肇因之外，G-cell的漏失則已透過調(diào)變器頻率掃描測量獲得確認(rèn)，寄生電容也已根據(jù)EMC材質(zhì)的絕緣性質(zhì)測量進(jìn)行研究，各界咸認(rèn)漏失及寄生電容的變化皆為元件高壓釜測試失敗的起因。針對每一種肇因的設(shè)計(jì)方案也已提出，一旦這些改善方案就緒，將會與測試結(jié)果一并提出。  

(本文作者任職于飛思卡爾)