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改善MEMS加速計高壓釜測試弊病 FA改良設計對症下藥

2011/1  David Lin/Gopi Boinepally/Mukund Muralidhar
為消除MEMS加速度計經由高壓釜測試後,因補償值改變造成封裝應力、電阻漏失與產生寄生電容變更三大失敗機制的弊端,產業界現正透過FA技術深究背後主因,並根據FA測試結果,分別提出解決之道,以強化產品的性能。
微機電系統(MEMS)加速計在經過高壓釜測試後,往往有補償值變動的現象。微機械感測器所獨有的可能失敗機制有因補償值變更而導致的封裝應力、電阻漏失(Ohmic Leakage)及寄生電容變更三種。同時,也會運用故障分析(FA)技術來辨認高壓釜測試失敗的真正起因。根據FA測試的結果,進行修正動作,即藉由提出不同的設計技術,以改善產品韌性,解決高壓釜測試失敗問題。  

高壓釜測試導致補償值異動 

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苛環境中的元件。至今,汽車安全業界才開始運用此一程序來測試安全氣囊感應器所使用的MEMS加速計,為進行此一測試,元件必須在斷電情況下,儲存在氣壓15psig、120℃、濕度100%的受控環境密室中達96`168小時。然後在高壓釜時間結束後,於室溫下再度測試。  

儘管感測器的感應架構為預防濕氣侵入,係在密封環境下進行封裝,然MEMS加速計並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。為測試加速計對於高壓釜的感應,針對八十個MEMS加速計施以高壓釜測試。如圖1所示,加速計由MEMS感應單元(G-cell)和控制用特定應用積體電路(ASIC)組成,並組裝在一個四方形扁平無接腳封裝(QFN)內,再加上堆疊式晶片封裝。G-cell係以飛思卡爾的雙複合(Two-poly)表面微機械流程製造、再用玻璃介質晶片接合方式密封在一個真空腔內。  

圖1 MEMS加速計:(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。
高壓釜測試結果顯示,有九個元件無法通過25℃下的規格測試,亦即補償值變動在9位元輸出時,必須低於±26次。未通過測試的元件,其最大補償值變動達到-48/+39次。若將測試時間延長至168小時,未能通過測試(亦即同樣會發生補償值變動的現象)的元件數量還會再增加。此外,發現這些元件在-40℃及125℃時的補償值變動會較少,以及失敗的元件會呈現「自我還原」的現象,亦即隨著處於空氣中的時間增加、逐漸恢復原本的規格。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,失敗跟復原過程是可逆的,且可一再重複。  

為分辨高壓釜測試造成失敗的真正起因,繪製一份錯誤分析魚骨圖(圖2),藉以詳細檢視所有可能造成補償值在高壓釜測試環境下變動的誘因(濕氣、壓力、溫度等)。設計與製造程序則從封裝、ASIC、感測器及測試四個關鍵面向檢查,找出三種微機械感應器所獨有的可能失敗機制,分別是因封裝應力造成的補償值變動、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

封裝應力效應影響元件/封裝設計 

眾所周知,環氧樹脂塑型化合物(EMC)材質會吸收濕氣,因潮濕而發生膨脹。經超音波掃描顯微鏡(C-SAM)檢測也發現,在塑型化合物與鉛框架之間也會出現過度脫離現象。這些變化會影響封裝及G-cell的應力狀態,於是造成補償值偏移。以有限元素分析(FEA)封裝模型(圖3)來模擬這種應力變動造成的效果,該模型將EMC與鉛框架之間的非對稱脫離納入考量。同時假設當最後達到平衡、水氣吸收超過0.54%時,會有0.15%的潮濕變形。  

圖3 EMC潮濕膨脹的FEA模擬
FEA模擬結果顯示,感測器檢測質量的位移是相當對稱的,並不像封裝那樣因脫離及潮濕變形而發生的非線性位移。根據模擬顯示指出,因潮濕膨脹而造成的補償變動與125℃時由於熱張力造成的程度相仿。由於封裝應力造成的最大補償值變動預計只有四次(最壞狀況),於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(圖4)。如此做的動機,在於封裝的應力區域應會顯著變形,因此若元件對於封裝應力敏感,則應也會導致補償值變動。但根據測試結果顯示,當大部分的EMC移除後,元件只有非常小幅的補償值變動。此符合先前FEA的預測,亦即EMC的潮濕膨脹與補償值變動的關係不大,因此封裝應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力可能為肇因之分析

雖然研究顯示封裝應力並非高壓釜測試失敗的主因,它還是值得一提,因為它會影響對應力較不敏感的元件/封裝的設計。若封裝潮濕變形十分明顯,那麼當感測器設計不當時,此點即有可能變成導致高壓釜測試失敗的主因。  

間接漏失技術測試漏失效應 

環氧基樹脂材質的絕緣特性也會隨著水氣吸收而變。環氧樹脂/玻璃/雲母(Mica)化合物在吸入水氣後(多達1%),會導致108倍以上的大規模電阻降低。此外,雖然高壓釜使用的是去離子水,但是從測試環境空氣中凝結而來的水分仍可能污染封裝材質內部,形成不同電位導體之間的漏失路徑。  

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,也可能留下殘餘的氟離子。此外,密封用材質(玻璃介質)也富含氧化鉛,在特定情況下,可能會沉澱而形成導電的節點。圖5的掃描式電子顯微鏡照片顯示玻璃介質結合區域已出現導電節點叢(雖然電子能譜儀分析無法分辨是鉛還是氧化鉛)。  

圖5 玻璃介質結合區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,也可能造成補償值變動。Σ△調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G-cell充電已達參考電壓Vref,電荷便會通過累積電容,不會再隨時間變動。但是,若在充電電極(或熱線)與接地端之間存在漏失路徑,電荷便不會全數前往累積電容而是漏往接地端,結果積少成多,最後形成補償值偏移。  

要直接測量漏失(>1Gohm)並不容易。在高壓釜測試前後以曲線逼近法測量腳位之間的電流-電壓,亦無法明顯呈現出腳位之間的電阻變化,因此必須改採間接漏失測量技術。此種方式係以調變器頻率掃描測量為基礎,調變器頻率為8M∼1MHz,而每次時脈頻率變動時便測量補償值。圖6顯示的就是頻率掃描測量的結果,測量結果發現,測試失敗裝置的補償值(裝置編號1718與1079)會隨調變器時脈頻率變動,但是良好的元件(元件編號533與1121)則大致保持同樣的補償值。這種現象的理論根據是,在固定直流漏電下,累積間隔時間越長(時脈頻率低),能累積的電荷量便越少。  

圖6 調變器頻率掃描測量結果

頻率掃描結果似乎顯示補償失敗與漏失有關,因為累積的電荷量會隨著累積時間而變,發生漏失時,問題仍然存在。為辨認漏失位置,進行FA作業,以雷射及化學蝕刻選擇性地移除特定部位的EMC材質。結果發現,將EMC材質從G-cell結合區域移除(圖7),漏失模式(補償值與調變器時脈頻率的相依性)便消失。此證明漏失路徑的確存在於結合板區域。它也證明漏失是由於高壓釜環境的凝結水及其中的離子而來,漏失可能存在於多晶矽滑槽(Runners)、或是位在滑槽和G-cell導體外蓋之間。  

為消除直流漏失,建議以氮化矽鈍化層覆蓋多晶矽滑槽,藉以修正設計。具備鈍化層設計的製造與高壓釜測試將會在下一次進行。  

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作業顯示錯誤部分與漏失行為有相當密切的關聯,但並不代表漏失是唯一(或主要)的測試失敗因素。事實上,因高壓釜造成的寄生電容變化也不可忽視。寄生電容(結合線材之間)可根據公式1大略估得,數值約為50fF。  

(公式1)  

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

與電阻一樣,EMC材質的絕緣係數也會隨著水氣吸收而變動。在乾燥時與吸足水分後,絕緣係數的變動可能高達兩位數。此一效應在低頻時(<1Hz)更為明顯;在高頻時,差異通常較小。MEMS加速計的QFN封裝所使用的特定EMC材質在測試時,所接受的高壓釜測試條件與MEMS元件是一致的。表1顯示EMC材質的絕緣係數在測試前後約會增加2.8%。  

EMC絕緣係數的2.8%變化會導致1.4fF的電容變化。如此細微的電容變化是無法以電感、電容、電阻(LCR)測量計加以測量,但是已經足夠造成9位元輸出十五次的補償值變動。高壓釜測試產生的寄生電容變動難以控制,因為它原本就是EMC材質的本質之一。然而,仍有數種設計方式可以減緩這些問題,其中之一就是增加感測器敏感度,因此所需的調變器增益便較低。這是從不同的MEMS加速計兩倍敏感度設計驗證所得,後者在高壓釜測試後的表現亦較佳。其他方式還有使用不同的前端/架構設計,以消除外盾節點與中間節點之間的耦合,這樣感應節點與外盾節點間的寄生電容便不會影響補償值。  

失敗機制解決方案出爐 

總結來說,三種會導致MEMS加速計的高壓釜測試失敗的機制都已探討過,每一種錯誤機制也都使用FA技巧(同時透過模型和測量)及改良設計。封裝應力已被排除在肇因之外,G-cell的漏失則已透過調變器頻率掃描測量獲得確認,寄生電容也已根據EMC材質的絕緣性質測量進行研究,各界咸認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計方案也已提出,一旦這些改善方案就緒,將會與測試結果一併提出。  

(本文作者任職於飛思卡爾)

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