有效預期響應變化　MEMS封裝設計有譜

微機電系統(MEMS)元件的有效封裝讓適用於多項應用領域的獨特感應器開發過程受到延滯。封裝的問題讓MEMS感應器無法應用到更多市場，亦妨礙其商業化。MEMS元件的設計就是要偵測環境，但其偵測能力不能被封裝所影響，而封裝的穩定性也不能與環境妥協。現以兩種感應器應用說明封裝問題，首先，當封裝完畢後，感應器的電氣輸出響應反而會在有效操作溫度範圍內變成非線性，且特定應用積體電路(ASIC)控制器無法補償修正此一非線性現象；再者，應用封裝設計在操作環境範圍內會造成電氣響應的共振現象。目前已有更先進的封裝設計方法，可將各種故障模式下的封裝可靠度預測模擬和感測器效能預測相結合，以便提供超值而可靠的封裝。現於各階段，預測式設計方案已經過廣泛的驗證。
 

MEMS設計須兼顧成本/尺寸/穩定度  

MEMS封裝設計挑戰重重，封裝的弊病往往妨礙MEMS感應器的進一步應用和商業化。感應器封裝的需求在於如何提供一個價廉、精巧而可靠的封裝，此皆為了讓對環境敏感的MEMS感應器能夠與無法由ASIC控制器校正的偏移區隔開來的必要條件，其結果若非大幅限制感應器的應用範圍，不然就是犧牲封裝的可靠度。
 

為達低成本封裝的目標，方法之一就是盡可能採用業界標準的電子元件，再修改成適合MEMS感應器使用。此種作法會帶來一些有趣的問題，因須將傳統的電子元件反向改成適用於MEMS感應器，因此感應器內的感測器效能分析勢必要和封裝效能分析同時並行，任何一方對於另一方的影響均須完全掌握並納入考量，才能提供價廉、可靠而堅固的產品。
 

MEMS加速計在車輛安全氣囊系統作為碰撞感應器的歷史，已超過10年。最近MEMS加速計的應用範圍更延伸至消費性產品，如手機、筆記型電腦及個人數位助理(PDA)。表面微機電製程運用在感應手指動作和檢驗質量的加速器感應模具(感測器)製造，微機電製程是一連串的沉積、攝影及蝕刻過程，用來隔離感測器和傳導、可動的多晶矽板。在內部應力之下，可動矽板就會變形，並產生電容變化的訊號。控制線路會將此一電容的變化轉換成電氣訊號，以便呈現感測器的加速現象。感測器的可動部分會加以密封，不暴露在外在環境中。要達成這一點，必須把蝕刻出來的空腔覆蓋晶圓用玻璃介質附加在感測器的晶圓上，被覆蓋的感測器矽晶就是所謂的G-Cell。G-Cell會與ASIC控制器溝通，提供必要的智慧功能，以便運用在安全氣囊的加速感測器。
 

本文將探討與特定感測器應用相關的封裝問題，主要以兩種不同的感測器產品應用為例，它將可突破複合感測器基礎設計和感測器封裝設計所造成的額外限制，其中之一是封裝完畢後，感測器的電氣輸出響應反而會在有效操作溫度範圍內變成非線性，且ASIC控制器無法補償修正此一非線性現象；其二則是封裝設計在操作環境範圍內會造成電氣響應的共振現象。
 

在第一個例子中，由於成本和尺寸的考量，因此選擇將G-Cell堆疊在ASIC控制器上方(圖1)。根據客戶的需求，此一新式堆疊晶圓組態在選擇MEMS封裝方式時使用四方形扁平無接腳(QFN)封裝(圖2)。

圖1　G-Cell堆疊在附掛於QFN接腳框架的ASIC上方(只顯示半剖面)。

圖2　安裝在測試基板上加速計的堆疊式晶圓QFN封裝(FEA模型的剖面)。

第二個產品研究案例是X軸加速器。客戶要求將加速器封裝在一個16接腳的小外型積體電路(SOIC)封裝內，圖3顯示沿著16接腳SOIC封裝對稱面切開的剖面圖。封裝架構由感測器模組加上一部分延伸至接近打線板的基底覆蓋共同組成。ASIC和G-Cell則以較傳統的方式並列放置，模具則附在銅質接腳框架上，一個低模係數的矽晶凝膠則附蓋在整個G-Cell上，最後才封入外模。

圖3　加速計使用16支接腳的SOIC封裝時的剖面圖

此兩例中，首先是封裝導致響應不良的問題，具挑戰之處在於必須先判斷不良響應的起因，因此必須先決定封裝設計上的考量，才能在客戶所需的操作環境範圍內保持穩定，不要產生錯誤的響應，同時又不會犧牲感應器既有的效能。最後則是反覆修改設計封裝，以便克服因為重新設計而造成的新封裝穩定性問題，同時保持感應器的響應正確性。目前已有更先進的封裝設計方法，可將各種故障模式下的封裝可靠度預測模擬和感測器效能預測相結合，以便提供堅固、價廉、精巧與可靠的封裝，能夠以完美無缺的MEMS效能滿足客戶需求。目前在各階段，預測式設計方法都已經過廣泛的測試驗證，以求縮短新產品引入時所需的時間。
 

QFN封裝面臨非線性影應挑戰
 

堆疊模具的QFN會以合格的複合材質塑造外型，但當這樣的封裝在所需的溫度範圍內測試時，卻偵測到感測器有非線性的響應輸出。由於ASIC無法補償非線性響應，因此感測器的非線性響應是無法容許的。針對封裝所進行的感測器響應分析指出，此種非線性現象是因為塑型材質在感應器應用範圍內發生玻璃移位(Glass Transition)所引起。因此特別製作玻璃移位溫度不在感測器應用範圍內的塑型材質，因此非線性現象獲得改善，但封裝的焊點可靠度卻變差，於是又結合感測器在封裝後的響應偵測、以及封裝可靠度效能預測，以模擬的方式重新設計封裝，以期符合客戶的需求。
 

QFN封裝設計須預測影像變化
 

為封裝和感測器建構完善模型的終極目標，就是要預測感測器因封裝壓力造成的響應變化。現所採的方式其實和子模型技巧很類似，就是為封裝和感測器各自建構一個有限元素分析(FEA)模型，然後用移位交錯的方式將其排列在封裝與感測器之間。此種方式提供了彈性，讓封裝可以和不同的感測器搭配、或是讓感測器和不同的封裝搭配。從感測器出來的響應可以很方便地針對溫度變化狀況或外部負載進行計算。所產生的響應曲線或曲面等於是這些變數的函數，以圖形化的方式告訴設計師如何選擇適合的材質和封裝的精確尺寸，進而減少傳感器的偏移，獲得最佳的效能。
 

在進行封裝可靠度分析時採用非線性有限元素法；預測焊接點可靠度的方法則是基於上述的損壞函數方法，設計上的變更完全經過廣泛的內部測試驗證。
 

透過測試模擬改善QFN封裝弊病
 

堆疊式模具QFN封裝MEMS元件已有多種塑模材質下的廣泛內部熱循環可靠度測試結果，皆用於焊接點可靠度預測方法的驗證。測試結果和預測的比較，都顯示在圖4的首次失敗結果中。
 

如圖4所示，焊接點的疲勞壽命預測值非常接近實驗所得數值，由於採用不同的塑型材質，讓玻璃移位的溫度範圍不再處於感應器操作的溫度範圍內，初步封裝的非線性響應因而明顯地經過修正。新的塑型材質一再經過實驗，非線性響應也逐漸消失，但是焊接點的疲勞壽命卻仍然較封裝品管要求為低，於是又進行根據封裝再測試的模擬，以便測試出能夠延長封裝疲勞壽命的封裝參數，又不影響封裝響應的線性性質。圖5顯示出修改焊接點疲勞壽命的成果，只修改塑型材質無法獲得合格的封裝，必須根據能讓感測器產生線性響應的合格封裝來選擇封裝參數，才能修改塑型材質。

圖4　預測與實驗性焊接點在使用各種不同塑模材質時的疲勞壽命比較

圖5　堆疊式模具QFN加速計封裝首次失敗的比較

SOIC封裝須避免訊號失真/結構損壞

並列的SOIC封裝是加速計較常選用的典型封裝。除了標準的封裝可靠度環境以外，安全氣囊配置感測器必須能回應車輛碰撞的動力，但不會敏感到受其所在環境的震動所影響。封裝和感測器的動力特性是非常重要的考量點，例如在特定類型的車輛應用中，若封裝有一個或多個自然模式處於或接近高能量輸入訊號的頻率，感測器的封裝輸出訊號就會失真，甚至會破壞感測器的機構。客戶會指定該種封裝必須面對的環境相關震動值。封裝的自然頻率應該高於環境可能造成的最大頻率，才能避免感測器的共振問題。為了滿足客戶的需求，G-Cell模具掛載必須換成高模數的環氧基樹酯模具掛載。此又導致偶發性的G-Cell底板模具裂縫(圖6)。但更大範圍的裂縫，只有等到可靠度測試後，才能檢查出來。

圖6　傳感器底板裂縫線的SEM影像

藉評估SOIC封裝程序提升效能
 

先進的有限元素分析法，如裂縫的機制，都是故障分析和封裝再設計時必用的方法。要評斷組裝過程中模具張力和裂縫的風險及環境測試，必須評估各個不同的封裝階段，包括覆蓋晶圓與G-Cell底板晶圓的熱壓焊、G-Cell與接腳框架的掛載點、線路的焊接、覆蓋成型(Over Molding)、焊劑反流及熱循環等。

矽晶的機構正確度非常仰賴其所經歷的每一程序，包括晶圓切割、表面處理程序(研磨、拋光、蝕刻等等)、晶圓分離成型(Simulation)等，在任何一個程序中，缺陷都會進入到模具表面或邊緣。若缺陷位置剛好符合張力所在區域，則晶圓在隨後的封裝和品管測試過程中就會變得不穩定。在破裂機制分析當中，會假設原先的缺陷就存在於底板的關鍵位置。張力釋出率G則代表裂縫增加時的能量，可定義如下式子：

其中，Γ是裂縫尖端周圍的任意路徑；W代表張力能量；Ti是牽引向量；ui則是移動向量；nx是Γ向外單位正交量的x分量。
 

所有封裝程序都會經過評估，並與晶圓焊接造成裂縫增殖時的能量相比較(圖7)。不同的模具附掛材質都會經過測試，以便評估它們對於自然頻率及能量釋出率的影響。這些多重分析都會作為選擇正確模具附掛材質時的參考，以避免模具破裂，同時符合抑制共振的條件。經過證明，該項分析對於解決問題有決定性的成效。

圖7　每個封裝程序所產生裂縫增殖的可用能量

附掛模具模數對於G-Cell自然頻率及G-Cell底板相應最大拉力的影響如圖8所示。一般發現模具的張力對於模具附掛模數，要比對於熱導度係數變動的敏感度還高。這些分析對於選擇正確的模具附掛材質十分重要，因為這些材質才有足夠的彈性，不至於破壞模具，但仍有足夠的硬度，可符合共振的限制。使用新模具附掛材質的封裝品管測試顯示，整個受測樣品都沒有模具裂縫產生。

圖8　G-Cell底板的最大張力和封裝共振頻率為模具附掛模數的函數

MEMS元件的封裝挑戰來自於MEMS元件與封裝的互動，及元件與外部環境的互動需求。因此出現兩種不同的封裝來因應這些問題。先進的模擬技術可有效判斷出非預期響應的起因，並有效地重新設計封裝環境，以解決感應器響應及封裝可靠度的問題。最終設計出價廉、小巧、高可靠度的封裝，而且MEMS的效能完美無缺。

(本文作者任職於飛思卡爾)