MEMS加速計的SOIC封裝技術(shù)研究

李 輝，廖巨華，須自明

（1.飛思卡爾半導體中國研發(fā)中心蘇州分部，江蘇 蘇州 215011；2.江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心教育培訓中心，江蘇 無錫 214000；3.中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

MEMS（微機電系統(tǒng)）是集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處理和控制電路等于一體的微型器件或系統(tǒng)。它能夠?qū)⑽锢硇盘栟D(zhuǎn)換為電學信號或?qū)㈦妼W信號轉(zhuǎn)換為物理信號，實現(xiàn)從信號的取樣、處理到執(zhí)行的整體集成。它是微電子學、材料學、力學、化學、傳感器、自動控制等多學科交叉的產(chǎn)物。MEMS傳感器有著廣泛的應用，其中MEMS加速計作為重力感應傳感器長期用于工業(yè)控制。近年來，MEMS加速計被進一步應用到了消費電子中，如手機、筆記本電腦、游戲控制器等。MEMS加速計的制造需要經(jīng)過兩種不同的流程——傳感器制成和封裝流程，雖然MEMS封裝的基本技術(shù)是從微電子封裝發(fā)展而來的，但是由于MEMS的特殊性和復雜性，其封裝與微電子封裝有著很大區(qū)別。對于傳統(tǒng)芯片來講，封裝的功能是對芯片和引線等內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供支撐并保護，使之不受外部環(huán)境的接觸和腐蝕破壞；而對于MEMS封裝，除了要具備以上功能外，MEMS器件還要與測試環(huán)境之間形成一個接觸界面并獲取非電信號，而外部環(huán)境的復雜性對靈敏度很高的MEMS敏感元件來講都是具有破壞性的，例如機械力(應力、擺動和沖擊等) 、化學反應(氣體、濕度和腐蝕介質(zhì)等) 、物理變化(溫度、壓力和加速度等)都會干擾甚至損壞MEMS內(nèi)部的微機械或者微電子芯片。嚴苛而復雜的要求使得封裝占到了MEMS制造成本的50%以上[1]。MEMS加速計產(chǎn)生的任何失真，如達到過度的封裝壓力或振動，都會導致在重力感應算法中得到錯誤信號。重力感應器必須響應對應的力量，同時隔離設備所在環(huán)境的震動反應。因此傳感器的力學特征是非常重要的考慮因素。在一些工業(yè)應用中，振動信號的頻率可以很高，如果封裝中的固有頻率與高能量輸入信號的頻率相近，傳感器的封裝輸出信號將會失真，甚至會使傳感器受到物理損傷。

為了解決共振導致的封裝問題，通常會采用罐封的方式，并使用了硬固晶膠。但由于使用硬固晶材料而造成的芯片斷裂，會導致PPM性能大幅降低。本文所研究的SOIC封裝的MEMS加速計是通過在硅基片上進行表面微機械加工制作的，它比同等的DIP封裝減少約30%～50%的空間，厚度方面減少約70%，其中ASIC（專用集成電路）芯片和感應單元并排放置，經(jīng)過實驗測試，得到了工藝和材料對芯片斷裂的影響因子，并提供了對這一問題的更好的解決方案。

2 MEMS加速計的SOIC封裝技術(shù)研究

2.1 SOIC封裝技術(shù)及故障分析

2.1.1 SOIC封裝

小外形集成電路封裝（Small Outline Integrated Circuit Package，SOIC）的外引線數(shù)不超過28條，一般有寬體和窄體兩種封裝形式。其中具有翼形短引線者稱為SOL器件，具有J型短引線者稱為SOJ器件。SOIC是表面貼裝集成電路封裝形式中的一種，與其對應的DIP（雙列直插式）封裝有相同的插腳引線。對這類封裝的命名約定是在SOIC或SO后面加引腳數(shù)。例如，14pin的4011的封裝會被命名為SOIC-14或SO-14。SOIC實際上至少參考了兩個不同的封裝標準。EIAJ標準中SOIC的寬度大約為5.3 mm，而JEDE標準中SOIC的寬度大約為3.8 mm[2]。相對來說，EIAJ封裝尺寸更厚，且稍微更長一點，在其他方面封裝尺寸是相同的。SOIC封裝比DIP封裝更短而且更窄，對于SOIC-14來說，兩側(cè)引腳距離大約為6 mm，且封裝體寬為3.9 mm。這些尺寸根據(jù)不同的SOIC封裝會略有不同。這種封裝兩側(cè)有翼型引腳，并且兩個引腳間距為1.27 mm。

圖1 SOIC封裝圖

圖1展示了18引線SOIC封裝的成品封裝俯視圖及其加速計的橫切面。封裝內(nèi)有一個傳感器芯片，傳感器芯片與一個外罩粘合在一起，一部分外罩延伸至靠近焊線墊的基片上。ASIC和感應單元并排放置在一起，芯片被連接到銅引線框架上。在進行超模處理前，使用極低模量的有機硅凝膠覆蓋在整個感應單元上。

在應用領域，在振動環(huán)境中要求封裝的固有頻率要大于20 kHz，從而避免傳感器產(chǎn)生共振的相關問題。為了滿足這種要求，采用高模量環(huán)氧固晶膠D替換通常的4點軟固晶膠A，但是產(chǎn)生了低PPM性能問題，測試發(fā)現(xiàn)感應單元的基片芯片出現(xiàn)破裂[3]。如圖2所示，裂紋分布于整個有源器件。斷面分析顯示，裂紋從感應單元基片的頂部開始，沿著基片、玻璃熔塊和外罩之間的接觸面延伸。裂紋通常是從切割邊開始，一些部件只有一個斷裂起點，而其他的部件有多個斷裂起點。因此需要研究的是引起感應單元芯片斷裂的原因，并且是否可以重新設計封裝，使其更加堅固可靠。

在故障分析和封裝重新設計時本文采用了有限元分析方法。對于暴露于外部環(huán)境期間的芯片的應力和斷裂風險，采用了兩種方法來評估，一種方法是常規(guī)的應力分析，另一種是基于斷裂力學分析。需要分析的階段包括外罩晶圓與感應單元基片晶圓間的粘合、感應單元與引線架的連接、引線粘結(jié)、超模壓、回流焊接和熱循環(huán)。

圖2 感應單元基片上的裂紋圖

2.1.2 常規(guī)應力分析與斷裂力學分析

常規(guī)應力分析用于確定不同封裝階段高應力存在的位置。因為外罩晶圓與濕法腐蝕工藝存在一個約54°的角度，因此存在幾何不對稱性以及一個應力奇異性[4]。這一區(qū)域的應力量級對網(wǎng)狀敏感，并且會隨著網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的加密而升高，但是應力分布是有效的。高應力位置區(qū)域與觀察到的斷裂起始位置正好是重疊的。

硅片的機械完整性主要取決于它所經(jīng)歷的工藝處理技術(shù)。這些工藝處理包括晶片磨薄、表面處理工藝。在進行這些工藝加工時，芯片表面或邊緣可能會存在缺陷。如果出現(xiàn)缺陷的位置正好在應力奇異性區(qū)域，那么芯片在后續(xù)的封裝過程和鑒定檢測期就容易產(chǎn)生可靠性的問題。在斷裂力學分析中，是以假設基片的關鍵位置已經(jīng)存在缺陷為前提的。假設裂紋尺寸大約為芯片厚度的1/300，應變能釋放率G是指促使裂紋擴展的能量，其計算公式為：

其中，Γ為圍繞裂紋尖端的任意路徑，W指應變能，Ti是牽引向量；ui是位移向量，nx是Γ上的外向單位法向量的x部分。

圖3顯示了在進行晶圓粘合期間裂紋擴展的能量?？梢钥闯?，對于當前使用的固晶材料D，回流焊接是導致擴展裂紋的最主要工藝。實驗使用了固晶膠A設計，沒有出現(xiàn)裂紋。從圖3可以看出，與使用固晶D相比，使用固晶A時的裂紋擴展的可能性非常低。然而，當封裝安裝在板卡上時，固晶膠A會引起共振問題。因此，要解決這個問題，在選擇合適的固晶膠的同時，必須確保芯片不會出現(xiàn)裂紋且不會引起共振。

圖3 每個封裝工藝產(chǎn)生的裂紋擴展能量

因為固晶材料會引起芯片的裂紋，因此需要對不同材料進行評估。最初使用的固晶A在7 kHz的頻率下會引起感應單元出現(xiàn)共振，這會導致信號失真故障。之后用固晶膠D代替了固晶膠A，固晶膠D的共振頻率為400 kHz，就不會引起信號失真。然而，固晶膠D會對已經(jīng)存在裂紋的芯片產(chǎn)生影響。因此，需要根據(jù)共振頻率和剛性尋找一種適用的固晶材料。

2.2 固晶材料的研究

本文的MEMS加速計采用了活動基板和固定基板并存的結(jié)構(gòu)。一旦感應單元的頻率達到其閾值，MEMS中板就會以機械方式碰撞制動裝置，防止碰到感應板的頂部和底部，從而避免引起靜摩擦和短路。加速計活動過程會使MEMS器件出現(xiàn)位移，對頂板和底板的制動裝置產(chǎn)生不對稱的作用力，這會使高加速輸入信號出現(xiàn)輸出失真。在固晶共振頻率下，信號失真會數(shù)倍增加[5]。

表1列出了各種固晶材料的屬性，并針對給定固晶膠和產(chǎn)生的封裝共振頻率進行了分析。這些材料分屬兩種特殊類別。硬固晶膠如固晶膠D滿足封裝共振條件，但是會引起芯片裂紋。軟固晶膠如固晶膠A不會引起芯片裂紋，但是封裝不符合共振要求。

針對以上材料的不足，需要研究理想的固晶材料的屬性的范圍，以及對封裝共振頻率和芯片應力的影響。圖4給出了根據(jù)固晶模量計算的感應單元的固有頻率，以及感應單元基片承受的相應的最大張應力。

從圖4可以看出，模量接近10的固晶材料具有較低的芯片應力，并且滿足了共振頻率要求。為了確保采用新固晶膠的芯片的共振性能足夠滿足上述要求，我們對材料模量隨溫度的變化進行了測量，同時進行了動態(tài)力學分析（DMA），對測試樣本進行了一定處理，將材料放到一個扁平的預成型的腔中進行固化處理，然后測試樣本隨溫度的變化數(shù)據(jù)。圖5顯示了材料的模量。

表1 材料特性和各種固晶的固有頻率

圖4 根據(jù)固晶模量計算得出的感應單元基片的最大張應力和封裝共振頻率

圖5 固晶膠E的存儲模量

固晶E的固有頻率是大于20 kHz的，此外，圖3顯示了固晶E的裂紋擴展能量與固晶A相似，因此產(chǎn)生芯片斷裂問題的概率較小。因此，固晶膠E可以替換固晶膠D，因為它非常柔韌，不會使芯片斷裂，同時也具有足夠的硬度，容易滿足共振的要求。對這種新的固晶材料進行鑒定檢測和試封裝后發(fā)現(xiàn)，整個測試樣本中沒有出現(xiàn)任何芯片斷裂。

3 總結(jié)

經(jīng)過以上實驗分析，針對MEMS加速計的SOIC封裝的完整工藝流程進行了評估以了解造成低ppm水平芯片斷裂的裂紋擴展和傾向，找出了具有危害性的關鍵工序。引起芯片斷裂的主要參數(shù)是感應單元固晶膠的硬度。目前使用的固晶膠D非常容易使感應單元基片芯片出現(xiàn)斷裂。通過反向工程確定了可以同時滿足感應單元固有頻率和封裝可靠性要求的固晶材料。采用固晶膠E后，MEMS加速計的SOIC封裝呈現(xiàn)出更加強韌的特性。這對于MEMS傳感器特殊封裝技術(shù)的研究有著借鑒意義，對降低MEMS傳感器制造成本、擴大應用領域、推進傳感器的快速發(fā)展有著現(xiàn)實意義。

[1]蔡梅妮，林友玲，車錄鋒. 用于器件級真空封裝的MEMS加速度傳感器的設計與制作[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2012，12.

[2]Hsu, T R. MEMS Packaging[M]. T R. Hsu, Institute of Electrical Engineers, United Kingdom, 2004.

[3]Hsu, T R. MEMS and Microsystems Design and Manufacture[M]. McGraw-Hill, 2002.

[4]Tai-Ran Hsu. RELIABILITY IN MEMS PACKAGING[C].44th International Reliability Physics Symposium, San Jose, CA, March 2006. 26-30.

[5]MEMS Reliability Newsletter on MEMS Fatigue[EB/OL].Exponent, 2001,1(1). www.exponent.com/practices/MEMS/MEMS v1 1.pdf.