典型CMOS圖像傳感器力學(xué)仿真分析

李瑞媛，高會壯，吳俊嫻，李航

（1.航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心，北京 100854； 2.空軍裝備部駐北京地區(qū)第一軍事代表室，北京 100854）

引言

圖像傳感器作為將圖像信息中的光信號轉(zhuǎn)換為電信號的功能器件，借助一定的光學(xué)系統(tǒng)和外圍驅(qū)動電路及信息處理模塊，將映射到像素點(diǎn)上的信息通過光電轉(zhuǎn)換、傳輸、存儲，轉(zhuǎn)為人眼可見的圖像，廣泛應(yīng)用于數(shù)碼電子、監(jiān)控、醫(yī)療、空間探測、國防等諸多領(lǐng)域。隨著制造工藝和集成電路技術(shù)水平的提高，CMOS型圖像傳感器發(fā)展迅速[1-3]。CMOS圖像傳感器以其低噪聲、低功耗、高靈敏度、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，在高速數(shù)字成像領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前，國外的高速相機(jī)發(fā)展迅速，規(guī)格眾多，但價(jià)格昂貴，且存在技術(shù)壁壘及進(jìn)口限制，嚴(yán)重阻礙國產(chǎn)化進(jìn)程。國內(nèi)圖像傳感器應(yīng)用時間較短，相應(yīng)鑒定試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不夠完善，為加速CMOS圖像傳感器推廣應(yīng)用，提升CMOS圖像傳感器可靠性，需要更加全面了解器件性能。

CMOS圖像傳感器屬于光敏器件或稱感光器件，其封裝中通常采用一個光學(xué)玻璃蓋板對封裝腔體內(nèi)的芯片進(jìn)行保護(hù)。玻璃蓋板的作用除了保護(hù)芯片免受外部環(huán)境污染外，同時可以便于光線進(jìn)入芯片表面感光單元[4-7]。本文以CMOS圖像傳感器為研究對象，針對其力學(xué)試驗(yàn)中應(yīng)力極限等問題，進(jìn)行多應(yīng)力仿真分析，主要模擬沖擊、隨機(jī)振動等應(yīng)力環(huán)境，并完成試驗(yàn)分析。

1 COMS圖像傳感器器件三維模型建立

本文中以典型CMOS圖像傳感器為研究對象。根據(jù)所分析的問題建立物理模型，由于CMOS圖像傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，直接建模較為繁瑣，選擇將建好的物理模型通過相應(yīng)的建模軟件導(dǎo)入，之后為便于計(jì)算及分析，在建模軟件中對所需要的物理模型進(jìn)行合理化的簡化。SolidWorks作為唯一集三維設(shè)計(jì)、分析、多用戶協(xié)作以及模具設(shè)計(jì)、線路設(shè)計(jì)等功能的軟件，與ANSYS軟件接口功能完善，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換，故選SolidWorks對典型CMOS圖像傳感器進(jìn)行物理建模[8,9]。

由于CMOS圖像傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要包含封裝體、玻璃蓋板、芯片及其互聯(lián)線以及插針，若在幾何模型中包含所有結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，將會給有限元建模帶來極高的復(fù)雜度，使得在有限元網(wǎng)格劃分時，在非主要區(qū)域產(chǎn)生過多、過細(xì)密的網(wǎng)格單元，從而導(dǎo)致計(jì)算求解的時間變長甚至求解出現(xiàn)不收斂的問題。因此，對幾何模型進(jìn)行簡化，原則如下：

1）忽略芯片與基板之間的接觸熱阻，假設(shè)不同材料間接觸無縫隙。

2）假設(shè)對流換熱系數(shù)不隨溫度變化而變化，且周圍空氣溫度保持不變。

3）各材料熱導(dǎo)率為常數(shù)，不隨溫度改變而改變。

4）互聯(lián)線線程短，影響小。

根據(jù)典型CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)建立三維模型如圖1。

2 基于ANSYS的CMOS圖像傳感器有限元分析

2.1 ANSYS分析流程

ANSYS有限元分析的流程可分為三大部分:首先作為仿真的基礎(chǔ)，需要進(jìn)行實(shí)際模型的構(gòu)建以及網(wǎng)格的劃分，這兩部分皆為前處理部分。其次，需要對模型進(jìn)行分析與計(jì)算，在有限元分析軟件中，可提供的分析類型有結(jié)構(gòu)靜力、熱、動力學(xué)、電磁場等多物理場的耦合等。此外還能分析各個物理介質(zhì)之間的相互作用。最后是后處理部分，該部分有通用后處理以及時間相應(yīng)后處理兩個模塊，之后將計(jì)算結(jié)果以圖形、曲線形式等顯示輸出[10-12]。

2.2 材料屬性

器件模型結(jié)構(gòu)中材料分別認(rèn)為是各向同性、均勻分布的，材料特性參數(shù)如表1，按照表中信息設(shè)置模型各部分材料屬性。

2.3 網(wǎng)格劃分

有限元網(wǎng)格劃分直接影響著后續(xù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的精確性，應(yīng)先對模型進(jìn)行總體規(guī)劃，利用器件相應(yīng)參數(shù)構(gòu)建仿真所需的物理模型。同時，選擇網(wǎng)格單元的類型，確定劃分好網(wǎng)格的密度等。網(wǎng)格劃分之后進(jìn)行單元類型的選擇，單元的質(zhì)量是影響后期求解全過程的關(guān)鍵因素，網(wǎng)格單元類型的選取取決于模型自身的特征。再者要確定所劃分網(wǎng)格的密度，網(wǎng)格的數(shù)量會影響求解精度和速度。

圖1 典型CMOS圖像傳感器三維模型及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

表1 模型各部分材料屬性

網(wǎng)格劃分和初期進(jìn)行模型計(jì)算求解時，先進(jìn)行粗略的分解再細(xì)化網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，在劃分過程中靈活應(yīng)用2D和3D兩種單元模式，進(jìn)行合理的搭配劃分出最符合實(shí)際且便于計(jì)算的網(wǎng)格。在ANSYS軟件中，網(wǎng)格劃分一種是自由適應(yīng)劃分，該方法一般用于較為復(fù)雜的實(shí)體或是分布于空間的自由曲面等結(jié)構(gòu)，采用網(wǎng)格數(shù)量、邊長以及曲率控制網(wǎng)格質(zhì)量；另一種是網(wǎng)格映射劃分策略，該方法更實(shí)用于規(guī)則的幾何模型。對于本文所研究的COMS圖像傳感器，由于其本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此，在此選擇手工劃分的方法而不使用自動網(wǎng)格劃分，采用手工劃分更容易滿足仿真精度要求[13]。

此外，所劃分的網(wǎng)格粗細(xì)程度不僅影響到計(jì)算誤差，還對計(jì)算時間和計(jì)算機(jī)容量有一定的要求。為得到較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，需要先選定合適的劃分密度，進(jìn)行一次求解。之后使用上一次所劃分的密度的2倍劃分并進(jìn)行求解。兩次計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比與分析，如果未能明顯看出兩次結(jié)果差異，則證明所選用的網(wǎng)格密度是合適的，能夠滿足計(jì)算的要求。但是如果差異較為明顯，那么證明所劃分的網(wǎng)格密度不能實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，需要不斷細(xì)化，細(xì)化方法同上。在劃分網(wǎng)格時，每個部分的網(wǎng)格可以被劃分成不同的大小，可以進(jìn)行分區(qū)域劃分，如果有某些區(qū)域不夠合理，則對該區(qū)域進(jìn)行局部調(diào)整即可。對COMS圖像傳感器器件模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并完成網(wǎng)格傾斜度檢查，得到網(wǎng)格平均尺寸為0.808 55，符合大于0.7，單元質(zhì)量合格。

2.4 沖擊仿真分析

2.4.1 載荷的施加

根據(jù)器件手冊中沖擊加速度一般為5 000 g，為得到明顯的變化趨勢，可設(shè)置加速度梯度為5 000 g、10 000 g、15 000 g、20 000 g進(jìn)行仿真。下面以5 000 g為例設(shè)置加速度曲線。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中所采用的實(shí)驗(yàn)裝置加速度曲線一般為正弦曲線，這里仿真時間設(shè)置為10 s。

2.4.2 仿真結(jié)果

圖2為加速度為5 000 g的仿真結(jié)果，最大應(yīng)變?yōu)?.008 741 8 mm。

各坐標(biāo)軸應(yīng)力圖如圖3， x、y、z軸最大應(yīng)力分別為15.01 MPa、2.570 9 MPa、13.327 MPa。

玻璃主要受力、應(yīng)變情況如圖4。

圖5是當(dāng)加速度變?yōu)?0 000 g時的情況，最大應(yīng)變?yōu)?.017 496 mm，相比5 000 g時多了0.008 754 2 mm，翻了一倍。

各坐標(biāo)軸應(yīng)力圖與圖3相似，仿真結(jié)果表面x、y、z軸最大應(yīng)力分別為30.056 MPa、5.171 8 MPa、26.689 MPa。

圖2 加速度為5 000g 的仿真結(jié)果

圖3 坐標(biāo)軸應(yīng)力圖

下面繼續(xù)做15 000 g和20 000 g加速度仿真后得到數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?。

將表2中數(shù)據(jù)繪制變化曲線圖，最大應(yīng)變變化趨勢如圖6所示。隨著加速度上升，應(yīng)變與應(yīng)力隨之呈線性上升趨勢，應(yīng)變每隔5 000 g增量在0.008 9 mm左右。應(yīng)力也隨著加速度的增加，處于增大趨勢，每增加5 000 g，x軸增大約 9～15 MPa， y軸增大約 3～4 MPa， z軸增大約8～13 MPa。而且主要應(yīng)力集中在表面玻璃四邊處，應(yīng)變在玻璃中間。因此，在實(shí)際試驗(yàn)中，器件表面玻璃蓋板最容易受力破裂。

2.5 隨機(jī)振動仿真分析

2.5.1 振動分析必要性

振動對電子設(shè)備的破壞性影響主要分為以下兩點(diǎn):其一，由于外界振動，器件會發(fā)生機(jī)械破壞，對于有電特性的器件，可能會發(fā)生電參數(shù)超差，性能下降等不同程度的危害。其次，機(jī)械振動會產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，如果所受力物體強(qiáng)度和硬度足夠，則不會有太大影響。若是設(shè)備本身強(qiáng)度不足以承受該振動所產(chǎn)生的機(jī)械力，則會發(fā)生不同程度的變形亦或是機(jī)械損壞。由于沖擊是一種瞬時加速度很大的作用，其瞬間作用力也會很大，如果作用于質(zhì)量較大的元器件上，損失會很嚴(yán)重。此外，如果是連接性組件，若連接不夠可靠也會發(fā)生形變作用而受到損壞[14]。

2.5.2 隨機(jī)振動參數(shù)分析

隨機(jī)振動作為一種波形雜亂的振動，其由若干正弦振動組成，在給定時刻中期瞬時值不確定，隨時間變化波形不規(guī)律。各正弦振動的振幅與相位變化隨時間變化具有不可預(yù)測性。通常所采用的振幅、相位以及頻率等參數(shù)不適用與隨機(jī)振動模型。在隨機(jī)振動計(jì)算分析中，一般涉及的參數(shù)主要是試驗(yàn)頻率范圍（Hz）、功率譜密度（g2/Hz）、功率譜密度的頻譜、總均方根加速度（Grms）、試驗(yàn)時間等。

圖4 表面玻璃受力情況

2.5.3振動分析方法

CMOS圖像傳感器在實(shí)際應(yīng)用過程中的環(huán)境大部分狀況下是隨機(jī)載荷，載荷大小及位置是不固定的，不可預(yù)測的。如果器件受到了較大的應(yīng)力，且該應(yīng)力作用在器件上有一定的時間積累的時候，器件就會存在受力疲勞，嚴(yán)重的會存在破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，對其隨機(jī)疲勞壽命進(jìn)行仿真分析。利用ANSYS隨機(jī)振動分析功能對器件振動環(huán)境下所引起的疲勞分析的方法為采用名義應(yīng)力法，該方法是遵循S-N曲線來估算器件壽命的方法，通過該曲線方法可以直接求解得出總壽命。

圖5 加速度為10 000 g的仿真結(jié)果

表2 加速度沖擊結(jié)果

圖6 沖擊應(yīng)變趨勢圖

2.5.4 載荷的施加

標(biāo)準(zhǔn)GJB150A-2009對設(shè)備的隨機(jī)振動環(huán)境做了規(guī)定，將隨機(jī)振動環(huán)境分為運(yùn)輸引起的振動和使用引起的振動[15]。功率譜密度曲線所呈現(xiàn)的即外界不同的環(huán)境條件，在ANSYS中具有功率譜密度分析（PSD）工具，該方法可以對隨機(jī)振動響應(yīng)進(jìn)行仿真，利用這種仿真的方式去模擬設(shè)備在實(shí)際試驗(yàn)過程中所展現(xiàn)的一系列行為。本文選取標(biāo)準(zhǔn)中的功率譜密度曲線為輸入譜，利用此輸入譜計(jì)算系統(tǒng)響應(yīng)的功率譜密度曲線[16]。隨機(jī)振動量級要求不小于50 Grms，故選擇50 Grms為仿真量級。

2.5.5 仿真結(jié)果

首先對模型進(jìn)行6階模態(tài)分析，仿真分析結(jié)果可得出6階模態(tài)頻率分別為15 412 Hz、28 565 Hz、33 198 Hz、45 146 Hz、49 104 Hz與 59 852 Hz。

試驗(yàn)環(huán)境要求振動量級需大于50 Grms，由Grms與PSD的關(guān)系，設(shè)置PSD為50 g2/Hz，根據(jù)GJB 150中噴氣式飛機(jī)振動環(huán)境，頻率選擇50～2 000 Hz。應(yīng)變結(jié)果如圖7, x、y、z軸應(yīng)變分別為3.997 7 e-5mm、0.000 529 22 mm、 3.574 7 e-5mm。主要應(yīng)變集中在y軸向，玻璃蓋板表面。

圖8為隨機(jī)振動等效應(yīng)力圖，由圖可知應(yīng)力集中在玻璃蓋板上，且最大應(yīng)力為0.898 32 MPa。

載荷設(shè)置為50 Grms、60 Grms、70 Grms、80 Grms、90 Grms和100 Grms。結(jié)果如表3所示。

PSD每增加10 g2/Hz，x軸應(yīng)變增加4 e-6mm，y軸增加0.000 04 mm，z軸增加4 e-6mm，應(yīng)力變化趨勢如圖9所示。隨著振動量級增加，應(yīng)變與應(yīng)力隨之增加，應(yīng)力每隔10 Grms，應(yīng)力增量在0.1 MPa左右。

3 試驗(yàn)分析

根據(jù)GJB 548B-2005進(jìn)行恒定加速度試驗(yàn)，試驗(yàn)中加速度達(dá)到5 000 g時表面玻璃破裂失效。通過對碎裂玻璃進(jìn)行掃描電鏡能譜分析（如圖10），顯示其成分為鋁硅酸鹽玻璃[17]（玻璃蓋板成分分析見表4）。該型玻璃材料在“高過載、強(qiáng)沖擊”等應(yīng)力環(huán)境下，存在較大破裂失效風(fēng)險(xiǎn)，與仿真結(jié)果一致。

圖7 坐標(biāo)軸應(yīng)變

圖8 隨機(jī)振動等效應(yīng)力圖

表3 隨機(jī)振動

圖9 隨機(jī)振動應(yīng)力變化

圖10 部分玻璃碎片掃描電鏡圖

表4 玻璃蓋板成分分析

4 結(jié)語

本文引用有限元仿真方法，建立了典型CMOS圖像傳感器仿真模型，并對其進(jìn)行了沖擊和隨機(jī)振動載荷下的仿真分析，發(fā)現(xiàn)表面玻璃蓋板應(yīng)力應(yīng)變集中，在實(shí)際應(yīng)用中容易發(fā)生破裂。隨后在試驗(yàn)中當(dāng)加速度為5 000 g時器件表面玻璃碎裂，實(shí)際裂紋位置與仿真結(jié)果基本吻合。通過對玻璃蓋板破裂部分進(jìn)行能譜分析，得出其主要成分為鋁硅酸鹽，表明該器件玻璃蓋板工藝待改進(jìn)，建議后期采用更高強(qiáng)度的材料，提高器件可靠性，以滿足器件在不同環(huán)境下的使用需求。