改善MEMS加速计高压釜测试弊病　FA改良设计对症下药

为消除MEMS加速度计经由高压釜测试后，因补偿值改变造成封装应力、电阻漏失与产生寄生电容变更三大失败机制的弊端，产业界现正透过FA技术深究背后主因，并根据FA测试结果，分别提出解决之道，以强化产品的性能。
微机电系统(MEMS)加速计在经过高压釜测试后，往往有补偿值变动的现象。微机械感测器所独有的可能失败机制有因补偿值变更而导致的封装应力、电阻漏失(Ohmic Leakage)及寄生电容变更三种。同时，也会运用故障分析(FA)技术来辨认高压釜测试失败的真正起因。根据FA测试的结果，进行修正动作，即藉由提出不同的设计技术，以改善产品韧性，解决高压釜测试失败问题。  

高压釜测试导致补偿值异动

高压釜测试又称为压力锅测试，是一种常见的品管测试程序，专门用来测试必须用在严苛环境中的元件。至今，汽车安全业界才开始运用此一程序来测试安全气囊感应器所使用的MEMS加速计，为进行此一测试，元件必须在断电情况下，储存在气压15psig、120℃、湿度100%的受控环境密室中达96凛168小时。然后在高压釜时间结束后，于室温下再度测试。  

尽管感测器的感应架构为预防湿气侵入，系在密封环境下进行封装，然MEMS加速计并非能完全抵抗高压釜的压力，因塑胶封装仍有可能在高压与过潮情况下吸收水分。为测试加速计对于高压釜的感应，针对八十个MEMS加速计施以高压釜测试。如图1所示，加速计由MEMS感应单元(G-cell)和控制用特定应用积体电路(ASIC)组成，并组装在一个四方形扁平无接脚封装(QFN)内，再加上堆叠式晶片封装。G-cell系以飞思卡尔的双复合(Two- poly)表面微机械流程制造、再用玻璃介质晶片接合方式密封在一个真空腔内。  

图1 MEMS加速计：(a)为QFN封装外观(未显示塑模外盖)，(b)为雷射扫描显微镜下的G-cell晶片外观。
高压釜测试结果显示，有九个元件无法通过25℃下的规格测试，亦即补偿值变动在9位元输出时，必须低于±26次。未通过测试的元件，其最大补偿值变动达到 -48/+39次。若将测试时间延长至168小时，未能通过测试(亦即同样会发生补偿值变动的现象)的元件数量还会再增加。此外，发现这些元件在-40℃ 及125℃时的补偿值变动会较少，以及失败的元件会呈现「自我还原」的现象，亦即随著处于空气中的时间增加、逐渐恢复原本的规格。若在一般气压下将元件施以120℃的烘烤，还原速度还会加快。换言之，失败跟复原过程是可逆的，且可一再重复。  

为分辨高压釜测试造成失败的真正起因，绘制一份错误分析鱼骨图(图2)，藉以详细检视所有可能造成补偿值在高压釜测试环境下变动的诱因(湿气、压力、温度等)。设计与制造程序则从封装、ASIC、感测器及测试四个关键面向检查，找出三种微机械感应器所独有的可能失败机制，分别是因封装应力造成的补偿值变动、电阻漏失及寄生电容变动。  

图2 高压釜测试失败分析鱼骨图

封装应力效应影响元件/封装设计

众所周知，环氧树脂塑型化合物(EMC)材质会吸收湿气，因潮湿而发生膨胀。经超音波扫描显微镜(C-SAM)检测也发现，在塑型化合物与铅框架之间也会出现过度脱离现象。这些变化会影响封装及G-cell的应力状态，于是造成补偿值偏移。以有限元素分析(FEA)封装模型(图3)来模拟这种应力变动造成的效果，该模型将EMC与铅框架之间的非对称脱离纳入考量。同时假设当最后达到平衡、水气吸收超过0.54%时，会有0.15%的潮湿变形。  

图3 EMC潮湿膨胀的FEA模拟
FEA模拟结果显示，感测器检测质量的位移是相当对称的，并不像封装那样因脱离及潮湿变形而发生的非线性位移。根据模拟显示指出，因潮湿膨胀而造成的补偿变动与125℃时由于热张力造成的程度相仿。由于封装应力造成的最大补偿值变动预计只有四次(最坏状况)，于是以雷射蚀刻移除测试失败元件的G-cell 晶圆外包覆的大部分EMC材质(图4)。如此做的动机，在于封装的应力区域应会显著变形，因此若元件对于封装应力敏感，则应也会导致补偿值变动。但根据测试结果显示，当大部分的EMC移除后，元件只有非常小幅的补偿值变动。此符合先前FEA的预测，亦即EMC的潮湿膨胀与补偿值变动的关系不大，因此封装应力因素可从造成高压釜测试失败的肇因中剔除。  

图4 分解以便排除封装应力可能为肇因之分析

虽然研究显示封装应力并非高压釜测试失败的主因，它还是值得一提，因为它会影响对应力较不敏感的元件/封装的设计。若封装潮湿变形十分明显，那么当感测器设计不当时，此点即有可能变成导致高压釜测试失败的主因。  

间接漏失技术测试漏失效应

环氧基树脂材质的绝缘特性也会随著水气吸收而变。环氧树脂/玻璃/云母(Mica)化合物在吸入水气后(多达1%)，会导致108倍以上的大规模电阻降低。此外，虽然高压釜使用的是去离子水，但是从测试环境空气中凝结而来的水分仍可能污染封装材质内部，形成不同电位导体之间的漏失路径。  

MEMS感测器的处理步骤也可能造成潜在的漏失路径。氧化物蚀刻步骤中所使用的氢氟酸，也可能留下残馀的氟离子。此外，密封用材质(玻璃介质)也富含氧化铅，在特定情况下，可能会沉淀而形成导电的节点。图5的扫描式电子显微镜照片显示玻璃介质结合区域已出现导电节点丛(虽然电子能谱仪分析无法分辨是铅还是氧化铅)。  

图5 玻璃介质结合区域的扫描式电子显微镜照

值得注意的是，在「热线」与接地端之间的电阻漏失，也可能造成补偿值变动。Σ△调变器前端会取样差异电容(亦即G-cell)所储存的电荷。理想来说，当 G-cell充电已达参考电压Vref，电荷便会通过累积电容，不会再随时间变动。但是，若在充电电极(或热线)与接地端之间存在漏失路径，电荷便不会全数前往累积电容而是漏往接地端，结果积少成多，最后形成补偿值偏移。  [!--empirenews.page--]

要直接测量漏失(>1Gohm)并不容易。在高压釜测试前后以曲线逼近法测量脚位之间的电流-电压，亦无法明显呈现出脚位之间的电阻变化，因此必须改采间接漏失测量技术。此种方式系以调变器频率扫描测量为基础，调变器频率为8M～1MHz，而每次时脉频率变动时便测量补偿值。图6显示的就是频率扫描测量的结果，测量结果发现，测试失败装置的补偿值(装置编号1718与1079)会随调变器时脉频率变动，但是良好的元件(元件编号533与1121)则大致保持同样的补偿值。这种现象的理论根据是，在固定直流漏电下，累积间隔时间越长(时脉频率低)，能累积的电荷量便越少。  

图6 调变器频率扫描测量结果

频率扫描结果似乎显示补偿失败与漏失有关，因为累积的电荷量会随著累积时间而变，发生漏失时，问题仍然存在。为辨认漏失位置，进行FA作业，以雷射及化学蚀刻选择性地移除特定部位的EMC材质。结果发现，将EMC材质从G-cell结合区域移除(图7)，漏失模式(补偿值与调变器时脉频率的相依性)便消失。此证明漏失路径的确存在于结合板区域。它也证明漏失是由于高压釜环境的凝结水及其中的离子而来，漏失可能存在于多晶矽滑槽(Runners)、或是位在滑槽和G-cell导体外盖之间。  

为消除直流漏失，建议以氮化矽钝化层覆盖多晶矽滑槽，藉以修正设计。具备钝化层设计的制造与高压釜测试将会在下一次进行。  

图7 分解以便显示漏失位置

增加感测器敏感度以避免寄生电容

虽然先前的FA作业显示错误部分与漏失行为有相当密切的关联，但并不代表漏失是唯一(或主要)的测试失败因素。事实上，因高压釜造成的寄生电容变化也不可忽视。寄生电容(结合线材之间)可根据公式1大略估得，数值约为50fF。  

(公式1)  

公式l代表结合线材长度、r代表线材半径、d代表两线之间的距离、Epsilon代表EMC的绝缘系数(在乾燥与高压釜测试后)。  

与电阻一样，EMC材质的绝缘系数也会随著水气吸收而变动。在乾燥时与吸足水分后，绝缘系数的变动可能高达两位数。此一效应在低频时(<1Hz)更为明显；在高频时，差异通常较小。MEMS加速计的QFN封装所使用的特定EMC材质在测试时，所接受的高压釜测试条件与MEMS元件是一致的。表1显示 EMC材质的绝缘系数在测试前后约会增加2.8%。  

EMC绝缘系数的2.8%变化会导致1.4fF的电容变化。如此细微的电容变化是无法以电感、电容、电阻(LCR)测量计加以测量，但是已经足够造成9位元输出十五次的补偿值变动。高压釜测试产生的寄生电容变动难以控制，因为它原本就是EMC材质的本质之一。然而，仍有数种设计方式可以减缓这些问题，其中之一就是增加感测器敏感度，因此所需的调变器增益便较低。这是从不同的MEMS加速计两倍敏感度设计验证所得，后者在高压釜测试后的表现亦较佳。其他方式还有使用不同的前端/架构设计，以消除外盾节点与中间节点之间的耦合，这样感应节点与外盾节点间的寄生电容便不会影响补偿值。  

失败机制解决方案出炉

总结来说，三种会导致MEMS加速计的高压釜测试失败的机制都已探讨过，每一种错误机制也都使用FA技巧(同时透过模型和测量)及改良设计。封装应力已被排除在肇因之外，G-cell的漏失则已透过调变器频率扫描测量获得确认，寄生电容也已根据EMC材质的绝缘性质测量进行研究，各界咸认漏失及寄生电容的变化皆为元件高压釜测试失败的起因。针对每一种肇因的设计方案也已提出，一旦这些改善方案就绪，将会与测试结果一并提出。  

(本文作者任职于飞思卡尔)