高量程MEMS加速度计封装工艺研究

　　0　引　言

　　高量程MEMS(micro2electro2mechanical systems)加速度传感器设计用于苛刻的撞击、爆炸、冲击场合,加速度可达几万个到几十万个标准自由落体加速度[1]。其失效模式包括传感器在无阻尼情况下的高频共振失效[2]、管壳的灾难性失效[2]等。前者可通过芯片的阻尼设计来解决;后者通过使用金属管壳大大降低失效的可能性。对芯片进行灌封也可显著提高封装可靠性。Davies等人[2]把20×104gn加速度计芯片及其互连金丝都塑封起来,与此同时,又不限制传感器中敏感结构元件的运动。目前,在高量程加速度计的封装及其失效分析方面缺乏详细深入的报道。本文对一种先进的双悬臂梁高量程MEMS加速度计的封装进行了详细的失效机理分析,提出了MEMS加速度计芯片正面、背面保护的解决办法.

　　1　实验方法

　　MEMS器件通常采用单芯片封装,这是由于器件有特殊的结构,对封装有特定的要求。高量程加速度计的单芯片封装结构如图1(a)所示。芯片的正面有硅盖板保护,而背面的腐蚀槽用聚酰亚胺膜(50μm厚)进行保护。其实例如图1(b)所示。盖板下面制作了3μm高的凸起,以便盖板与芯片粘贴时将胶粘剂挡在芯片中心区域之外。为将铝线从中心区域引出,该凸起并不围成一个完整的四边形,在焊盘一侧有3μm高的间隙通道。

　　封装工艺为:先在盖板与芯片的胶合处涂胶(除焊盘一边之外,如图1 (b)所示),并加热固化(推荐工艺为120℃保温30min),然后,用黑胶贴片并压焊,最后,在焊盘一侧对盖板与芯片的胶合处涂胶和固化。管壳内部最后被灌封起来。

　　某一批次的加速度计样品成批地出现了封装失效。失效特征为:自由落杆撞击试验中测不到输出信号,但芯片的桥臂电阻的测量结果正常。估计最可能的失效原因为胶粘剂进入悬臂梁区域,阻碍了悬臂梁的摆动。由于这批试样在灌封之前未进行冲击测试,因此,不能断定失效是在灌封之前发生还是在灌封过程中发生。为此,解剖试样,进行截面观察与失效分析。分析手段包括:

　　(1)显微镜观察:光学平面显微镜、SEM;

　　(2)成份分析: SEM电子探针成份分析。由于试样制备的困难以及所用的灌封胶中的氯和紫外胶中的硫含量都很少,所以,没有进行傅立叶红外吸收光谱分析。

　　2　结果与分析

　　2.1　胶的成份

　　封装工艺中用了3种胶:黑胶、紫外胶和灌封胶。

　　软封装黑胶通常用于集成电路的COB封装,将裸芯片包封于PCB板上。黑胶的成份分析结果为:除C,O元素之外,还有A,l S,i C,l Ca元素,质量分数分别为:A:l 4. 5% ~5. 5%, S:i 2. 1% ~2. 4%, Ca: 1. 0% ~1. 3%, C:l 0. 4% ~0. 5%。表明这种胶含有Al2O3, SiO2,CaO之类的填充料。