介紹
高壓滅菌器測試也叫高壓鍋測試，是惡劣環境所用的器件通常都要求進行的一種質量測試。 直到最近，汽車安全行業才開始提出高壓滅菌器測試要求，以檢驗用于氣囊傳感器的 MEMS加速計 [1]。為了進行此測試，器件在環境試驗箱不帶電存儲96/168小時，環境試驗箱的氣壓為15psig、溫度為120oC，相對濕度為100%。高壓滅菌器經過一定的暴露時間后，器件在室溫下重新測試。
盡管傳感器的傳感結構在密封環境下封裝，以防止水分入侵，但MEMS加速計仍要承受高壓滅菌壓力，因為塑料包裝材料可在過壓和過濕條件下吸收水分。要測試加速計對高壓滅菌器壓力的易感性，我們將80個 MEMS加速計置于高壓滅菌器測試條件下。如圖1所示，加速計由MEMS傳感單元（g-cell）和控制ASIC組成，采用堆疊芯片結構組裝在一個QFN 封裝中。傳感單元由飛思卡爾二聚表面微流構成，使用玻璃熔塊通過晶片鍵合技術密封在密封腔里。
高壓滅菌器測試結果顯示，25oC時，9個部件無法達到偏移規范，要求9位輸出的偏移變化少于+/- 26個計數。失效部件的最大偏移變化是-48/+39個計數。 當部件進行168小時測試時，發現了更多器件失效（與偏移變化的失效行為相同）。還發現這些部件在-40oC 和125oC下具有較小的偏移變化和較緊湊的分布。失效器件還顯示在空氣中暴露一段時間后，出現緩慢回歸規范的“自愈”行為。在正常大氣條件下進行120℃焙燒，可以加速恢復過程。失效和恢復流程是可重復和可逆的。
圖 1. MEMS 加速計： (a) QFN 封裝視圖（模具帽未顯示）；(b) LSM角度的傳感單元芯片視圖
為了確定高壓滅菌器失效的根源，我們創建了一個失效分析魚骨圖（圖2），全面查看高壓滅菌器測試條件下（濕度、壓力和溫度）偏移變化的所有可能原因。從以下四個主要方面審查了設計和制造工藝：封裝、ASIC、傳感器（g-cell）和測試。因此發現了微機械傳感獨有的三種失效機理。這三種機理是：
- 導致偏移變化的封裝應力
- 電阻漏電
- 寄生電容變化
II. 封裝應力影響
環氧樹脂塑封（EMC）材料能吸收水分，且吸熱會膨脹 [2]。掃描聲學顯微鏡（C-SAM）檢測還揭示，復合模具和引線框架之間出現過多分層。這些變化會改變封裝和傳感單元的應力狀態，從而引起偏移變化。FEA 封裝建模（圖3）用于模擬這種應力變化的影響。這個模型考慮了 EMC 和引線框架之間的非對稱分層。根據達到平衡時水分攝取大于0.54%這一原理，試驗還假設吸濕應力為0.15%。
圖 2. 高壓滅菌器失效分析魚骨圖
FEA 模擬結果顯示，傳感器的慣性質量位移相當對稱，但是由于分層和吸濕膨脹，封裝的位移場不對稱。模擬顯示，吸濕膨脹引起的位移與125℃時熱應變引起的位移數量級相同。 封裝應力引起的最大偏移變化預測只有4個計數（最壞情況）。
用激光蝕刻去除傳感單元周圍的主要EMC部分，進一步分析失效器件。這一做法思路是，封裝的應力場將大幅改變，如果器件對封裝應力敏感，這可能導致偏移變化。但測試結果顯示，大部分EMC移除之后，器件只有非常小的偏移變化。這一結果符合原來的 FEA預測，EMC的吸濕膨脹只會對偏移變化產生非常小的影響，封裝應力作為高壓滅菌器失效的根源被排除。
盡管研究顯示封裝應力不是高壓滅菌器失效的根源，值得一提的是，這歸因于應力不敏感傳感器/封裝設計。封裝吸濕應力非常大，如果傳感器設計不正確，可能成為導致高壓滅菌器失效的主要原因。減少封裝應力易感性的設計策略已在[3]中討論。
圖3 . EMC 吸濕膨脹的FEA模擬
圖4. 剝層分析，消除封裝應力作為失效根源
III. 漏電影響
環氧材料的介電性能也可以通過水分攝取來改變。如圖4所示，攝取水分之后，環氧/玻璃/云母復合材料的體積電阻率減少10倍以上（高達1%）。此外，盡管高壓滅菌器試驗箱中使用了去離子水，高壓滅菌器大氣的水凝結可以把封裝材料內的離子污染聚集在一起，形成不同潛力的傳感器之間的漏電通道。
MEMS傳感器的加工步驟也有助于形成潛在的漏電通道。一方面，犧牲性氧化蝕刻步驟中使用的氫氟酸可能留下氟離子。而且，密封材料（玻璃熔塊）中富含氧化鉛，特定條件下可以沉淀成導電鉛結。圖5中的SEM圖顯示了玻璃熔塊鍵合區出現的結節或團塊非常明顯（但Auger 分析不能區別它們是鉛還是氧化鉛）。
圖 5. 玻璃熔塊區的SEM圖
圖6 調制器掃頻測量結果
應該指出的是，如果“火”線和地線之間存在電阻漏電，則會出現偏移變化。∑△ 調制器前端對保存在差分電容器中的電荷（即傳感單元）進行采樣。理想情況是，當傳感單元帶有Vref電荷時，電荷傳送到集成電容器，不會隨著時間推移而改變。但是如果充電電極（或火線）與地線之間存在漏電通道，就不會將所有電荷傳送到集成電容器，電荷可能漏電到地線，導致集成的值較小，當差分電容器具有不同程度的漏電時，會出現凈偏移變化。
很難直接測量漏電（大于1Gohm）。用曲線跟蹤測量高壓滅菌器測試前后引腳之間的I-V，不顯示引腳之間有明顯的電阻變化。于是采用間接漏電測量方法。這種方法主要測量調制器的掃頻。調制器時鐘頻率為8-1MHz不等，在每個時鐘頻率點取偏移值。圖6顯示了掃頻測量的結果。測量發現，失效器件（器件1718和器件1079）的偏移隨著調制器時鐘頻率而不同，但正常器件（器件533和1121）則保持大致相同的偏移。這種現象的原因是固定直流電漏電，較長集成時間（較低時鐘頻率）會導致集成的電荷值較小。
掃頻結果似乎說明偏移失效與漏電有關，因為要集成的電荷量隨著集成時間而變化。問題是，漏電發生位置在哪里？為了找出漏電位置，執行了FA操作，通過激光蝕刻和化學蝕刻，選擇性地去除某些區域的EMC材料。將EMC材料從傳感單元鍵合“存放”區域去除（圖7）發現，漏電行為（偏移與調制器時鐘頻率有關）消失。這證明焊盤存放區域內存在漏電通道。由此斷定，高壓滅菌器大氣的水凝結聚集了離子，從而促進了漏電。多晶硅轉子或傳感單元導電帽之間可能有漏電。
圖7 查出泄露位置的剝層分析
為了消除直流電漏電，因此從設計上建議在多晶硅轉子上覆蓋氮化硅鈍化層，作為修復方法。 鈍化層設計的生產和高壓滅菌測試作為下一步實施。
IV. 寄生電容
盡管前面的 FA 操作已經顯示失效部件和漏電行為之間具有某種聯系，但不能認為漏電是高壓滅菌失效的唯一（或首要）根源。實際上是不能排除因高壓滅菌壓力而引起寄生電容變化。根據下列公式（圖5），寄生電容（從鍵合線到鍵合線）估計大約為50fF。
其中 l是鍵合線的長度，r 是鍵合線的半徑，d是兩條鍵合線之間的距離，εr是EMC的介電常數（干燥時和高壓滅菌測試之后）。
象體積電阻率一樣，EMC材料的介電常數也可以通過攝取水分來改變（圖4）。干燥條件和吸水條件下的介電常數變化可能高達兩個數量級。在低頻率范圍（小于1Hz），這種影響更明顯。在較高頻率范圍，差別通常小很多。測試 MEMS 加速計的 QEN封裝所用的特定EMC材料與 MEMS器件采用相同的高壓滅菌器測試條件。表1顯示了EMC材料的介電常數在高壓滅菌器壓力前后可能增加2.8%。
表1 EMC的介電性能： 96小時的高壓滅菌器測試之后
| 項目 | 體積電阻率（ohm-cm） | 介電常數 | 耗散因子（%） | |
| RT | 150C | |||
| T=0 | 5.00E+16 | 1.00E+10 | 3.6 | 0.5 |
| PCT96h | 1.00E+16 | 2.00E+10 | 3.7 | 0.7 |
EMC 介電常數出現2.8%的變化可能產生1.4fF的電容變化。如此小的電容變化要使用 LCR 儀表測量出來是不可能的，但它足以在9位輸出上產生15個計數的偏移變化。高壓滅菌器壓力產生的寄生電容變化很難控制，因為它是EMC材料特征的一部分。但有幾種設計對策可以緩解此問題。一種方法是提高傳感器靈敏度，從而只需要較低的調制器增益。我們的觀察也支持這種方法，發現用不同的MEMS加速計設計（具有2倍靈敏度）在高壓滅菌器測試中有更好的表現。另一種方法是采用不同前端/架構設計，將屏蔽節點從中間節點分離出來，這樣敏感節點和屏蔽節點之間的寄生電容不會產生偏移。
V. 結論
本文共討論了MEMS加速計的三種高壓滅菌器失效機理。分別說明了每一種失效機理的FA方法（通過建模和測量）和設計改進。排除了封裝應力作為高壓滅菌器失效的根源。傳感單元內的漏電通過調制器掃頻測量得到了確認。依據EMC材料的介電性能測量研究了寄生電容。我們認為漏電和寄生電容變化都存在于高壓滅菌失效器件中。最后還為所確定的每個根源建議了設計對策。當測試結果一出來，就會按照報告的測試結果進行這些改進。
感謝
筆者誠摯感謝飛思卡爾傳感器和制動器解決方案事業部Grusonia 和Hera項目團隊ARAL實驗室的Joseph Hon、Keith Kraver和Ryan Hooper提供的援助和支持。
參考資料
- Automotive Electronics Council, “Failure Mechanism Based Stress Test Qualification for Integrated Circuits,” AEC-Q100-Rev G, May 14, 2007.
- Stellrecht, Han and Pecht, “Characterization of Hygroscopic Swelling Behavior of Mold Compounds and Plastic Packages”, IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, Vol. 27, 2004.
- Lin and McNeil, “An Optimized Design of MEMS Capacitive Teeter Totter Acceleration Transducer”, Freescale Analog RF Mixed-Signal Sensors & Microsystems Technical Enrichment Matrix Workshop, Jan 10, 2008
- Gonon, et al., “Effects of Hydrothermal Aging on the Dielectric Properties of Epoxy Composites”, 7th international conference on Properties and Applications of Dielectric Materials, Nagoya, June 2003.
- Ulaby, “Fundamentals of Applied Electromagnetics”, 5th Edition, 2006