隨著電子產品的微型化和智能化，MEMS（Micro-electromechanical Systems，微機電系統）傳感器因其體積小、重量輕、工藝一致性好，得到了廣泛的發展和應用。MEMS振動傳感器作為一種常用產品，在小至智能手機、手持設備，大至飛機、導彈中都廣泛應用，而一旦其失效，就會導致振動狀態感知錯誤，影響設備使用甚至造成裝備毀壞，其質量與可靠性是設備正常使用的重要前提。而MEMS振動傳感器結構精密、工藝復雜，不僅包括傳統集成電路的結構和工藝，還包括微小機械組件，失效原因較為復雜，包括硅體傾斜、彈性梁損傷、阻尼異常、多余物殘留等，其中封裝膠就是一種常見的多余物。

1 封裝膠殘留致失效的機理分析

1.1 MEMS振動傳感器內部結構與工作原理

MEMS是一個微機械系統，隨著系統的縮小，表面效應將會占據主導地位，毛細管力、范德華力和靜電力增大。由于尺寸效應，材料自身表面的瑕疵和錯位也不再是小尺寸。MEMS常見的失效模式和原因如下表所示。

表1 MEMS失效模式和原因

典型MEMS傳感器設計為三層硅結構，中間層為主芯片，由帶四根梁的硅框架支撐一塊經微細加工而成的硅質量塊，上下分別由硅蓋板進行限位保護，上下蓋板是用專用膠與中間層外框架相連，如下圖所示。

圖1 典型MEMS振動傳感器微結構

當硅框架受到加速度作用時，加速度使硅質量塊產生慣性力，硅質量塊相對于硅框架運動，從而使彈性梁產生應力，彈性梁表面的應變電阻發生變化，通過電橋轉換為電壓輸出。

在加工中，大多采用圓片級涂膠、勻膠和鍵合工藝。硅蓋板表面呈凸凹結構，在涂膠量的控制方面，如果涂膠量偏少，則鍵合強度難以保障；如果涂膠偏多，則多余的封裝膠難以清除，因此在鍵合時，也就有可能對圓片中的個別主芯片產生局部膠污染。

1.2 芯片與保護蓋之間封裝膠導致輸出限幅

如果封裝內的封裝膠污染存在于主芯片與保護蓋之間，改變質量塊和保護蓋上限位塊的間隙寬度，也改變了此間隙的設計寬度，使質量塊的位移限變小，可能導致傳感器最大量程變小，輸出限幅。

針對此失效模式，需要對產品進行滿量程輸出測試，即可很容易發現失效產品，并予以剔除。

1.3 敏感芯體電阻兩電極之間封裝膠致輸出偏移

如果封裝內的封裝膠污染存在于芯片兩電極之間，當主芯片處于干燥環境時，封裝膠處于絕緣狀態，對全橋電路不會產生影響。當封裝膠處于潮濕環境時，封裝膠因吸潮會導致絕緣性能下降，相當于在橋臂上并聯一個較大的電阻。有可能因封裝膠吸收封裝中的水汽，導致其絕緣性能下降，可能引起電橋電阻短接，影響傳感器輸出電平。如下圖所示。

圖2 封裝膠對電橋影響示意圖

1.4 封裝膠殘留的影響程度分析

由于這種鍵合膠在正常情況下是絕緣狀態，不會對產品造成電氣影響。因此，只要封裝過程中控制好殼體密封性，產品的性能都會處于良好狀態。只有在封裝過程中，殼體密封性不良或芯體封裝時內部殘留濕氣的情況下，才會導致器件失效情況發生。對于芯體封裝時內部殘留濕氣的情況，這種情況可通過高溫應力進行篩選剔除。對于殼體密封性不良的情況，可通過高濕應力進一步篩選剔除。

2 失效案例

2.1 失效現象

某型三軸振動傳感器+變換器裝機前測試發現X 軸零點輸出異常，經過故障定位，確認是其中一型MEMS振動傳感器芯片零點輸出異常并伴有波動。針對其開展失效分析工作。

2.2 分析過程

首先開展非破壞性試驗分析，對失效件進行外觀檢查，無腐蝕、裂紋或者明顯機械損傷，一切正常。

然后進行破壞性試驗分析，對敏感芯體進行開封，用顯微鏡觀察敏感芯體內部，未發現敏感芯體表面有明顯異常現象。失效樣品和對比件的版圖一致，但芯片表面均有封裝過程中引入的膠污染。如下圖所示：

圖3 失效件芯片表面膠污染形貌

芯片上的膠污染可能帶來兩點影響：一是封裝膠處于主芯片質量塊和保護蓋之問，改變質量塊和保護蓋上限位塊的間隙寬度，也改變了此間隙的設計寬度，使質量塊的位移限變小，可能導致最大量程變小，輸出限幅。二是封裝膠在吸潮情況下并非完全絕緣，搭接在電阻兩電極之間時，可能影響器件輸出電平。

已知敏感芯體在產品過程測試及出廠測試中，滿量程輸出測試均合格，且本次產品失效表現為“零點輸出異常并伴有波動”，與上述失效模式無關。

而器件的失效模式，符合敏感芯體電阻兩電極之間封裝膠導致的零點輸出異常。另外，由于受到封裝膠大小、內部環境濕度、吸潮程度以及芯片通電狀態自熱程度因素的影響，這個吸潮封裝膠的導電特性會有相應變化，而且處于不穩定狀態，這種情況可能導致主芯片橋路輸出波動此信號經變換器放大后，可顯示出失效產品“零點輸出異常并伴有波動”的失效模式。

綜上所述，判斷該型MEMS振動傳感器失效原因是封裝鍵合膠殘留在敏感芯片電阻兩電極之間，殘留封裝膠吸收水汽后絕緣性降低，造成橋電阻短接，零點輸出異常，且因導電特性不穩定，輸出有波動。

2.3 失效分析結論和改進

該型MEMS振動傳感器失效原因：1）主芯片上存在封裝膠，且封裝膠恰好存在于橋路電阻兩電極之間；2）敏感芯體殼體密封性不良吸入水汽或芯體封裝時內部殘留水汽異致封裝膠絕緣性能下降。

經過調研傳感器生產廠家，發現廠家在敏感芯體的質量控制上，采用隨產品整機篩選條件進行控制。產品整機篩選條件相對較低，試驗時敏感芯體承受的應力還會相應降低，致使該敏感芯體的早期失效未能及時剔除。建議廠家在生產中注意封裝加工環境水汽控制、在生產后加芯片篩選，對于之前已生產產品進行復測，重點關注零點輸出，排查異常。

3 總結

MEMS振動傳感器在生產過程中，因封裝膠殘留，造成封裝膠污染芯片，常見失效模式包括導致芯片與保護蓋之間封裝膠導致輸出限幅、敏感芯體電阻兩電極之間封裝膠致輸出偏移且波動。針對某失效MEMS振動傳感器開展了失效分析，確認了膠污染殘留物在水汽作用下短接了芯片電阻兩極，導致零點輸出異常的失效原因，分析了失效機理，并提出了在生產中注意封裝加工環境水汽控制，在生產后加芯片篩選，對于之前已生產產品進行復測，重點關注零點輸出，排查異常的改進意見。研究結果對MEMS振動傳感器質量與可靠性控制有積極意義。
? ? ? 本文內容轉載自《金屬熱處理》2019年第9月，版權歸《金屬熱處理》編輯部所有。