MEMS加速计的三种高压灭菌器失效机理
介绍
高压灭菌器测试也叫高压锅测试,是恶劣环境所用的器件通常都要求进行的一种质量测试。 直到最近,汽车安全行业才开始提出高压灭菌器测试要求,以检验用于气囊传感器的 MEMS加速计 [1]。为了进行此测试,器件在环境试验箱不带电存储96/168小时,环境试验箱的气压为15psig、温度为120oC,相对湿度为100%。高压灭菌器经过一定的暴露时间后,器件在室温下重新测试。
尽管传感器的传感结构在密封环境下封装,以防止水分入侵,但MEMS加速计仍要承受高压灭菌压力,因为塑料包装材料可在过压和过湿条件下吸收水分。要测试加速计对高压灭菌器压力的易感性,我们将80个 MEMS加速计置于高压灭菌器测试条件下。如图1所示,加速计由MEMS传感单元(g-cell)和控制ASIC组成,采用堆叠芯片结构组装在一个QFN 封装中。传感单元由飞思卡尔二聚表面微流构成,使用玻璃熔块通过晶片键合技术密封在密封腔里。
高压灭菌器测试结果显示,25oC时,9个部件无法达到偏移规范,要求9位输出的偏移变化少于+/- 26个计数。失效部件的最大偏移变化是-48/+39个计数。 当部件进行168小时测试时,发现了更多器件失效(与偏移变化的失效行为相同)。还发现这些部件在-40oC 和125oC下具有较小的偏移变化和较紧凑的分布。失效器件还显示在空气中暴露一段时间后,出现缓慢回归规范的"自愈"行为。在正常大气条件下进行120℃焙烧,可以加速恢复过程。失效和恢复流程是可重复和可逆的。
图 1. MEMS 加速计: (a) QFN 封装视图(模具帽未显示);(b) LSM角度的传感单元芯片视图
为了确定高压灭菌器失效的根源,我们创建了一个失效分析鱼骨图(图2),全面查看高压灭菌器测试条件下(湿度、压力和温度)偏移变化的所有可能原因。从以下四个主要方面审查了设计和制造工艺:封装、ASIC、传感器(g-cell)和测试。因此发现了微机械传感独有的三种失效机理。这三种机理是:
- 导致偏移变化的封装应力
- 电阻漏电
- 寄生电容变化
II. 封装应力影响
环氧树脂塑封(EMC)材料能吸收水分,且吸热会膨胀 [2]。扫描声学显微镜(C-SAM)检测还揭示,复合模具和引线框架之间出现过多分层。这些变化会改变封装和传感单元的应力状态,从而引起偏移变化。FEA 封装建模(图3)用于模拟这种应力变化的影响。这个模型考虑了 EMC 和引线框架之间的非对称分层。根据达到平衡时水分摄取大于0.54%这一原理,试验还假设吸湿应力为0.15%。
图 2. 高压灭菌器失效分析鱼骨图
FEA 模拟结果显示,传感器的惯性质量位移相当对称,但是由于分层和吸湿膨胀,封装的位移场不对称。模拟显示,吸湿膨胀引起的位移与125℃时热应变引起的位移数量级相同。 封装应力引起的最大偏移变化预测只有4个计数(最坏情况)。
用激光蚀刻去除传感单元周围的主要EMC部分,进一步分析失效器件。这一做法思路是,封装的应力场将大幅改变,如果器件对封装应力敏感,这可能导致偏移变化。但测试结果显示,大部分EMC移除之后,器件只有非常小的偏移变化。这一结果符合原来的 FEA预测,EMC的吸湿膨胀只会对偏移变化产生非常小的影响,封装应力作为高压灭菌器失效的根源被排除。
尽管研究显示封装应力不是高压灭菌器失效的根源,值得一提的是,这归因于应力不敏感传感器/封装设计。封装吸湿应力非常大,如果传感器设计不正确,可能成为导致高压灭菌器失效的主要原因。减少封装应力易感性的设计策略已在[3]中讨论。
图3 . EMC 吸湿膨胀的FEA模拟
图4. 剥层分析,消除封装应力作为失效根源
III. 漏电影响
环氧材料的介电性能也可以通过水分摄取来改变。如图4所示,摄取水分之后,环氧/玻璃/云母复合材料的体积电阻率减少10倍以上(高达1%)。此外,尽管高压灭菌器试验箱中使用了去离子水,高压灭菌器大气的水凝结可以把封装材料内的离子污染聚集在一起,形成不同潜力的传感器之间的漏电通道。
MEMS传感器的加工步骤也有助于形成潜在的漏电通道。一方面,牺牲性氧化蚀刻步骤中使用的氢氟酸可能留下氟离子。而且,密封材料(玻璃熔块)中富含氧化铅,特定条件下可以沉淀成导电铅结。图5中的SEM图显示了玻璃熔块键合区出现的结节或团块非常明显(但Auger 分析不能区别它们是铅还是氧化铅)。
图 5. 玻璃熔块区的SEM图
图6 调制器扫频测量结果
应该指出的是,如果"火"线和地线之间存在电阻漏电,则会出现偏移变化。∑△ 调制器前端对保存在差分电容器中的电荷(即传感单元)进行采
- 采用综合学科研究法有效封装MEMS加速仪(02-25)
- MEMS加速计致力解决汽车安全问题(02-24)
- Ka 波段下90°分布式MEMS 移相器的优化设计(04-02)
- MEMS加速度计在声学拾音器中的应用(09-30)
- MEMS光开关性能与发展(10-24)
- 汽车上都有哪些mems应用(11-28)
- 濡ゅ倹岣挎鍥╀焊閸曨垼鏆ョ€规悶鍎抽埢鑲╂暜閸繂鎮嬮柟瀛樺姇閻撹法鎷嬮鐔告畬缂佸顑呴〃婊呮啑閿燂拷
闁稿繈鍔嶉弻鐔告媴瀹ュ拋鍔呭☉鏃傚Т閻ㄧ姵锛愰幋婊呯懇濞戞挻姘ㄩ悡锛勬嫚閸☆厾绀夐柟缁樺姇瀹曞矂鎯嶉弬鍨岛鐎规悶鍎扮紞鏃堟嚄閽樺顫旈柨娑樿嫰婵亪骞冮妸銉﹀渐闂侇偆鍠愰崹姘舵⒐婢舵瓕绀嬪ù鍏坚缚椤懘鎯冮崟顐ゆ濡増鍨垫导鎰矙鐎n亞鐟�...
- 濞戞搩鍘炬鍥╀焊閸曨垼鏆ョ€规悶鍎抽埢鑲╂暜閸繂鎮嬮柟瀛樺姇閻撹法鎷嬮鐔告畬缂佸顑呴〃婊呮啑閿燂拷
缂侇噣绠栭埀顒婃嫹30濠㈣埖宀稿Λ顒備焊閸曨垼鏆ラ柛鈺冾攰椤斿嫮鎷犻崜褉鏌ら柨娑樺缁楁挾鈧鍩栧璺ㄦ嫚閹惧懐绀夐柛鏂烘櫅椤掔喖宕ㄥΟ鐑樺渐闂侇偆鍠曢幓顏堝礆妫颁胶顏卞☉鎿冧簻閹酣寮介悡搴f濡増鍨垫导鎰矙鐎n亞鐟庨柣銊ュ椤╋箑效閿燂拷...
- Agilent ADS 闁轰焦鐟ラ鐔煎春绾拋鍞查悹鍥у⒔閳诲吋绺藉Δ鍕垫
濞戞挻鎸搁宥夊箳閸綆鍤﹂柨娑樿嫰閸欏繘妫冮姀锝庡敼閻熸瑯鏋僁S闁告艾瀚~鎺楀礉閻旇鍘撮柛婊冭嫰娴兼劗绮欑€n亞瀹夐柣銏╃厜缁遍亶宕濋埡鍌氫憾闁烩偓鍔嶅〒鍫曟儗椤撶姵鐣遍柡鍐ㄧ埣濡法鈧冻缂氱槐鐧咲S...
- HFSS閻庢冻缂氱弧鍕春绾拋鍞查悹鍥у⒔閳诲吋绺藉Δ鍕垫
閻犙冨缁讳焦绋夐幘鎰佸晙闁瑰搫鐗愰鎶芥晬鐏炶棄寮块梻鍫涘灱椤斿骞掗崷娆禨S闁汇劌瀚慨娑㈡嚄閽樺瀚查幖瀛樻⒒閺併倝鏁嶇仦钘夌盎闁告柡鏅滈崑宥夊礂閵娾晜妗ㄧ紒顖濆吹缁椽宕烽弶娆惧妳濞戞梻濮电敮澶愬箵椤″锭SS...
- CST鐎甸偊鍠楃亸婵嗩啅閵夈倗绋婇悗骞垮€曢悡璺ㄦ媼椤撶喐娈岀紒瀣儏椤ㄦ粎鎲楅敓锟�
闁哄瀛╁Σ鎴澝虹€b晛鐦滈悹浣筋嚋缁辨繈宕楅妸鈺傛〃閻犱礁寮跺绶維T闁告艾瀚伴妴宥夊礉閻旇鍘撮柛婊冭嫰娴兼劗绮欑€n亞瀹夐柣銏╃厜缁辨繈宕濋埡鍌氫憾闊浂鍋婇埀顒傚枙閸ゆ粎鈧冻闄勭敮澶愬箵椤″T閻犱焦宕橀鍛婃償閺冨倹鏆�...
- 閻忓繐瀚伴。鍫曞春閾忚鏀ㄩ柛鈺冾攰椤斿嫮鎷犻崜褉鏌�
濞戞挸娲g粭鈧Δ鍌浬戦妶濂哥嵁閸愬弶鍕鹃悹褍鍤栫槐婵囨交濞嗗海鏄傞悹鍥у⒔閳诲吋绋夋潪鎵☉闁革负鍔岄惃鐘筹紣閹寸偛螚闁哄牜鍨堕。顐﹀春閻旀灚浜i悘鐐存礃鐎氱敻鎳樺鍓х闁瑰灚鎸风粭鍛村锤濮橆剛鏉介柣銊ュ缁楁挻绋夊顒傚敤缁绢厸鍋�...
- 鐎甸偊鍠楃亸婵堜焊閸曨垼鏆ユ繛鏉戭儔閸f椽骞欏鍕▕闁糕晝顢婇鍕嫚閸撗€鏌ら柛姘墦濞夛拷
閻犳劦鍘洪幏閬嶅触閸儲鑲犻柡鍥ㄦ綑閻ゅ嫰骞嗛悪鍛缂傚啯鍨甸崹搴ㄥΥ娓氣偓椤e墎鎷崣妯哄磿闁靛棔鑳堕妵姘枖閵忕姵鐝ら柕鍡曟娣囧﹪宕i柨瀣埍闁挎稑鏈崹婊呮啺娴e湱澹夐柡宥夘棑缁ㄥ潡鏌呴敓锟�...