高沖擊環(huán)境下MEMS大量程加速度傳感器結(jié)構(gòu)的失效分析*

唐 軍 ，趙 銳，石云波，劉 俊

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051)

MEMS大量程加速度傳感器是沖擊、爆破、侵徹等大過(guò)載環(huán)境測(cè)試中的核心部件之一，目前主要應(yīng)用于軍事、航空航天領(lǐng)域。隨著近年來(lái)侵徹武器的發(fā)展和對(duì)沖擊爆炸現(xiàn)象的深入研究，對(duì)MEMS大量程加速度傳感器的需求和要求也逐漸提高［1－5］。目前，現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)MEMS大量程加速度傳感器可靠性的研究大多停留在模擬仿真環(huán)節(jié)，而對(duì)其在大過(guò)載沖擊下的可靠性分析較少［6－8］。因此需要進(jìn)一步研究MEMS傳感器在大過(guò)載沖擊下的響應(yīng)，為其可靠性設(shè)計(jì)提供具體依據(jù)。

本研究首先對(duì)設(shè)計(jì)的大量程加速度傳感器進(jìn)行了芯片結(jié)構(gòu)和封裝描述，其后利用Hopkinson桿測(cè)試裝置測(cè)試了傳感器在100 000gn以上載荷下的輸出信號(hào)，系統(tǒng)地分析了傳感器抗大過(guò)載能力，測(cè)試結(jié)果表明該傳感器在232 119.4gn下可以測(cè)試到有效輸出信號(hào)。據(jù)此在分析了傳感器可靠性的同時(shí)，對(duì)測(cè)試中失效傳感器進(jìn)行了分析，總結(jié)出大量程加速度傳感器在大過(guò)載測(cè)試環(huán)境下的失效可總結(jié)為封裝失效和結(jié)構(gòu)失效兩種，為深入研究大量程加速度傳感器可靠性技術(shù)提供了依據(jù)。

1 傳感器沖擊測(cè)試

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，其量程為150 000gn，抗過(guò)載200 000gn，采用四端全固支梁－島型結(jié)構(gòu)，梁與框架連接一端布置有壓敏電阻，可以很好地抑制非對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)引起加速度傳感器的橫向效應(yīng)［9］。梁的根部和端部布置有倒角結(jié)構(gòu)，以分散傳感器結(jié)構(gòu)受到的應(yīng)力。該方法有效避免了梁根部和端部處應(yīng)力集中且尖銳的問(wèn)題，進(jìn)而提高加速度傳感器的抗過(guò)載能力。完成加工的傳感器結(jié)構(gòu)及倒角如圖1(b)所示。

圖1 大量程加速度傳感器結(jié)構(gòu)和倒角圖

該傳感器芯片采用LCC－20陶瓷管殼封裝，傳感器芯片通過(guò)貼片膠粘合方式固定到管殼底部，通過(guò)鍵合引線將輸出信號(hào)引出，如圖2(a)所示。整個(gè)管殼充滿氮?dú)膺M(jìn)行氣密性封裝，采用平行縫焊法封冒，傳感器整體封裝結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。

圖2 傳感器封裝結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 Hopkinson桿沖擊測(cè)試

利用Hopkinson桿測(cè)試裝置對(duì)大量程加速度傳感器進(jìn)行抗高過(guò)載能力測(cè)試，測(cè)試裝置如圖3所示。該測(cè)試裝置主要由Hopkinson桿、多普勒差動(dòng)激光測(cè)速儀、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀組成。Hopkinson桿用于在校準(zhǔn)端面獲得波形良好、橫向運(yùn)動(dòng)小的沖擊過(guò)程。多普勒差動(dòng)激光測(cè)速儀用于檢測(cè)由光柵運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移信號(hào)。動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀用來(lái)采集多普勒信號(hào)和記錄被校加速度計(jì)輸出信號(hào)。

圖3 Hopkinson桿校準(zhǔn)系統(tǒng)

該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試方法是:將被測(cè)傳感器安裝在校準(zhǔn)桿端部，由壓縮空氣發(fā)射彈體，同軸撞擊校準(zhǔn)桿的起始端，產(chǎn)生沖擊加速度，同時(shí)作用于光柵和被校加速度傳感器。通過(guò)測(cè)量Hopkinson桿端部光柵的速度－時(shí)間關(guān)系曲線，微分得到加速度－時(shí)間關(guān)系曲線，以此作為加速度傳感器的激勵(lì)，進(jìn)而獲取加速度傳感器輸出電壓信號(hào)。

在沖擊測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)使用Hopkinson桿測(cè)試裝置對(duì)5只同一批工藝制造，采用相同封裝工藝的傳感器進(jìn)行100 000gn以上的大沖擊載荷測(cè)試，得到傳感器在高沖擊下的輸出數(shù)據(jù)，并進(jìn)行抗大過(guò)載能力分析。在測(cè)試過(guò)程中，傳感器采用5 V供電，其輸出的差分信號(hào)采用AD623進(jìn)行差分放大(放大倍數(shù)約為11倍)，隨后通過(guò)動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀采集傳感器輸出信號(hào)。其中一只傳感器的測(cè)試結(jié)果如表1所示，表中所示傳感器輸出電壓值均為傳感器實(shí)際輸出電壓值。圖4為實(shí)驗(yàn)中測(cè)得加速度峰值約為230 000gn時(shí)多普勒信號(hào)以及傳感器輸出電壓信號(hào)。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)定義

通過(guò)表1中測(cè)試結(jié)果和圖4測(cè)試信號(hào)可知，傳感器在受到?jīng)_擊時(shí)間約為3.4 μs、沖擊加速度峰值約為230 000gn的加速度載荷作用下仍然能夠正常工作，且傳感器結(jié)構(gòu)完好，說(shuō)明該加速度傳感器抗過(guò)大載能力可達(dá)到230 000gn，符合抗大過(guò)載能力在200 000gn的設(shè)計(jì)指標(biāo)。分析加速度傳感器的輸出信號(hào)，可知傳感器的靈敏度為0.957 μV/gn，擬合結(jié)果如圖5所示。

圖4 加速度峰值約為230 000 gn時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)得信號(hào)

圖5 Hopkinson桿沖擊校準(zhǔn)靈敏度測(cè)試擬合曲線

2 傳感器測(cè)試結(jié)果與失效分析

2.1 傳感器測(cè)試結(jié)果與失效模式

經(jīng)過(guò)Hopkinson桿沖擊校準(zhǔn)測(cè)試后，其中部分加速度傳感器沒(méi)有輸出信號(hào)或者輸出信號(hào)異常，對(duì)測(cè)試過(guò)程中失效的傳感器進(jìn)行分析，利用光學(xué)顯微鏡及SEM觀察失效的傳感器，研究導(dǎo)致傳感器失效的原因，傳感器的失效情況如圖6所示。

圖6 傳感器失效圖片

試驗(yàn)結(jié)果表明，沖擊在100 000gn～150 000gn時(shí)，5只加速度傳感器信號(hào)輸出均正常；在150 000gn～200 000gn沖擊載荷下，有4只傳感器可以正常輸出信號(hào)，1只傳感器懸臂梁根部斷裂，如圖6(c)、圖6(d)所示；在200 000gn～220 000gn沖擊載荷下，只有1只傳感器可以正常輸出信號(hào)，其余3只傳感器失效，3只傳感器的失效模式分別如圖6(b)、6(e)、6(f)所示；當(dāng)沖擊信號(hào)達(dá)到240 000gn以上時(shí)，最后的1只傳感器發(fā)生管殼失效，如圖6(g)所示。

2.2 傳感器失效分析

失效模式指微器件失效的形式和現(xiàn)象，它只表示微器件是怎樣失效的，而不涉及微器件為什么會(huì)失效。可靠性分析技術(shù)可用于解決微器件的組成、結(jié)構(gòu)和狀態(tài)問(wèn)題，為失效分析提供有力的參考依據(jù)。

MEMS傳感器芯片結(jié)構(gòu)的基本厚度一般在幾十微米到幾百微米之間，其長(zhǎng)度和寬度一般不超過(guò)毫米量級(jí)［10］。基底厚度通常在1 mm內(nèi)，長(zhǎng)度、寬度都在厘米量級(jí)。因此基底的尺寸和質(zhì)量都遠(yuǎn)大于MEMS結(jié)構(gòu)。假定基底對(duì)MEMS結(jié)構(gòu)的影響呈單向性，且理論上認(rèn)為傳感器在封裝時(shí)僅基底與封裝管殼接觸，而微結(jié)構(gòu)與外界環(huán)境沒(méi)有直接的力學(xué)接觸，如圖7(a)所示。傳感器芯片封裝后，其所受沖擊首先作用在封裝管殼上，隨后通過(guò)基底作用到MEMS結(jié)構(gòu)上。假設(shè)在理想狀態(tài)下，外界沖擊沒(méi)有損耗地作用在MEMS結(jié)構(gòu)上。在此基礎(chǔ)上，MEMS結(jié)構(gòu)在沖擊下的響應(yīng)由以下3個(gè)時(shí)間常數(shù)及其相互關(guān)系來(lái)決定［11］，即應(yīng)力波渡越時(shí)間τA(應(yīng)力波從基底傳到MEMS結(jié)構(gòu)自由端的時(shí)間)、MEMS本征振動(dòng)周期T以及沖擊持續(xù)時(shí)間τ。當(dāng)τ大于T和τA時(shí)，需要用準(zhǔn)靜態(tài)理論分析MEMS結(jié)構(gòu)在沖擊下的響應(yīng)；當(dāng)τ和T相等時(shí)，MEMS器件將發(fā)生振動(dòng)；當(dāng)τ＜τA時(shí)，可以用應(yīng)力波理論分析MEMS器件響應(yīng)，如圖7(b)所示。則有

式(1)中，L為沖擊作用點(diǎn)到器件自由端最大距離，通常情況下L＜1 mm，v為應(yīng)力波傳播速度

式(2)中，E為楊氏模量，ρ為材料密度。對(duì)于硅材料，其楊氏模量E為170 GPa，密度ρ為2 330 kg/m3，則可知v為8 541.7 m/s，由此可知τA?0.1 μs。Hopkinson桿沖擊校準(zhǔn)試驗(yàn)的波形是近似的半正弦波(如圖4(a)所示)，沖擊持續(xù)時(shí)間在10 μs～103μs量級(jí)上，因此試驗(yàn)中MEMS器件在沖擊下的響應(yīng)為準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)。

結(jié)合沖擊測(cè)試中準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)理論，將失效傳感器照片與圖6(a)中加速度傳感器完整封裝結(jié)構(gòu)相比，可得出以下結(jié)論:

圖6(b)中傳感器失效模式是鍵合引線的脫落，主要原因是由于加速度傳感器上的微電路是通過(guò)濺射鋁形成的，而在鍵合工藝中采用金引線進(jìn)行鍵合。但是金鋁鍵合系統(tǒng)會(huì)不可避免地形成金－鋁金屬間化合物和Kirkendall空洞［12］。伴隨著金屬間化合物的產(chǎn)生，鍵合接觸電阻變大，降低接觸區(qū)域的電學(xué)性能，甚至造成鍵合點(diǎn)開(kāi)路而失效；

圖7 傳感器失效機(jī)理模型結(jié)構(gòu)示意圖

圖6(c)和圖6(d)中，傳感器芯片結(jié)構(gòu)的懸臂梁發(fā)生斷裂，并且由于大沖擊作用，結(jié)構(gòu)梁根部有破碎現(xiàn)象出現(xiàn)，分別屬于斷裂失效和破碎失效。同時(shí)，通過(guò)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傳感器受到200 000gn的沖擊載荷時(shí)，其懸臂梁根部的應(yīng)力值為44.47 MPa。對(duì)于單晶硅，取其楊氏模量E=170 GPa，則其極限強(qiáng)度σp=E/100=1.7 GPa，綜合考慮傳感器結(jié)構(gòu)可靠性、工作條件、壽命等工程因素，取安全系數(shù)為6，則結(jié)構(gòu)最大許用應(yīng)力［σ］=σp/6=283 MPa。因此，當(dāng)傳感器受到200 000gn沖擊載荷作用時(shí)，其梁根部的應(yīng)力并沒(méi)有超過(guò)傳感器結(jié)構(gòu)的最大許用應(yīng)力，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單晶硅材料的屈服強(qiáng)度值7 GPa。因此可說(shuō)明多次重復(fù)高沖擊測(cè)試加速了傳感器硅材料的疲勞損傷，降低了硅材料的斷裂強(qiáng)度；

圖6(e)中傳感器芯片結(jié)構(gòu)并未發(fā)生損壞，而是直接與封裝管殼脫落，通過(guò)分析認(rèn)為是由于封合膠的粘性問(wèn)題而導(dǎo)致在沖擊測(cè)試中傳感器芯片與封裝基座脫落，在測(cè)試中輸出信號(hào)異常；

通過(guò)圖6(f)和圖6(g)觀測(cè)到，封裝管殼完全變形，傳感器芯片整體結(jié)構(gòu)破碎。通過(guò)計(jì)算，當(dāng)沖擊載荷達(dá)到240 000gn以上時(shí)，沖擊應(yīng)力峰值已經(jīng)超過(guò)管殼封裝結(jié)構(gòu)的極限應(yīng)力，導(dǎo)致管殼結(jié)構(gòu)發(fā)生完全變形，進(jìn)而使傳感器芯片完全破碎。

上述結(jié)果表明，在高沖擊環(huán)境下傳感器的主要失效模式是鍵合引線的脫落、微梁的斷裂、梁根部的破碎、芯片與封裝基座的脫落及結(jié)構(gòu)的整體破壞。因此，在高沖擊測(cè)試下大量程加速度傳感器的在高沖擊環(huán)境下的失效模式主要為鍵合引線的脫落、微梁的斷裂和封裝失效。

3 結(jié)論

本文利用Hopkinson桿測(cè)試裝置對(duì)一種四端全固支結(jié)構(gòu)的大量程傳感器進(jìn)行高過(guò)載沖擊測(cè)試校準(zhǔn)，測(cè)試傳感器在100 000gn以上載荷下的輸出信號(hào)，分析了傳感器的抗大過(guò)載能力及其可靠性，測(cè)試結(jié)果表明該傳感器在232 119.4gn下可以測(cè)試到有效輸出信號(hào)。同時(shí)，對(duì)測(cè)試中失效傳感器進(jìn)行了分析，通過(guò)沖擊試驗(yàn)得出:大量程加速度傳感器的在高沖擊環(huán)境下的失效主要為鍵合引線的脫落、微梁的斷裂和封裝失效。主要原因是，加速度傳感器上的微電路是通過(guò)濺射鋁形成的，而在鍵合工藝中采用金引線進(jìn)行鍵合。但是金鋁鍵合系統(tǒng)會(huì)不可避免地形成金－鋁金屬間化合物和Kirkendall空洞。伴隨著金屬間化合物的產(chǎn)生，鍵合接觸電阻變大，降低接觸區(qū)域的電學(xué)性能，甚至造成鍵合點(diǎn)開(kāi)路而失效；若采用摻雜Pb的Au引線或者鋁引線將有效提高鍵合強(qiáng)度和可靠性；重復(fù)的高沖擊測(cè)試試驗(yàn)加速了硅材料的疲勞損傷，降低了硅材料的斷裂強(qiáng)度；當(dāng)沖擊應(yīng)力峰值超過(guò)管殼封裝結(jié)構(gòu)的極限應(yīng)力時(shí)，將導(dǎo)致管殼結(jié)構(gòu)發(fā)生完全變形，進(jìn)而使傳感器芯片完全破碎。

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