SiP封裝傳感器中金絲可靠性設計與分析

劉建軍,郭育華

(中國電子科技集團公司第38研究所,合肥230088)

SiP封裝傳感器中金絲可靠性設計與分析

劉建軍,郭育華

(中國電子科技集團公司第38研究所,合肥230088)

SiP封裝的傳感器中,連接MEMS傳感器芯片和ASIC芯片的金絲被包裹在軟硅膠和硬塑封料中,由于硅膠和塑封料熱膨脹系數(shù)差異很大,后期的溫度循環(huán)等環(huán)境實驗中容易出現(xiàn)金絲斷路的風險.針對這一風險進行可靠性設計,并用實驗進行驗證.結(jié)果表明,采用矩形線弧方式并控制硅膠包裹工藝,保證金絲折彎部分處于硅膠包裹內(nèi),可以有效緩解熱循環(huán)產(chǎn)生的應力對鍵合金絲第二焊點的損傷,使傳感器產(chǎn)品可靠性通過歐洲汽車電子標準AEC-Q100中的溫度循環(huán)測試.

SiP封裝;金絲;線弧;可靠性設計

1　引言

SiP封裝是將多種功能芯片,如處理器、存儲器、傳感器、RF收發(fā)芯片等集成在一個封裝內(nèi),實現(xiàn)一個基本完整的功能[1～2].采用SiP封裝技術(shù)的傳感器,具有封裝成本低、體積小、集成度高、靈活度高等諸多優(yōu)勢.當采用SiP技術(shù)封裝傳感器時,由于MEMS傳感器塑封前,通常需要在傳感器上覆蓋一層軟硅膠作為應力緩沖,以保證傳感器測量精度,這將導致連接傳感器芯片與MCU處理芯片的金絲需要穿過硅膠(包裹傳感器)和環(huán)氧塑封料(包裹處理器)兩種材料.這兩種材料的熱膨脹系數(shù)差異較大,比如常用的硅膠Dow corning SE1885的CTE能達到250X10-6/℃[3],常用的環(huán)氧塑封料Sumitomo G600FL的CTE在115℃下時僅為9X10-6/℃.兩者CTE的巨大差異會在熱循環(huán)等環(huán)境實驗中對金絲附加循環(huán)的熱應力.關于壓力傳感器中金絲在振動應力下的疲勞研究已有報道[4].在熱應力下,也可能引起金絲的塑性形變,甚至引起金絲疲勞斷開.具體實例如Infineon公司的汽車輪胎壓力傳感器SP37,采用SiP封裝技術(shù)將SW-412傳感器芯片與MCU處理芯片/RF發(fā)射芯片集成為一個SOP-14塑封體.SW-412芯片應用時,廠家就推薦在塑封之前先用軟硅膠包覆芯片,硅膠的厚度至少高于芯片250μm.

本文以SiP封裝的傳感器中包封在硅膠和塑封料中的金絲為研究對象,研究不同線弧形狀在溫度循環(huán)時的可靠性.通過實際樣品的測試,驗證了可靠性設計結(jié)果的準確性.同時,也研究了因工藝控制不當而偏離設計導致的失效情況.

2　金絲可靠性設計及分析結(jié)果

本文中的壓力傳感器貼裝在引線框架上后,通過金絲與MCU處理器相連,然后采用硅膠包覆傳感器芯片,最后整體進行塑封.器件結(jié)構(gòu)剖面示意圖見圖1,SiP封裝成品內(nèi)部互連情況見圖2.

圖1　器件結(jié)構(gòu)的剖面示意圖

圖2　封裝成品內(nèi)部互連情況

為保證金絲可靠性,需要對金絲的線弧形狀(wire loop)進行設計,常用的金絲線弧形狀有矩形弧線和三角形弧線,金線第一點為球焊,在處理器芯片上,第二點為楔焊,在傳感器芯片上.分別對這兩種鍵合形式用Abaqus進行三維建模和仿真.模型如圖3.為方便觀察,只顯示了金絲部分,其他部分隱藏.

圖4　 20次溫度循環(huán)后的應力分布和PEEQ

圖3　兩種線弧模型示意圖

建模部分尺寸如圖3,所使用的材料及參數(shù)如表1.

表1　建模材料及參數(shù)表

分別對兩種模型仿真經(jīng)過20次溫度循環(huán)(-55℃～ 150℃)后,金線上的應力分布和等效塑性形變(PEEQ)結(jié)果見圖4.從仿真結(jié)果對比可以看出,采用矩形弧線方式的金線具有更好的性能,最大應力和PEEQ值都更小,對矩形弧線形式,熱應力在金絲彎折區(qū)和魚尾區(qū)有最大值,對三角形弧線形式,熱應力在金絲魚尾區(qū)有最大值.

一般認為,金絲塑性形變量達到8%以后(PEEQ>8%),金絲可能因累計塑性形變引起斷線.前20次每次循環(huán)后的PEEQ值見表2.

表2　20次循環(huán)的PEEQ

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)進行擬合回歸計算,可以得出近似的PEEQ值計算公式:

根據(jù)此公式,可以估算出大概65次循環(huán)后,三角形弧線鍵合形式的PEEQ值將達到臨界的8%量級,而歐洲汽車電子標準AEC-Q100一般要求器件能經(jīng)受1000次的溫度循環(huán)(-55℃～150℃).因此,三角形弧線的金絲不能滿足可靠性要求.為證明這一結(jié)果,分別采用2種鍵合弧線進行傳感器的SiP封裝,封裝樣品進行可靠性測試.

封裝好的傳感器樣品按AEC-Q100標準進行溫度循環(huán)測試,具體流程是先按JESD22-A113標準進行MSL3的濕敏處理,250℃無鉛回流3次,然后在-55℃～ 150℃范圍內(nèi)進行1 000次溫度循環(huán)試驗,試驗情況和溫循曲線見圖5.

試驗后進行通電測試,發(fā)現(xiàn)采用三角形弧線鍵合方式的樣品失效率為24/77(77只樣品,24只失效),采用矩形弧線鍵合方式的樣品失效率為2/77(77只樣品,2只失效),兩種鍵合方式失效率相差一個數(shù)量級,證明了仿真設計結(jié)果的準確性.樣品的X-Ray圖片見圖6.樣品豎直放置,可以看到線弧形狀.

圖5　溫度循環(huán)情況和曲線

圖6　線弧形狀X-Ray照片

對三角形弧線鍵合方式的失效樣品進行開塑封觀察,發(fā)現(xiàn)第二焊點焊盤處金絲斷開,雖然不同的樣品金絲斷開的焊盤不完全相同,但都是從金絲魚尾部斷開.從圖4的仿真結(jié)果可以看出,這一部位正是應力最大的區(qū)域,所以在溫度循環(huán)中這一部位最容易斷開,與仿真結(jié)果一致.

圖7　金線斷開實例

對矩形弧線鍵合的2個失效樣品,電測結(jié)果表明都是傳感器V1P-PP引腳信號不通(圖8最左側(cè)引腳),進行開塑封觀察,發(fā)現(xiàn)VV1P-PP引腳金絲斷開.分析其原因在于生產(chǎn)工藝控制不當,存在硅膠包覆不滿的情況.硅膠包覆情況示意見圖8,開塑封后塑封料的邊緣對應硅膠包裹的等高線.等高線離傳感器芯片越遠,硅膠包裹的面積越大.對達到設計包覆要求的樣品開塑封后,等高線離金絲鍵合焊盤較遠.包覆不足的樣品,等高線離金絲鍵合焊盤較近.硅膠包覆良好時,矩形弧線鍵合的金絲有一個彎折部分處于硅膠內(nèi),在熱循環(huán)中,因為硅膠較軟,這部分彎折區(qū)可以伸縮,起到緩解應力的作用.包覆不足時容易有斷線風險,電測和開塑封的結(jié)果也證明了斷線的正是包覆最少的最左邊的V1P-PP引腳.

3　結(jié)論

本文證明了SiP封裝的傳感器中,當金線被包封在不同熱膨脹系數(shù)的材料中時,容易在溫度循環(huán)時因為產(chǎn)生的熱應力導致斷裂.為解決這一問題,金絲的線弧形狀設計至關重要.采用矩形弧線鍵合方式并控制硅膠包裹工藝,保證金絲彎折部分處于硅膠包裹內(nèi),可以有效緩解熱循環(huán)應力對金絲第二焊點的損傷.良好的線弧設計和硅膠包裹工藝控制能保證金絲的可靠性,從而使傳感器樣品能夠達到AEC-Q100標準的要求.

圖8　硅膠包覆情況和失效現(xiàn)象

[1]王阿明,王峰.SIP封裝工藝[J].電子與封裝,2009,9(2): 11-15.

[2]李振亞,趙鈺.SIP封裝技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].電子與封裝,2009,9(2):5-10.

[3]K M.Elastic modules ofviscoelastic magnetic silicone gel body[J].Polymer Engineering&Science,2010,50(5).

[4]肖佩宏,付興銘,等.汽車壓力傳感器引線鍵合金線的振動疲勞研究[J].傳感器世界,2007,3.

Reliability Design and Analysis of Gold Wire in SiP Sensor Module

LIU Jianjun,GUO Yuhua
(China Electronics Technology Group Corporation No.38 Research Institute,Hefei 230088,China)

In the SiP sensor module,gold wires connecting the MEMS IC and the ASIC IC are wrapped in silicone gel and molding compound.The sharp CTE differencebetween the two materials may incur disconnection during temperature cycle.To avoid the problem,a reliability design is carried out and proved by experiments.Experiments shows thatrectangular wire loopand properly wrapped gold wires make a difference and release the thermal stress remarkably.

SiP package;gold wire;wire loop;reliability design

TN305.94

A

1681-1070(2016)06-0014-03

2016-3-28

劉建軍(1985-),男,博士,湖北天門人,畢業(yè)于中國科學技術(shù)大學,現(xiàn)為中國電科第38研究所工程師,研究方向為電子裝聯(lián).