MEMS封装可靠性测试规范

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1、MEMS封装可靠性测试规范MEMS封装可靠性测试规范华中科技大学微系统中心MEMS封装可靠性测试规范1. 引言1.1 MEMS概念微光机电系统（MicroElectroMechanicalSystemsMEMS），以下简称MEMS。MEMS是融合了硅微加工、LIGA（光刻、电铸和塑铸）和精密机械加工等多种微加工技术，并应用现代信息技术构成的微型系统。它在微电子技术的基础上发展起来的，但又区别于微电子技术。它包括感知外界信息（力、热、光、磁、电、声等）的传感器和控制对象的执行器，以及进行信号处理和控制的电路。MEMS器件和传统的机器相比，具有体积小、重量轻、耗能低、温升小、工作速度快、成本低、功

2、能强、性能好等特点。MEMS封装可靠性测试规范所含范围1.2本可靠性测试规范涉及到在MEMS封装工艺中的贴片（包括倒装焊、载带自动焊）、引线键合、封盖等几个重要工艺的可靠性测试。每步工艺的测试项目可根据具体器件要求选用。2. 贴片工艺测试2.1 贴片工艺测试要求贴片工艺是将芯片用胶接或焊接的方式连接到基座上的工艺过程。胶接或焊接的质量要受到加工环境与工作环境的影响，因此要对胶接或焊接的质量与可靠性进行测试。胶接或焊接处表面应均匀连接，无气孔，不起皮，无裂纹，内部无空洞，并能承受一定的疲劳强度。在热循环、热冲击、机械冲击、振动、恒定加速度等环境工作时，芯片与基座应连接牢固，不能产生过大的热应力。

3、芯片与基座无裂纹。2.2 贴片工艺测试项目测试项目测试说明失效判据外部目检外观缺陷50倍放大镜检查芯片剪切强度大于最小剪切强度加力方向应与衬底表面方向平行芯片与基座的附拉力方向应与衬底表面方向垂直大于最小抗拉力着强度芯片与基座连接沿横截面贴光栅，用云纹干涉仪来测应变大于0.1,其应力应变场处的应力应变检测焊点或胶接处内部的空隙X射线照相空隙长度和宽度小于接触面积的10,芯片脱离、有裂纹高温高湿85?、85,RH、1000h芯片脱离、有裂纹恒定加速度一般30000g一般1500g、0.5ms芯片脱离、有裂纹机械冲击一般-65?,150?、10次温度循环芯片脱离、有裂纹一般-40?,100?、5m

4、in/10sec热冲击芯片脱离、有裂纹一般20,2000Hz，20g芯片脱离、有裂纹扫频振动沿芯片表面法线方向无冲击地拉芯片小于最小外加应力倒装片拉脱试验3.1 引线键合工艺测试要求引线键合工艺是用金或铝线将芯片上的信号引出到封装外壳的管脚上的工艺过程。引线和两焊点的质量要受到加工环境与工作环境的影响，因此要对引线键合的质量与可靠性进行测试。要求用50倍的放大镜进行外观检查，主要检查两键合点的形状、在焊盘上的位置、键合点引线与焊盘的粘附情况、键合点根部引线的变形情况和键合点尾丝的长度等是否符合规定。在热循环、热冲击、机械冲击、振动、恒定加速度等环境工作时，引线应牢固、键合点具有一定的强度。3.

5、2引线键合工艺测试项目测试项目测试说明失效判据外部目检外观缺陷50倍放大镜检查短路短路探针仪引线牢固性拉、弯曲、疲劳、扭、剥离断线、松动或相对移动等作用后50倍放大镜检查双键合点引线拉力试验键合强度小于最小键合强度高温高湿键合脱离、断线85?、85,RH、1000h恒定加速度键合脱离、断线一般30000g机械冲击键合脱离、断线一般1500g、0.5ms温度循环键合脱离、断线一般-65?,150?、10次热冲击键合脱离、断线一般-40?,100?、5min/10sec一般20,2000Hz，20g扫频振动键合脱离、断线4.1 封盖工艺测试要求在贴片和引线键合工艺之后就是封盖工艺。由于外壳与盖板热

6、膨胀系数不一致导致在封盖过程中产生热应力，在热循环、热冲击、机械冲击、振动、恒定加速度等环境工作时很容易产生机械和热应力疲劳，出现裂纹，同时发生泄漏现象。因此要求对盖板的微小翘曲进行测试和进行气密性测试。密封腔中水汽含量过高会造成金属材料的腐蚀，要求进行水汽含量的测试。4.2封盖工艺测试项目测试项目测试说明失效判据外部目检外观缺陷50倍放大镜检查纳米翘曲测试用泰曼格林干涉仪测试应变大于0.1,水汽含量大于规定值氦质谱仪水汽含量气密性先细检再粗检泄漏率大于规定值5.1 MEMS封装可靠性筛选试验要求MEMS封装的失效率与时间的关系可分为三个阶段:早期失效阶段、偶然失效阶段和耗损阶段。一些具有潜在

7、缺陷的早期失效产品，必须通过筛选试验来剔除掉。一般是在MEMS封装上施加一定的应力，施加应力的大小应有利于失效MEMS封装的劣化，而不会损伤合格MEMS封装。5.2MEMS封装可靠性筛选试验项目测试项目测试说明失效判据老炼贴片、键合、封盖失效125?，240h高温贴片、键合、封盖失效一般150?，24h恒定加速度贴片、键合、封盖失效机械冲击贴片、键合、封盖失效温度循环贴片、键合、封盖失效一般-55?155?,3次，30/15min一般0?,100?，3次，热冲击贴片、键合、封盖失效15/1sec扫频振动贴片、键合、封盖失效气密性封盖失效6.1 MEMS封装可靠性寿命试验要求寿命试验是指评价分析

8、MEMS封装寿命特征量的试验。它是在试验室里，模拟实际工作状态或储存状态，投入一定量的样品进行试验，记录样品数量、试验条件、失效个数、失效时间等，进行统计分析，从而评估MEMS封装的可靠性特征值。一般采用加大应力来促使样品在短期内失效的加速寿命试验方法。但不应改变受试样品的失效分布。6.2 MEMS封装可靠性寿命试验项目测试项目测试说明失效判据寿命试验贴片、键合、封盖失效85?、85,RH、lOOOh三维封装应变应力场的测试1（目的用来测量MEMS器件三维封装应变场和应力场。2（设备云纹干涉仪:其原理是将两异节栅重叠，并使栅线互相平行或相交，就会出现明暗相间的干涉云纹条纹。然后根据云纹的位置及

9、云纹的间距或转角，便可求出此样品的面内位移和应变。泰曼格林干涉仪:用来对封装离面应变场和应力场进行测试。高低温箱:用来模拟样品的工作环境。3（程序在做测试样品时，应先对样品进行去氧化物的预处理，若样品表面平整度不好，还应对样品表面进行抛光以达到表面粗糙度为1.6口m的平整度。贴光栅片时粘胶的厚度要尽量薄，最好是零厚度，贴片前胶要经过甩胶以去掉胶中含有的气泡。起片时要注意不要划伤和粘污光栅表面。将样品放到高低温箱中时夹具不应对样品产生另外的应力。整个测试系统应放在最低10000级的净化间的光学隔整台上。调节光学系统时要使投影到样品光栅表面的光斑大小均匀，光斑稳定。光路系统不应受净化间中气流、温度

10、的影响。高低温度的设定应与加工环境和应用环境的温度范围相一致。4（结果分析对CCD采集的云纹图和干涉图像，利用软件或手工来计算样品在高低温试验条件下的应变场，再反推其应力场。5（失效判据应变大于0.1,基于六轴微样品力学实验机的力学特性测试1(目的研究MEMS常用结构材料和封装材料、微样品、封装结构的力学特性。包括应力，应变的本构关系、强度测试、黏弹性与黏塑性、机械疲劳与温度疲劳测试。2(设备六轴微样品力学实验机图1图1所示为六轴微样品力学实验机，相应的仪器参数为：(1) 量范围与精度：平动范围100mm、运动精度0.1口m转动范围360?、转动分辨率0.001?(2) 测力分辨率：Fx、Fy

11、:3mN;Fz:6mN;Mx、My:0.02N*m;Mz:0.04N*m(3) 温度范围与精度：-60?C,400?C、控制精度1?C加载频率：10,2000Hz六轴微样品力学实验机:可利用精密六轴工作台进行单轴或多轴加载，利用六轴微力传感器记录载荷大小，可用于分析应力，应变、应力，时间、应变，时间材料特性。在Z轴上使用压电工作台或者电磁式激振器配合直线电机，可实现10-2000Hz的动态加载频率，可用于高循环疲劳失效分析。云纹干涉仪:利用云纹干涉的原理，直接测量微小样品面内的变形，以消除工作台刚性引起的误差，用于精密测量中样品变形的测量。高低温循环箱:用于模拟样品的工作环境，可进行温度疲劳加

12、载、与温度相关的力学特性分析、以及可靠性加速实验3（程序首先针对实验制作相应的样品和辅助夹具，样品为中间细两头粗的形状（尺寸:40mmX6mm），使应力集中和样品破坏发生在中间部位;安装样品时，尤其对于薄膜样品可在样品的装夹部分用薄层砂纸（厚度0.15mm）双面覆盖，避免在装夹部位因应力集中发生破坏;对微小样品装夹固定，会产生装夹预变形，可通过六轴力传感器反馈控制六轴工作台消除样品装夹预变形，避免预变形对测量结果产生影响;然后可针对不同的实验（如拉伸、压缩、蠕变、松弛、循环载荷、疲劳实验）进行选择控制，以达到预期效果。对于样品加载可以通过精密六轴工作台实现，利用Z向直线可以实现最高11Hz的加

13、载频率;对于高频加载，应选择使用电磁激振器或者压电工作台高频加载装置实现10,2000Hz的加载;此外对于温度相关的力学特性分析，可采用高低温循环箱（-60?,250?）实现温度加载。对于精密测量，应采用云纹干涉仪，直接测量微小样品面内的变形，以消除工作台刚性引起的误差对结果的影响。4（结果分析记录相关实验结果，可用于材料的应力，应变的本构关系、断裂强度、黏弹性与黏塑性、机械疲劳与温度疲劳特性分析。5（失效判据以上所获得的实验和计算结果，可用于MEMS设计过程中选择材料的依据、以及微样品的可靠性判断依据。机械冲击试验1（目的用来确定MEMS器件受到机械冲击时的适应性或评定其结构的牢靠性。将样品

14、挂在“十”字形支持架上，支持架通过电磁释放器与框架相连，当电磁释放器断电时，释放样品从一定高度（高度可调）向下降落，砸在下面的园盘上，园盘下面有力传感器，且样品上粘有加速度传感器，采集样品与园盘第一次碰撞时的力与加速度信号便得到样品受冲击的试验条件，通过检测样品的功能，来判断MEMS器件受到机械冲击时的适应性或牢靠性。3（程序在做测试样品时，应先对样品进行清洗，若样品表面平整度不好，还应对样品表面进行抛光以达到表面粗糙度为1.6口m的平整度。将加速度计胶粘在样品上表面，粘胶的厚度要尽量薄，最好是零厚度，以免胶对冲击产生缓冲而使加速度计测得的数据不能真实反应冲击试验条件。加速度计应在样品落体的方

15、向上有最大的灵敏度。加速度的安装不应使样品产生另外的应力。然后将样品用无弹性的细线挂在“十”字架上，要注意保证样品的水平，和加速度计的最大灵敏度方向。在多次试验中线的长度不能变。在园盘的下面安装力传感器，该力传感器的量程应大于最大冲击力30,。力和加速度的频率响应应至少有lOKHz，否则就不能测试冲击试验的动态过程。根据样品试验条件的不同，园盘的材料可选用铁、木头、陶瓷、水泥等。整个测试系统应放在恒温室中进行。然后打开测试程序，将样品上升使电磁释放器夹持样品。断电后样品由于自重沿导索下落，最后冲击园盘，同时测试冲击时的力和加速度数据。记录下力和加速度的曲线。并对样品进行牢靠性测试。直至样品损坏为止。4（结果分析记录下试验的次数，和比较试验的重复性。将平均的试验数据作为试验的条件。5（失效判据在一定的试验条件下，试验次数低于产品的规定值。键合强度（破坏性键合拉力试验）目的l本试验的目的是测量键合强度。本试验可应用于采用低温焊、热压焊、超声焊或有关技术键合的具有内引线的微机械电子器件封装内部的引线一芯片键合、引线一基片键合或内引线一封装引线键合。2设备本试验的设备应包括能按规定试验条件要求，在键合点，引线上施加规定应力的适合设备。该设备能对外加应力提供经过校准的测量和指示，采用的单位为N,准确度为?5，或?2.45X10-3N（取其大