微电机架构(Micro-Electrical Mechanical Structure;MEMS)的压力感测器的应用十分广泛。包括电器类制品、医疗以及汽车工业等方面都可以见到它的踪影。在电器类制品方面,它可以用在水位侦测(例如洗衣机或洗碗机),或是真空吸尘器的压力侦测上。在汽车工业方面,侦测歧管绝对压力(manifold absolute pressure;MAP)、或是胎压侦测(tire pressure monitoring;TPM)等等,都是常见的应用。医疗应用则包括血压监测、子宫内压监测,以及防止睡眠时呼吸中断的装置等。其它类的应用还包括空调流通侦测 (heating、ventilation、air conditioning、HVAC)、高度计及晴雨计等等。
由于压力感测器的用途甚为广泛,因此它适用的媒介以及可靠度便成了人们最关注的范畴。大多数的应用都要求感测器必须在严苛的环境里维持长时间运作(例如汽车零件就必须维持至少十年以上的寿命)。虽然这些装置应在洁净干燥的空气中运作,然而大多数实际的应用多少都会暴露在较差的环境下,例如潮湿的环境。要在压力感测器市场上占有一席之地,就必须提供绝对可靠的装置。由于MEMS的架构会直接接触量测环境,因此压力感测器对于可靠度的要求又更为严格。这对封装技术带来了更大的挑战。本文也会针对封装的部分做探讨。
装置结构
感测器概览
本文所研讨的MEMS压力感测器都是以大型微机械式的压阻式感测器(bulk micromachined piezoresistive transducer;PRT)来操作。 (图一)显示如何在一片弹性微机电瓣膜之上,依惠斯顿电桥方式排列四组压阻式量测器。 (图二)则说明了感测器的结构。
转换器的原始输出(以10毫伏为单位)会直接传到一个放大器电路,之后产生一个介于0到5伏特之间的电压。而转换器和放大器回路的四周还会加上其它的线路,以便测量装置压力,并加上温度补偿功能,如图一。要加上压力测量及温度补偿功能,就必需在组装时以雷射修整CrSiN薄膜电阻的方式来完成。
《图三 瓣膜上下施加压力相等时(上半图)以及上方压力较高时(下半图)的示范》 |
|
转换器的职责在于担任环境的机械特性(即压力)与电路的电气特性之间的媒介。 (图三)中的剖面图便说明了瓣膜在没有压力差的情况下(P1=P2)所显出的状态。当压力差出现时(P1>P2),便会使得瓣膜变形,导致装置输出电压上升。这种由外在环境与矽晶片产生的机械性互动,便是MEMS与其它半导体技术的不同之处。然而这也是封装压力感测器或其它MEMS感测器时,最大的难题:即如何一边让感测器能侦测到四周的环境变化、一边又不让感测器暴露在可能损害装置的环境当中。
封装
封装结构系一组預鑄好的开放式中空塑胶封装,中空的部份焊有矽晶片,如(图四)所示。晶片会以焊接封装(winbonded)的方式与四周的柱状部分结合,再在晶片四周填上凝胶,以防装置与外界直接接触。凝胶的低弹性系数有助于把气压传递给感测装置。本次实验会测试两种凝胶:氟矽凝胶与氟碳凝胶。两者都属于合成式的热熔凝胶。
氟矽凝胶系由70%的氟矽化合物与30%的二甲基化合物组成。这种材质的优点在于价格低廉。一般来说,氟碳凝胶比氟矽凝胶更难吸收水气。但是氟碳凝胶的缺点在于成本较高。凝胶吸收水分的程度对于稳定度的影响甚巨。如果水气顺着凝胶一路接触到上述易受影响的区域时,便会造成锈蚀。
可能发生问题的地方
装置中有一些区域最容易受到湿气的影响。压力感测及温度补偿的线路也是可能的故障点。在晶圆制造过程接近尾声时,感测晶片会涂布上一层薄薄的氮化物隔离层,以防止锈蚀或电荷聚集等问题。 (图五)即为此一阶段的CrSiN电阻示意图。在组合CrSiN电阻的过程当中,电阻本身会经过修整,以便分隔给热补偿或压力感测线路使用。雷射会使得少部分的CrSiN电阻汽化,借以阻挡电流经过该段电阻。但是由于覆盖在电路上的氮化物隔离层也会随之汽化,因而导致有一部分的CrSiN电阻表面并无隔离层覆盖。
(图六)所显示的便是经过雷射修整的CrSiN电阻的光学影像。此外,铝制的焊垫也会变得缺乏隔离保护,可能会和焊线造成短路。一旦装置暴露在恶劣环境之下,上述所有的暴露点都可能形成锈蚀。锈蚀的起因,通常是由于装置在四周有湿气时承受电压或漏电,或是装置本身在锈蚀位置上积有静电之故。在以雷射切割过的电阻上,CrSiN暴露的位置则可能因漏电而产生锈蚀。这都是由于电阻上的电压有落差之故。在CrSiN电阻上,雷射切割部位两侧的电压差可能高达2伏特,如(图七)。
当两端间有水气侵入时,就可能形成短路,进而造成锈蚀。电压较高的一侧可能是侵蚀较严重的所在。而电压较低的一侧则可能因阴极效应而不受侵蚀影响。
实验结果
湿度承受
对于MEMS的可靠度来说,封装所吸收的水气量,是一项非常重要的参数。本文所做的第一个实验,就是要测出感测装置的封装凝胶吸收水气的程度。在实验时,用两个铝制的小杯子,一个装的是氟矽凝胶、另一个则是氟碳凝胶,在实验开始前,两者所盛的凝胶重量都在十公克左右。其中一杯放在摄氏85度、相对湿度85%的环境当中,另一杯则放在摄氏85度、湿度普通的密室内。先前的内部研究显示,氟矽凝胶在高温高湿度的环境下会变轻。因此特地另外准备了一份控制组样品,同样也放在摄氏85度的环境下;控制组的重量会减少,但不会吸收水气。
(图八)所显示的便是凝胶在暴露于潮湿高温环境下,重量减少的状况。图中的箭头指出潮湿环境下的实验组与控制组的差异。这种差异系由吸收水气而造成。 (图九)显示的是从另一种角度观察的结果。两者在经过54小时后吸收的水气量都呈现增加的趋势。
以经过24小时后的结果来比较,氟碳凝胶吸收的水气比重大概只有氟矽凝胶的三分之一。到了54小时后,两者的差异更增加到4倍之多。因此结论是,氟矽凝胶的吸水性超过氟碳凝胶。
故障分析
把数个以氟矽凝胶封装的装置暴露在高度潮湿的环境下,进行故障分析。从(图十)当中CrSiN电阻的光学影像分析来看,
靠近雷射切割过的区域都有退色现象。退色的区域必定集中在切割后电压较高的一侧。并且会从切割过的边缘地带向外侧四面扩展。目前已经得知退色区域是因为氧化而引起,并且会在电阻当中形成一条高阻抗路径。逐渐扩大的氧化区域会让电阻值上升,连带影响输出的准确性。为了进一步了解氧化的特性,我们对两个电阻样品进行了穿透式电子显微镜(Transmission Electron Microscopy;TEM)分析。
以TEM分析时,其中一件实验组装置具有退色的电阻区域,另一个控制组装置则无。接着把图十中的实验组装置拿来,观察它退色区域的横剖面。另外也在控制组装置约略相同的位置做横剖面观察。两者的TEM分析结果均显示在(图十一)当中。
《图十一 TEM剖面的控制组(上半图)与实验组(下半图)比较》 |
|
经雷射修整过的区域都没有隔离层和Cr-Si-N层的存在。 (注意样品中已经加上了好几层其它物质,以便进行横剖面处理。)每一层都可以由平行式电子能损仪(parallel electron energy loss spectroscopy;PEELS)或是X射线能谱分析仪(energy dispersive x-ray spectroscopy;EDS)加以辨识。
实验组的装置显示,退色的CrSiN区域已变成颜色较浅的部分。光谱分析指出,颜色较浅的部分就是已经氧化的CrSiN。控制组的CrSiN层则看不到氧化现象。
压力测试
接下来测试的是在高张力加速测试(Highly Accelerated Stress Test;HAST)中,氟矽凝胶和氟碳凝胶的差异。此处的观点,在于观察氟碳凝胶是否更为稳定、以及稳定性提升的程度。早先的理论指出,故障过程均肇始于晶片上有受腐蚀的电阻,该电阻表面原本有隔离层被覆,随后隔离层因雷射修整而被破坏。控制组装置则以一群没有任何凝胶被覆的装置组成。
三群测试装置,每一群均包含30个装置,表一显示各组的规格及测试结果。
名称
|
描述
|
数量
|
氟碳凝胶 |
以氟碳凝胶标准 |
30 |
氟矽凝胶 |
标准氟矽凝胶 |
30 |
无凝胶 |
未使用凝胶 |
30 |
所有测试群均接受了张力加速测试(HAST)。测试条件是摄氏130度、相对湿度85%、33PSIG、5伏特偏压。所有装置在测试前均已检查过,并记录其偏移电压。在96小时的HAST测试当中,所有参与测试的装置都是每隔24小时取出一次,以便进行额外的电气特性测量。偏移电压与起始值间的差异(delta)都是每隔24小时计算一次。所有的结果都显示在(图十二)当中。其中氟碳测试组的读数始终保持一致。而氟矽测试组的结果则和无凝胶的一组相仿。证明在相同状况下,氟碳凝胶的表现胜过氟矽凝胶。
《图十二 HAST测试之结果(单位为与起始值间的delta mV)》 |
|
结论
经过雷射修整的CrSiN电阻必须要与湿气隔离,才能防止锈蚀和随之而来的故障现象。压力感测器采用氟矽凝胶,可作为矽晶片与周遭环境之间的缓冲。众所周知,凝胶会使得部分湿气入侵到晶片当中。本文则已经证明,在高湿度的环境下,氟碳凝胶可以为MEMS压力感测器提供更佳的可靠度。
(作者均任职于Freescale飞思卡尔半导体美国亚利桑那州凤凰城Tempe办公室)
<参考资料:本文所引用的数据,系以飞思卡尔半导体所制造的4kPa MEMS压力差侦测计测试而得,该侦测计内含单晶片讯号放大器、压力量测线路,并具备温度补偿特性。 >
|
|
MEMS的技术基础可以分为以下几个方面:(1)设计与仿真技术;(2)材料与加工技术(3) 封装与装配技术;(4)测量与测试技术;(5)集成与系统相关介绍请见「
MEMS简介」一文。 |
|
目前一项引起广泛重视的器件制造技术是MEMS(微电子机械系统)技术。 MEMS技术目前在光纤网路中发挥极大的作用,特别是这一技术在提高元件规模和光纤网路的可管理性方面的潜力。你可在「
MEMS元件将在光纤网路的发展中至关重要的作用
」一文中得到进一步的介绍。
|
|
对于想知道「MEMS到底为何物」的技术人员来说,从事MEMS研究的最初障碍就是「术语」。从特殊工艺术语,到最新的应用术语,范围很广。在「
MEMS是「产业之米」?还是?」一文为你做了相关的评析。 |
未来智慧手机的电源管理技术
|
|
|
|
|
经过三年的研发,晶圆代工厂台积电(TSMC)表示,将IC制造工艺与微机电系统(MEMS)相融合的努力将可在2006年开始有所成效。相关介绍请见「台积电承诺2006年推出MEMS平台」一文。
|
|
电子所与菱生精密签约,合作微型高传真麦克风封装技术开发。这项获得经济部技术处支持的专案,预计投入近七千万元的研发经费,开发高品质、低成本的微机电(MEMS)麦克风及其相关技术,期能在轻薄精巧的3C电子产品快速成长之际,适时切入关键的超微小型麦克风市场并占有一席之地。你可在「
工研院菱生精密合作开发MEMS麦克风封装技术」一文中得到进一步的介绍。 |
|
近年来许多大型公司都将微机电系统(MEMS)部门分拆出来组建成独立的公司,感测器供应商德国罗伯特博世(Robert Bosch GmbH)也加入其中,成立了一家专注于MEMS业务的子公司Bosch Sensortec。在「
博世分拆MEMS部门,瞄准医疗与消费类应用」一文为你做了相关的评析。
|
|
|
|