MEMS封装可靠性测试规范

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(Micro ElectroMechanical Systems—MEMS)，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。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?、5min/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。 3.2 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。 5.2 MEMS 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 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、1000h

三维封装应变应力场的测试