福英达汽车电子锡膏: 车规MEMS引线键合可靠性
福英达汽车电子锡膏: 车规MEMS引线键合可靠性
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微机电(MEMS)传感器领域的使用已有数十年历史，至今仍是随处可见的电子元件类型之一。MEMS传感器在汽车行业具有至关重要的作用，能够用于测量位置，压力，温度，速度等。传感器的高可靠性不仅能提高汽车性能，也能对驾驶人和乘客的安全提供保障。MEMS芯片往往采用金线进行与焊盘的引线键合，金线起着电连接和信号传输的作用。MEMS芯片需要进行封装使其避免外部环境干扰。封装通常采用塑料，塑料材质成本低，能够很大程度降低封装费用。
MEMS引线键合有几种失效模式和机制，主要跟热和电作用有关。例如回流焊接过程由于热作用和原子扩散而形成的金属间化合物造成焊点脆化，传感器操作期间产生的焦耳热会导致电疲劳，还有使用过程产生热应力导致的热疲劳。为了测试MEMS器件的可靠性，Zhang等人研究了车规MEMS压力传感器的金线键合焊点在热循环试验中热失效形式。热循环温度控制在?40°C-150°C。测试样品数量为25个，每个样品包含4条金线。
图1. 测试用车规MEMS压力传感器。
图2. 热循环测试温度控制。
测试结果
热循环测试周期数被Zhang等人设定在1600次。每完成200次热循环测试后，所有MEMS压力传感器样品会被取出，并测量芯片焊盘和基板焊盘处形成的焊点的电阻。电阻增大说明焊点的电导性能下降。在1600次热循环后，测试的25个样品中的7个不约而同出现了焊点电阻增大的现象。热应力是影响MEMS传感器电阻变化的主要原因。热应力会不断地累积并使焊点可靠性恶化，造成电阻增大。
热应力不仅对电阻产生影响，也对焊点连接可靠性带来不良影响。Zhang等人通过CT扫描绘制出了MEMS压力传感器热循环后的引线键合状态。总共选取了4条金线共8个焊点进行观察。可以看到其中的3条金线和焊盘仍保持连接。但是5号焊点明显出现了脱落的问题。此外，受热应力影响，7号和8号焊点发现了金线松动，焊点牢固性有所下降。
图3. 1600次热循环后MEMS压力传感器的CT扫描图。
通过热循环测试可以知道，测试所用的车规MEMS压力传感器在1600次循环后很难再保证良好的键合强度。可以认为热应力是导致焊点失效的重要原因。金线和焊盘的热膨胀系数差异使得在温度变化后金线和焊盘出现不同程度的形变，降低了焊点的连接牢固性。
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参考文献
Zhang, Y.F., Wu, K.K., Li, H., Shen, S.N., Cao, W., Li, F. & Han, J.Z. (2022). “Thermal fatigue analysis of gold wire bonding solder joints in MEMS pressure sensors by thermal cycling tests”, Microelectronics Reliability, vol.139.
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