摘 要: 在微机械高冲击传感器的测试过程中发现一种传感器芯片的严重失效问题. 文中采用薄板弯曲的简化模型对该失效问题进行了初步研究. 分析认为该失效是由于高冲击引起封装壳体变形使管芯承受放大了的应力, 过大的应力导致芯片某些部位应力超过断裂强度而损坏. 改进措施主要是通过完善壳体设计, 合理增加厚度或减小壳体尺寸使壳体形变减小, 从而减小由此给芯片带来的应力.
关键词: 高冲击; 微机械传感器; 失效模式
高冲击微机械传感器是近年来MEMS 领域研究的热点之一, 无论是压阻式、还是电容式, 都提出了一些新的结构[ 1-2] , 在封装及可靠性研究方面也开展了大量的工作. V. T. Sr ikar 和Stephen D. Senturia从微机械结构本身的特点出发, 通过建立理论模型, 揭示微结构在高冲击环境下可能的失效模式[ 3-4] ; 杨志刚和林祖森从实验现象出发, 通过理论分析查找失效原因[ 5] ; 郇勇和张泰华等采用Ho pkinson杆冲击加载研究高量程微加速度计的抗过载能力[ 6] ; 王立森和胡宇群等采用跌落试验对微加速度计在冲击载荷下的失效机理进行分析[ 7] ; DannelleM. T anner 等则通过建立完善的测试手段, 再现微结构可能的失效模式, 以此来深入研究MEMS器件的可靠性和失效机理[ 8] . 这些研究多数都是将焦点集中在微结构的抗冲击能力上. 实际上, 微结构传感器核心器件目前虽然主要是通过微机械加工而成, 特征尺寸可以达到微米量级, 但经过封装后整个产品尺寸往往在10² mm³ 量级, 已经不/ 微0 了. 因此宏观结构的不合理设计也可能导致失效, 这一点,很可能被从事微机械设计的技术人员忽视. 在高冲击微机械传感器测试过程中出现传感器芯片破碎现象, 通过分析, 我们发现失效原因是由于封装壳体在高冲击下形变过大导致传感器芯片结构薄弱部位应力超过破坏强度而发生断裂.
1 实验现象
试验用传感器主要由芯片和壳体构成. 芯片为梁岛结构, 由硅单晶经微加工而成, 然后通过两边的键合区与硼硅玻璃键合. 壳体由不锈钢加工而成, 腔体为圆柱形. 键合好的芯片采用环氧胶将玻璃与底部不锈钢壳体粘接起来, 然后给壳体加上盖板. 这是一种典型的微机械传感器封装结构, 也有技术人员选用陶瓷材料制作壳体. 不难看出, 梁的根部是应力最集中的区域, 传感器芯片的断裂往往先从该处开始. 该传感器可以进行正向和反向测试, 理论分析表明, 传感器芯片能够承受相当于5 x 105gn ( 1gn =9. 8 m/ s² ) 加速度信号, 即不超过5 x 105gn 加速度信号时应力集中区域的应力不会超过断裂强度. 对该结构传感器分别在Hopkinson 杆和锤击试验机上进行了正向和反向冲击测试. 传感器正向冲击测试安装方式如图1 所示.
在正向冲击安装方式下, 传感器经( 1~ 10) x 105gn 多次冲击未见损坏, 芯片工作正常. 反向冲击测试安装方式示意图如图2 所示. 传感器在反向测试中出现问题, 不仅输出异常, 而且往往2. 7 x 104gn 以上的冲击加速度就会导致芯片断裂. 断裂的位置通常在键合区上部与梁的连接处, 远低于此前传感器芯片能够承受5 x 105 gn 高冲击的预期. 为查找传感器失效的原因, 下面采用板弯曲的简化理论模型对壳体在高负载下的变形进行了分析.
2 失效模式分析
对比传感器两种安装方式可以发现, 两者最大的不同在于传感器芯片与壳体粘接的面与测试时的安装面是否紧密接触. 对于正向安装, 传感器粘接面与测试安装面紧密接触, 安装面在冲击过程中基本不发生形变, 因而对传感器芯片测试影响较小. 而在反向测试过程中, 传感器芯片粘接面与测试安装面相对, 除了壳体壁与安装面连接外, 其余处于悬空状态. 在这种情况下, 受到高冲击时壳体的形变可能会对传感器芯片造成较大影响.
为简单起见, 这里将壳体粘接面看成四周固支的圆形薄板, 用静力状态下的挠度分析代替冲击状态分析. 这样高冲击时粘接面所受到的力可等效为均匀分布的压力载荷, 如图3 所示.
建立如图4 所示的坐标系, 从文献[ 9-10 ] 可知,该结构中板的挠度与所受压力之间有如下的微分方程关系:
其中R 为圆板的半径. 可以看出挠度与加速度呈线性关系, 实际上, 由此产生的内应力在破坏强度内也与加速度呈线性关系. 试验用传感器管壳采用不锈钢材料, 密度为7800 kg/ m³ , 弹性模量E 为207 GPa, 泊松比L为0. 3, 圆板半径R 设计值为7. 2 mm, 壳体厚度d 为1 mm.
将已知条件代入, 可求得1 x 105gn 冲击条件下圆板最大挠度在中心处, 为16. 9 um. 由于壳体的刚度往往比芯片的大很多, 为简单起见,这里假设传感器芯片的形变会追随壳体形变. 已知传感器芯片长度为6 mm, 假设芯片安装在中心位置, 那么其最大挠度为5. 37 um. 经过换算,该挠度相当于芯片承受2. 44 x 106 gn 时的形变,也就是说管座的形变对芯片起了应力放大的作用. 因此, 在冲击加速度为2. 7 x 104 gn 时, 就相当于传感器芯片承受6. 59 @ 105 gn 加速度的效果. 这对于只能承受5 x 105 gn 加速度的芯片来说显然太大了. 实际上, 材料在冲击状态下的性能不同于静态, 由于过冲的现象, 实际产生的形变有可能更大. 因此, 很可能是壳体的形变过大导致传感器芯片损坏. 为了验证所作的分析, 对传感器封装壳体进行了重新设计, 将圆板的半径由7. 2 mm 减为4. 1 mm, 厚度由1 mm 增加为1. 6 mm. 这时圆板的最大挠度变为0. 70 um, 芯片挠度不到0. 55 um. 对采用新壳体封装的传感器进行了高冲击测试, 通过1 x 105gn 的冲击试验未发现芯片损坏现象.
3 结 论
在高冲击条件下, 微机械传感器壳体的形变有时不能忽视, 这是由于在特定状态下其对芯片会起应力放大的作用. 特别是在冲击加速度很大时, 该形变可能造成传感器失效. 通过合理的设计, 适当地增加壳体厚度, 减小形变区域的几何尺寸, 能够有效地抑制形变, 大大提高传感器的抗冲击能力.
参考文献:
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