福英達(dá)汽車電子錫膏: 車規(guī)MEMS引線鍵合可靠性
福英達(dá)汽車電子錫膏: 車規(guī)MEMS引線鍵合可靠性
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微機(jī)電(MEMS)傳感器領(lǐng)域的使用已有數(shù)十年歷史，至今仍是隨處可見的電子元件類型之一。MEMS傳感器在汽車行業(yè)具有至關(guān)重要的作用，能夠用于測(cè)量位置，壓力，溫度，速度等。傳感器的高可靠性不僅能提高汽車性能，也能對(duì)駕駛?cè)撕统丝偷陌踩峁┍Ｕ稀EMS芯片往往采用金線進(jìn)行與焊盤的引線鍵合，金線起著電連接和信號(hào)傳輸?shù)淖饔谩EMS芯片需要進(jìn)行封裝使其避免外部環(huán)境干擾。封裝通常采用塑料，塑料材質(zhì)成本低，能夠很大程度降低封裝費(fèi)用。
MEMS引線鍵合有幾種失效模式和機(jī)制，主要跟熱和電作用有關(guān)。例如回流焊接過(guò)程由于熱作用和原子擴(kuò)散而形成的金屬間化合物造成焊點(diǎn)脆化，傳感器操作期間產(chǎn)生的焦耳熱會(huì)導(dǎo)致電疲勞，還有使用過(guò)程產(chǎn)生熱應(yīng)力導(dǎo)致的熱疲勞。為了測(cè)試MEMS器件的可靠性，Zhang等人研究了車規(guī)MEMS壓力傳感器的金線鍵合焊點(diǎn)在熱循環(huán)試驗(yàn)中熱失效形式。熱循環(huán)溫度控制在?40°C-150°C。測(cè)試樣品數(shù)量為25個(gè)，每個(gè)樣品包含4條金線。
圖1. 測(cè)試用車規(guī)MEMS壓力傳感器。
圖2. 熱循環(huán)測(cè)試溫度控制。
測(cè)試結(jié)果
熱循環(huán)測(cè)試周期數(shù)被Zhang等人設(shè)定在1600次。每完成200次熱循環(huán)測(cè)試后，所有MEMS壓力傳感器樣品會(huì)被取出，并測(cè)量芯片焊盤和基板焊盤處形成的焊點(diǎn)的電阻。電阻增大說(shuō)明焊點(diǎn)的電導(dǎo)性能下降。在1600次熱循環(huán)后，測(cè)試的25個(gè)樣品中的7個(gè)不約而同出現(xiàn)了焊點(diǎn)電阻增大的現(xiàn)象。熱應(yīng)力是影響MEMS傳感器電阻變化的主要原因。熱應(yīng)力會(huì)不斷地累積并使焊點(diǎn)可靠性惡化，造成電阻增大。
熱應(yīng)力不僅對(duì)電阻產(chǎn)生影響，也對(duì)焊點(diǎn)連接可靠性帶來(lái)不良影響。Zhang等人通過(guò)CT掃描繪制出了MEMS壓力傳感器熱循環(huán)后的引線鍵合狀態(tài)?？偣策x取了4條金線共8個(gè)焊點(diǎn)進(jìn)行觀察?？梢钥吹狡渲械?條金線和焊盤仍保持連接。但是5號(hào)焊點(diǎn)明顯出現(xiàn)了脫落的問(wèn)題。此外，受熱應(yīng)力影響，7號(hào)和8號(hào)焊點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了金線松動(dòng)，焊點(diǎn)牢固性有所下降。
圖3. 1600次熱循環(huán)后MEMS壓力傳感器的CT掃描圖。
通過(guò)熱循環(huán)測(cè)試可以知道，測(cè)試所用的車規(guī)MEMS壓力傳感器在1600次循環(huán)后很難再保證良好的鍵合強(qiáng)度。可以認(rèn)為熱應(yīng)力是導(dǎo)致焊點(diǎn)失效的重要原因。金線和焊盤的熱膨脹系數(shù)差異使得在溫度變化后金線和焊盤出現(xiàn)不同程度的形變，降低了焊點(diǎn)的連接牢固性。
對(duì)于汽車電子封裝焊接材料，深圳市福英達(dá)能夠提供優(yōu)秀的超微級(jí)(T6及以上)錫膏錫膠產(chǎn)品，能夠用于不同溫度/封裝間距要求的場(chǎng)景，錫膏在焊接后可靠性高，殘留物少，極大保證車用元件的安全性。
參考文獻(xiàn)
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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