张永强;熊小平
【摘 要】MEMS麦克风是将音频信号转换成电信号的微型传感器,其工作过程涉及到声学、机械学和微电子学等学科.随着MEMS麦克风封装尺寸的不断缩小和声学性能的不断提升,以电学测试结果作为失效分析出发点的传统半导体失效分析方法越来越难以满足MEMS麦克风失效分析的需要.针对MEMS麦克风独特的封装结构和工作原理,其失效分析方法主要包括声学性能测试、机械性能测试和电学性能测试,并结合传统的半导体物理失效分析手段来到真正的失效原因及失效机理.
【期刊名称】《电子与封装》
泊车系统【年(卷),期】2017(017)004
【总页数】6页(P24-29)
【关键词】MEMS麦克风;失效分析;失效机理
【作 者】张永强;熊小平
有机冲施肥>强制系统【作者单位】楼氏电子(苏州)有限公司,江苏苏州215143;楼氏电子(苏州)有限公司,江苏苏州215143
【正文语种】正二十面体的展开图中 文
【中图分类】TN307
由于MEMS麦克风的特殊性和复杂性，其封装形式与传统的微电子封装有很大的差别。对于微电子来说，封装的功能主要是电信号输入/输出、热管理、对芯片和引线等内部结构提供支持和保护，使之不受外界环境的干扰和腐蚀破坏。其中芯片与外界电信号的交互一般通过引线加框和管脚/焊球实现。对于MEMS麦克风来说，除了要具备上述基本功能以外，还需要给器件提供必要的工作环境，MEMS芯片是可动的部件，在封装时必须留有活动空间。由于MEMS麦克风敏感结构的工作对象是气体（声压），其封装必须保证合适的接口和稳定的环境，使气体（声音）可以稳定流动[1～3]。由此可见，封装结构的不同和工作原理的差异导致传统的半导体失效分析方法已不能完全满足MEMS麦克风失效分析的需要。 基于当前的文献资料，针对MEMS麦克风失效机理和分析流程鲜有介绍，建立一套适用于MEMS麦克风的失效分析方法很有必要。
MEMS麦克风是一种微型传感器，主要包括MEMS电容传感器和ASIC芯片（包括信号放大器和偏置电压功能）。其原理是利用声音变化产生的压力梯度使MEMS声学振膜受声压作用而产生形变，进而改变声学振膜与背极板之间的电容值。该电容值的变化会在MEMS传感器上产生微小的电压变化，经过放大电路将该微小电压变化量放大输出，从而将声压信号转化为电压信号[4]。在此必须采用一个高阻抗的电阻为MEMS传感器提供一个偏置电压Vbias，借以在MEMS传感器上产生固定电荷，最后的输出电压将与Vbias及振膜的形变Δd成正比。振膜的形变与其刚性有关，刚性越低则形变越大；另一方面，输出电压与d(气隙)成反比，因此气隙越低则输出电压及灵敏度愈佳，但这都将受限于MEMS传感器的吸合电压，也就是受限于MEMS传感器静电场的最大极限值。图1与图2分别示出典型MEMS麦克风外观及其工作原理示意图。 基于MEMS麦克风在正常工作过程中，其所带电量Q保持不变，整个工作过程用公式可表述如下。
由：
尼龙袋可以得出：
由公式(1)、(2)可以得出：
商场柜台制作
由C=εS/d可以得出
由F=Kd=PS可以得出
由公式(3)、(4)、(5)可以得出：
其中K为振膜的弹性系数，ΔP为作用在振膜上下表面的声压差，S为振膜面积，d为背板与振膜的间距，V为背板与振膜间的偏置电压。
由公式(6)可知，ΔV的大小（MEMS麦克风的灵敏度）与MEMS芯片的振膜面积、偏置电压及作用在振膜上下表面的声压差成正比，与振膜的弹性系数及振膜与背基板的距离成反比。实际上MEMS麦克风在设计时不仅仅考虑灵敏度的问题，还要考虑信噪比、过压比（AOP)等因素，因而上述公式将会变得更复杂一些。
为了保持与使用条件一致，MEMS麦克风的许多电声性能都是在自由场条件下进行测量的，如自由场灵敏度、频率响应、信噪比、指向性等。为满足自由场条件，一般在消音室中进行测量。要求消音室中点声源所辐射的声压P与距离r之间的关系满足P∝1/r定律，其误差不超过10%[5]。MEMS麦克风的测试框图如图3所示。
传统微电子封装的失效分析方法以电信号输入/输出作为基本的量测通路，根据量测的结果进行分析，通过外观检查（光学显微镜）、非破坏性分析（X-Ray，超声扫描等）、破坏性分析（塑封去层、定点切片、失效点定位、SEM、FIB、EDX等）标准流程来寻物理失效点[6]。而对于MEMS麦克风而言，其对外接口不仅包括电信号输入/输出，还包括外声音（音频）信号进入MEMS麦克风内部空腔的通道，使声压作用在MEMS芯片的振膜上产生微弱的电压信号作为ASIC芯片的输入信号。因此，声音通道（气流通道）对MEMS麦克风的灵敏度有重大影响。由此可见，MEMS麦克风的失效分析不仅包含了传统微电子对电信号的失效分析，还包括对其声学性能进行的分析。通过上述分析，MEMS麦克风失效分析流程框图 可以归纳如图4所示。
4.1 外观检查
通常使用低倍光学显微镜（50×以下）对MEMS麦克风的外部进行检查，观察其外表面有无明显的异常，如PCB表面焊接区域有无污染导致测试过程中接触不良、外部声音孔周围有无异物可能影响声学性能等。
4.2 声学性能测试及主要失效机理
MEMS麦克风是声电传感器件，主要性能参数包括灵敏度、频率响应、信噪比（SNR）、总谐波失真（THD)等。
本论文主要针对灵敏度和频率响应曲线做重点分析，并由此讨论MEMS麦克风的失效机理。
4.2.1 灵敏度
灵敏度是表示麦克风声电转换效率的重要指标。它表示在自由声场中，麦克风频率为1 kHz恒定声压下与声源正向（即声音入射角为零）时所测得的开路输出电压，其单位为mV/Pa。由于MEMS麦克风输出电压值比较小，为了表述方便，业界通常使用分贝（dB）为单位。
灵敏度（Sensitivity）=20 log[ΔV/(1 V)]。
由上述公式可知，导致MEMS麦克风声学性能不良的主要失效机理如下：
（1）偏置电压Vbias过高或过低直接由ASIC本身决定；
（2）ΔP的大小与MEMS芯片的振膜与背板结构有关；
（3）d变化量与振膜的刚度K有关，与振膜材料工艺有直接关系；
（4）S变化量与振膜在工作状态下的变形有直接关系；
（5）ASIC芯片内部工艺缺陷及PCB电路层异常导致输出异常；
（6）封装工艺缺陷导致MEMS芯片前后空腔体积的变化。
4.2.2 频率响应
麦克风在恒定声压和规定入射角声波作用下，各频率声波信号的开路输出电压与规定频率麦克风开路输出电压之比，称为麦克风的频率响应，用分贝（dB）表示。
麦克风接受到不同频率声音时，输出信号会随着频率的变化而发生放大或衰减。最理想的频率响应曲线为一条水平线，代表输出信号能真实呈现原始声音的特性，但这种理想情况不容易实现。
4.3 封装气密性失效分析及失效机理
由MEMS麦克风工作原理可知，外界声音信号进入MEMS麦克风内部空腔的通道，使声压作用在MEMS芯片的振膜上产生微弱的电压信号作为ASIC芯片的输入信号。由此可见，MEMS麦克风内部空腔的气密性将对其整体的声学性能有重要影响。
对MEMS麦克风而言，MEMS芯片和ASIC芯片封装在同一PCB基板上，外壳直接通过焊锡或银胶与PCB基板形成一定体积的空腔，外壳或PCB基板留有声音通道的开孔，一旦外壳与基板焊接不良（如焊接处与外界贯通），使得MEMS芯片在振膜内外空腔体积发生显著变化，直接导致MEMS麦克风声学性能明显下降，在低频（20～300 Hz）端表现尤为明显，其频率响应曲线超出测试规格。针对此种失效，可以通过漏气检测仪的一端与MEMS麦克风的声孔直接压紧以检测MEMS麦克风的封装气密性，一旦漏气量大于一定阈值，表明外壳与基板焊接处有漏气通道存在的可能，通过3D X-Ray来确定具体的漏气位置，后续
通过截面分析来确定具体的失效原因。
图6是失效样品的3D X-Ray内部图片，箭头处明显可以看出焊接区域的焊锡比其他区域要少。图7中方框表示MEMS麦克风外部焊接不良区域，对该焊接不良处做截面分析可以看出，焊接区域上部出现焊锡不浸润的现象，可能原因怀疑该处存在污染物导致焊接不良。
4.4 机械性能失效分析及失效机理
对MEMS电容式传感器而言，其利用声音变化产生的压力梯度使声学振膜受声压干扰而产生形变，从而改变声学振膜与硅背极板之间的电容值，电容值变化量的大小直接决定其输出电压变化量的大小（灵敏度的高低）。因此MEMS传感器振膜的机械性能对其整体的声学性能有决定性的影响。
对MEMS传感器而言，主要失效模式及失效机理包括：（1）振膜与背板间存在异物或微小颗粒导致振膜工作不畅；（2）在后处理中振膜应力释放不完全，振膜与背板间的间隙过大或过小导致静态电容过小或过大，从而影响输出灵敏度；（3）在前道制造过程中的工艺缺陷导致振膜形变量异常或其厚度偏离正常值，其结果对灵敏度有重要影响。
针对上述第一种失效，可以通过光学显微镜在明场或暗场模式下快速定位出在振膜与背板间的异物或颗粒，如图8所示。
针对上述第二种失效，可以对MEMS通过振膜与背板施加偏置电压，测试其电容随电压变化的特征曲线，如图9所示。C-V特征曲线较正常曲线相比向右偏移，说明振膜与板间距过大或振膜的弹性系数偏大，灵敏度会降低；反之，说明振膜与背板间距过小或振膜的弹性系数偏小，灵敏度会增加。
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