MEMS封装可靠性测试规范Word文件下载.docx
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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?
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?
、10次
热冲击键合脱离、断线一般-40?
、
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
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
5.1MEMS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。
5.2MEMS封装可靠性筛选试验项目
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?
,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
6.1MEMS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。
6.2MEMS封装可靠性寿命试验项目
寿命试验贴片、键合、封盖失效85?
三维封装应变应力场的测试
1(目的
用来测量MEMS器件三维封装应变场和应力场。
2(设备
云纹干涉仪:
其原理是将两异节栅重叠,并使栅线互相平行或相交,就会出现明暗相间的干涉云纹条纹。
然后根据云纹的位置及云纹的间距或转角,便可求出此样品的面内位移和应变。
泰曼格林干涉仪:
用来对封装离面应变场和应力场进行测试。
高低温箱:
用来模拟样品的工作环境。
3(程序
在做测试样品时,应先对样品进行去氧化物的预处理,若样品表面平整度不好,还应对样品表面进行抛光以达到表面粗糙度为1.6μm的平整度。
贴光栅片时粘胶的厚度要尽量薄,最好是零厚度,贴片前胶要经过甩胶以去掉胶中含有的气泡。
起片时要注意不要划伤和粘污光栅表面。
将样品放到高低温箱中时夹具不应对样品产生另外的应力。
整个测试系统应放在最低10000级的净化间的光学隔整台上。
调节光学系统时要使投影到样品光栅表面的光斑大小均匀,光斑稳定。
光路系统不应受净化间中气流、温度的影响。
高低温度的设定应与加工环境和应用环境的温度范围相一致。
4(结果分析
对CCD采集的云纹图和干涉图像,利用软件或手工来计算样品在高低温试验条件下的应变
场,再反推其应力场。
5(失效判据
应变大于0.1,
基于六轴微样品力学实验机的力学特性测试
研究MEMS常用结构材料和封装材料、微样品、封装结构的力学特性。
包括应力,应变的本构关系、强度测试、黏弹性与黏塑性、机械疲劳与温度疲劳测试。
六轴微样品力学实验机图1
图1所示为六轴微样品力学实验机,相应的仪器参数为:
(1)量范围与精度:
平动范围100mm、运动精度0.1μm
转动范围360?
、转动分辨率0.001?
(2)测力分辨率:
Fx、Fy:
3mN;
Fz:
6mN;
Mx、My:
0.02N*m;
Mz:
0.04N*m
(3)温度范围与精度:
-60?
C,400?
C、控制精度1?
C
加载频率:
10,2000Hz
六轴微样品力学实验机:
可利用精密六轴工作台进行单轴或多轴加载,利用六轴微力传感器记录载荷大小,可用于分析应力,应变、应力,时间、应变,时间材料特性。
在Z轴上使用压电工作台或者电磁式激振器配合直线电机,可实现10-2000Hz的动态加载频率,可用于高循环疲劳失效分析。
利用云纹干涉的原理,直接测量微小样品面内的变形,以消除工作台刚性引起的误差,用于精密测量中样品变形的测量。
高低温循环箱:
用于模拟样品的工作环境,可进行温度疲劳加载、与温度相关的力学特性分析、以及可靠性加速实验
首先针对实验制作相应的样品和辅助夹具,样品为中间细两头粗的形状(尺寸:
40mm
×
6mm),使应力集中和样品破坏发生在中间部位;
安装样品时,尤其对于薄膜样品可在样品的装夹部分用薄层砂纸(厚度0.15mm)双面覆盖,避免在装夹部位因应力集中发生破坏;
对微小样品装夹固定,会产生装夹预变形,可通过六轴力传感器反馈控制六轴工作台消除样品装夹预变形,避免预变形对测量结果产生影响;
然后可针对不同的实验(如拉伸、压缩、蠕变、松弛、循环载荷、疲劳实验)进行选择控制,以达到预期效果。
对于样品加载可以通过精密六轴工作台实现,利用Z向直线可以实现最高11Hz的加载频率;
对于高频加载,应选择使用电磁激振器或者压电工作台高频加载装置实现10,2000Hz的加载;
此外对于温度相关的力学特性分析,可采用高低温循环箱(-60?
250?
)实现温度加载。
对于精密测量,应采用云纹干涉仪,直接测量微小样品面内的变形,以消除工作台刚性引起的误差对结果的影响。
记录相关实验结果,可用于材料的应力,应变的本构关系、断裂强度、黏弹性与黏塑性、机械疲劳与温度疲劳特性分析。
以上所获得的实验和计算结果,可用于MEMS设计过程中选择材料的依据、以及微样品的可靠性判断依据。
机械冲击试验
用来确定MEMS器件受到机械冲击时的适应性或评定其结构的牢靠性。
将样品挂在“十”字形支持架上,支持架通过电磁释放器与框架相连,当电磁释放器断电时,释放样品从一定高度(高度可调)向下降落,砸在下面的园盘上,园盘下面有力传感器,且样品上粘有加速度传感器,采集样品与园盘第一次碰撞时的力与加速度信号便得到样品受冲击的试验条件,通过检测样品的功能,来判断MEMS器件受到机械冲击时的适应性或牢靠性。
在做测试样品时,应先对样品进行清洗,若样品表面平整度不好,还应对样品表面进行抛光以达到表面粗糙度为1.6μm的平整度。
将加速度计胶粘在样品上表面,粘胶的厚度要尽量薄,最好是零厚度,以免胶对冲击产生缓冲而使加速度计测得的数据不能真实反应冲击试验条件。
加速度计应在样品落体的方向上有最大的灵敏度。
加速度的安装不应使样品产生另外的应力。
然后将样品用无弹性的细线挂在“十”字架上,要注意保证样品的水平,和加速度计的最大灵敏度方向。
在多次试验中线的长度不能变。
在园盘的下面安装力传感器,该力传感器的量程应大于最大冲击力30,。
力和加速度的频率响应应至少有10KHz,否则就不能测试冲击试验的动态过程。
根据样品试验条件的不同,园盘的材料可选用铁、木头、陶瓷、水泥等。
整个测试系统应放在恒温室中进行。
然后打开测试程序,将样品上升使电磁释放器夹持样品。
断电后样品由于自重沿导索下落,最后冲击园盘,同时测试冲击时的力和加速度数据。
记录下力和加速度的曲线。
并对样品进行牢靠性测试。
直至样品损坏为止。
记录下试验的次数,和比较试验的重复性。
将平均的试验数据作为试验的条件。
在一定的试验条件下,试验次数低于产品的规定值。
键合强度(破坏性键合拉力试验)
目的1
本试验的目的是测量键合强度。
本试验可应用于采用低温焊、热压焊、超声焊或有关技术键合的具有内引线的微机械电子器件封装内部的引线一芯片键合、引线一基片键合或内引线一封装引线键合。
2设备
本试验的设备应包括能按规定试验条件要求,在键合点,引线上施加规定应力的适合设备。
该设备能对外加应力提供经过校准的测量和指示,采用的单位为N,准确度为?
5,或?
2.45X10-3N(取其大者),测量范围应达到两倍于规定的应力最小极限值。
3程序
应采用与特定器件结构相符的试验条件进行试验。
应计算全部键合拉力,并应根据适用情况遵守抽样、接收和追加样品规定。
若无其他规定,对于条件A和B,所需要的试验键合应从至少四个器件中随机抽取,为键合强度试验规定的LTPD值用于确定进行拉力试验的最少键合线数,而不是确定至少需要的完整器件样本。
在芯片下、芯片上或芯片周围,若存在任何导致增加表面键合强度的粘附剂、密封剂或其他材料,应在使用这些材料前进行键合强度试验。
3.1试验条件
3.1.1试验条件A一引线拉力(双键合点)
此试验的步骤是在引线下通过插入一个钩子施加拉力(该引线附着于芯片,基片或底座或两者都有)夹紧器件,大约在引线中央施加拉力,该力方向与芯片或基片表面垂直。
当出现失效时,记录引起失效的力的大小和失效类别。
对引线直径或者等效横截面大于127μm,在引线下不适于使用钩子的地方,用一个适当的夹子取代钩子。
3.1.2试验条件B一键合剪切力(倒装焊)
本试验通常用于芯片与衬底之间以面键合结构来固定的内部键合。
它也可用来试验衬底和安装芯片的中间载体或次级衬底之间的键合。
用适当的工具或劈刀正好在位于主衬底之上的位置与芯片(或载体)接触,在垂直于芯片(或载体)的一个边界并平行于主衬底的方向上施加外力,由剪切力引起键合失效。
当出现失效时,记录失效时力的大小和失效类别。
3.2失效判据
试验中,若外加应力小于下表(对于指定的试验条件、组成和结构所要求的最小键合强度)的规定时出现键合的分离则为失效。
试验条件引线成分和直径结构最小键合强度N
密封前密封后
引线A0.0150.010Al18μm
0.020.015Au18μm0.0250.015Al25μm引线AAu25μm0.030.025引线Al32μm0.030.02A0.040.03Au32μm引线0.030.02Al33μmA0.040.03Au33μm引线0.040.025Al38μmAAu38μm0.050.04引线0.0540.04Al50μmA
Au50μm0.0750.054
引线AAl76μm0.120.08
Au76μm0.150.12
各种规格倒装片0.05×
键合数B
3(2(1失效类别
当有规定时,应记录造成分离所需要的应力以及分离或失效类别。
失效分类如下:
a(对于内引线键合:
(a—1)在颈缩点处(即由于键合工艺而使内引线截面减小的位置)引线断开;
(a—2)在非颈缩点上引线断开;
(a—3)芯片上的键合(在引线和金属化层之间的界面)失效;
(a—4)在基片、封装外引线键合区或非芯片位置上的键合(引线和金属化层之间的界面)失
效;
(a—5)金属化层从芯片上浮起;
(a—6)金属化层从基片或封装外引线键合区上浮起;
(a—7)芯片破裂;
(a—8)基片破裂。
b(对于倒装片结构:
(b—1)键合材料或基片键合区的失效;
(b—2)芯片(或载体)或基片的破裂(芯片或基片紧靠在键合处下面失掉一部分);
(b—3)金属化层浮起(金属化层或基片键合区与芯片或载体、基片分离)。
内部水汽含量
本试验的目的是测定在金属或陶瓷封装器件内部气体中的水汽含量。
它可以是破坏性试
验(程序1和2);
也可以是非破坏性试验(程序3)。
根据所选择的不同程序,本试验所需设备如下:
2.1程序1所用设备
程序1是用质谱仪测量器件内部的水汽含量。
所需设备如下:
a(一台质谱仪,它能对给定的封装再现地检测出规定的水汽含量,其灵敏度安全裕量为10倍。
质谱仪的校准是在规定水汽允许范围(偏差为?
20,)下,利用一个封装模拟器来完成的。
该模拟器利用对已知水汽含量(偏差为?
l0,)的体积连续取样排气,且能重复性地产生至少三种已知的气体体积(偏差为?
10,)。
水汽含量由标准的产生方法建立(即两种压力、分流或低温方法)。
绝对湿度至少每两年一次采用标准校准过的湿度露点分析仪进行测量。
该校准过的露点分析仪应至少每年一次重新校准。
应采用最佳拟合曲线校准体积校准点。
应要求对与校准点之间平均值的偏差大于10,的灵敏度因子进行修正。
b(能放置器件的一只开口真空箱和使器件与2(1a中的质谱仪相连接的真空传递通道。
真空传递通道应保持在125?
5?
。
开口真空箱中夹具对样品的夹持必须满足2.1c刺穿装置的要求,在刺穿前使器件保持在100?
达l0min以上。
c(开口真空箱内或传递通道内刺穿装置的功能是刺穿样品壳体(不降低质谱仪箱的真空并不破坏壳体的密封媒质),以使样品内部气体逸出,进入真空箱体和质谱仪。
2.2程序2所用设备
程序2采用累积计算50?
时由干燥的载体气体收集到的水汽的方法来测定器件的水汽含量。
所需的设备如下:
a(一台电子积分检测器和湿度传感器,它能重复地检测出被试封装内300?
50ppm的水汽含量。
以µ
g为单位的水汽绝对灵敏度除以计算得到的被试器件中的气体重量,然后再修正到ppm,得到水汽含量值。
b.一个与2.2a中的积分检测器相连的刺穿箱或盒子,用来放置器件样品并在测量期间使其温度保持在100?
刺穿箱应按刺穿装置要求夹持样品。
刺穿装置打开封装的方式应能使包含的气体被运载气体携出或用抽气的方法排出,传感器和与刺穿箱的连接部分维持在50?
2?
2.3程序3所用设备
程序3通过测量已校准的湿度传感器或集成电路芯片响应的方法来测定器件中的水汽含量。
湿度传感器和集成电路芯片应密封在器件封壳内,在封装的外部有可利用的引线端。
所需的设备如下:
a(湿度传感器和能检测出含量为300?
50ppm的水汽含量的读出仪器。
传感器安装在密封器件内部。
b(被测试器件上的金属走线,他们与器件之间用反向偏置二极管隔离,当被连接作为桥式网络一部分时,可检测出腔内2000ppm水汽含量。
芯片应以某种方法致冷,使芯片表面为腔内最冷点。
器件先被致冷到露点以下(然后再加热到室温(构成一个完整的试验周期。
应按程序1、2或3的要求进行内部水汽含量试验。
含有干燥剂或有机物的器件应在把热导入设备之前在100?
下预烘焙12~24h。
3.1程序1
器件应进行密封试验,并且不应存在可能影响水汽含量测定精确度的任何表面沾污。
器件插入后,把器件和真空箱用泵抽气并在100?
的温度下烘焙,直至背景压力达到不妨碍
规定的测量精度和灵敏度为止。
抽气后,应刺穿器件外壳或盖板,并采用质谱仪测量释放气体。
应对数据做简化处理,即要消除在计算湿度含量时由于其他气体元素对分凝形式的影响。
应对系统产生的影响(例如在内部环境中存在氢的情况)都应进行数据校正。
3.1.1失效判据
a(水汽含量大于规定最大值的器件应视为失效。
b(存在如3.1a所述的异常低的总气体含量的器件,如不能替代,应视作失效。
这样的器件可用同一组中的其他器件代替,如果替代的器件存在的总气体含量对于该型号属正常范围那么替代的和原来的器件都不能因此而被视为失效。
3(2程序2
器件插入刺穿箱后,使气体流动通过该系统,直至探测器输出达到稳定基线值。
应在气体连续流动时,刺穿被测器件封装并收集释放湿气直至探测器再次达到基线读数。
另一种方法是把气体输送到含有一只湿度传感器和一只压力指示仪的储备箱中。
通过注入已知量的湿气或打开湿气含量已知的封装来校准系统。
3(2(1失效判据
a(水汽含量(按体积)大于规定最大值的器件应视为失效。
b(从刺穿箱中取出后应检查器件,查明封装是否已完全打开。
如果该器件封装未被刺穿,又未从同一组中抽出另一个器件进行试验,则该器件就应视作失效;
如果重新试验样品或替代器件,证明器件封装业已被刺穿且符合规定的水汽含量标准,则样品就应视为通过了该试验。
c(在驱气时渗水的封装将是潮湿的,应视为失效。
在抽真空情况下必须按3.1a测量标称压力的升高。
3.3程序3
湿度传感器应在已知水汽含量的气氛中校准,例如可采用合适的盐饱和溶液或稀释液。
应证明在封装密封后可检查传感器校准,或者打开器件封盖对传感器进行密封后的校准。
湿度传感器应密封在器件封装中,或当有规定时,密封进同类型的模拟封装中。
应按与试验器件相同的工艺、相同的管芯附着材料、相同的设备上、在相同的时间周期内进行密封。
用测量温度传感器响应的方法来测量水汽含量。
在传感器对程序3的适用性认可之前,必须确定它与程序1的对应关系。
应证明封装环境和传感器表面不存在有机溶剂之类的任何沾污材料,这样的沾污材料可能会产生比实际湿度低的读数。
3.3.1失效判据
水汽含量大于规定最大值的样品视为失效。
X射线照相
1目的
本检查的目的是用非破坏性的方法检测封装内的缺陷,特别是密封工艺引起的缺陷和诸如外来物质、错误的内引线连接、芯片附着材料中的或采用玻璃密封时玻璃中的空隙等内部缺陷。
本方法为MEMS器件的X射线照相检查确立了采用的方法、判据和标准。
本试验所用设备和材料包括:
a(X射线设备,其电压范围应足以使X射线穿透器件。
焦距应适当,使得主要尺寸为0.0254mm的物体的图象比较清晰。
b(X射线照片胶卷颗粒很细的工业X射线胶卷,单乳胶或双乳胶均可。
c(X射线照片观察器主要尺寸分辨率应为0.0254mm。
d(固定夹具—能把器件固定在要求的位置上,而不影响图象的准确性和清晰度;
e。
X射线照片质量标准—具备能够验证检测全部规定缺陷的能力。
f(胶卷盒—表面覆盖有至少1.6mm厚铅材料的工作台,背部为铅材料的胶卷盒,以防止辐射的背散射。
为了在灵敏度要求的范围内获得满意的曝光并得到用于X射线照相试验的器件或缺陷特征的图象的最详细的细节,必须调整或选择X射线曝光系数、电压、电流和时间。
在满足上述要求的前提下,X射线电压应最低,并且不超过150kV。
器件应安装在夹具中,以使其不受损坏或沾污,并在规定的适当平面上。
夹具可是多种类型的带有铅隔膜或钡土的挡板可用来隔开多个样品,但要求夹具或挡板材料不妨碍从X射线源到器件本体任何部位的观察。
3.1试验
选择X射线曝光系数以达到主尺寸分辨率为0.0254mm,失真小于10
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