[發明專利]TSV圓片級封裝MEMS芯片的失效分析裝置及其分析方法

有效

• 申請號: 201410363956.8
• 申請日: 2014-07-25
• 公開（公告）號: CN104124183A
• 公開（公告）日: 2014-10-29
• 發明（設計）人: 華亞平
• 申請（專利權）人: 安徽北方芯動聯科微系統技術有限公司
• 主分類號: H01L21/66
• 分類號: H01L21/66
• 代理公司: 蚌埠鼎力專利商標事務所有限公司 34102
• 代理人: 王琪;牛濤

技術領域

本發明屬于MEMS芯片分析領域，具體是涉及到一種用于TSV圓片級封裝MEMS芯片的失效分析裝置，本發明還涉及利用這種分析裝置進行MEMS芯片失效分析的方法。

背景技術

MEMS(Micro-Electro-Mechanical?Systems)是微機電系統的縮寫，MEMS制造技術利用微細加工技術，特別是半導體圓片制造技術，制造出各種微型機械結構，結合專用控制集成電路(ASIC)，組成智能化的微傳感器、微執行器等MEMS元器件。MEMS元器件具有體積小、成本低、可靠性高、抗惡劣環境能力強、功耗低、智能化程度高、易校準、易集成的優點，被廣泛應用于消費類電子產品(如手機、平板電腦、玩具、數碼相機、游戲機、空中鼠標、遙控器、GPS等)、國防工業(如智能炸彈、導彈、航空航天、無人飛機等)以及工業類產品(如汽車、機器人、智能交通、工業自動化、環境監測、平臺穩定控制、現代化農業、安全監控等)，MEMS元器件逐漸成為物聯網技術的基石。

隨著便攜式電子產品，如手機、平板電腦、可穿戴裝置等市場的迅猛增長，消費類電子產品已成為MEMS元器件的最大市場，幾乎每個便攜式電子產品中都會用到多個MEMS元器件，以智能手機為例，它用到了陀螺儀、加速度計、高度計、麥克風、電子指南針、調諧天線、濾波器等。為達到便攜式電子產品對MEMS元器件體積小、性能高、功耗低、價格便宜的要求，MEMS元器件需要在圓片制造過程中先進行圓片級封裝，保護可動、易碎的微機械結構，然后將圓片切割成芯片，再通過普通塑料封裝方法進行封裝。

MEMS結構通常由單晶硅或多晶硅材料構成，硅材料的剛性和抗疲勞性能很好，但比較脆，受到外力沖擊時易發生碎裂，引起器件失效；MEMS芯片加工過程中的工藝缺陷，如殘留物、吸氣劑等淀積材料的剝離、密封材料外溢、鍵合強度不夠等，也會引起器件失效；另外，由于設計缺陷引起的在芯片加工或使用過程中的MEMS結構吸合，也是最常見的失效機理。在分析這些失效機理時，必須給MEMS結構提供一個激勵信號(直流電壓或交流電壓)，然后測試MEMS結構的漏電值、電容值、共振頻率、吸合電壓、運動幅度等參數，判斷MEMS結構的失效原因。矩形平板電容的靜電力與施加的電壓的平方成正比，靜電力公式如下：

F=ϵabU22d2(1+dπa+d),]]>

ε為介電常數，a為電容長度，b為電容寬度，d為電容間距，U為施加的電壓。

普通的圓片級封裝的MEMS芯片如圖1所示，MEMS芯片1的蓋板17、MEMS層11和底板16圍成一個密封腔10，為MEMS結構11a提供一個不受外部干擾、可自由活動的空間。MEMS層11與蓋板17間通過Si-Si鍵合或Si-SiO₂鍵合工藝結合在一起，MEMS層11與底板16通過金屬密封層12結合在一起；同時，MEMS結構11a的電信號由通孔18傳送到夾在第一絕緣層15和第二絕緣層13之間的導電金屬層14上，再由導電金屬層14從密封腔10中引出；第二絕緣層13在密封腔10外面的部分上有一個用于封裝時打線用的壓焊窗19。該MEMS芯片1的一個顯著特點就是壓焊窗19在MEMS結構11a的側面，除去蓋板17后，MEMS結構11a和壓焊窗19同時露出來，這樣，在失效分析時，將探針扎在壓焊窗19中的金屬上，通過顯微鏡可以直接觀察MEMS結構11a的響應情況，從而進行失效分析。