MEMS麦克风的失效机理及失效分析

2017-04-24张永强熊小平

电子与封装 2017年4期

关键词：振膜麦克风偏置

张永强，熊小平

（楼氏电子（苏州）有限公司，江苏苏州 215143）

MEMS麦克风的失效机理及失效分析

张永强，熊小平

（楼氏电子（苏州）有限公司，江苏苏州 215143）

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找到真正的失效原因及失效机理。

MEMS麦克风；失效分析；失效机理

1 前言

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。

2 MEMS麦克风工作原理

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。

图1 典型的MEMS麦克风

图2 MEMS麦克风工作原理示意图

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：

可以得出：

由公式(1)、(2)可以得出：

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。

3 MEMS麦克风测试方法

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。

图3 MEMS麦克风测试框图

4 MEMS麦克风失效分析及失效机理

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）标准流程来寻找物理失效点[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。

图4 MEMS麦克风失效分析流程图

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。

图5 MEMS麦克风频率响应曲线图（归一化处理）

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。

图6 失效样品内部的3D X-ray图片

图7 失效样品焊接不良外观及其截面分析图

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。

针对上述第三种失效，通过三维测试软件直接对振膜或背板进行非破坏性变形量测试，如图10所示。也可通过椭圆偏振测厚仪直接测试振膜或背板的厚度，对异常区域进行FIB（离子聚焦）后通过SEM（扫描电子显微镜）进行直接观察，如图11所示。

图8 振膜与背板间存在异物

图9 MEMS芯片C-V特征曲线

图10 振膜三维变形云图

图11 振膜截面的SEM照片

4.5 电学性能失效分析及失效机理

对MEMS麦克风而言，其ASIC芯片的主要功能是为MEMS芯片提供适当的偏置电压及对MEMS芯片在工作时产生的微小电压变化的模拟信号直接进行放大输出或同时进行数字化处理后输出。由此可见ASIC芯片的电学性能好坏直接影响到MEMS麦克风整体的声学性能。

4.5.1 ASIC芯片失效分析及失效机理

基于ASIC芯片的主要功能，其主要的失效模式及失效机理有：（1）ASIC芯片提供的偏置电压过低导致MEMS麦克风无法正常工作，其可能的原因是电荷泵无法正常工作导致电压无法升高到正常设计值；（2）由于存在工艺缺陷导致ASIC芯片放大器无法处理MEMS芯片反馈的微小信号；（3）虽然芯片初始电功能正常，由于测试电压或使用方式不当，导致芯片绑定PAD附近ESD保护电路烧毁而无法给MEMS芯片提供正常的偏置工作电压或直接导致信号输出端异常；（4）芯片内部由于工艺缺陷存在漏电通道，导致其工作的电流比设计规格偏大；（5）对数字MEMS麦克风，不同的工作电压和时钟频率开启多种工作模式（如正常工作模式、低电压工作模式或静态工作模式），模式切换时出现异常。

针对上述不同的失效模式，在电性能失效分析时，主要测试有：（1）通过对输入电压与偏置电压的对应关系曲线量测来判定偏置电压是否异常，如图12所示，失效样品的偏置电压明显偏低；（2）电流电压曲线图如图13所示，失效品的工作电流异常偏高；（3）通过在ASIC的输入端施加一等效小信号来测试其输出端信号是否正常来判断ASIC芯片，一旦确定芯片电性能不良，后续通过芯片失效点定位（EMMI,OBIRCH）来做破坏性分析（FIB,SEM,TEM）以确定具体的失效原因[7]。图14所示的失效样品是通过OBIRCH进行失效点定位，然后对失效点做FIB后通过高倍SEM及EDX确认由于Ti残留导致电路内部两相邻过孔短路；图15所示的失效样品是由于EOS/ESD导致样品ESD电路保护区域完全烧毁。

图12 工作电压-偏置电压曲线图

图13 工作电压-工作电流曲线图

图14 失效样品芯片内部物理缺陷

图15 EOS/ESD导致芯片电路烧毁

4.5.2 PCB板失效分析及失效机理

MEMS麦克风的封装尺寸越来越小，MEMS芯片和ASIC芯片越来越小，性能越来越强，同时要求PCB板集成度也越来越高，将传统的电阻和电容都埋置在PCB板内部，相应的铜电路层数越来越多，这些都给PCB制造工艺带来了空前的挑战。针对PCB板内部缺陷的失效分析手段主要包括LCR表的电阻电容量测，通过X-Ray对PCB内部线路进行快速定位及异常区域截面分析。图16为一失效样品的PCB铜金属过孔照片，经LCR表测试确认开路后，通过X-Ray照片发现该铜过孔较正常铜过孔颜色明显偏暗。图17为失效样品的截面分析图，由图可知由于PCB制程工艺导致铜过孔厚度偏薄，并在通孔中部明显断开导致信号无法传输而失效。

图16 失效样品铜过孔异常

图17 失效样品铜过孔厚度偏薄并在中部断开

5 结论

本文对MEMS麦克风的工作原理以及失效分析方法流程进行归纳总结，并具体针对MEMS芯片的机械性能、ASIC芯片电学性能、MEMS麦克风声学性能及封装密封性进行探讨，并通过相关的测试方法及具体的失效案例对失效机理做详细解释说明。本文提到的失效分析方法不仅针对MEMS麦克风，对于其他类型的MEMS传感器的失效分析也有一定的借鉴意义。

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The Failure Mechanism and Analysis of MEMS Microphone

ZHANG Yongqiang,XIONG Xiaoping

（Knowles Suzhou Co.,Ltd.Suzhou215143,China）

MEMS microphone is a micro-device that converts audio signals into electrical signals,of which the operation involves acoustics,mechanics and micro-electronics.Along with ever shrinking package size and enhancing performance,traditional electrical-test-based failure analysis cannot meet new requirements.A new failure analysis method is presented in the paper,in which the MEMS microphone package structure and working principle are referenced.The new failure analysis process includes audio signal test,mechanical properties and electrical performance test.In addition,traditional semiconductor physical failure analysis method is also used to dig out the root cause and the failure mechanism.

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