張永強，熊小平

（樓氏電子（蘇州）有限公司，江蘇蘇州 215143）

MEMS麥克風的失效機理及失效分析

張永強，熊小平

（樓氏電子（蘇州）有限公司，江蘇蘇州 215143）

MEMS麥克風是將音頻信號轉換成電信號的微型傳感器，其工作過程涉及到聲學、機械學和微電子學等學科。隨著MEMS麥克風封裝尺寸的不斷縮小和聲學性能的不斷提升，以電學測試結果作為失效分析出發(fā)點的傳統(tǒng)半導體失效分析方法越來越難以滿足MEMS麥克風失效分析的需要。針對MEMS麥克風獨特的封裝結構和工作原理，其失效分析方法主要包括聲學性能測試、機械性能測試和電學性能測試，并結合傳統(tǒng)的半導體物理失效分析手段來找到真正的失效原因及失效機理。

MEMS麥克風；失效分析；失效機理

1 前言

由于MEMS麥克風的特殊性和復雜性，其封裝形式與傳統(tǒng)的微電子封裝有很大的差別。對于微電子來說，封裝的功能主要是電信號輸入/輸出、熱管理、對芯片和引線等內部結構提供支持和保護，使之不受外界環(huán)境的干擾和腐蝕破壞。其中芯片與外界電信號的交互一般通過引線加框和管腳/焊球實現(xiàn)。對于MEMS麥克風來說，除了要具備上述基本功能以外，還需要給器件提供必要的工作環(huán)境，MEMS芯片是可動的部件，在封裝時必須留有活動空間。由于MEMS麥克風敏感結構的工作對象是氣體（聲壓），其封裝必須保證合適的接口和穩(wěn)定的環(huán)境，使氣體（聲音）可以穩(wěn)定流動[1～3]。由此可見，封裝結構的不同和工作原理的差異導致傳統(tǒng)的半導體失效分析方法已不能完全滿足MEMS麥克風失效分析的需要。基于當前的文獻資料，針對MEMS麥克風失效機理和分析流程鮮有介紹，建立一套適用于MEMS麥克風的失效分析方法很有必要。

2 MEMS麥克風工作原理

MEMS麥克風是一種微型傳感器，主要包括MEMS電容傳感器和ASIC芯片（包括信號放大器和偏置電壓功能）。其原理是利用聲音變化產生的壓力梯度使MEMS聲學振膜受聲壓作用而產生形變，進而改變聲學振膜與背極板之間的電容值。該電容值的變化會在MEMS傳感器上產生微小的電壓變化，經過放大電路將該微小電壓變化量放大輸出，從而將聲壓信號轉化為電壓信號[4]。在此必須采用一個高阻抗的電阻為MEMS傳感器提供一個偏置電壓Vbias，借以在MEMS傳感器上產生固定電荷，最后的輸出電壓將與Vbias及振膜的形變Δd成正比。振膜的形變與其剛性有關，剛性越低則形變越大；另一方面，輸出電壓與d(氣隙)成反比，因此氣隙越低則輸出電壓及靈敏度愈佳，但這都將受限于MEMS傳感器的吸合電壓，也就是受限于MEMS傳感器靜電場的最大極限值。圖1與圖2分別示出典型MEMS麥克風外觀及其工作原理示意圖。

圖1 典型的MEMS麥克風

圖2 MEMS麥克風工作原理示意圖

基于MEMS麥克風在正常工作過程中，其所帶電量Q保持不變，整個工作過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為振膜的彈性系數，ΔP為作用在振膜上下表面的聲壓差，S為振膜面積，d為背板與振膜的間距，V為背板與振膜間的偏置電壓。

由公式(6)可知，ΔV的大?。∕EMS麥克風的靈敏度）與MEMS芯片的振膜面積、偏置電壓及作用在振膜上下表面的聲壓差成正比，與振膜的彈性系數及振膜與背基板的距離成反比。實際上MEMS麥克風在設計時不僅僅考慮靈敏度的問題，還要考慮信噪比、過壓比（AOP)等因素，因而上述公式將會變得更復雜一些。

3 MEMS麥克風測試方法

為了保持與使用條件一致，MEMS麥克風的許多電聲性能都是在自由場條件下進行測量的，如自由場靈敏度、頻率響應、信噪比、指向性等。為滿足自由場條件，一般在消音室中進行測量。要求消音室中點聲源所輻射的聲壓P與距離r之間的關系滿足P∝1/r定律，其誤差不超過10%[5]。MEMS麥克風的測試框圖如圖3所示。

圖3 MEMS麥克風測試框圖

4 MEMS麥克風失效分析及失效機理

傳統(tǒng)微電子封裝的失效分析方法以電信號輸入/輸出作為基本的量測通路，根據量測的結果進行分析，通過外觀檢查（光學顯微鏡）、非破壞性分析（X-Ray，超聲掃描等）、破壞性分析（塑封去層、定點切片、失效點定位、SEM、FIB、EDX等）標準流程來尋找物理失效點[6]。而對于MEMS麥克風而言，其對外接口不僅包括電信號輸入/輸出，還包括外聲音（音頻）信號進入MEMS麥克風內部空腔的通道，使聲壓作用在MEMS芯片的振膜上產生微弱的電壓信號作為ASIC芯片的輸入信號。因此，聲音通道（氣流通道）對MEMS麥克風的靈敏度有重大影響。由此可見，MEMS麥克風的失效分析不僅包含了傳統(tǒng)微電子對電信號的失效分析，還包括對其聲學性能進行的分析。通過上述分析，MEMS麥克風失效分析流程框圖 可以歸納如圖4所示。

圖4 MEMS麥克風失效分析流程圖

4.1 外觀檢查

通常使用低倍光學顯微鏡（50×以下）對MEMS麥克風的外部進行檢查，觀察其外表面有無明顯的異常，如PCB表面焊接區(qū)域有無污染導致測試過程中接觸不良、外部聲音孔周圍有無異物可能影響聲學性能等。

4.2 聲學性能測試及主要失效機理

MEMS麥克風是聲電傳感器件，主要性能參數包括靈敏度、頻率響應、信噪比（SNR）、總諧波失真（THD)等。

本論文主要針對靈敏度和頻率響應曲線做重點分析，并由此討論MEMS麥克風的失效機理。

4.2.1 靈敏度

靈敏度是表示麥克風聲電轉換效率的重要指標。它表示在自由聲場中，麥克風頻率為1 kHz恒定聲壓下與聲源正向（即聲音入射角為零）時所測得的開路輸出電壓，其單位為mV/Pa。由于MEMS麥克風輸出電壓值比較小，為了表述方便，業(yè)界通常使用分貝（dB）為單位。

靈敏度（Sensitivity）=20 log[ΔV/(1 V)]。

由上述公式可知，導致MEMS麥克風聲學性能不良的主要失效機理如下：

（1）偏置電壓Vbias過高或過低直接由ASIC本身決定；

（2）ΔP的大小與MEMS芯片的振膜與背板結構有關；

（3）d變化量與振膜的剛度K有關，與振膜材料工藝有直接關系；

（4）S變化量與振膜在工作狀態(tài)下的變形有直接關系；

（5）ASIC芯片內部工藝缺陷及PCB電路層異常導致輸出異常；

（6）封裝工藝缺陷導致MEMS芯片前后空腔體積的變化。

4.2.2 頻率響應

麥克風在恒定聲壓和規(guī)定入射角聲波作用下，各頻率聲波信號的開路輸出電壓與規(guī)定頻率麥克風開路輸出電壓之比，稱為麥克風的頻率響應，用分貝（dB）表示。

麥克風接受到不同頻率聲音時，輸出信號會隨著頻率的變化而發(fā)生放大或衰減。最理想的頻率響應曲線為一條水平線，代表輸出信號能真實呈現(xiàn)原始聲音的特性，但這種理想情況不容易實現(xiàn)。

圖5 MEMS麥克風頻率響應曲線圖（歸一化處理）

4.3 封裝氣密性失效分析及失效機理

由MEMS麥克風工作原理可知，外界聲音信號進入MEMS麥克風內部空腔的通道，使聲壓作用在MEMS芯片的振膜上產生微弱的電壓信號作為ASIC芯片的輸入信號。由此可見，MEMS麥克風內部空腔的氣密性將對其整體的聲學性能有重要影響。

對MEMS麥克風而言，MEMS芯片和ASIC芯片封裝在同一PCB基板上，外殼直接通過焊錫或銀膠與PCB基板形成一定體積的空腔，外殼或PCB基板留有聲音通道的開孔，一旦外殼與基板焊接不良（如焊接處與外界貫通），使得MEMS芯片在振膜內外空腔體積發(fā)生顯著變化，直接導致MEMS麥克風聲學性能明顯下降，在低頻（20～300 Hz）端表現(xiàn)尤為明顯，其頻率響應曲線超出測試規(guī)格。針對此種失效，可以通過漏氣檢測儀的一端與MEMS麥克風的聲孔直接壓緊以檢測MEMS麥克風的封裝氣密性，一旦漏氣量大于一定閾值，表明外殼與基板焊接處有漏氣通道存在的可能，通過3D X-Ray來確定具體的漏氣位置，后續(xù)通過截面分析來確定具體的失效原因。

圖6是失效樣品的3D X-Ray內部圖片，箭頭處明顯可以看出焊接區(qū)域的焊錫比其他區(qū)域要少。圖7中方框表示MEMS麥克風外部焊接不良區(qū)域，對該焊接不良處做截面分析可以看出，焊接區(qū)域上部出現(xiàn)焊錫不浸潤的現(xiàn)象，可能原因懷疑該處存在污染物導致焊接不良。

圖6 失效樣品內部的3D X-ray圖片

圖7 失效樣品焊接不良外觀及其截面分析圖

4.4 機械性能失效分析及失效機理

對MEMS電容式傳感器而言，其利用聲音變化產生的壓力梯度使聲學振膜受聲壓干擾而產生形變，從而改變聲學振膜與硅背極板之間的電容值，電容值變化量的大小直接決定其輸出電壓變化量的大?。`敏度的高低）。因此MEMS傳感器振膜的機械性能對其整體的聲學性能有決定性的影響。

對MEMS傳感器而言，主要失效模式及失效機理包括：（1）振膜與背板間存在異物或微小顆粒導致振膜工作不暢；（2）在后處理中振膜應力釋放不完全，振膜與背板間的間隙過大或過小導致靜態(tài)電容過小或過大，從而影響輸出靈敏度；（3）在前道制造過程中的工藝缺陷導致振膜形變量異常或其厚度偏離正常值，其結果對靈敏度有重要影響。

針對上述第一種失效，可以通過光學顯微鏡在明場或暗場模式下快速定位出在振膜與背板間的異物或顆粒，如圖8所示。

針對上述第二種失效，可以對MEMS通過振膜與背板施加偏置電壓，測試其電容隨電壓變化的特征曲線，如圖9所示。C-V特征曲線較正常曲線相比向右偏移，說明振膜與板間距過大或振膜的彈性系數偏大，靈敏度會降低；反之，說明振膜與背板間距過小或振膜的彈性系數偏小，靈敏度會增加。

針對上述第三種失效，通過三維測試軟件直接對振膜或背板進行非破壞性變形量測試，如圖10所示。也可通過橢圓偏振測厚儀直接測試振膜或背板的厚度，對異常區(qū)域進行FIB（離子聚焦）后通過SEM（掃描電子顯微鏡）進行直接觀察，如圖11所示。

圖8 振膜與背板間存在異物

圖9 MEMS芯片C-V特征曲線

圖10 振膜三維變形云圖

圖11 振膜截面的SEM照片

4.5 電學性能失效分析及失效機理

對MEMS麥克風而言，其ASIC芯片的主要功能是為MEMS芯片提供適當的偏置電壓及對MEMS芯片在工作時產生的微小電壓變化的模擬信號直接進行放大輸出或同時進行數字化處理后輸出。由此可見ASIC芯片的電學性能好壞直接影響到MEMS麥克風整體的聲學性能。

4.5.1 ASIC芯片失效分析及失效機理

基于ASIC芯片的主要功能，其主要的失效模式及失效機理有：（1）ASIC芯片提供的偏置電壓過低導致MEMS麥克風無法正常工作，其可能的原因是電荷泵無法正常工作導致電壓無法升高到正常設計值；（2）由于存在工藝缺陷導致ASIC芯片放大器無法處理MEMS芯片反饋的微小信號；（3）雖然芯片初始電功能正常，由于測試電壓或使用方式不當，導致芯片綁定PAD附近ESD保護電路燒毀而無法給MEMS芯片提供正常的偏置工作電壓或直接導致信號輸出端異常；（4）芯片內部由于工藝缺陷存在漏電通道，導致其工作的電流比設計規(guī)格偏大；（5）對數字MEMS麥克風，不同的工作電壓和時鐘頻率開啟多種工作模式（如正常工作模式、低電壓工作模式或靜態(tài)工作模式），模式切換時出現(xiàn)異常。

針對上述不同的失效模式，在電性能失效分析時，主要測試有：（1）通過對輸入電壓與偏置電壓的對應關系曲線量測來判定偏置電壓是否異常，如圖12所示，失效樣品的偏置電壓明顯偏低；（2）電流電壓曲線圖如圖13所示，失效品的工作電流異常偏高；（3）通過在ASIC的輸入端施加一等效小信號來測試其輸出端信號是否正常來判斷ASIC芯片，一旦確定芯片電性能不良，后續(xù)通過芯片失效點定位（EMMI,OBIRCH）來做破壞性分析（FIB,SEM,TEM）以確定具體的失效原因[7]。圖14所示的失效樣品是通過OBIRCH進行失效點定位，然后對失效點做FIB后通過高倍SEM及EDX確認由于Ti殘留導致電路內部兩相鄰過孔短路；圖15所示的失效樣品是由于EOS/ESD導致樣品ESD電路保護區(qū)域完全燒毀。

圖12 工作電壓-偏置電壓曲線圖

圖13 工作電壓-工作電流曲線圖

圖14 失效樣品芯片內部物理缺陷

圖15 EOS/ESD導致芯片電路燒毀

4.5.2 PCB板失效分析及失效機理

MEMS麥克風的封裝尺寸越來越小，MEMS芯片和ASIC芯片越來越小，性能越來越強，同時要求PCB板集成度也越來越高，將傳統(tǒng)的電阻和電容都埋置在PCB板內部，相應的銅電路層數越來越多，這些都給PCB制造工藝帶來了空前的挑戰(zhàn)。針對PCB板內部缺陷的失效分析手段主要包括LCR表的電阻電容量測，通過X-Ray對PCB內部線路進行快速定位及異常區(qū)域截面分析。圖16為一失效樣品的PCB銅金屬過孔照片，經LCR表測試確認開路后，通過X-Ray照片發(fā)現(xiàn)該銅過孔較正常銅過孔顏色明顯偏暗。圖17為失效樣品的截面分析圖，由圖可知由于PCB制程工藝導致銅過孔厚度偏薄，并在通孔中部明顯斷開導致信號無法傳輸而失效。

圖16 失效樣品銅過孔異常

圖17 失效樣品銅過孔厚度偏薄并在中部斷開

5 結論

本文對MEMS麥克風的工作原理以及失效分析方法流程進行歸納總結，并具體針對MEMS芯片的機械性能、ASIC芯片電學性能、MEMS麥克風聲學性能及封裝密封性進行探討，并通過相關的測試方法及具體的失效案例對失效機理做詳細解釋說明。本文提到的失效分析方法不僅針對MEMS麥克風，對于其他類型的MEMS傳感器的失效分析也有一定的借鑒意義。

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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.

MEMS microphone;failure analysis;failure mechanism

TN307

A

1681-1070（2017）04-0024-06

張永強（1980—），男，河南信陽人，碩士學歷，研究方向為MEMS麥克風失效分析及專利文獻研究。

2016-12-18