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刘建军，郭育华

（中国电子科技集团公司第 38 研究所）

摘 要：

SiP 封装的传感器中，连接 MEMS 传感器芯片和 ASIC 芯片的金丝被包裹在软硅胶和硬塑封料中，由于硅胶和塑封料热膨胀系数差异很大，后期的温度循环等环境实验中容易出现金丝断路的风险。针对这一风险进行可靠性设计，并用实验进行验证。结果表明，采用矩形线弧方式并控制硅胶包裹工艺，保证金丝折弯部分处于硅胶包裹内，可以有效缓解热循环产生的应力对键合金丝第二焊点的损伤，使传感器产品可靠性通过欧洲汽车电子标准 AEC-Q100 中的温度循环测试。

1 引言

SiP 封装是将多种功能芯片，如处理器、存储器、传感器、RF 收发芯片等集成在一个封装内，实现一个基本完整的功能。采用 SiP 封装技术的传感器，具有封装成本低、体积小、集成度高、灵活度高等诸多优势。当采用 SiP 技术封装传感器时，由于 MEMS 传感器塑封前，通常需要在传感器上覆盖一层软硅胶作为应力缓冲，以保证传感器测量精度，这将导致连接传感器芯片与 MCU 处理芯片的金丝需要穿过硅胶（包裹传感器）和环氧塑封料（包裹处理器）两种材料。这两种材料的热膨胀系数差异较大，比如常用的硅胶 Dow corning SE1885 的 CTE 能达到 250×10 -6 /℃，常用的环氧塑封料 Sumitomo G600FL 的 CTE 在 115 ℃下时仅为 9×10 -6 /℃。两者 CTE 的巨大差异会在热循环等环境实验中对金丝附加循环的热应力。关于压力传感器中金丝在振动应力下的疲劳研究已有报道。在热应力下，也可能引起金丝的塑性形变，甚至引起金丝疲劳断开。具体实例如 Infineon 公司的汽车轮胎压力传感器 SP37，采用 SiP 封装技术将 SW-412 传感器芯片与 MCU 处理芯片 /RF 发射芯片集成为一个 SOP-14塑封体。SW-412 芯片应用时，厂家就推荐在塑封之前先用软硅胶包覆芯片，硅胶的厚度至少高于芯片250μm。

本文以 SiP 封装的传感器中包封在硅胶和塑封料中的金丝为研究对象，研究不同线弧形状在温度循环时的可靠性。通过实际样品的测试，验证了可靠性设计结果的准确性。同时，也研究了因工艺控制不当而偏离设计导致的失效情况。

2 金丝可靠性设计及分析结果

本文中的压力传感器贴装在引线框架上后，通过金丝与 MCU 处理器相连，然后采用硅胶包覆传感器芯片，最后整体进行塑封。器件结构剖面示意图见图1，SiP 封装成品内部互连情况见图 2。

为保证金丝可靠性，需要对金丝的线弧形状（wire loop）进行设计，常用的金丝线弧形状有矩形弧线和三角形弧线，金线第一点为球焊，在处理器芯片上，第二点为楔焊，在传感器芯片上。分别对这两种键合形式用 Abaqus 进行三维建模和仿真。模型如图 3。为方便观察，只显示了金丝部分，其他部分隐藏。

模部分尺寸如图3，所使用的材料及参数如表1。

分别对两种模型仿真经过 20 次温度循环（-55 ℃~150 ℃） 后，金线上的应力分布和等效塑性形变（PEEQ）结果见图 4。从仿真结果对比可以看出，采用矩形弧线方式的金线具有更好的性能，最大应力和PEEQ 值都更小，对矩形弧线形式，热应力在金丝弯折区和鱼尾区有最大值，对三角形弧线形式，热应力在金丝鱼尾区有最大值。

一 般 认 为 ，金 丝 塑 性 形 变 量 达 到 8% 以 后（PEEQ>8%），金丝可能因累计塑性形变引起断线。前20 次每次循环后的 PEEQ 值见表 2。

根据表 2 的数据进行拟合回归计算，可以得出近似的 PEEQ 值计算公式：

根据此公式，可以估算出大概 65 次循环后，三角形弧线键合形式的 PEEQ 值将达到临界的 8%量级，而欧洲汽车电子标准 AEC-Q100 一般要求器件能经受 1000 次的温度循环（-55 ℃~150 ℃）。因此，三角形弧线的金丝不能满足可靠性要求。为证明这一结果，分别采用 2 种键合弧线进行传感器的 SiP 封装，封装样品进行可靠性测试。

封装好的传感器样品按 AEC-Q100 标准进行温度循环测试，具体流程是先按 JESD22-A113 标准进行MSL3的湿敏处理，250℃无铅回流 3 次，然后在-55℃~150 ℃范围内进行 1 000次温度循环试验，试验情况和温循曲线见图 5。

试验后进行通电测试，发现采用三角形弧线键合方式的样品失效率为 24/77(77 只样品，24 只失效)，采用矩形弧线键合方式的样品失效率为 2/77（77 只样品，2 只失效），两种键合方式失效率相差一个数量级，证明了仿真设计结果的准确性。样品的 X-Ray 图片见图 6。样品竖直放置，可以看到线弧形状。

对三角形弧线键合方式的失效样品进行开塑封观察，发现第二焊点焊盘处金丝断开，虽然不同的样品金丝断开的焊盘不完全相同，但都是从金丝鱼尾部断开。从图 4 的仿真结果可以看出，这一部位正是应力最大的区域，所以在温度循环中这一部位最容易断开，与仿真结果一致。

对矩形弧线键合的 2 个失效样品，电测结果表明都是传感器 V1P-PP 引脚信号不通（图 8 最左侧引脚），进行开塑封观察，发现 VV1P-PP 引脚金丝断开。分析其原因在于生产工艺控制不当，存在硅胶包覆不满的情况。硅胶包覆情况示意见图 8，开塑封后塑封料的边缘对应硅胶包裹的等高线。等高线离传感器芯片越远，硅胶包裹的面积越大。对达到设计包覆要求的样品开塑封后，等高线离金丝键合焊盘较远。包覆不足的样品，等高线离金丝键合焊盘较近。硅胶包覆良好时，矩形弧线键合的金丝有一个弯折部分处于硅胶内，在热循环中，因为硅胶较软，这部分弯折区可以伸缩，起到缓解应力的作用。包覆不足时容易有断线风险，电测和开塑封的结果也证明了断线的正是包覆最少的最左边的 V1P-PP 引脚。

3 结论

本文证明了 SiP 封装的传感器中，当金线被包封在不同热膨胀系数的材料中时，容易在温度循环时因为产生的热应力导致断裂。为解决这一问题，金丝的线弧形状设计至关重要。采用矩形弧线键合方式并控制硅胶包裹工艺，保证金丝弯折部分处于硅胶包裹内，可以有效缓解热循环应力对金丝第二焊点的损伤。良好的线弧设计和硅胶包裹工艺控制能保证金丝的可靠性，从而使传感器样品能够达到 AEC-Q100 标准的要求。