Common reliability issue of tri-axis magnetometer under high temperature or reflow process

Adopting standalone Z-axis sensor by multi-chip package is frequently seen for implementing a tri-axis magnetometer. However, this construction causes possible failure in high temperature or reflow process. Isntek’s unique flux concentrator structure, eliminating the Z-axis sensor, can prevent this kind of failure and guarantee stable performance under PCB reflow or temperature cycle process.

常見三軸磁感測器可靠性問題及解決方法

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磁感測器可靠性問題

隨著無人機飛控功能的普及,越來越多工程師在工作或休閒中接觸到三軸磁感測器。三軸磁感測器,有人叫電子羅盤,主要起到絶對指向的作用,提供無人機穩定控制及輔助導航的功能。

但當深入談到三軸磁感測器元器件時,會發現互聯網上的評語圍繞著一些可靠性問題打轉。例如:

  • 手工焊接很困難,溫度高一點就廢了。有時焊接溫度只有250°,但依然不行。完全損壞出現讀不到資料的情況,輕微損壞的情況是某一個軸數值特別小。
  • 熱風槍焊接後,自測模式XZ軸正常,Y軸(垂直軸)顯示-1、1、2之類的很小值,或者Y軸正常,XZ軸很小。
  • 只支持兩到三次的 Reflow(前面和背面),如果板需要進行修理,那麼它只能進行三次 Reflow翻修。
  • SMT生產良率不佳。批量生產時,常常發生10%或更高比率的不良,需要返工重修。但返工重修的次數又受限,發生一定數量的報廢。
  • 在戶外使用或測試時,不定期發生磁感測器故障,導致機身打轉或墜地。又查不到什麼原因造成的。

而以上的情況,不光發生在單一供應商產品場景,而是多家磁感測器產品都有這樣的現象。

直立式Z軸感測器結構是主因

據愛盛科技的研究發現,以上的可靠性問題主要來自於磁感測器內部設計結構造成。容易發生上述可靠性問題的供應商大多採用直立式Z軸感應片結構,也就是這種結構的三軸磁感測器產品,比較不耐高溫、對於濕度變化比較靈敏、SMT生產Reflow次數受限、更重要的是,使用在溫度變化較大的戶外環境時,容易發生失效現象。

在製作工藝上,一般的半導體元器件採用平面的制程,也就是在一個平面上利用顯影制程製作多層線路。平面制程製作的感測器可感應兩個維度的磁力線特性,但因一般平面結構無法偵測第三個維度(Z軸)的磁場,因此無法完成三軸感測器的功能。

為完成第三個維度(Z軸)的磁場感測,常見的作法,就是採用多晶片封裝的方式,將另一個感測器直立放置,再以焊接接腳將電路信號連接到平面晶片上,如此就能偵測到第三個維度的磁力大小。這樣的組合,由平面晶片負責第一及第二個維度,而直立晶片負責第三個維度,可以實現三軸磁傳應器的功能。

多晶片封裝的工藝,前述平面晶片及直立晶片必須以Epoxy封裝材料包覆及固定。當剛製作完成時,各晶片的相對位置會依設定的固定在對應的位置。但隨時環境,例如溫度變化,及時間,例如材料變化,的變動,晶片與晶片間的位置就容易改變,而衍生一些信賴性問題。因此,這也說明為什麼在破壞情況輕微時,只發生單軸信號變小的情況,而在嚴重時三軸都會受到影響。

圖說:採用多晶片封裝磁感測器放大圖,圖上方的Z軸感測器為直立放置,再以焊接接腳將電路信號連接到平面晶片上,以實現第三個維度的感應。

但直立式Z軸感應片結構比較直觀,而且設計上也比較簡單,因此市場大部份的三軸磁感測器供應商都採用這個結構。

信賴性問題剖析

直立式Z軸感應片結構的信賴性問題,具體是如何地發生呢?以下以幾個這個結構的實際例子說明。

Molding compound被擠進直立感應片焊接點內:以下的圖片,顯示封裝的Epoxy材料,因為進行成形時必須加壓加熱,部份的封裝材料會被擠進直立感應晶片及焊材接點中。而這些被擠進細縫的少許材料,在溫度變化較大時,由於和鄰近的材料有不同的漲縮特性,嚴重時會影響直立晶片和平面晶片的信號連線。輕微時會使連接面變小,對應電氣信號變小或電阻變大;嚴重時則產生失去連線,或整個晶片無法運作的情況。

圖說:Z軸感測器和焊接接腳的放大圖,可看到封裝材料被擠進焊接間隙中,後續經過熱漲冷縮容易引發失效。

直立晶片線路有斷裂風險:以下的圖片,顯示直立晶片的錫球下的線路層,因為鍚球受到垂直的力量,故有斷裂的情況。而這種斷裂的發生,並不一定是在製造過程中會產生,也可能因為有應力殘留而不定期發生。例如在製造時並沒有發生或只有輕微的斷裂,不影響功能;但是當經過SMT打件多次加熱後,或是上機使用經過較極端的環境例如高溫或低溫,就會發生。同樣地,如果Molding compound因為吸濕而在加工時有較大的變形量時,也會間接引發斷裂。

圖說:上圖可看到焊接接腳的上縁及下縁都會造成Z軸感測器線路的微小裂開(Micro crack)。

直立晶片錫球底層金屬有剝離風險:直立晶片初始階段是經由錫球固定,故需在加熱同時加下壓力,這個動作對於錫球底部的金屬會產生剝離的力量,或者是會形成一個不穩定的接著面。同樣地,而這個剝離的發生,並不一定是在製造過程中一次產生,而是可能因為溫度變化、受力或應力殘留釋放而不定期發生。

圖說: 上圖可看到焊接接腳的上縁及下縁都會造成Z軸感測器線路的微小裂開。

愛盛科技的解決方法

以上說明為了實現Z軸的感應,而採用直立晶片結構的作法,先天上可能會有在溫度變化、受力或應力殘留釋放情況下而有失效的風險。為了解決以上信賴性的問題,愛盛科技採取的作法是將三軸的感應都作在平面晶片上,不用直立晶片。

具體的作法是採用軟磁原理,將Z軸磁力轉嚮導引到平面晶片可以感應的方向,再經由數學運算加總回算Z軸磁力大小。

圖說:愛盛科技的Z 軸感應設計,將Z軸磁力線導向到X軸向感測器偵測,實現平面結構的三軸傳感功能。

本結構產品業經驗證,經過多次reflow沒有失效的問題,對於環境溫度變化的耐受性也完全不受影響。而在不同的溫度環境及手工焊接也沒有失效的情況發生。

愛盛科技簡介

愛盛科技股份有限公司(iSentek Inc.)創立於2011年6月,為位於臺灣新北市的行動感測器無晶圓廠半導體設計公司。主要核心技術為微機電感測器晶片設計與銷售,該公司也進行相關演算法的開發及客戶應用的支援,以提供客戶完整和即時的行動感測器解決方案。該公司產品提供消費性及工業性電子產品使用,主要應用為智慧型手機、導航設備、無人機、虛擬/擴增實境設備、機器人、物聯網設備。公司網站為www.isentek.com

 

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