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

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。