典型CMOS圖像傳感器力學仿真分析

李瑞媛，高會壯，吳俊嫻，李航

（1.航天科工防御技術研究試驗中心，北京 100854； 2.空軍裝備部駐北京地區第一軍事代表室，北京 100854）

引言

圖像傳感器作為將圖像信息中的光信號轉換為電信號的功能器件，借助一定的光學系統和外圍驅動電路及信息處理模塊，將映射到像素點上的信息通過光電轉換、傳輸、存儲，轉為人眼可見的圖像，廣泛應用于數碼電子、監控、醫療、空間探測、國防等諸多領域。隨著制造工藝和集成電路技術水平的提高，CMOS型圖像傳感器發展迅速[1-3]。CMOS圖像傳感器以其低噪聲、低功耗、高靈敏度、功耗低等優點，在高速數字成像領域應用廣泛。目前，國外的高速相機發展迅速，規格眾多，但價格昂貴，且存在技術壁壘及進口限制，嚴重阻礙國產化進程。國內圖像傳感器應用時間較短，相應鑒定試驗標準不夠完善，為加速CMOS圖像傳感器推廣應用，提升CMOS圖像傳感器可靠性，需要更加全面了解器件性能。

CMOS圖像傳感器屬于光敏器件或稱感光器件，其封裝中通常采用一個光學玻璃蓋板對封裝腔體內的芯片進行保護。玻璃蓋板的作用除了保護芯片免受外部環境污染外，同時可以便于光線進入芯片表面感光單元[4-7]。本文以CMOS圖像傳感器為研究對象，針對其力學試驗中應力極限等問題，進行多應力仿真分析，主要模擬沖擊、隨機振動等應力環境，并完成試驗分析。

1 COMS圖像傳感器器件三維模型建立

本文中以典型CMOS圖像傳感器為研究對象。根據所分析的問題建立物理模型，由于CMOS圖像傳感器內部結構較為復雜，直接建模較為繁瑣，選擇將建好的物理模型通過相應的建模軟件導入，之后為便于計算及分析，在建模軟件中對所需要的物理模型進行合理化的簡化。SolidWorks作為唯一集三維設計、分析、多用戶協作以及模具設計、線路設計等功能的軟件，與ANSYS軟件接口功能完善，可實現數據共享和交換，故選SolidWorks對典型CMOS圖像傳感器進行物理建模[8,9]。

由于CMOS圖像傳感器的內部結構較為復雜，主要包含封裝體、玻璃蓋板、芯片及其互聯線以及插針，若在幾何模型中包含所有結構細節，將會給有限元建模帶來極高的復雜度，使得在有限元網格劃分時，在非主要區域產生過多、過細密的網格單元，從而導致計算求解的時間變長甚至求解出現不收斂的問題。因此，對幾何模型進行簡化，原則如下：

1）忽略芯片與基板之間的接觸熱阻，假設不同材料間接觸無縫隙。

2）假設對流換熱系數不隨溫度變化而變化，且周圍空氣溫度保持不變。

3）各材料熱導率為常數，不隨溫度改變而改變。

4）互聯線線程短，影響小。

根據典型CMOS圖像傳感器結構建立三維模型如圖1。

2 基于ANSYS的CMOS圖像傳感器有限元分析

2.1 ANSYS分析流程

ANSYS有限元分析的流程可分為三大部分:首先作為仿真的基礎，需要進行實際模型的構建以及網格的劃分，這兩部分皆為前處理部分。其次，需要對模型進行分析與計算，在有限元分析軟件中，可提供的分析類型有結構靜力、熱、動力學、電磁場等多物理場的耦合等。此外還能分析各個物理介質之間的相互作用。最后是后處理部分，該部分有通用后處理以及時間相應后處理兩個模塊，之后將計算結果以圖形、曲線形式等顯示輸出[10-12]。

2.2 材料屬性

器件模型結構中材料分別認為是各向同性、均勻分布的，材料特性參數如表1，按照表中信息設置模型各部分材料屬性。

2.3 網格劃分

有限元網格劃分直接影響著后續數值計算結果的精確性，應先對模型進行總體規劃，利用器件相應參數構建仿真所需的物理模型。同時，選擇網格單元的類型，確定劃分好網格的密度等。網格劃分之后進行單元類型的選擇，單元的質量是影響后期求解全過程的關鍵因素，網格單元類型的選取取決于模型自身的特征。再者要確定所劃分網格的密度，網格的數量會影響求解精度和速度。

圖1 典型CMOS圖像傳感器三維模型及內部結構圖

表1 模型各部分材料屬性

網格劃分和初期進行模型計算求解時，先進行粗略的分解再細化網格結構，在劃分過程中靈活應用2D和3D兩種單元模式，進行合理的搭配劃分出最符合實際且便于計算的網格。在ANSYS軟件中，網格劃分一種是自由適應劃分，該方法一般用于較為復雜的實體或是分布于空間的自由曲面等結構，采用網格數量、邊長以及曲率控制網格質量；另一種是網格映射劃分策略，該方法更實用于規則的幾何模型。對于本文所研究的COMS圖像傳感器，由于其本身結構復雜，因此，在此選擇手工劃分的方法而不使用自動網格劃分，采用手工劃分更容易滿足仿真精度要求[13]。

此外，所劃分的網格粗細程度不僅影響到計算誤差，還對計算時間和計算機容量有一定的要求。為得到較為準確的計算結果，需要先選定合適的劃分密度，進行一次求解。之后使用上一次所劃分的密度的2倍劃分并進行求解。兩次計算結果進行對比與分析，如果未能明顯看出兩次結果差異，則證明所選用的網格密度是合適的，能夠滿足計算的要求。但是如果差異較為明顯，那么證明所劃分的網格密度不能實現預期目標，需要不斷細化，細化方法同上。在劃分網格時，每個部分的網格可以被劃分成不同的大小，可以進行分區域劃分，如果有某些區域不夠合理，則對該區域進行局部調整即可。對COMS圖像傳感器器件模型進行網格劃分，并完成網格傾斜度檢查，得到網格平均尺寸為0.808 55，符合大于0.7，單元質量合格。

2.4 沖擊仿真分析

2.4.1 載荷的施加

根據器件手冊中沖擊加速度一般為5 000 g，為得到明顯的變化趨勢，可設置加速度梯度為5 000 g、10 000 g、15 000 g、20 000 g進行仿真。下面以5 000 g為例設置加速度曲線。實際實驗中所采用的實驗裝置加速度曲線一般為正弦曲線，這里仿真時間設置為10 s。

2.4.2 仿真結果

圖2為加速度為5 000 g的仿真結果，最大應變為0.008 741 8 mm。

各坐標軸應力圖如圖3， x、y、z軸最大應力分別為15.01 MPa、2.570 9 MPa、13.327 MPa。

玻璃主要受力、應變情況如圖4。

圖5是當加速度變為10 000 g時的情況，最大應變為0.017 496 mm，相比5 000 g時多了0.008 754 2 mm，翻了一倍。

各坐標軸應力圖與圖3相似，仿真結果表面x、y、z軸最大應力分別為30.056 MPa、5.171 8 MPa、26.689 MPa。

圖2 加速度為5 000g 的仿真結果

圖3 坐標軸應力圖

下面繼續做15 000 g和20 000 g加速度仿真后得到數據匯總如表2。

將表2中數據繪制變化曲線圖，最大應變變化趨勢如圖6所示。隨著加速度上升，應變與應力隨之呈線性上升趨勢，應變每隔5 000 g增量在0.008 9 mm左右。應力也隨著加速度的增加，處于增大趨勢，每增加5 000 g，x軸增大約 9～15 MPa， y軸增大約 3～4 MPa， z軸增大約8～13 MPa。而且主要應力集中在表面玻璃四邊處，應變在玻璃中間。因此，在實際試驗中，器件表面玻璃蓋板最容易受力破裂。

2.5 隨機振動仿真分析

2.5.1 振動分析必要性

振動對電子設備的破壞性影響主要分為以下兩點:其一，由于外界振動，器件會發生機械破壞，對于有電特性的器件，可能會發生電參數超差，性能下降等不同程度的危害。其次，機械振動會產生機械應力，如果所受力物體強度和硬度足夠，則不會有太大影響。若是設備本身強度不足以承受該振動所產生的機械力，則會發生不同程度的變形亦或是機械損壞。由于沖擊是一種瞬時加速度很大的作用，其瞬間作用力也會很大，如果作用于質量較大的元器件上，損失會很嚴重。此外，如果是連接性組件，若連接不夠可靠也會發生形變作用而受到損壞[14]。

2.5.2 隨機振動參數分析

隨機振動作為一種波形雜亂的振動，其由若干正弦振動組成，在給定時刻中期瞬時值不確定，隨時間變化波形不規律。各正弦振動的振幅與相位變化隨時間變化具有不可預測性。通常所采用的振幅、相位以及頻率等參數不適用與隨機振動模型。在隨機振動計算分析中，一般涉及的參數主要是試驗頻率范圍（Hz）、功率譜密度（g2/Hz）、功率譜密度的頻譜、總均方根加速度（Grms）、試驗時間等。

圖4 表面玻璃受力情況

2.5.3振動分析方法

CMOS圖像傳感器在實際應用過程中的環境大部分狀況下是隨機載荷，載荷大小及位置是不固定的，不可預測的。如果器件受到了較大的應力，且該應力作用在器件上有一定的時間積累的時候，器件就會存在受力疲勞，嚴重的會存在破壞的風險。

因此，對其隨機疲勞壽命進行仿真分析。利用ANSYS隨機振動分析功能對器件振動環境下所引起的疲勞分析的方法為采用名義應力法，該方法是遵循S-N曲線來估算器件壽命的方法，通過該曲線方法可以直接求解得出總壽命。

圖5 加速度為10 000 g的仿真結果

表2 加速度沖擊結果

圖6 沖擊應變趨勢圖

2.5.4 載荷的施加

標準GJB150A-2009對設備的隨機振動環境做了規定，將隨機振動環境分為運輸引起的振動和使用引起的振動[15]。功率譜密度曲線所呈現的即外界不同的環境條件，在ANSYS中具有功率譜密度分析（PSD）工具，該方法可以對隨機振動響應進行仿真，利用這種仿真的方式去模擬設備在實際試驗過程中所展現的一系列行為。本文選取標準中的功率譜密度曲線為輸入譜，利用此輸入譜計算系統響應的功率譜密度曲線[16]。隨機振動量級要求不小于50 Grms，故選擇50 Grms為仿真量級。

2.5.5 仿真結果

首先對模型進行6階模態分析，仿真分析結果可得出6階模態頻率分別為15 412 Hz、28 565 Hz、33 198 Hz、45 146 Hz、49 104 Hz與 59 852 Hz。

試驗環境要求振動量級需大于50 Grms，由Grms與PSD的關系，設置PSD為50 g2/Hz，根據GJB 150中噴氣式飛機振動環境，頻率選擇50～2 000 Hz。應變結果如圖7, x、y、z軸應變分別為3.997 7 e-5mm、0.000 529 22 mm、 3.574 7 e-5mm。主要應變集中在y軸向，玻璃蓋板表面。

圖8為隨機振動等效應力圖，由圖可知應力集中在玻璃蓋板上，且最大應力為0.898 32 MPa。

載荷設置為50 Grms、60 Grms、70 Grms、80 Grms、90 Grms和100 Grms。結果如表3所示。

PSD每增加10 g2/Hz，x軸應變增加4 e-6mm，y軸增加0.000 04 mm，z軸增加4 e-6mm，應力變化趨勢如圖9所示。隨著振動量級增加，應變與應力隨之增加，應力每隔10 Grms，應力增量在0.1 MPa左右。

3 試驗分析

根據GJB 548B-2005進行恒定加速度試驗，試驗中加速度達到5 000 g時表面玻璃破裂失效。通過對碎裂玻璃進行掃描電鏡能譜分析（如圖10），顯示其成分為鋁硅酸鹽玻璃[17]（玻璃蓋板成分分析見表4）。該型玻璃材料在“高過載、強沖擊”等應力環境下，存在較大破裂失效風險，與仿真結果一致。

圖7 坐標軸應變

圖8 隨機振動等效應力圖

表3 隨機振動

圖9 隨機振動應力變化

圖10 部分玻璃碎片掃描電鏡圖

表4 玻璃蓋板成分分析

4 結語

本文引用有限元仿真方法，建立了典型CMOS圖像傳感器仿真模型，并對其進行了沖擊和隨機振動載荷下的仿真分析，發現表面玻璃蓋板應力應變集中，在實際應用中容易發生破裂。隨后在試驗中當加速度為5 000 g時器件表面玻璃碎裂，實際裂紋位置與仿真結果基本吻合。通過對玻璃蓋板破裂部分進行能譜分析，得出其主要成分為鋁硅酸鹽，表明該器件玻璃蓋板工藝待改進，建議后期采用更高強度的材料，提高器件可靠性，以滿足器件在不同環境下的使用需求。