常见三轴磁传感器可靠性问题及解决方法

当深入谈到三轴磁传感器元器件时，会发现互联网上的评语围绕着一些可靠性问题打转

磁传感器可靠性问题

  随着无人机飞控功能的普及，越来越多工程师在工作或休闲中接触到三轴磁传感器。三轴磁传感器，有人叫电子罗盘，主要起到絶对指向的作用，提供无人机稳定控制及辅助导航的功能。

  但当深入谈到三轴磁传感器元器件时，会发现互联网上的评语围绕着一些可靠性问题打转。例如：

►手工焊接很困难，温度高一点就废了。有时焊接温度只有250°，但依然不行。完全损坏出现读不到数据的情况，轻微损坏的情况是某一个轴数值特别小。

►热风枪焊接后，自测模式XZ轴正常，Y轴（垂直轴）显示-1、1、2之类的很小值，或者Y轴正常，XZ轴很小。

►只支持两到三次的 Reflow（前面和背面），如果板需要进行修理，那么它只能进行三次 Reflow翻修。

►SMT生产良率不佳。批量生产时，常常发生10%或更高比率的不良，需要返工重修。但返工重修的次数又受限，发生一定数量的报废。

►在户外使用或测试时，不定期发生磁传感器故障，导致机身打转或坠地。又查不到什么原因造成的。

  而以上的情况，不光发生在单一供货商产品场景，而是多家磁传感器产品都有这样的现象。

直立式Z轴传感器结构是主因

  研究发现，以上的可靠性问题主要来自于磁传感器内部设计结构造成。容易发生上述可靠性问题的供货商大多采用直立式Z轴感应片结构，也就是这种结构的三轴磁传感器产品，比较不耐高温、对于湿度变化比较灵敏、SMT生产Reflow次数受限、更重要的是，使用在温度变化较大的户外环境时，容易发生失效现象。

  在制作工艺上，一般的半导体元器件采用平面的制程，也就是在一个平面上利用显影制程制作多层线路。平面制程制作的传感器可感应两个维度的磁力线特性，但因一般平面结构无法侦测第三个维度(Z轴)的磁场，因此无法完成三轴传感器的功能。

  为完成第三个维度(Z轴)的磁场感测，常见的作法，就是采用多芯片封装的方式，将另一个传感器直立放置，再以焊接接脚将电路信号连接到平面芯片上，如此就能侦测到第三个维度的磁力大小。这样的组合，由平面芯片负责及第二个维度，而直立芯片负责第三个维度，可以实现三轴磁传应器的功能。

  多芯片封装的工艺，前述平面芯片及直立芯片必须以Epoxy封装材料包覆及固定。当刚制作完成时，各芯片的相对位置会依设定的固定在对应的位置。但随时环境，例如温度变化，及时间，例如材料变化，的变动，芯片与芯片间的位置就容易改变，而衍生一些信赖性问题。因此，这也说明为什么在破坏情况轻微时，只发生单轴信号变小的情况，而在严重时三轴都会受到影响。

  但直立式Z轴感应片结构比较直观，而且设计上也比较简单，因此市场大部份的三轴磁传感器供货商都采用这个结构。

信赖性问题剖析

  直立式Z轴感应片结构的信赖性问题，具体是如何地发生呢？以下以几个这个结构的实际例子说明。

  Molding compound被挤进直立感应片焊接点内：以下的图片，显示封装的Epoxy材料，因为进行成形时必须加压加热，部份的封装材料会被挤进直立感应芯片及焊材接点中。而这些被挤进细缝的少许材料，在温度变化较大时，由于和邻近的材料有不同的涨缩特性，严重时会影响直立芯片和平面芯片的信号联机。轻微时会使连接面变小，对应电气信号变小或电阻变大；严重时则产生失去联机，或整个芯片无法运作的情况。

  直立芯片线路有断裂风险：以下的图片，显示直立芯片的锡球下的线路层，因为钖球受到垂直的力量，故有断裂的情况。而这种断裂的发生，并不一定是在制造过程中会产生，也可能因为有应力残留而不定期发生。例如在制造时并没有发生或只有轻微的断裂，不影响功能；但是当经过SMT打件多次加热后，或是上机使用经过较极端的环境例如高温或低温，就会发生。同样地，如果Molding compound因为吸湿而在加工时有较大的变形量时，也会间接引发断裂。

  直立芯片锡球底层金属有剥离风险：直立芯片初始阶段是经由锡球固定，故需在加热同时加下压力，这个动作对于锡球底部的金属会产生剥离的力量，或者是会形成一个不稳定的接着面。同样地，而这个剥离的发生，并不一定是在制造过程中产生，而是可能因为温度变化、受力或应力残留释放而不定期发生。

解决方法

  以上说明为了实现Z轴的感应，而采用直立芯片结构的作法，先天上可能会有在温度变化、受力或应力残留释放情况下而有失效的风险。为了解决以上信赖性的问题，爱盛科技采取的作法是将三轴的感应都作在平面芯片上，不用直立芯片。

  具体的作法是采用软磁原理，将Z轴磁力转向导引到平面芯片可以感应的方向，再经由数学运算加总回算Z轴磁力大小。

  将Z轴磁力线导向到X轴向传感器侦测，实现平面结构的三轴传感功能。

本结构产品业经验证，经过多次reflow没有失效的问题，对于环境温度变化的耐受性也完全不受影响。而在不同的温度环境及手工焊接也没有失效的情况发生。