微机电系统可靠性评估

微机电系统可靠性评估陈峰摘要微机电系统是指一项集微型机械和使用精密加工技术制作的机电器件（即传感器和执行器）的技术。MEMS器件已成为医学和军事电子消费品等各大应用领域中一个非常重要的组成部分。随着微机电系统技术应用于越来越多的领域中，微机电系统设备的可靠性成为一个重要问题。理解失效机制是量化和改善微机电系统器件可靠性的先决条件。本文综述了在MEMS中常见的容易出问题的机构,包括机械断裂、疲劳、蠕变、粘滞、磨损、短路和断路、沾污。这些问题影响设备的性能和检测，但通过结构优化和材料选择可缓解这些问题。简介MEMS在加速度计、陀螺仪、压力传感器、谐振器、继电器、开关、微泵和阀门等许多领域都有巨大的市场。MEMS是很有前景的,因为他们具有高吞吐量,成本低、体积小和电路高度集成化等优点。MEMS在射频/微波、光通信、能量采集和生物医学领域也有潜在应用。德州仪器公司为视频投影机开发的数字微镜元件、安全气囊的模拟加速度计、iphone上意法半导体的陀螺仪和喷墨打印机上的MEMS打印机头都只是MEMS在商业应用上的几个例子。尽管每年都有无数的MEMS设计、产品概念被提出，但还是只有少量产品真的成功进入市场。MEMS技术的商业化的一个主要挑战是缺乏对MEMS可靠性的正确了解。要理解MEMS可靠性问题,潜在的失效机制必须被确定，预期使用条件也要了解。以下列表总结了MEMS设备常见的失效机制及其根源。每一个失效机制将在随后的部分单独讨论。失效机制一、机械断裂过载、震动腐蚀疲劳二、粘滞作用范德瓦耳斯力毛细力化学成键静电充电残余应力三、电荷积累静电应力辐射处理不当耗损附着力磨损腐蚀表面疲劳蠕变疲劳内在应力外在应力热应力短路和断路介电材料降解静电释放、高电场电迁移氧化沾污内部原因(如：晶体生长)制作的时候产生的应用环境产生的机械断裂机械断裂是一个物体或材料在应力的作用下分离成两个或多个块。在MEMS设备含有可动结构，如加速度计、陀螺仪和微镜。他们断裂可能是因为各种原因：机械冲击和过载、腐蚀、应力侵蚀开裂和材料疲劳。一个断裂的MEMS悬臂的例子如图1。机械冲击机械冲击可造成结构高动态负荷,造成开裂、碎屑和断裂问题。坦纳等人测试MEMS微引擎在各种连续时间和振幅冲击脉冲下的反应并观察到了破碎的机械组件，如：在梳齿驱动的驱动器上的齿轮、接合点和连接臂。尤尼斯等人提出以伽辽金方法为基础的降阶模型，该模型可以精确的捕捉微悬臂与微悬臂之间的微支杆在不同振幅的冲击脉冲下的动态行为。避免压力集中在切片锋利的点、线和尖角是一个有效的方法防止器件断裂。腐蚀腐蚀是指材料由于和周围环境产生化学反应分解成为其组成成分的原子。腐蚀可以造成机械断裂，根据其产生原因一般可分为三类：点蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀。点蚀始于微小的不均匀如划痕和杂质，而缝隙腐蚀是由于宏观缝隙引起的。张先生等人证实了一个微型的倪悬臂支杆最长可持续时间与它暴露在腐蚀性环境（在室温下的3.0%氯化钠溶液）的时间成反比。他们还指出腐蚀产生的断裂首先产生在一系列压力高度集中的刻痕上，这充分说明了圆柱形传动装置断裂的具体原因。一些其他因素，如水分和温度可增加某些金属腐蚀的速度，如铝、两种不同金属的连接点。应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂是缝隙腐蚀的一种形式，它发生在材料应力高度集中的区域，人们已经发现，有严重的应力腐蚀开裂的金属结构会显得闪闪发光的，即使那些地方充满了细微的裂缝。这使很难把失效部分提前检测出来。应力腐蚀开裂也是硅的一个重要问题，因为硅在空气中总是覆盖着一层薄薄的氧化层，当受到张力时，裂纹就扩展了。随着裂纹的扩展，硅就接近二氧化硅/空气的交界面，从而促使氧化硅更深入到结构里面。这一过程持续进行直到结构剩下的部分,再也不能承受张力的集中，最后断裂。流程见图2。粘滞作用一些MEMS设备由于表面积和体积的高比率，表面作用相较于体积作用占主导地位，如：万有引力有时候会导致微观结构接触的时候粘在一起。因此，粘滞作用对包含可动部件的MEMS设备来说是一个重要问题。粘滞作用可通过计算粘附的能量来确定，粘附的能量是指两个分离表面一旦接触时的能量。两个完全平坦的表面单位面积上，距离为Z的粘附能量可近似为ci是常量，i由两个表面的情况和他们所处的环境决定，n是0到2之间的一个数，除了两个个表面相互接触的最粗糙的部分，其余的点也产生整体的粘附能量。因此,我们在模型中使用一个距离分布函数h(z)来描述两个表面上两个点之间的距离，考虑到距离分布函数，我们可以重写粘合能量方程如下:粘滞作用的来源粘滞作用的来源可以分为五类：范德瓦尔斯、附着力、毛细粘附、化学成键,静电充电和残余应力。图3显示了发生在MEMS设备上不同类型的粘滞作用。耗损与表面摩擦和冲击有关的耗损现象是带可动装置的MEMS设备的一个重要问题。耗损是指由于机械运动使固体表面的材料消失。图8表示了严重磨损发生在摩擦块这个部位。基于失效机理，耗损可以归结四个主要原因:附着力、磨损、腐蚀、和表面疲劳。表面粘着磨损是由于一个表面向另一个表面滑动时两个表面之间的表面力造成的。疲劳和蠕变疲劳是渐进的局部结构损伤，在材料承受循环负荷直到达到张力的极限时产生。疲劳主要是在活动的部分产生，如感通膜、悬臂梁和梳状驱动器。疲劳由一个裂缝开始，这个裂缝开始在应力高度集中的区域产生，然后在材料中慢慢扩展，直到故障的发生。蠕变是指固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。它与塑性变形不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。图9显示了蠕变随时间变化的三个典型阶段。在初级阶段,由于加工硬化，张力斜率减少,这指的是金属通过塑性变形强化产生材料的晶体结构的位错运动。在第二阶段,张力-时间的斜率变化达到最小，几乎成为一个常数，这是由于淬火、退火(热软化)的平衡。典型的蠕变张力率通常指的就算这个阶段的张力率。在第三阶段,张力率成倍增加，这是由于冷缩和内部孔隙的形成等现象造成的横截面积的减少引起的。第三讲蠕变通常紧随材料的分离或断裂，这被称为蠕变断裂短路和断路经过几十年来半导体设备可靠性的提高、短路失效率已经减少到一个合理的范围。然而，不同的绝缘体在MEMS设备上的性能和表现是不同的，而且这种差异没能完全搞懂。这种差异主要是由于三个因素的影响。首先,在MEMS的短路是由于各种各样的原因，其中一些是绝缘性的退化,电荷的注入和积累、欧姆接触和电迁移。MEMS中的绝缘体的特征长度尺度和静电应力通常和半导体器件在一个数量级上或者更高。典型的绝缘体横向尺寸达数十至数百微米，远远大于半导体器件。因此，MEMS设备中绝缘体不可避免地比半导体器件更可能引起故障。第三，MEMS高应用电压还可以增加介质击穿的可能性。MEMS装置短路的主要原因有三个：操作电压引起的介质击穿，静电放电引起的介质击穿，欧姆接触引起的电气故障。沾污许多MEMS设备依靠机械组件的运动来执行指定功能。然而，无意中一些材料的引入（这叫做沾污）能使设备瘫痪。沾污可以由各种来源引起,包括制造过程,如表面清洗、金属沉积、定模、释放和退火；在灰尘多的操作环境中，外部粒子会穿透进入MEMS的包装中；晶体生长等固有问题,例如,锡须。图10显示了受到较高的机械冲击后的MEMS驱动器。在梳状执行器附近发现了一个粒子污染物,它导致了短路。在大多数情况下,沾污通常是由于现有的杂质尤其是高电阻的化合物的活性分解引起的结论在预期的使用条件下，MEMS设备可靠性的确定是设备成功商业化至关重要的一点。只有那些对失效机制和MEMS产品的底层物理有一个清晰理解的工程师可以实现可靠性的量化。本文总结了在MEMS设备多种确定的失效机制。此外,还提到了各种提高MEMS可靠性的方法,包括：通过使用耐蠕变材料制作移动结构零件来预防蠕变,通过沉积一层润滑剂预防耗损,通过制造凹痕和须状物预防粘滞作用,通过更好的密封预防沾污的产生。MEMS工程师们从集成电路制造借鉴了许多工具和方法来测试MEMS装置。然而由于微机电系统与环境相互作用的性质，和它们的机电并发症，识别潜在的失效网络和机制仍然是一个劳动密集型的工作。幸运的是,大多数MEMS设备,无论功能和应用,基本组件(如：膜、悬臂)只产生常见故障机制(如：疲劳、粘滞作用）。因此,了解这些机制帮助MEMS工程师发现可能的失效机构和MEMS测试时更有效率。