MEMS慣性器件的主要失效模式和失效機(jī)理研究

陳俊光， 谷專元， 何春華， 黃欽文， 來 萍， 恩云飛

(1.工業(yè)和信息化部 電子第五研究所，電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610； 2.廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州 510006；3.華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510640)

綜述與評(píng)論

MEMS慣性器件的主要失效模式和失效機(jī)理研究

陳俊光1,2， 谷專元1,3， 何春華1， 黃欽文1， 來 萍1， 恩云飛1

(1.工業(yè)和信息化部 電子第五研究所，電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610； 2.廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州 510006；3.華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510640)

針對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件的可靠性問題，通過大量的歷史資料調(diào)研和失效信息收集等方法，針對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件的可靠性問題，對(duì)沖擊、振動(dòng)、濕度、溫變、輻照和靜電放電(ESD)等不同環(huán)境應(yīng)力條件下的MEMS慣性器件典型失效模式及失效機(jī)理進(jìn)行了深入分析和總結(jié)，研究結(jié)果有利于指導(dǎo)未來MEMS慣性器件的失效分析和可靠性設(shè)計(jì)。

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)慣性器件； 可靠性； 失效模式； 失效機(jī)理

0 引 言

微電子機(jī)械系統(tǒng)(micro-electro-mechanical systems，MEMS)是集成的微型系統(tǒng)，它結(jié)合了電子、機(jī)械或其他(磁、液體和熱等)元件，通常采用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體批量工藝技術(shù)來制造[1]。MEMS慣性器件是指敏感結(jié)構(gòu)采用微加工手段加工的微機(jī)械陀螺和微加速度計(jì)，其中陀螺用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)體的角速度，加速度計(jì)用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)體的加速度，它們可單獨(dú)使用，也可組合使用。

MEMS慣性器件具有體積小、重量輕、功耗低、可大批量生產(chǎn)、成本低、抗過載能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于生物與醫(yī)藥行業(yè)、汽車工業(yè)、機(jī)器人、消費(fèi)類電子、航空航天、導(dǎo)彈制導(dǎo)等領(lǐng)域中。MEMS慣性器件不可避免地應(yīng)用在各種惡劣的工作環(huán)境中，由此引發(fā)的可靠性問題非常突出，近年來受到了高度重視。

在制造、安裝、運(yùn)輸或使用過程中，MEMS慣性器件會(huì)遭到劇烈沖擊或振動(dòng)應(yīng)力的影響。而在航天航空等領(lǐng)域，MEMS慣性器件通常工作在高低溫劇烈變化的環(huán)境中，如衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)會(huì)周期性進(jìn)入向陽面和背陽面，造成慣性器件的工作環(huán)境溫度發(fā)生周期性的極端變化[2]，同時(shí)在太空中工作也會(huì)受到各種射線輻射的影響。大氣下工作的MEMS慣性器件還可能受到空氣中水蒸氣或其他腐蝕氣體的影響。這些惡劣環(huán)境應(yīng)力導(dǎo)致MEMS慣性器件的一些特性發(fā)生變化，所引發(fā)的典型失效模式包括斷裂、分層、粘附、疲勞、腐蝕、微粒污染等[3]。

本文通過大量的歷史資料調(diào)研和失效信息收集等方法，針對(duì)不同環(huán)境應(yīng)力條件下的MEMS慣性器件典型失效模式及失效機(jī)理進(jìn)行了深入探討和分析。

1 典型失效模式與失效機(jī)理

1.1 沖擊應(yīng)力下的失效模式與失效機(jī)理

沖擊應(yīng)力下引起的MEMS慣性器件典型失效模式包括斷裂、粘附、微粒污染及分層等。

斷裂是沖擊應(yīng)力下最常見的失效模式。慣性器件的懸臂梁、梳齒等部件對(duì)應(yīng)力非常敏感，在沖擊環(huán)境下最容易發(fā)生斷裂。

Yang Chunhua和Liu Qin等人通過對(duì)MEMS加速度計(jì)的沖擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)懸臂梁、梳齒的受力集中點(diǎn)均在根部，即連接點(diǎn)處[4]。當(dāng)沖擊應(yīng)力引起的懸臂梁變形大于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，懸臂梁發(fā)生斷裂失效，這種情況在脆性材料硅基MEMS慣性器件中最為顯著。

Li J和Broas M等人對(duì)MEMS陀螺儀進(jìn)行了多次沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示[5]，該沖擊試驗(yàn)引起的主要失效模式包括：梳狀驅(qū)動(dòng)器的梳齒、梳臂斷裂，梳齒的破損，微粒阻塞梳狀結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。其主要失效機(jī)理為沖擊應(yīng)力導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間發(fā)生劇烈碰撞，所引起的應(yīng)力遠(yuǎn)大于其斷裂強(qiáng)度。

微粒污染是沖擊應(yīng)力下常見的失效模式。MEMS慣性器件中的微?？捎啥喾N途徑引入或產(chǎn)生，包括制造過程中的表面清理、金屬沉積、刻蝕、退火、以及封裝過程引入的微粒，還包括MEMS器件材料的晶粒生長(zhǎng)等[6]。沖擊引起的結(jié)構(gòu)斷裂面附著的微粒在持續(xù)沖擊下還會(huì)發(fā)生移動(dòng)，從而帶來潛在的可靠性問題。如圖1(e)所示的微?？ㄔ贛EMS慣性器件運(yùn)動(dòng)部件與固定部件之間，阻礙了器件的正常運(yùn)動(dòng)，從而引發(fā)功能失效。

圖1 MEMS梳狀結(jié)構(gòu)的失效模式

Tanner D M等人在他們對(duì)MEMS器件的沖擊試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)[7]，除了斷裂失效，在沖擊應(yīng)力下，梳齒之間、或者梳齒與和基底之間可能會(huì)直接接觸，從而造成短路失效，如圖2所示。此外，微粒分布在梳齒和梳齒、或者梳齒和接地基底之間也會(huì)導(dǎo)致電學(xué)短路失效，如圖3所示。

圖2 梳齒與基底接觸引起短路失效

圖3 微粒引起的短路失效

沖擊應(yīng)力下引發(fā)的失效模式還包括分層。MEMS慣性器件包含可動(dòng)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)與襯底之間往往通過陽極鍵合工藝加工在一起，而高g值沖擊應(yīng)力下可能會(huì)導(dǎo)致鍵合斷裂，從而引起分層失效。

上述研究雖然是基于微引擎的，但由于MEMS慣性器件同樣具有梳齒結(jié)構(gòu)，而且加工工藝類似，所以，在高g值沖擊應(yīng)力下它們的失效模式和失效機(jī)理是相似的。

對(duì)基于表面微加工工藝的MEMS慣性器件，其表面積和體積之比相對(duì)較大，當(dāng)器件內(nèi)部的兩個(gè)部件表面距離較近時(shí)容易產(chǎn)生粘附失效。MEMS慣性器件梁與襯底間距僅為零點(diǎn)幾個(gè)微米，在使用過程中結(jié)構(gòu)材料的剛度退化降低，在沖擊力作用下梁容易變形，向襯底彎曲并發(fā)生粘附。當(dāng)彈性力小于粘附力時(shí)，梁與襯底無法分離，從而使器件發(fā)生永久性的粘附失效[8]。圖4為微懸臂梁粘附的兩種模式，一種為S型，一種為弓型[9]。

圖4 懸臂梁的粘附示意圖

1.2 振動(dòng)應(yīng)力下的失效模式與失效機(jī)理

振動(dòng)是影響MEMS慣性器件可靠性的重要因素之一。振動(dòng)環(huán)境下MEMS慣性器件的主要失效模式包括斷裂、微粒污染、粘附、疲勞、以及金屬鍵合引線的脫落等。

斷裂同樣是振動(dòng)應(yīng)力下MEMS慣性器件常見的失效模式。當(dāng)振動(dòng)應(yīng)力超過材料斷裂強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)引起斷裂失效。

不同于沖擊環(huán)境，振動(dòng)環(huán)境下的斷裂失效可能是由于長(zhǎng)期振動(dòng)下的材料疲勞引起的，這種情況下振動(dòng)應(yīng)力即使低于材料的斷裂強(qiáng)度，也可能引發(fā)斷裂失效。疲勞是指材料受到交變應(yīng)力重復(fù)作用后材料強(qiáng)度下降。MEMS慣性器件通常工作在諧振狀態(tài)，結(jié)構(gòu)在工作過程中常以拉伸、壓縮、彎曲、振動(dòng)，熱膨脹和熱收縮等形式產(chǎn)生循環(huán)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)[10]。交變應(yīng)力會(huì)使疲勞損傷逐漸累積，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)特性發(fā)生改變、器件性能發(fā)生變化。據(jù)美國(guó)Sandia實(shí)驗(yàn)室有關(guān)研究報(bào)道，材料的平均楊氏模量隨著循環(huán)次數(shù)的增加下降的范圍在疲勞失效前可達(dá)15 %[11]。也就是說當(dāng)循環(huán)運(yùn)動(dòng)達(dá)到一定次數(shù)后，器件會(huì)因?yàn)槠诙l(fā)生失效。

De Pasquale G和Somà A對(duì)MEMS器件的彈性梁在不同交變應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)下進(jìn)行了疲勞測(cè)試，結(jié)果如圖5所示[12]。實(shí)驗(yàn)中σa表示交變應(yīng)力的振幅，σm表示平均應(yīng)力的振幅，Nf表示疲勞失效的循環(huán)次數(shù)。實(shí)驗(yàn)中結(jié)果表明，σm=60 MPa，σa=32.7 MPa，Nf=6.6×106時(shí)，梁上表面晶界處開始出現(xiàn)裂縫，隨著應(yīng)力振幅的增長(zhǎng)和循環(huán)次數(shù)的增加，裂縫尖端處位錯(cuò)的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)使得裂縫生長(zhǎng)，高密度的位錯(cuò)積聚使材料表面出現(xiàn)局部屈服，如圖5(d)和(e)所示。在σm=65 MPa，σa=10 MPa時(shí)，彈性梁斷裂，如圖5(f)所示。由于MEMS慣性器件的微梁結(jié)構(gòu)在振動(dòng)交變應(yīng)力作用下的受力情況也與上述梁結(jié)構(gòu)近似，因此出現(xiàn)的失效模式及失效機(jī)理也類似。

圖5 MEMS梁結(jié)構(gòu)在振動(dòng)下的疲勞失效示意圖

在較大振動(dòng)應(yīng)力下，還會(huì)引發(fā)鍵合引線的脫落或者斷裂。MEMS加速度計(jì)中的微電路引線材料為鋁，而結(jié)構(gòu)鍵合引線材料是金，不同材料之間的鍵合強(qiáng)度不是很強(qiáng)，在較大振動(dòng)或沖擊應(yīng)力下都可能引起鍵合引線脫落或斷裂[13]。

MEMS慣性器件在振動(dòng)過程中，由于懸臂梁太接近襯底而引起粘附力快速增長(zhǎng)，當(dāng)力接近或超過梁的最大承受載荷和梁的彈性恢復(fù)力時(shí)會(huì)造成梁與襯底接觸，當(dāng)梁的彈性勢(shì)能不足以抵消表面能時(shí)，就會(huì)與襯底產(chǎn)生粘附失效。

在振動(dòng)應(yīng)力的作用下也會(huì)出現(xiàn)MEMS慣性器件短路失效的問題。引發(fā)該失效模式的原因主要有兩個(gè)方面，一是振動(dòng)應(yīng)力下不同電極部件的直接接觸，二是微粒散落在不同電勢(shì)部件之間形成通路進(jìn)而造成短路失效。這兩種情況與沖擊應(yīng)力下的失效模式及失效機(jī)理類似。微粒污染也是振動(dòng)下的失效模式之一，帶來的影響主要包括造成機(jī)械阻塞和短路失效兩種，其失效機(jī)理也與沖擊應(yīng)力下提到的類似。

1.3 濕度環(huán)境下的失效模式與失效機(jī)理

濕度也是影響MEMS慣性器件可靠性的重要因素之一。在濕度條件下，水汽會(huì)滲入器件的微裂縫和微孔中[14]。MEMS慣性器件梁結(jié)構(gòu)的粘附失效受濕度的影響也相對(duì)較大，封裝失效可能會(huì)導(dǎo)致水汽侵入，從而引起分布電容、電阻阻值等電參數(shù)的變化，并可能造成粘附、分層、電化學(xué)腐蝕、腐蝕疲勞等。

粘附是濕度環(huán)境下主要的失效模式之一。引起粘附的原因和前面提到的類似，主要是由于MEMS慣性器件結(jié)構(gòu)存在親水表面，當(dāng)兩個(gè)部件表面間距很小時(shí)，表面力如毛細(xì)黏性力、范德瓦爾斯力、靜電力和氫鍵產(chǎn)生的作用力等會(huì)造成結(jié)構(gòu)粘附。前面分析了在沖擊和振動(dòng)應(yīng)力下的粘附失效機(jī)理，而在高濕度環(huán)境下更容易引起慣性器件的部件粘附。宋運(yùn)康、趙坤帥等人在不同濕度下對(duì)MEMS加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)試證實(shí)，相對(duì)濕度與粘附比例成正比，當(dāng)相對(duì)濕度大于55 %時(shí)，粘附比例明顯上升[15]。

Van Spengen W M等人的研究表明,毛細(xì)黏性力和范德瓦爾斯力是影響 MEMS 器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)粘連的主要原因[15,16]。圖6為高濕度下MEMS器件的幾種粘附情況，主要為梳齒間的側(cè)面粘附以及梳齒與基底粘附[3]。

圖6 MEMS器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)粘附情況

電化學(xué)腐蝕是MEMS慣性器件在濕度環(huán)境下的另一失效模式?？諝庵械乃且餗EMS慣性器件電極發(fā)生電化學(xué)腐蝕的主要原因。當(dāng)器件直接暴露在空氣中時(shí)，一些封裝氣密性不好的MEMS器件可能會(huì)發(fā)生水汽滲入并附著在硅結(jié)構(gòu)表面上[17]，在電場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成電化學(xué)腐蝕。

Hon M等人在高電場(chǎng)和高濕度對(duì)MEMS器件進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，附著在MEMS器件中的表面水汽作為反應(yīng)的電解質(zhì)溶液，加速了電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程，僅2 h電極板就開始發(fā)生膨脹和分層、懸臂梁向上彎曲，結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形等[18,19]，如圖7所示。

圖7 微懸臂梁電化學(xué)腐蝕示意圖

圖8可更直觀地觀察到陽極板的變化[19]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于陽極電板氧化使其產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致分層現(xiàn)象的發(fā)生。

圖8 陽極氧化現(xiàn)象

硅在潮濕環(huán)境下易形成氧化物，容易產(chǎn)生腐蝕應(yīng)力。氧化物積聚在硅表面，在周期應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生裂紋，裂紋生長(zhǎng)最終引起器件疲勞失效。對(duì)此，Pierron O N等人提出一種硅疲勞失效模式—反應(yīng)層疲勞，如圖9所示[20]。他們認(rèn)為，硅的疲勞是由反應(yīng)層的疲勞引起的。首先，在循環(huán)應(yīng)力最大的點(diǎn)上，釋放后的氧化物變厚；接著，在濕氣的輔助下，該氧化物產(chǎn)生裂紋，引起亞臨界的裂紋生長(zhǎng)。一旦暴露在裂縫尖端，在氧化作用下硅結(jié)構(gòu)會(huì)膨脹，進(jìn)而導(dǎo)致了裂紋在每一次循環(huán)應(yīng)力下生長(zhǎng)。

圖9 濕氣輔助下的裂紋生長(zhǎng)機(jī)理

1.4 溫變環(huán)境下的失效模式與失效機(jī)理

溫度對(duì)MEMS慣性器件的影響不容忽視。MEMS慣性器件經(jīng)常工作在高低溫環(huán)境下，例如MEMS加速度計(jì)等傳感器在汽車的車廂中需承受-40～85 ℃的工作溫度，在引擎艙中將達(dá)到125 ℃的高溫[21]。溫變對(duì)MEMS慣性器件帶來的失效模式主要包括疲勞、分層和斷裂和電路失效等。

疲勞是熱應(yīng)力下MEMS慣性器件常出現(xiàn)的失效模式之一。MEMS器件在熱循環(huán)應(yīng)力下，可能會(huì)引起材料的疲勞損傷，而疲勞損傷的積聚將導(dǎo)致器件失效。在熱沖擊的作用下，材料的楊氏模量將發(fā)生改變，硅表面的氧化物薄膜將產(chǎn)生裂紋，并逐漸擴(kuò)散到結(jié)構(gòu)內(nèi)部，最終造成器件材料的疲勞失效。

Chen B等人做了一個(gè)熱沖擊試驗(yàn)[22]。他們先將器件加熱到125 ℃，直到表面薄膜鼓起至半球狀，然后迅速通入液氮降溫，使其經(jīng)歷一個(gè)300 K的急劇溫變。在這樣的熱沖擊之下，表面凸起部分的中心處出現(xiàn)裂紋，并且裂紋的寬度隨著冷卻時(shí)間的增長(zhǎng)而變寬，如圖10所示。

圖10 熱沖擊下的裂紋萌生機(jī)理

雖然他們的試驗(yàn)不是針對(duì)MEMS慣性器件來進(jìn)行的，但由于MEMS慣性器件中經(jīng)常用到薄膜工藝，因此，在熱沖擊下薄膜裂紋萌生機(jī)理與該試驗(yàn)呈現(xiàn)的結(jié)果類似。

熱沖擊下的疲勞裂紋生長(zhǎng)最終也將導(dǎo)致MEMS器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的斷裂。

MEMS慣性器件常用硅—玻璃鍵合、或硅—硅鍵合工藝制作而成，在溫度循環(huán)下，由于不同材料之間熱膨脹系數(shù)失配，熱應(yīng)力下不同材料的膨脹程度不同，從而引起結(jié)構(gòu)形變、甚至分層失效。

劉加凱等人的研究指出，多層結(jié)構(gòu)在受到溫度應(yīng)力時(shí)，層間界面處會(huì)產(chǎn)生拉、壓應(yīng)力，如圖11所示[23]。當(dāng)溫度變化時(shí)，雙層結(jié)構(gòu)的界面上會(huì)同時(shí)產(chǎn)生正應(yīng)力和剪應(yīng)力。盡管作用在界面上的應(yīng)力小于界面的結(jié)合強(qiáng)度，但當(dāng)高溫和低溫的交變應(yīng)力循環(huán)作用在界面時(shí)，界面會(huì)由于疲勞而產(chǎn)生裂紋并沿著界面進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致界面分層失效。

圖11 雙層結(jié)構(gòu)在溫度應(yīng)力下的受力示意圖

溫變環(huán)境下的失效還包括MEMS慣性器件的性能溫漂。劉鳳麗等人在對(duì)梳狀微加速度計(jì)的研究中指出，硅基微加速度計(jì)中廣泛存在熱敏材料，環(huán)境溫度的變化會(huì)使加速度計(jì)結(jié)構(gòu)形變，從而導(dǎo)致電極極板間的間距或重疊面積發(fā)生改變，引起電容檢測(cè)誤差[24]。

1.5 輻照應(yīng)力下的失效模式與失效機(jī)理

MEMS慣性器件在航空領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)，難免受到輻射的影響。因此，輻照環(huán)境下MEMS慣性器件的失效模式及其失效機(jī)理也是值得重視的，輻照環(huán)境下的失效模式主要是疲勞和電路失效。

Shea H R的研究中指出了輻照對(duì)MEMS器件影響[25]，在輻照環(huán)境下，高能光子和粒子將能量轉(zhuǎn)移到它們所穿透的材料中進(jìn)而造成材料的損傷，損傷的類型主要為原子位移和電離兩種。長(zhǎng)期被輻射的器件容易發(fā)生材料脆化，在交變應(yīng)力作用下結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)疲勞失效。

Wang L等人對(duì)MEMS器件進(jìn)行了伽馬射線輻射，發(fā)現(xiàn)多晶硅電阻增大[26]。主要原因是輻照在多晶硅晶粒中造成的位移損傷產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷會(huì)造成多晶硅晶粒電阻的提高，從而使基于壓阻原理的MEMS器件性能發(fā)生改變。

此外，輻照對(duì)MEMS器件的檢測(cè)電路影響較大，特別是數(shù)字電路，高能粒子會(huì)造成電路發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)、改變存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)，從而引起性能漂移、甚至失效。Knudson A R等人對(duì)ADI公司的商用加速度計(jì)進(jìn)行的輻照試驗(yàn)表明[27]，加速度計(jì)對(duì)電介質(zhì)中的靜電荷非常敏感，輻照引起的輸出電壓漂移是由于檢測(cè)質(zhì)量下面的電介質(zhì)充電引起的。介電層中的電荷堆積引起了加速度計(jì)檢測(cè)電容周圍電場(chǎng)的變化，從而改變了輸出電壓[28]。

1.6 靜電放電應(yīng)力下的失效模式與失效機(jī)理

靜電放電(ESD)是指兩個(gè)物體之間電荷的迅速轉(zhuǎn)移，這樣的事件經(jīng)常發(fā)生在MEMS器件和人或設(shè)備之間。例如干燥的冬天操作者的身上可能會(huì)帶有比較高的靜電電荷，操作過程中一旦接觸到電子器件的管腳，就會(huì)通過器件放電，造成器件損傷[29]。

ESD可能會(huì)導(dǎo)致MEMS慣性器件電損傷和機(jī)械損傷。電損傷是指器件檢測(cè)電路的電子元器件或芯片被電擊穿而發(fā)生失效。機(jī)械損傷主要是器件結(jié)構(gòu)粘附失效，如懸臂梁、梳齒粘附等。器件結(jié)構(gòu)電容極板之間可能由于瞬間增大的靜電力而相互碰撞，從而引起粘附或者電擊穿失效。

Walraven A J A等人的研究發(fā)現(xiàn)[30]，較大ESD脈沖引起梳齒的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致其與基底發(fā)生粘附失效，同時(shí)也造成了短路失效。此外，在梳齒的尖端還發(fā)現(xiàn)了熔化或者“點(diǎn)焊”現(xiàn)象。

2 結(jié) 論

本文綜述了MEMS慣性器件在沖擊、振動(dòng)、濕度、溫變、輻照和靜電放電等環(huán)境應(yīng)力下的主要失效模式，并剖析了它們的主要失效機(jī)理?？梢妴我粦?yīng)力可能造成多種失效模式，而復(fù)合應(yīng)力作用下失效模式將交叉融合出現(xiàn)，失效機(jī)理也將更加復(fù)雜。

隨著MEMS慣性器件的廣泛應(yīng)用，其可靠性問題越來越突出，成為制約應(yīng)用拓展和國(guó)防安全的關(guān)鍵。因此，本文對(duì)MEMS慣性器件在典型應(yīng)用環(huán)境下的主要失效模式和失效機(jī)理進(jìn)行分析和總結(jié)，有利于指導(dǎo)未來MEMS慣性器件的失效分析和可靠性設(shè)計(jì)，具有較高的參考價(jià)值。

[1] Senturia S D.微系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[2] 閻 彬.結(jié)構(gòu)—熱耦合問題及結(jié)構(gòu)疲勞的可靠性分析方法研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2013.

[3] Huang Y,Vasan A S S,Doraiswami R,et al.MEMS reliability review[J].IEEE Transactions on Device & Materials Reliability,2012,12(2):482-493.

[4] Yang C,Liu Q,Li T.The reliability model of micro-electro-mechanical system based on fracture mechanism[C]∥9th IEEE International Conference on Reliability,Maintainability and Safety(ICRMS),Guiyang,China,2011:378-382.

[5] Li J,Broas M,Makkonen J,et al.Shock impact reliability and failure analysis of a three-axis MEMS gyroscope[J].Journal of Micro-electro-mechanical Systems,2014,23(2):347-355.

[6] Stanimiroc＇ I,Stanimirovi＇ Z.MEMS reliability[C]∥28th IEEE International Conference on Microelectronics(MIEL),Nis,Serbia,2012:173-175.

[7] Tanner D M,Walraven J A,Helgesen K,et al.MEMS reliability in shock environments[C]∥IEEE Int’l Reliability Physics Symposium(IRPS),2000:129-138.

[8] 唐潔影,余存江,恩云飛,等.MEMS微懸臂梁在沖擊下的粘附失效預(yù)測(cè)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2006(5):1602-1605.

[9] Boer M P D,Michalske T A.Accurate method for determining adhesion of cantilever beams[J].Journal of Applied Physics,1999,86(2):817-827.

[10] Tabata O,Tsuchiya T.MEMS可靠性[M].南京:東南大學(xué)出版社,2009.

[11] 余存江,唐潔影,恩云飛,等.多晶硅梁疲勞損壞特性的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2006,19(5A):1599-1601.

[12] De Pasquale G,Soma A.MEMS mechanical fatigue:Effect of mean stress on gold microbeams[J].Journal of Micro-electro-mechanical Systems,2011,20(4):1054-1063.

[13] 張 賀,石云波,唐 軍,等.高量程加速度傳感器在測(cè)試中的失效分析[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2011(10):1422-1425.

[14] 高健飛,熊繼軍,郭 濤,等.微加速度計(jì)在惡劣環(huán)境下的可靠性[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008,23(35):227-229.

[15] 宋運(yùn)康,趙坤帥,閆 鑫,等.濕度對(duì)微型加速度計(jì)粘連失效的影響[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2014(3):316-319.

[16] Van Spengen W M,Robert P,Wolf I D.On the physics of stiction and its impact on the reliability of microstructures[J].Journal of Adhesion Science & Technology,2003,17(4):563-582.

[17] Prasad M,Sahula V,Khanna V K.Long-term effects of relative humidity on the performance of ZnO-based MEMS acoustic sensors[J].IEEE Transactions on Device & Materials Reliability,2014,14(2):778-780.

[18] 劉 芳.微機(jī)電系統(tǒng)可靠性關(guān)鍵問題研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2009.

[19] Hon M,Delrio F W,Carraro C,et al.Effects of relative humidity and actuation voltage on MEMS reliability[C]∥14th IEEE International Conference on Solid-State Sensors,Actuators and Mic-rosystems,Lyon,France,2007:367-370.

[20] Pierron O N,Muhlstein C L.Notch root oxide formation during fatigue of polycrystalline silicon structural films[J].Journal of Micro-electro-mechanical Systems,2007,16(6):1441-1450.

[21] 雷 昕,謝勁松.MEMS慣性傳感器可靠性試驗(yàn)方法研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn),2010,27(6):13-18.

[22] Chen B,Liu H,Wang H,et al.Thermal shock induced nanocrack as high efficiency surface conduction electron emitter[J].Applied Surface Science,2011,257(21):9125-9128.

[23] 劉加凱,齊杏林,王 波.溫度應(yīng)力對(duì)MEMS器件分層失效的影響規(guī)律[J].電子元件與材料,2013,32(3):84-87.

[24] 劉鳳麗.一種電容式微加速度計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與溫度影響分析[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009,28(3):79-82.

[25] Shea H R.Effects of radiation on MEMS[J].Proc of SPIE,2011,7928(4):62-70.

[26] Wang L,Tang J,Song J,et al.Gamma irradiation effects on resis-tance of surface micromachined polycrystalline silicon beams in MEMS[C]∥24th IEEE International Conference on Micro-Electro-Mechanical Systems(MEMS),Cancun,Mexico,2011:445-448.

[27] Knudson A R,Buchner S,McDonald P,et al.The effects of radiation on MEMS accelerometers[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,1996,49(6):3122-3126.

[28] 王 磊.表面微加工多晶硅MEMS器件輻射可靠性研究[D].南京:東南大學(xué),2011.

[29] Hartzell A L,da Silva M G,Shea H R.MEMS可靠性[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

[30] Walraven A J A,Soden J M,Tanner D M,et al.Electrostatic discharge/electrical overstress susceptibility in MEMS:A new failure mode[C]∥Proceedings of SPIE—The International Society for Optical Engineering,2000:30-39.

Study of main failure modes and failure mechanisms of MEMS inertial devices

CHEN Jun-guang1,2, GU Zhuan-yuan1,3, HE Chun-hua1, HUANG Qin-wen1, LAI Ping1, EN Yun-fei1

(1.Science and Technology on Reliability Physics and Application of Electronic Component Laboratory,The Fifth Electronic Research Institute of the Ministry of Industry and Information TechnologyGuangzhou 510610,China; 2.Faculty of Automation, Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China； 3.School of Electrical and Information,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

Reliability of MEMS inertial devices seriously affects the defense security and restricts the application.Aiming at typical application environments,such as shock,vibration,humidity,temperature,radiation and electrostatic discharge(ESD),typical failure modes and mechanisms of MEMS inertial devices are detailed analyzed and summed up and research results will benefit failure analysis and reliability design of MEMS inertial devices.

MEMS inertial device; reliability; failure mode; failure mechanism

10.13873/J.1000—9787(2017)03—0001—05

2016—04—14

TP 212

A

1000—9787(2017)03—0001—05

陳俊光(1993-)，男，本科生，研究方向?yàn)镸EMS可靠性。

何春華(1988-)，男，通訊作者,工程師，從事MEMS可靠性研究工作，E-mail：hechunhua@pku.edu.cn。