MEMS壓力傳感器的可靠性評價方法

1、MEMS壓力傳感器的可靠性評價方法鮑芳;張德平【摘要】MEMS壓力傳感器是用半導(dǎo)體制造工藝制備的微機(jī)械器件,是一種包含各 種物理和化學(xué)理論的復(fù)雜系統(tǒng),因而在評估其可靠性時不僅要考慮到傳統(tǒng)的電學(xué)性 能,還應(yīng)該考慮其特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)、材料力學(xué)等方面的的可靠性評價方法.概述了MEMS傳感器產(chǎn)品最主要的失效現(xiàn)象，并著重介紹了常用的可靠性評價標(biāo)準(zhǔn)和測試 項目.期刊名稱】 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗?zāi)?卷),期】 2013(031)005【總頁數(shù)】6頁(P61-66)【關(guān)鍵詞】 壓力傳感器;機(jī)械結(jié)構(gòu);可靠性評價【作 者】 鮑芳;張德平【作者單位】 蘇州中咨工程咨詢有限公司,江蘇蘇州 215008;工業(yè)和信息化

2、部電子 第五研究所,廣東廣州 510610【正文語種】 中 文【中圖分類】 TP212.4+10 引言目前，MEMS壓力傳感器產(chǎn)品的應(yīng)用越來越多，在其發(fā)展過程中，開始主要注重新工藝的開發(fā)和新型裝置的研制，目的是為了驗證微電子機(jī)械系統(tǒng)的功能，對其可 靠性方面的研究較少；并且所得到的測試與驗證數(shù)據(jù)也較少，缺乏標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。由 于其緊湊性和便攜性，壓力傳感器在移動通信、汽車電子和航天航空中的應(yīng)用逐漸 地增多，可靠性技術(shù)成為其能否大規(guī)模實用化的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是器件使用者最 關(guān)心的問題之一，從而確保其產(chǎn)品在任何使用環(huán)境中都能滿足壽命、可靠性的設(shè)計 預(yù)期 1。在過去的20年中，越來越多的半導(dǎo)體公司進(jìn)入ME

3、MS行業(yè)，可靠性測試要求也 發(fā)生了變化，但并沒有標(biāo)準(zhǔn)化。由于微電子器件失效機(jī)理研究、可靠性評價體系基 本完備，并且這些可靠性評價試驗經(jīng)證明在預(yù)計IC和MEMS產(chǎn)品的現(xiàn)場可靠性 方面是一樣有效的，可以利用諸如高溫下熱循環(huán)測試和加速壽命測試等電學(xué)性能評 估方法，因而大大加速了 MEMS產(chǎn)品在各領(lǐng)域的應(yīng)用。另一方面，由于MEMS壓力傳感器需要與環(huán)境相互作用來執(zhí)行任務(wù)，所以必須考 慮機(jī)械結(jié)構(gòu)在實際使用環(huán)境中的可靠性，需要使用諸如沖擊試驗、靜態(tài)和動態(tài)加載 時的長期耐疲勞度等各種機(jī)械測試。因此，下文從可靠性角度出發(fā)，探討針對壓力傳感器的可靠性評價標(biāo)準(zhǔn)、主要失效 現(xiàn)象以及激發(fā)這些失效現(xiàn)象的可靠性試驗方法?？?/p>

4、靠性測試標(biāo)準(zhǔn)的制定曾經(jīng)有一種觀點認(rèn)為MEMS的制造方法和結(jié)構(gòu)尺寸千變?nèi)f化，因此MEMS產(chǎn)業(yè) 不需要制定標(biāo)準(zhǔn)，但是標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)是產(chǎn)品可靠性評價的基礎(chǔ)。最近幾年，MEMS 領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作正在逐步地啟動。國際電工委員會(IEC)的半導(dǎo)體器件技術(shù)委 員會(TC 47 )下設(shè)MEMS工作組(TC 47/WG 4 )，現(xiàn)已發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)IEC 62047， 規(guī)范了 MEMS術(shù)語和部分測試方法；ASTM International是一個開發(fā)和制定材 料方面技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的國際性標(biāo)準(zhǔn)化組織，目前已經(jīng)發(fā)布了利用光學(xué)干涉儀測量薄膜面 內(nèi)長度、殘余應(yīng)變和應(yīng)變梯度的標(biāo)準(zhǔn)(E 2244-06、E 2245-06和E 2246-06

5、) 2 ； SEMI是半導(dǎo)體制造供應(yīng)方面的產(chǎn)業(yè)協(xié)會，對于MEMS，SEMI主要關(guān)注制備 工藝的兼容性問題，現(xiàn)已發(fā)布3項標(biāo)準(zhǔn)（MS 1-0307、MS 2-0307和MS 3- 0307）。對于MEMS壓力傳感器來說，因其常用于汽車和軍事領(lǐng)域，要求的可靠性水平非 常高。例如，汽車行業(yè)要求器件失效率低于10 FIT，甚至希望器件供應(yīng)商能夠提 供故障率為0 ppm的器件。因此常常借用美國汽車工程協(xié)會（SAE ）和美軍標(biāo) MIL-STD-750對其可靠性進(jìn)行評價測試。SAE J 1346Guide to Manifold Absolute Pressure Transducer Representat

6、ive Test Method涵蓋了大部分壓 力傳感器產(chǎn)品的可靠性試驗方法。適用于半導(dǎo)體微電路的標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-750同時 也是大部分從事設(shè)計制造壓力傳感器的工業(yè)企業(yè)參照的可靠性測試標(biāo)準(zhǔn)，但是，基 于壓力傳感器與半導(dǎo)體微電路的顯著差異，必須考慮在嚴(yán)酷的使用環(huán)境下傳感器獨 特的失效模式以及采用何種測試手段來誘發(fā)這些失效的問題。在國內(nèi)，GB/T 26111-2010規(guī)范了 MEMS的技術(shù)術(shù)語，GB/T 15478-1995規(guī)定 了壓力傳感器的性能測試方法和部分，JB/T 10524-2005適用于MEMS壓阻式壓 力傳感器的質(zhì)量管理。壓力傳感器的失效原因 對于器件失效機(jī)理的研究是對失效器件進(jìn)行

7、分析檢查，找出失效發(fā)生的原因，從而 為改進(jìn)、提高器件可靠性指明方向。壓力傳感器已知的主要失效原因有如下幾種， 與微電路相比，我們對導(dǎo)致這些失效的機(jī)理研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。2.1 機(jī)械斷（破）裂機(jī)械斷裂是指一個統(tǒng)一的材料斷裂為兩個獨立的部分。在MEMS中，它是一個嚴(yán) 重的可靠性問題。斷裂有3種類型：韌性斷裂、脆性斷裂和晶間斷裂。韌性斷裂發(fā)生于韌性材料， 特點是材料幾乎不間斷地發(fā)生塑性形變，通常表現(xiàn)為材料特定點的頸縮或極度變薄。 脆性斷裂沿著晶面發(fā)生并且在極小的變形下迅速地展開。晶間斷裂是一種脆性斷裂， 它發(fā)生于多晶材料的晶界，通常是在雜質(zhì)或沉淀積累處開始的。對于MEMS器件 來說，后面兩種類型的斷裂較

8、為常見 3。在硅晶體中，材料的斷裂強(qiáng)度呈現(xiàn)正態(tài)分布，由斷裂引起的失效率服從威布爾函數(shù) 分布：式（1）中：V存在斷裂應(yīng)力的材料體積；au最低應(yīng)力極限；O0平均斷裂應(yīng)力；m威布爾模量。2.2 粘附 粘附是微結(jié)構(gòu)最嚴(yán)重的可靠性問題之一，當(dāng)兩個光滑的微結(jié)構(gòu)表面相接觸時，依靠 表面力相互吸引直至粘附在一起4。一般來說，造成MEMS粘附的原因有液體 橋接力（毛細(xì)力） 、范德華力和靜電力，如圖1所示。對于設(shè)計者來說，大部分 器件結(jié)構(gòu)都被設(shè)計成可以消除表面吸引力，以排除粘附效應(yīng)。圖1懸臂梁粘附到襯底上當(dāng)微結(jié)構(gòu)的兩個平行表面的間隔小于20 nm時，由范德華力在平行表面上形成的 壓強(qiáng)可以表示為4：式（2）中：A哈

9、梅克常數(shù)，對于硅材料，A=1.6 eV ；d兩個平行表面的間距。2.3 磨損磨損是兩個接觸表面相對機(jī)械運動引起的固體表面材料的損耗，會給MEMS帶來 不良的影響。據(jù)觀察，主要有4種運動方式會引起磨損，即粘附、研磨、腐蝕和 表面疲勞 3。在壓力傳感器中，粘附磨損出現(xiàn)的概率較大。粘附磨損發(fā)生在兩個相對滑動的材料表面，當(dāng)表面吸引力消失，相互吸附的兩個表面不會完整地相互分離，其中的一個 表面會發(fā)生破裂、斷裂等磨損現(xiàn)象。粘附磨損的表達(dá)式為：式（3）中：羅一材料的屈服強(qiáng)度；kAW材料的磨損系數(shù)；x滑動位移；F材料受外力大小。2.4 蠕變?nèi)渥兪菓?yīng)力作用下原子的緩慢運動引起的應(yīng)變隨時間延長而增加的現(xiàn)象，長時間

10、的 應(yīng)變積累會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生緩慢而連續(xù)的塑性變形，即蠕變現(xiàn)象，甚至發(fā)生斷裂，如 圖2 所示。圖2 蠕變空洞及楔形裂紋蠕變速率滿足公式：式（4）中：蠕變速率；a應(yīng)力；n應(yīng)力指數(shù)；Q蠕變激活能。2.5 分層分層是多層結(jié)構(gòu)的界面粘附鍵斷裂而造成層層分離的現(xiàn)象，可由多種原因誘發(fā)，從光刻掩膜對準(zhǔn)誤差到晶圓加工過程中的微粒缺陷，也可能是由長期循環(huán)條件下的熱 膨脹系數(shù)失配誘發(fā)的機(jī)械疲勞引起的。無論何種原因引起，分層效應(yīng)都是災(zāi)難性的， 它可能會引起短路或機(jī)械阻力。由于分層導(dǎo)致的機(jī)械結(jié)構(gòu)質(zhì)量損耗甚至?xí)鹌骷C(jī)械特性的漂移，最新的研究顯示，某些器件的諧振頻率因此變化達(dá)到 25%之多5。2.6 電介質(zhì)破壞電介質(zhì)破壞

11、是寄生電荷改變激勵電壓和器件機(jī)械特性的現(xiàn)象，會導(dǎo)致漏電流、電流 飽和和介質(zhì)擊穿等破壞效應(yīng)，主要包括介質(zhì)層中電荷慢俘獲、時間相關(guān)電介質(zhì)擊穿 靜電放電和過電應(yīng)力，其中慢俘獲和時間相關(guān)電介質(zhì)擊穿引起器件失效的機(jī)理是由 于累積電荷的堆積進(jìn)而導(dǎo)致器件閾值電壓變化；靜電放電是由于瞬間電荷聚集，可 使器件燒壞，引起器件過應(yīng)力失效。眾所周知的傳感器參數(shù)隨工作時間的延長而發(fā) 生漂移就是由于積累在介質(zhì)表面的電荷引起的。2.7 環(huán)境因素 振動是壓力傳感器可靠性中一個較大的關(guān)注點，由于脆性材料對受力的敏感性，外 部振動會通過誘發(fā)器件表面粘附或者支撐結(jié)構(gòu)變脆導(dǎo)致器件失效，如圖 3 所示。 長期的持續(xù)振動也會造成材料疲勞

12、。圖 3 單晶硅結(jié)構(gòu)上振動引起的裂紋 沖擊是單次的機(jī)械撞擊，通過沖擊可以在器件上完成機(jī)械能轉(zhuǎn)換。沖擊引起的失效 包括粘附、機(jī)械斷裂和焊接引線脫落。潮濕被認(rèn)為是傳感器的另一個嚴(yán)重的可靠性問題。由于加工工藝的關(guān)系，表面微加 工器件是非常親水的。在潮濕環(huán)境下，水氣會冷凝到微小的裂縫中，水珠凝結(jié)過程 會使微結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲，并在間距很小的兩個表面之間形成毛細(xì)吸引力，從而引起器 件的粘附失效。該毛細(xì)力在表面處形成的壓強(qiáng)滿足公式：式（5）中：y水珠凝結(jié)引起的表面張力；r1水珠的曲率半徑；0水珠與器件表面的接觸角；d兩個表面之間的距離灰塵是指空氣中始終存在的一些極細(xì)微的粒子，這些粒子會引起傳感器的電短路和 靜摩

13、擦?；覊m可能會誘發(fā)的另一個問題是粘附，完美的器件加工過程要求材料界面 異常潔凈以確保良好的附著力，如果材料界面處存在灰塵會引起多層材料的分層現(xiàn) 象發(fā)生，如圖4 所示。溫度變化是所有半導(dǎo)體器件可靠性關(guān)注的重點，由于材料線性膨脹系數(shù)的不匹配造 成器件內(nèi)部應(yīng)力集中，導(dǎo)致金屬封裝膨脹壓裂器件襯底引發(fā)失效。對于傳感器來說， 另一種尚未得到充分研究的失效機(jī)理是溫度變化對半導(dǎo)體材料機(jī)械性能的影響，在 劇烈的溫度變化下，硅材料的楊氏模量會發(fā)生顯著的變化，引起器件性能參數(shù)的漂 移、退化甚至失效。圖4 傳感器上的灰塵微粒2.8 材料本征應(yīng)力材料本征應(yīng)力誘發(fā)的失效是薄膜型 MEMS 傳感器所獨有的失效機(jī)理。在沒有外

14、加 應(yīng)力的情況下，材料本征應(yīng)力會帶來信號噪聲、結(jié)構(gòu)變形以及機(jī)械斷裂等失效現(xiàn)象。 在 MEMS 加工過程中，形成薄膜的分子如果不處在最低能級狀態(tài)就會在薄膜中殘 留一部分應(yīng)力；同時，生成薄膜的熱工藝本身也會產(chǎn)生應(yīng)力。盡管高溫退火過程可 以減小薄膜的這種本征應(yīng)力，但是其與傳感器整體加工工藝不一定兼容。壓力傳感器可靠性評價項目環(huán)境試驗是將產(chǎn)品暴露在環(huán)境應(yīng)力中，誘發(fā)出潛在的失效模式，以此來檢驗評價其 在實際遇到的運輸、儲存和使用環(huán)境條件下的性能。通過環(huán)境試驗，可以提供傳感 器設(shè)計、制造質(zhì)量可靠性方面的信息，是質(zhì)量和可靠性保障的重要手段。目前，壓 力傳感器常用的環(huán)境可靠性試驗項目有以下幾種6。3.1脈沖壓

15、力溫度循環(huán)試驗-帶載（PPTCB ）試驗?zāi)軌蚰M壓力傳感器在真實工作場景下的應(yīng)力，將脈沖壓力和高低溫循環(huán)溫度 應(yīng)力同時施加到處于帶電工作狀態(tài)的樣品上，考核樣品承受一定范圍內(nèi)溫度、壓力 變化速率的能力。該試驗可以全面評價樣品的綜合性能，包括傳感器芯片、內(nèi)引線 封裝焊接線及封裝密封性。可以激發(fā)的潛在失效模式：開路、短路和性能參數(shù)漂移。 潛在的失效機(jī)理：當(dāng)器件材料的性能匹配較差時，綜合應(yīng)力可引發(fā)由機(jī)械結(jié)構(gòu)缺陷 劣化產(chǎn)生的失效，如芯片裂紋、芯片引線疲勞、封裝焊接線疲勞、粘附和封裝材料 蠕變。3.2濕熱試驗-帶載（H3TB ）該試驗是評價器件在潮濕和炎熱條件下的工作性能，可用于評定器件的封裝密封性 及檢

16、測芯片表面離子污染和工藝缺陷，也考核在潮濕和炎熱條件下傳感器材料發(fā)生 和加劇電解的可能性?？梢约ぐl(fā)的潛在失效模式：開路、短路和性能參數(shù)漂移。 潛在的失效機(jī)理：在潮濕和炎熱條件下由化學(xué)過程產(chǎn)生的器件腐蝕、受表面離子污 染而引起的參數(shù)漂移，由水汽的浸入和凝露而引起的微裂縫增大和絕緣材料電解導(dǎo) 致電阻率發(fā)生變化而使抗介質(zhì)擊穿能力變?nèi)酢?.3高溫試驗-帶載（HTB ）該試驗是考核器件在高溫條件下的通電工作性能，常用于評價芯片材料界面間的密 封性和薄膜材料穩(wěn)定性。可以激發(fā)的潛在失效模式：參數(shù)漂移、靈敏度降低。 潛在的失效機(jī)理：高溫通電條件下的芯片表面離子污染引起的參數(shù)漂移，薄膜材料 穩(wěn)定性下降引起的器件

17、靈敏度降低和工藝缺陷在高溫下引起的材料界面損傷而導(dǎo)致 器件的性能退化。3.4高、低溫貯存壽命試驗（HTSL和LTSL ）存在嚴(yán)重工藝缺陷的產(chǎn)品處于非平衡態(tài)，是一種不穩(wěn)定態(tài)，極限溫度條件可以誘發(fā) 產(chǎn)品失效，也是促使產(chǎn)品從非穩(wěn)定態(tài)向穩(wěn)定態(tài)的過渡。該試驗是模擬器件在運輸和 儲存階段的環(huán)境應(yīng)力，用于考核極端溫度對產(chǎn)品性能的影響?？梢约ぐl(fā)的潛在失效模式：參數(shù)漂移、靈敏度降低。 潛在的失效機(jī)理：材料熱匹配較差引起蠕變失效、工藝缺陷誘發(fā)性能退化和失效。3.5溫度循環(huán)試驗（TC） 該試驗用于考核產(chǎn)品承受一定溫度變化速率的能力，主要是控制產(chǎn)品處于高溫和低 溫時的溫度和時間及高低溫狀態(tài)轉(zhuǎn)換的速率?？梢约ぐl(fā)的潛在失

18、效模式：開路、參數(shù)漂移和靈敏度降低。 潛在的失效機(jī)理：當(dāng)器件材料的性能匹配較差時，溫度循環(huán)可引發(fā)由機(jī)械結(jié)構(gòu)缺陷 劣化產(chǎn)生的失效，如芯片內(nèi)引線疲勞、封裝焊接線疲勞、粘附和封裝材料蠕變。機(jī)械沖擊試驗 該試驗的目的是考核傳感器承受機(jī)械沖擊的能力，即考核器件承受在裝卸、運輸和 現(xiàn)場工作過程中突然受力的能力，如跌落、碰撞時器件會受到突發(fā)的機(jī)械應(yīng)力。 可以激發(fā)的潛在失效模式：開路、參數(shù)漂移和靈敏度降低。潛在的失效機(jī)理：壓力感應(yīng)隔膜破裂、漏氣、芯片脫落、管殼變形和內(nèi)引線封裝 焊接線開路失效。機(jī)械振動試驗 該試驗的目的是考核器件在不同振動條件下的結(jié)構(gòu)牢固性和電特性的穩(wěn)定性。 可以激發(fā)的潛在失效模式：開路、參數(shù)

19、漂移和靈敏度降低。潛在的失效機(jī)理：壓力感應(yīng)隔膜破裂、漏氣、芯片脫落、管殼變形和內(nèi)引線/封裝 焊接線開路失效?？珊感栽u價試驗 該試驗的目的是考核在儲存一段時間后器件管腳的可焊性?？梢约ぐl(fā)的潛在失效模式：管腳氣泡、潤濕和去濕。 潛在的失效機(jī)理：管腳電鍍工藝質(zhì)量差或管腳表面污染而造成器件的可焊性差。3.9 高壓試驗 該試驗的目的是考核器件在使用過程中承受極度高壓的能力，在試驗中，壓力施加 于感應(yīng)隔膜的正面或背面取決于實際的應(yīng)用情況?？梢约ぐl(fā)的潛在失效模式：開路。 潛在的失效機(jī)理：壓力感應(yīng)隔膜破裂、芯片附著處脫落。加速壽命試驗對 MEMS 壓力傳感器進(jìn)行壽命試驗，首先遇到的就是試驗樣品數(shù)量和試驗時間之

20、 間的矛盾，在規(guī)定的時間內(nèi)，如果樣品較少甚至根本沒有失效，就難以獲得產(chǎn)品的 可靠性統(tǒng)計特征。解決這個矛盾的有效方法之一就是進(jìn)行加速壽命試驗，并通過數(shù) 理統(tǒng)計及外推的方法，獲得有效的可靠性特征數(shù)據(jù)，在這個基礎(chǔ)上，再來預(yù)測工作 在特定條件下的產(chǎn)品可靠性。對于半導(dǎo)體微電路器件而言，溫度和電流密度是誘發(fā)器件失效的兩個最重要因素， 溫度是最常用的加速環(huán)境應(yīng)力，Arrhenius模型能夠很好地描述器件的壽命過程。 但是，對于MEMS壓力傳感器來說，器件遇到的環(huán)境應(yīng)力包括壓力、溫度和工作 電壓，因此加速壽命試驗要復(fù)雜得多。正是基于這種考慮，脈沖壓力溫度循環(huán)試驗 -帶載（PPTCB ）被用于壓力傳感器的加速壽

21、命試驗，壓力和溫度作為試驗的加速 環(huán)境應(yīng)力 7。一般使用 Eyring 模型來描述器件性能參數(shù)的退化，其反應(yīng)速率為：式（6）中：是只有溫度應(yīng)力的 Eyring 反應(yīng)速率；T溫度應(yīng)力；S非溫度應(yīng)力；h普朗克常數(shù)；f1=exp ( CS ) 慮由非溫度應(yīng)力存在而對能量分布的修正因子；f2=exp ( DS/kT ) 考慮到由非溫度應(yīng)力存在對激活能的修正因子；a，C，D待定常數(shù)。5 結(jié)束語壓力傳感器由于工作原理以及加工工藝的多樣性和失效機(jī)理的復(fù)雜性，其可靠性問 題一直阻礙著產(chǎn)品應(yīng)用規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大。相比國外的技術(shù)水平，我國在壓力傳感 器產(chǎn)品技術(shù)，特別是可靠性技術(shù)方面還比較落后，并且嚴(yán)重地制約了相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品 在物聯(lián)網(wǎng)、汽車工業(yè)和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，開展傳感器可靠性技術(shù)的研究對加 快物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)工業(yè)與信息化的深度融合具有重要的意義。工信部電子五所華東分所近年來加大了對傳感器產(chǎn)品可靠性技術(shù)研究的投入，與長 三角地區(qū)的傳感器設(shè)計制造企業(yè)、知名高校和科研院所聯(lián)合開展該領(lǐng)域的研究，及 時跟蹤國際技術(shù)的最新動態(tài)，并依托電子五所總部的雄厚科研實力，為我國 MEMS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供支撐?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】田火田修，土屋智由（日）.MEMS可靠性M宋