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)

摘要：針對微機(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，針對微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）器件的可靠性問題，對沖擊、振動、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。

0引言

微電子機(jī)械系統(tǒng)（micro-electro-mechanicalsystems，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。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，其中陀螺用于測量運(yùn)動體的角速度，加速度計用于測量運(yùn)動體的加速度，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，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慣性器件會遭到劇烈沖擊或振動應(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)行時會周期性進(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，同時在太空中工作也會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。

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MEMS加速度計的沖擊試驗，發(fā)現(xiàn)懸臂梁、梳齒的受力集中點均在根部，即連接點處。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，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MEMS陀螺儀進(jìn)行了多次沖擊試驗，結(jié)果如圖1所示，該沖擊試驗引起的主要失效模式包括：梳狀驅(qū)動器的梳齒、梳臂斷裂，梳齒的破損，微粒阻塞梳狀結(jié)構(gòu)的運(yùn)動。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等。沖擊引起的結(jié)構(gòu)斷裂面附著的微粒在持續(xù)沖擊下還會發(fā)生移動，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)動部件與固定部件之間，阻礙了器件的正常運(yùn)動，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MEMS器件的沖擊試驗中發(fā)現(xiàn)，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導(dǎo)致電學(xué)短路失效，如圖3所示。

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。

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

對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較大，當(dāng)器件內(nèi)部的兩個部件表面距離較近時容易產(chǎn)生粘附失效。MEMS慣性器件梁與襯底間距僅為零點幾個微米，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，梁與襯底無法分離，從而使器件發(fā)生永久性的粘附失效。圖4為微懸臂梁粘附的兩種模式，一種為S型，一種為弓型。

圖4 懸臂梁的粘附示意圖

1.2振動應(yīng)力下的失效模式與失效機(jī)理

振動是影響MEMS慣性器件可靠性的重要因素之一。振動環(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。

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

不同于沖擊環(huán)境，振動環(huán)境下的斷裂失效可能是由于長期振動下的材料疲勞引起的，這種情況下振動應(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，熱膨脹和熱收縮等形式產(chǎn)生循環(huán)的機(jī)械運(yùn)動。交變應(yīng)力會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Sandia實驗室有關(guān)研究報道，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%。也就是說當(dāng)循環(huán)運(yùn)動達(dá)到一定次數(shù)后，器件會因為疲勞而發(fā)生失效。

De Pasquale G和Somà A對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)行了疲勞測試，結(jié)果如圖5所示。實驗中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)。實驗中結(jié)果表明，σm= 60 MPa，σa= 32.7 MPa，Nf = 6.6 × 106時，梁上表面晶界處開始出現(xiàn)裂縫，隨著應(yīng)力振幅的增長和循環(huán)次數(shù)的增加，裂縫尖端處位錯的進(jìn)一步運(yùn)動使得裂縫生長，高密度的位錯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，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)在振動下的疲勞失效示意圖

在較大振動應(yīng)力下，還會引發(fā)鍵合引線的脫落或者斷裂。MEMS加速度計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)，在較大振動或沖擊應(yīng)力下都可能引起鍵合引線脫落或斷裂。

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

在振動應(yīng)力的作用下也會出現(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方面，一是振動應(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，水汽會滲入器件的微裂縫和微孔中。MEMS慣性器件梁結(jié)構(gòu)的粘附失效受濕度的影響也相對較大，封裝失效可能會導(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)兩個部件表面間距很小時，表面力如毛細(xì)黏性力、范德瓦爾斯力、靜電力和氫鍵產(chǎn)生的作用力等會造成結(jié)構(gòu)粘附。前面分析了在沖擊和振動應(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MEMS加速度計進(jìn)行測試證實，相對濕度與粘附比例成正比，當(dāng)相對濕度大于55%時，粘附比例明顯上升。

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。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。

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，一些封裝氣密性不好的MEMS器件可能會發(fā)生水汽滲入并附著在硅結(jié)構(gòu)表面上，在電場作用下會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成電化學(xué)腐蝕。

Hon M等人在高電場和高濕度對MEMS器件進(jìn)行試驗發(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，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。實驗發(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，裂紋生長最終引起器件疲勞失效。對此，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。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。一旦暴露在裂縫尖端，在氧化作用下硅結(jié)構(gòu)會膨脹，進(jìn)而導(dǎo)致了裂紋在每一次循環(huán)應(yīng)力下生長。

圖9 濕氣輔助下的裂紋生長機(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。溫變對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等人做了一個熱沖擊試驗。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間的增長而變寬，如圖10所示。

圖10 熱沖擊下的裂紋萌生機(jī)理

雖然他們的試驗不是針對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)理與該試驗呈現(xiàn)的結(jié)果類似。熱沖擊下的疲勞裂紋生長最終也將導(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，層間界面處會產(chǎn)生拉、壓應(yīng)力，如圖11所示。當(dāng)溫度變化時，雙層結(jié)構(gòu)的界面上會同時產(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，界面會由于疲勞而產(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。劉鳳麗等人在對梳狀微加速度計的研究中指出，硅基微加速度計中廣泛存在熱敏材料，環(huán)境溫度的變化會使加速度計結(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，引起電容檢測誤差。

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，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MEMS器件影響，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MEMS器件進(jìn)行了伽馬射線輻射，發(fā)現(xiàn)多晶硅電阻增大。主要原因是輻照在多晶硅晶粒中造成的位移損傷產(chǎn)生的點缺陷會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MEMS器件的檢測電路影響較大，特別是數(shù)字電路，高能粒子會造成電路發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)、改變存儲器的數(shù)據(jù)，從而引起性能漂移、甚至失效。Knudson A R等人對ADI公司的商用加速度計進(jìn)行的輻照試驗表明，加速度計對電介質(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檢測電容周圍電場的變化，從而改變了輸出電壓。

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，就會通過器件放電，造成器件損傷。

ESD可能會導(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)，較大ESD脈沖引起梳齒的運(yùn)動，導(dǎo)致其與基底發(fā)生粘附失效，同時也造成了短路失效。此外，在梳齒的尖端還發(fā)現(xiàn)了熔化或者“點焊”現(xiàn)象。

2結(jié)論

本文綜述了MEMS慣性器件在沖擊、振動、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)用拓展和國防安全的關(guān)鍵。因此，本文對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，具有較高的參考價值。