本文內容轉載自《傳感器與微系統》2017年第3期，版權歸《傳感器與微系統》編輯部所有。
陳俊光，谷專(zhuān)元，何春華，黃欽文，來(lái)萍，恩云飛
工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院
摘要：針對微機電系統（MEMS）器件的可靠性問(wèn)題，通過(guò)大量的歷史資料調研和失效信息收集等方法，針對微機電系統（MEMS）器件的可靠性問(wèn)題，對沖擊、振動(dòng)、濕度、溫變、輻照和靜電放電（ESD）等不同環(huán)境應力條件下的MEMS慣性器件典型失效模式及失效機理進(jìn)行了深入分析和總結，研究結果有利于指導未來(lái)MEMS慣性器件的失效分析和可靠性設計。
關(guān)鍵詞：微機電系統（MEMS）慣性器件；可靠性；失效模式；失效機理
0 引言
微電子機械系統（micro-electro-mechanicalsystems，MEMS）是集成的微型系統，它結合了電子、機械或其他（磁、液體和熱等）元件，通常采用傳統的半導體批量工藝技術(shù)來(lái)制造。MEMS慣性器件是指敏感結構采用微加工手段加工的微機械陀螺和微加速度計，其中陀螺用于測量運動(dòng)體的角速度，加速度計用于測量運動(dòng)體的加速度，它們可單獨使用，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(guò)載能力強等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應用于生物與醫藥行業(yè)、汽車(chē)工業(yè)、機器人、消費類(lèi)電子、航空航天、導彈制導等領(lǐng)域中。MEMS慣性器件不可避免地應用在各種惡劣的工作環(huán)境中，由此引發(fā)的可靠性問(wèn)題非常突出，近年來(lái)受到了高度重視。
在制造、安裝、運輸或使用過(guò)程中，MEMS慣性器件會(huì )遭到劇烈沖擊或振動(dòng)應力的影響。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，如衛星運行時(shí)會(huì )周期性進(jìn)入向陽(yáng)面和背陽(yáng)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(shí)在太空中工作也會(huì )受到各種射線(xiàn)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)境應力導致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(guò)大量的歷史資料調研和失效信息收集等方法，針對不同環(huán)境應力條件下的MEMS慣性器件典型失效模式及失效機理進(jìn)行了深入探討和分析。
1 典型失效模式與失效機理
1.1 沖擊應力下的失效模式與失效機理
沖擊應力下引起的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。
斷裂是沖擊應力下最常見(jiàn)的失效模式。慣性器件的懸臂梁、梳齒等部件對應力非常敏感，在沖擊環(huán)境下最容易發(fā)生斷裂。
Yang Chunhua和Liu Qin等人通過(guò)對MEMS加速度計的沖擊試驗，發(fā)現懸臂梁、梳齒的受力集中點(diǎn)均在根部，即連接點(diǎn)處。當沖擊應力引起的懸臂梁變形大于材料的屈服強度時(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(zhù)。
Li J和Broas M等人對MEMS陀螺儀進(jìn)行了多次沖擊試驗，結果如圖1所示，該沖擊試驗引起的主要失效模式包括：梳狀驅動(dòng)器的梳齒、梳臂斷裂，梳齒的破損，微粒阻塞梳狀結構的運動(dòng)。其主要失效機理為沖擊應力導致內部結構之間發(fā)生劇烈碰撞，所引起的應力遠大于其斷裂強度。
微粒污染是沖擊應力下常見(jiàn)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(guò)程中的表面清理、金屬沉積、刻蝕、退火、以及封裝過(guò)程引入的微粒，還包括MEMS器件材料的晶粒生長(cháng)等。沖擊引起的結構斷裂面附著(zhù)的微粒在持續沖擊下還會(huì )發(fā)生移動(dòng)，從而帶來(lái)潛在的可靠性問(wèn)題。如圖1(e)所示的微?？ㄔ贛EMS慣性器件運動(dòng)部件與固定部件之間，阻礙了器件的正常運動(dòng)，從而引發(fā)功能失效。
圖1 MEMS梳狀結構的失效模式
Tanner D M等人在他們對MEMS器件的沖擊試驗中發(fā)現，除了斷裂失效，在沖擊應力下，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 )導致電學(xué)短路失效，如圖3所示。
沖擊應力下引發(fā)的失效模式還包括分層。MEMS慣性器件包含可動(dòng)結構，其結構與襯底之間往往通過(guò)陽(yáng)極鍵合工藝加工在一起，而高g值沖擊應力下可能會(huì )導致鍵合斷裂，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構，而且加工工藝類(lèi)似，所以，在高g值沖擊應力下它們的失效模式和失效機理是相似的。
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，當器件內部的兩個(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(guò)程中結構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。當彈性力小于粘附力時(shí)，梁與襯底無(wú)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(dòng)應力下的失效模式與失效機理
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(xiàn)的脫落等。
斷裂同樣是振動(dòng)應力下MEMS慣性器件常見(jiàn)的失效模式。當振動(dòng)應力超過(guò)材料斷裂強度時(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(cháng)期振動(dòng)下的材料疲勞引起的，這種情況下振動(dòng)應力即使低于材料的斷裂強度，也可能引發(fā)斷裂失效。疲勞是指材料受到交變應力重復作用后材料強度下降。MEMS慣性器件通常工作在諧振狀態(tài)，結構在工作過(guò)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)的機械運動(dòng)。交變應力會(huì )使疲勞損傷逐漸累積，從而導致結構特性發(fā)生改變、器件性能發(fā)生變化。據美國Sandia實(shí)驗室有關(guān)研究報道，材料的平均楊氏模量隨著(zhù)循環(huán)次數的增加下降的范圍在疲勞失效前可達15%。也就是說(shuō)當循環(huán)運動(dòng)達到一定次數后，器件會(huì )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力和循環(huán)次數下進(jìn)行了疲勞測試，結果如圖5所示。實(shí)驗中σa表示交變應力的振幅，σm表示平均應力的振幅，Nf表示疲勞失效的循環(huán)次數。實(shí)驗中結果表明，σm = 60 MPa，σa= 32.7 MPa，Nf = 6.6 × 106時(shí)，梁上表面晶界處開(kāi)始出現裂縫，隨著(zhù)應力振幅的增長(cháng)和循環(huán)次數的增加，裂縫尖端處位錯的進(jìn)一步運動(dòng)使得裂縫生長(cháng)，高密度的位錯積聚使材料表面出現局部屈服，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慣性器件的微梁結構在振動(dòng)交變應力作用下的受力情況也與上述梁結構近似，因此出現的失效模式及失效機理也類(lèi)似。
圖5 MEMS梁結構在振動(dòng)下的疲勞失效示意圖
在較大振動(dòng)應力下，還會(huì )引發(fā)鍵合引線(xiàn)的脫落或者斷裂。MEMS加速度計中的微電路引線(xiàn)材料為鋁，而結構鍵合引線(xiàn)材料是金，不同材料之間的鍵合強度不是很強，在較大振動(dòng)或沖擊應力下都可能引起鍵合引線(xiàn)脫落或斷裂。
MEMS慣性器件在振動(dòng)過(guò)程中，由于懸臂梁太接近襯底而引起粘附力快速增長(cháng)，當力接近或超過(guò)梁的最大承受載荷和梁的彈性恢復力時(shí)會(huì )造成梁與襯底接觸，當梁的彈性勢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)應力的作用下也會(huì )出現MEMS慣性器件短路失效的問(wèn)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力下的失效模式及失效機理類(lèi)似。微粒污染也是振動(dòng)下的失效模式之一，帶來(lái)的影響主要包括造成機械阻塞和短路失效兩種，其失效機理也與沖擊應力下提到的類(lèi)似。
1.3 濕度環(huán)境下的失效模式與失效機理
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。MEMS慣性器件梁結構的粘附失效受濕度的影響也相對較大，封裝失效可能會(huì )導致水汽侵入，從而引起分布電容、電阻阻值等電參數的變化，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(lèi)似，主要是由于MEMS慣性器件結構存在親水表面，當兩個(gè)部件表面間距很小時(shí)，表面力如毛細黏性力、范德瓦爾斯力、靜電力和氫鍵產(chǎn)生的作用力等會(huì )造成結構粘附。前面分析了在沖擊和振動(dòng)應力下的粘附失效機理，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(shí)，相對濕度與粘附比例成正比，當相對濕度大于55%時(shí)，粘附比例明顯上升。
Van Spengen W M等人的研究表明，毛細黏性力和范德瓦爾斯力是影響MEMS器件內部結構粘連的主要原因。圖6為高濕度下MEMS器件的幾種粘附情況，主要為梳齒間的側面粘附以及梳齒與基底粘附。
圖6 MEMS器件內部結構粘附情況
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(zhù)在硅結構表面上，在電場(chǎng)作用下會(huì )發(fā)生化學(xué)反應，造成電化學(xué)腐蝕。
Hon M等人在高電場(chǎng)和高濕度對MEMS器件進(jìn)行試驗發(fā)現，附著(zhù)在MEMS 器件中的表面水汽作為反應的電解質(zhì)溶液，加速了電化學(xué)反應的進(jìn)程，僅2 h電極板就開(kāi)始發(fā)生膨脹和分層、懸臂梁向上彎曲，結構嚴重變形等，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(guān)地觀(guān)察到陽(yáng)極板的變化。實(shí)驗發(fā)現，由于陽(yáng)極電板氧化使其產(chǎn)生裂紋，導致分層現象的發(fā)生。
圖8 陽(yáng)極氧化現象
硅在潮濕環(huán)境下易形成氧化物，容易產(chǎn)生腐蝕應力。氧化物積聚在硅表面，在周期應力作用下容易產(chǎn)生裂紋，裂紋生長(cháng)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—反應層疲勞，如圖9所示。他們認為，硅的疲勞是由反應層的疲勞引起的。首先，在循環(huán)應力最大的點(diǎn)上，釋放后的氧化物變厚; 接著(zhù)，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(cháng)。一旦暴露在裂縫尖端，在氧化作用下硅結構會(huì )膨脹，進(jìn)而導致了裂紋在每一次循環(huán)應力下生長(cháng)。
圖9 濕氣輔助下的裂紋生長(cháng)機理
1.4 溫變環(huán)境下的失效模式與失效機理
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(chē)的車(chē)廂中需承受-40 ~ 85 ℃的工作溫度，在引擎艙中將達到125 ℃的高溫。溫變對MEMS慣性器件帶來(lái)的失效模式主要包括疲勞、分層和斷裂和電路失效等。
疲勞是熱應力下MEMS慣性器件常出現的失效模式之一。MEMS器件在熱循環(huán)應力下，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，并逐漸擴散到結構內部，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。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裂紋，并且裂紋的寬度隨著(zhù)冷卻時(shí)間的增長(cháng)而變寬，如圖10所示。
圖10 熱沖擊下的裂紋萌生機理
雖然他們的試驗不是針對MEMS慣性器件來(lái)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理與該試驗呈現的結果類(lèi)似。熱沖擊下的疲勞裂紋生長(cháng)最終也將導致MEMS器件內部結構的斷裂。
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失配，熱應力下不同材料的膨脹程度不同，從而引起結構形變、甚至分層失效。
劉加凱等人的研究指出，多層結構在受到溫度應力時(shí)，層間界面處會(huì )產(chǎn)生拉、壓應力，如圖11所示。當溫度變化時(shí)，雙層結構的界面上會(huì )同時(shí)產(chǎn)生正應力和剪應力。盡管作用在界面上的應力小于界面的結合強度，但當高溫和低溫的交變應力循環(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(zhù)界面進(jìn)行疲勞裂紋擴展，最終導致界面分層失效。
圖11 雙層結構在溫度應力下的受力示意圖
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(huì )使加速度計結構形變，從而導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 輻照應力下的失效模式與失效機理
MEMS慣性器件在航空領(lǐng)域應用時(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(lèi)型主要為原子位移和電離兩種。長(cháng)期被輻射的器件容易發(fā)生材料脆化，在交變應力作用下結構容易出現疲勞失效。
Wang L等人對MEMS器件進(jìn)行了伽馬射線(xiàn)輻射，發(fā)現多晶硅電阻增大。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(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MEMS器件的檢測電路影響較大，特別是數字電路，高能粒子會(huì )造成電路發(fā)生單粒子翻轉、改變存儲器的數據，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?chē)妶?chǎng)的變化，從而改變了輸出電壓。
1.6 靜電放電應力下的失效模式與失效機理
靜電放電（ESD）是指兩個(gè)物體之間電荷的迅速轉移，這樣的事件經(jīng)常發(fā)生在MEMS器件和人或設備之間。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(guò)程中一旦接觸到電子器件的管腳，就會(huì )通過(guò)器件放電，造成器件損傷。
ESD可能會(huì )導致MEMS慣性器件電損傷和機械損傷。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。機械損傷主要是器件結構粘附失效，如懸臂梁、梳齒粘附等。器件結構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，較大ESD脈沖引起梳齒的運動(dòng)，導致其與基底發(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)現了熔化或者點(diǎn)焊現象。
2 結論
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)境應力下的主要失效模式，并剖析了它們的主要失效機理?？梢?jiàn)單一應力可能造成多種失效模式，而復合應力作用下失效模式將交叉融合出現，失效機理也將更加復雜。
隨著(zhù)MEMS慣性器件的廣泛應用，其可靠性問(wèn)題越來(lái)越突出，成為制約應用拓展和國防安全的關(guān)鍵。因此，本文對MEMS慣性器件在典型應用環(huán)境下的主要失效模式和失效機理進(jìn)行分析和總結，有利于指導未來(lái)MEMS慣性器件的失效分析和可靠性設計，具有較高的參考價(jià)值。
