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體制造工藝制備的微機械器件,是一種包含各 種物理和化學理論的復雜系統,因而在評估其可靠性時不僅要考慮到傳統的電學性 能,還應該考慮其特殊的機械結構、材料力學等方面的的可靠性評價方法.概述了MEMS傳感器產品最主要的失效現象，并著重介紹了常用的可靠性評價標準和測試 項目.期刊名稱】 電子產品可靠性與環境試驗年(卷),期】 2013(031)005【總頁數】6頁(P61-66)【關鍵詞】 壓力傳感器;機械結構;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壓力傳感器產品的應用越來越多，在其發展過程中，開始主要注重新工藝的開發和新型裝置的研制，目的是為了驗證微電子機械系統的功能，對其可 靠性方面的研究較少；并且所得到的測試與驗證數據也較少，缺乏標準和規范。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用逐漸 地增多，可靠性技術成為其能否大規模實用化的關鍵技術之一，也是器件使用者最 關心的問題之一，從而確保其產品在任何使用環境中都能滿足壽命、可靠性的設計 預期 1。在過去的20年中，越來越多的半導體公司進入ME

3、MS行業，可靠性測試要求也 發生了變化，但并沒有標準化。由于微電子器件失效機理研究、可靠性評價體系基 本完備，并且這些可靠性評價試驗經證明在預計IC和MEMS產品的現場可靠性 方面是一樣有效的，可以利用諸如高溫下熱循環測試和加速壽命測試等電學性能評 估方法，因而大大加速了 MEMS產品在各領域的應用。另一方面，由于MEMS壓力傳感器需要與環境相互作用來執行任務，所以必須考 慮機械結構在實際使用環境中的可靠性，需要使用諸如沖擊試驗、靜態和動態加載 時的長期耐疲勞度等各種機械測試。因此，下文從可靠性角度出發，探討針對壓力傳感器的可靠性評價標準、主要失效 現象以及激發這些失效現象的可靠性試驗方法。可

4、靠性測試標準的制定曾經有一種觀點認為MEMS的制造方法和結構尺寸千變萬化，因此MEMS產業 不需要制定標準，但是標準的開發是產品可靠性評價的基礎。最近幾年，MEMS 領域的標準化工作正在逐步地啟動。國際電工委員會(IEC)的半導體器件技術委 員會(TC 47 )下設MEMS工作組(TC 47/WG 4 )，現已發布標準IEC 62047， 規范了 MEMS術語和部分測試方法；ASTM International是一個開發和制定材 料方面技術標準的國際性標準化組織，目前已經發布了利用光學干涉儀測量薄膜面 內長度、殘余應變和應變梯度的標準(E 2244-06、E 2245-06和E 2246-06

5、) 2 ； SEMI是半導體制造供應方面的產業協會，對于MEMS，SEMI主要關注制備 工藝的兼容性問題，現已發布3項標準（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域，要求的可靠性水平非 常高。例如，汽車行業要求器件失效率低于10 FIT，甚至希望器件供應商能夠提 供故障率為0 ppm的器件。因此常常借用美國汽車工程協會（SAE ）和美軍標 MIL-STD-750對其可靠性進行評價測試。SAE J 1346Guide to Manifold Absolute Pressure Transducer Representat

6、ive Test Method涵蓋了大部分壓 力傳感器產品的可靠性試驗方法。適用于半導體微電路的標準MIL-STD-750同時 也是大部分從事設計制造壓力傳感器的工業企業參照的可靠性測試標準，但是，基 于壓力傳感器與半導體微電路的顯著差異，必須考慮在嚴酷的使用環境下傳感器獨 特的失效模式以及采用何種測試手段來誘發這些失效的問題。在國內，GB/T 26111-2010規范了 MEMS的技術術語，GB/T 15478-1995規定 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 力傳感器的質量管理。壓力傳感器的失效原因 對于器件失效機理的研究是對失效器件進行

7、分析檢查，找出失效發生的原因，從而 為改進、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，我們對導致這些失效的機理研究還遠遠不夠。2.1 機械斷（破）裂機械斷裂是指一個統一的材料斷裂為兩個獨立的部分。在MEMS中，它是一個嚴 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。韌性斷裂發生于韌性材料， 特點是材料幾乎不間斷地發生塑性形變，通常表現為材料特定點的頸縮或極度變薄。 脆性斷裂沿著晶面發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， 它發生于多晶材料的晶界，通常是在雜質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，材料的斷裂強度呈現正態分布，由斷裂引起的失效率服從威布爾函數 分布：式（1）中：V存在斷裂應力的材料體積；au最低應力極限；O0平均斷裂應力；m威布爾模量。2.2 粘附 粘附是微結構最嚴重的可靠性問題之一，當兩個光滑的微結構表面相接觸時，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（毛細力） 、范德華力和靜電力，如圖1所示。對于設計者來說，大部分 器件結構都被設計成可以消除表面吸引力，以排除粘附效應。圖1懸臂梁粘附到襯底上當微結構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 壓強可以表示為4：式（2）中：A哈

9、梅克常數，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，粘附磨損出現的概率較大。粘附磨損發生在兩個相對滑動的材料表面，當表面吸引力消失，相互吸附的兩個表面不會完整地相互分離，其中的一個 表面會發生破裂、斷裂等磨損現象。粘附磨損的表達式為：式（3）中：羅一材料的屈服強度；kAW材料的磨損系數；x滑動位移；F材料受外力大小。2.4 蠕變蠕變是應力作用下原子的緩慢運動引起的應變隨時間延長而增加的現象，長時間

10、的 應變積累會導致結構產生緩慢而連續的塑性變形，即蠕變現象，甚至發生斷裂，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應力；n應力指數；Q蠕變激活能。2.5 分層分層是多層結構的界面粘附鍵斷裂而造成層層分離的現象，可由多種原因誘發，從光刻掩膜對準誤差到晶圓加工過程中的微粒缺陷，也可能是由長期循環條件下的熱 膨脹系數失配誘發的機械疲勞引起的。無論何種原因引起，分層效應都是災難性的， 它可能會引起短路或機械阻力。由于分層導致的機械結構質量損耗甚至會引起器件機械特性的漂移，最新的研究顯示，某些器件的諧振頻率因此變化達到 25%之多5。2.6 電介質破壞電介質破壞

11、是寄生電荷改變激勵電壓和器件機械特性的現象，會導致漏電流、電流 飽和和介質擊穿等破壞效應，主要包括介質層中電荷慢俘獲、時間相關電介質擊穿 靜電放電和過電應力，其中慢俘獲和時間相關電介質擊穿引起器件失效的機理是由 于累積電荷的堆積進而導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，引起器件過應力失效。眾所周知的傳感器參數隨工作時間的延長而發 生漂移就是由于積累在介質表面的電荷引起的。2.7 環境因素 振動是壓力傳感器可靠性中一個較大的關注點，由于脆性材料對受力的敏感性，外 部振動會通過誘發器件表面粘附或者支撐結構變脆導致器件失效，如圖 3 所示。 長期的持續振動也會造成材料疲勞

12、。圖 3 單晶硅結構上振動引起的裂紋 沖擊是單次的機械撞擊，通過沖擊可以在器件上完成機械能轉換。沖擊引起的失效 包括粘附、機械斷裂和焊接引線脫落。潮濕被認為是傳感器的另一個嚴重的可靠性問題。由于加工工藝的關系，表面微加 工器件是非常親水的。在潮濕環境下，水氣會冷凝到微小的裂縫中，水珠凝結過程 會使微結構發生彎曲，并在間距很小的兩個表面之間形成毛細吸引力，從而引起器 件的粘附失效。該毛細力在表面處形成的壓強滿足公式：式（5）中：y水珠凝結引起的表面張力；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微的粒子，這些粒子會引起傳感器的電短路和 靜摩

13、擦。灰塵可能會誘發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 象發生，如圖4 所示。溫度變化是所有半導體器件可靠性關注的重點，由于材料線性膨脹系數的不匹配造 成器件內部應力集中，導致金屬封裝膨脹壓裂器件襯底引發失效。對于傳感器來說， 另一種尚未得到充分研究的失效機理是溫度變化對半導體材料機械性能的影響，在 劇烈的溫度變化下，硅材料的楊氏模量會發生顯著的變化，引起器件性能參數的漂 移、退化甚至失效。圖4 傳感器上的灰塵微粒2.8 材料本征應力材料本征應力誘發的失效是薄膜型 MEMS 傳感器所獨有的失效機理。在沒有外

14、加 應力的情況下，材料本征應力會帶來信號噪聲、結構變形以及機械斷裂等失效現象。 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就會在薄膜中殘 留一部分應力；同時，生成薄膜的熱工藝本身也會產生應力。盡管高溫退火過程可 以減小薄膜的這種本征應力，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境試驗是將產品暴露在環境應力中，誘發出潛在的失效模式，以此來檢驗評價其 在實際遇到的運輸、儲存和使用環境條件下的性能。通過環境試驗，可以提供傳感 器設計、制造質量可靠性方面的信息，是質量和可靠性保障的重要手段。目前，壓 力傳感器常用的環境可靠性試驗項目有以下幾種6。3.1脈沖壓

15、力溫度循環試驗-帶載（PPTCB ）試驗能夠模擬壓力傳感器在真實工作場景下的應力，將脈沖壓力和高低溫循環溫度 應力同時施加到處于帶電工作狀態的樣品上，考核樣品承受一定范圍內溫度、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、內引線 封裝焊接線及封裝密封性。可以激發的潛在失效模式：開路、短路和性能參數漂移。 潛在的失效機理：當器件材料的性能匹配較差時，綜合應力可引發由機械結構缺陷 劣化產生的失效，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生 和加劇電解的可能性。可以激發的潛在失效模式：開路、短路和性能參數漂移。 潛在的失效機理：在潮濕和炎熱條件下由化學過程產生的器件腐蝕、受表面離子污 染而引起的參數漂移，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 致電阻率發生變化而使抗介質擊穿能力變弱。3.3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 封性和薄膜材料穩定性。可以激發的潛在失效模式：參數漂移、靈敏度降低。 潛在的失效機理：高溫通電條件下的芯片表面離子污染引起的參數漂移，薄膜材料 穩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 ）存在嚴重工藝缺陷的產品處于非平衡態，是一種不穩定態，極限溫度條件可以誘發 產品失效，也是促使產品從非穩定態向穩定態的過渡。該試驗是模擬器件在運輸和 儲存階段的環境應力，用于考核極端溫度對產品性能的影響。可以激發的潛在失效模式：參數漂移、靈敏度降低。 潛在的失效機理：材料熱匹配較差引起蠕變失效、工藝缺陷誘發性能退化和失效。3.5溫度循環試驗（TC） 該試驗用于考核產品承受一定溫度變化速率的能力，主要是控制產品處于高溫和低 溫時的溫度和時間及高低溫狀態轉換的速率。可以激發的潛在失

18、效模式：開路、參數漂移和靈敏度降低。 潛在的失效機理：當器件材料的性能匹配較差時，溫度循環可引發由機械結構缺陷 劣化產生的失效，如芯片內引線疲勞、封裝焊接線疲勞、粘附和封裝材料蠕變。機械沖擊試驗 該試驗的目的是考核傳感器承受機械沖擊的能力，即考核器件承受在裝卸、運輸和 現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的機械應力。 可以激發的潛在失效模式：開路、參數漂移和靈敏度降低。潛在的失效機理：壓力感應隔膜破裂、漏氣、芯片脫落、管殼變形和內引線封裝 焊接線開路失效。機械振動試驗 該試驗的目的是考核器件在不同振動條件下的結構牢固性和電特性的穩定性。 可以激發的潛在失效模式：開路、參數

19、漂移和靈敏度降低。潛在的失效機理：壓力感應隔膜破裂、漏氣、芯片脫落、管殼變形和內引線/封裝 焊接線開路失效。可焊性評價試驗 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。可以激發的潛在失效模式：管腳氣泡、潤濕和去濕。 潛在的失效機理：管腳電鍍工藝質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 于感應隔膜的正面或背面取決于實際的應用情況。可以激發的潛在失效模式：開路。 潛在的失效機理：壓力感應隔膜破裂、芯片附著處脫落。加速壽命試驗對 MEMS 壓力傳感器進行壽命試驗，首先遇到的就是試驗樣品數量和試驗時間之

20、 間的矛盾，在規定的時間內，如果樣品較少甚至根本沒有失效，就難以獲得產品的 可靠性統計特征。解決這個矛盾的有效方法之一就是進行加速壽命試驗，并通過數 理統計及外推的方法，獲得有效的可靠性特征數據，在這個基礎上，再來預測工作 在特定條件下的產品可靠性。對于半導體微電路器件而言，溫度和電流密度是誘發器件失效的兩個最重要因素， 溫度是最常用的加速環境應力，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，器件遇到的環境應力包括壓力、溫度和工作 電壓，因此加速壽命試驗要復雜得多。正是基于這種考慮，脈沖壓力溫度循環試驗 -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 環境應力 7。一般使用 Eyring 模型來描述器件性能參數的退化，其反應速率為：式（6）中：是只有溫度應力的 Eyring 反應速率；T溫度應力；S非溫度應力；h普朗克常數；f1=exp ( CS ) 慮由非溫度應力存在而對能量分布的修正因子；f2=exp ( DS/kT ) 考慮到由非溫度應力存在對激活能的修正因子；a，C，D待定常數。5 結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理的復雜性，其可靠性問 題一直阻礙著產品應用規模的進一步擴大。相比國外的技術水平，我國在壓力傳感 器產品技術，特別是可靠性技術方面還比較落后，并且嚴重地制約了相關技術產品 在物聯網、汽車工業和軍事領域的應用。因此，開展傳感器可靠性技術的研究對加 快物聯網技術的發展，促進工業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品可靠性技術研究的投入，與長 三角地區的傳感器設計制造企業、知名高校和科研院所聯合開展該領域的研究，及 時跟蹤國際技術的最新動態，并依托電子五所總部的雄厚科研實力，為我國 MEMS產業的發展提供支撐。【相關文獻】田火田修，土屋智由（日）.MEMS可靠性M宋