淺析MEMS慣性傳感器的溫濕度環(huán)境可靠性測試
淺析MEMS慣性傳感器的溫濕度環(huán)境可靠性測試
AI是近年來業(yè)界被提及頻率最高的詞匯之一，業(yè)內(nèi)人士預測，未來數(shù)十年AI將成為半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新動力源之一。新人工智能技術(shù)的出現(xiàn)必然會引發(fā)又一波的信息化技術(shù)浪潮，同樣也會是感知技術(shù)的浪潮。在《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中也指出，要大力發(fā)展支撐新一代物聯(lián)網(wǎng)的高靈敏度、高可靠性智能傳感器件和芯片，攻克射頻識別、近距離機器通信等物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)和低功耗處理器等關(guān)鍵器件。
傳感器屬于一種檢測裝置，它能將感受到的信息變換成電信號或是以其他所需形式的信息輸出，主要有光傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、磁傳感器、氣體傳感器幾種類型。傳感器廣泛應用于汽車、制造、航空、船舶、醫(yī)療、電信、化工和計算機硬件等各個行業(yè)。
今天，我們主要介紹MEMS慣性傳感器的模擬環(huán)境可靠性測試方案。
MEMS慣性傳感器的環(huán)境可靠性測試
MEMS慣性傳感器包括微加速度傳感器和微陀螺儀兩大類,前者用于測量運動、振動和沖擊,而后者則用于測量旋轉(zhuǎn)的角速率。MEMS慣性傳感器是MEMS中技術(shù)最成熟且產(chǎn)品化程度最高的器件種類之一,在商業(yè)領(lǐng)域尤其是汽車工業(yè)中獲得廣泛的應用,而其在生物與醫(yī)藥行業(yè)、消費性電子產(chǎn)業(yè)、航空航天等領(lǐng)域中的應用也越來越引起重視,與此同時其在軍事領(lǐng)域中的應用也開始逐步興起。
MEMS慣性傳感器因環(huán)境因素引發(fā)的典型失效模式包括:粘附、微粒污染、分層、疲勞、腐蝕和斷裂。
MEMS慣性傳感器的典型失效信息
失效模式 | 失效機理 | 失效部位 |
粘附 | 臨近微機械結(jié)構(gòu)間由于毛細力、范德華力或靜電力等作用而保持接觸, 阻礙可動結(jié)構(gòu)運動或造成短路 | 微懸臂梁間或懸臂梁與基板間 |
微粒污染 | 來源于器件內(nèi)部或外部環(huán)境的微粒污染導致短路、粘附或分層 | 微懸臂梁結(jié)構(gòu)之間 |
分層 | 硅和玻璃健合強度不夠或熱膨脹系數(shù)失配,或金硅接觸電阻因環(huán)境應力發(fā)生漂移,導致層間粘附鍵斷裂, 阻礙可動結(jié)構(gòu)運動或造成短路 | 硅-玻璃健合界面或金硅接觸處 |
疲勞 | 振動或溫度使多晶硅運動結(jié)構(gòu)的薄弱點產(chǎn)生應力集中,如果裂紋出現(xiàn)并繼續(xù)生長,最終將發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂, 若有濕度則可能發(fā)生腐蝕疲勞 | 微機械結(jié)構(gòu)應力集中部位 |
腐蝕 | 由于靜態(tài)或循環(huán)應力作用,導致硅表面氧化層處發(fā)生應力腐蝕開裂，裂紋逐漸擴展并深入,最終導致應力集中并發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂 | 硅微機械結(jié)構(gòu)應力集中處 |
斷裂 | 機械預應力過大或環(huán)境應力影響成結(jié)構(gòu)內(nèi)部應力超過斷裂強度或因疲勞發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂,破壞對稱結(jié)構(gòu)使輸出非線性或因碎屑造成短路 | 微懸臂梁結(jié)構(gòu)或梳齒處 |
MEMS慣性傳感器的失效機理與外載荷之間存在一定的聯(lián)系,某種特定的環(huán)境載荷會引發(fā)特定的失效模式，在學術(shù)上，這被稱為“失效機理-外界載荷關(guān)聯(lián)矩陣”。
MEMS慣性傳感器失效機理-外界環(huán)境載荷關(guān)聯(lián)性矩陣
外界環(huán)境載荷 | MEMS慣性傳感器失效機理 | |||||
粘附 | 微粒污染 | 分層 | 疲勞 | 腐蝕 | 斷裂 | |
振動 | √ | √ | √ | √ | √ | |
沖擊 | √ | √ | √ | |||
潮濕 | √ | √ | √ | |||
高溫 | √ | √ | ||||
溫變 | √ | √ | √ | |||
靜電放電 | √ | |||||
MEMS慣性傳感器的可靠性試驗項目
由于MEMS器件與IC器件在封裝、制造及材料等方面的共通性,當前相當數(shù)量的MEMS慣性傳感器可靠性試驗依據(jù)的是ML-STD-883,并且該標準也較全面,基本涵蓋了絕大部分針對環(huán)境失效機理的可靠性試驗項目,因此,基于失效機理-外界環(huán)境載荷關(guān)聯(lián)性的研究,可以其為藍本,輔以 JEDEC工業(yè)標準,進行MEMS慣性傳感器典型可靠性試驗項目。
參考標準：ML-STD-883 1015.9
高溫儲存試驗
參考標準：JESD 22-A103-A/B
試驗設(shè)備：高溫老化試驗箱
參考標準：ML-STD-883 1010.8、JESD 22-A104- B
熱沖擊試驗
參考標準：ML-STD-883 1010.9、JESD 22-A106- A
試驗設(shè)備：高低溫循環(huán)試驗箱
參考標準：ML-STD-883 1004.7、JESD 22-A102- C
試驗設(shè)備：交變濕熱循環(huán)試驗箱
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