常用MEMS器件的失效分析

摘要

过去的30年间，随着微电子技术的发展，MEMS技术已经从最初的实验室里的研究项目，逐渐走出实验室，走向商业化。近年来消费电子和汽车电子行业的蓬勃发展，使得MEMS器件的市场份额呈爆发式增长，与此同时可靠性成为制约MEMS商业化成功的关键因素。
　　进入消费市场的MEMS器件，虽然在设计和生产过程中已经考虑了可靠性问题，但在实际应用中受各种因素影响，仍不可避免的出现失效问题，且MEMS器件因其种类繁多、功能各异、结构复杂，难以制定统一的可靠性检测标准，这已成为MEMS器件应用企业所面临的一大难题。为此，探究商用MEMS器件的失效问题，设计和制定可靠性实验方法、检测标准、实验流程，为MEMS器件的用户提供器件选择依据和失效检测方法，具有重要意义和实际应用价值。本文主要研究工作如下:
　　一、DPA分析是进行失效分析极为重要的手段，但目前针对MEMS器件的详细的DPA实验方法的研究还很缺乏。本文在大量试验探索的基础上，制订了MEMS DPA的实验方法，并给出了具体步骤;参考电子器件失效分析的标准，制订了MEMS器件的可靠性检测标准;并以ST LSM303DLH的MEMS加速计为例验证并完成了MEMS DPA的实验分析。
　　二、基于DPA实验结果，结合常见的MEMS器件的工作原理，分析了ST LSM303DLH的MEMS加速计的工作原理，并运用ANSYS软件对加速计x、y、z三个方向的冲击可靠性进行了动态仿真分析，获得使用过程中易发生失效的位置和冲击失效载荷的相关信息，其中y-敏感方向的冲击对结构的可靠性影响最大，应力主要集中于水平梁结构与锚区连接部。仿真结果为MEMS器件的失效检测试验设计提供了参考依据。
　　三、在上述DPA分析和冲击仿真基础上，参照电子器件的可靠性测试内容，结合用户的实验条件和使用要求，制定了MEMS器件环境载荷的失效检测方法，给出具体实验内容、实验流程和实验步骤。得到了用户的认可（见附录）。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 MEMS可靠性

1．2 MEMS可靠性的重要意义与研究现状

1．3 MEMS器件的常见失效模式与失效机理

1．3．1 断裂失效

1．3．2 疲劳失效

1．3．3 粘附失效

1．3．4 磨损失效

1．3．5 分层失效

1．4 环境载荷下MEMS器件的失效机制

1．4．1 振动可靠性

1．4．2 冲击可靠性

1．4．3 温度可靠性

1．4．4 湿度可靠性

1．5 商用MEMS器件的发展现状

1．6 本论文主要工作

第二章 DPA实验与内部结构检测

2．1 DPA简介及其与失效分析的关系

2．1．1 破坏性物理分析定义

2．1．2 破坏性物理分析目的

2．1．3 破坏性物理分析的意义

2．2 DPA试验与可靠性检测

2．2．1 外观检测

2．2．2 X-ray检测

2．2．3 塑料封装内的结构目检

2．3．4 表头镜检

2．3 器件的工艺流程

2．4 器件材料参数分析

2．4．1 纳米压痕测量(Nano-Indenter)

2．4．2 激光多普勒振动测量(Laser Doppler Vibration Test)

2．4．3 原子力显微镜测量(Atomic Force Microscopy Test)

2．5 本章小结

第三章 典型MEMS器件的工作原理与可靠性仿真分析

3．1 MEMS加速计的工作原理

3．1．1 常见梳齿电容式MEMS加速计的工作原理

3．1．2 LSM303DLH工作原理分析

3．2 有限元仿真分析

3．2．1 三维仿真模型建立

3．2．2 冲击可靠性的仿真与分析

3．3 本章小结

第四章 MEMS器件的失效检测实验

4．1 冲击检测实验

4．1．1 实验目的

4．1．2 实验仪器和实验流程

4．1．3 实验步骤

4．2 振动检测实验

4．3 温湿度检测实验

4．3．1 实验目的

4．3．2 实验仪器和实验流程

4．3．3 实验步骤

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 论文工作小结

5．2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录

作者简介

攻读硕士学位期间发表的论文