鮑芳，張德平

（1.蘇州中咨工程咨詢有限公司，江蘇 蘇州 215008；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

0 引言

目前，MEMS壓力傳感器產(chǎn)品的應(yīng)用越來越多，在其發(fā)展過程中，開始主要注重新工藝的開發(fā)和新型裝置的研制，目的是為了驗(yàn)證微電子機(jī)械系統(tǒng)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(yàn)證數(shù)據(jù)也較少，缺乏標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)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(yīng)用逐漸地增多，可靠性技術(shù)成為其能否大規(guī)模實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是器件使用者最關(guān)心的問題之一，從而確保其產(chǎn)品在任何使用環(huán)境中都能滿足壽命、可靠性的設(shè)計預(yù)期[1]。

在過去的20年中，越來越多的半導(dǎo)體公司進(jìn)入MEMS行業(yè)，可靠性測試要求也發(fā)生了變化，但并沒有標(biāo)準(zhǔn)化。由于微電子器件失效機(jī)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(yàn)經(jīng)證明在預(yù)計IC和MEMS產(chǎn)品的現(xiàn)場可靠性方面是一樣有效的，可以利用諸如高溫下熱循環(huán)測試和加速壽命測試等電學(xué)性能評估方法，因而大大加速了MEMS產(chǎn)品在各領(lǐng)域的應(yīng)用。

另一方面，由于MEMS壓力傳感器需要與環(huán)境相互作用來執(zhí)行任務(wù)，所以必須考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用環(huán)境中的可靠性，需要使用諸如沖擊試驗(yàn)、靜態(tài)和動態(tài)加載時的長期耐疲勞度等各種機(jī)械測試。

因此，下文從可靠性角度出發(fā)，探討針對壓力傳感器的可靠性評價標(biāo)準(zhǔn)、主要失效現(xiàn)象以及激發(fā)這些失效現(xiàn)象的可靠性試驗(yàn)方法。

1 可靠性測試標(biāo)準(zhǔn)的制定

曾經(jīng)有一種觀點(diǎn)認(rèn)為MEMS的制造方法和結(jié)構(gòu)尺寸千變?nèi)f化，因此MEMS產(chǎn)業(yè)不需要制定標(biāo)準(zhǔn)，但是標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)是產(chǎn)品可靠性評價的基礎(chǔ)。最近幾年，MEMS領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作正在逐步地啟動。國際電工委員會（IEC）的半導(dǎo)體器件技術(shù)委員會（TC 47）下設(shè)MEMS工作組（TC 47/WG 4），現(xiàn)已發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)IEC 62047，規(guī)范了MEMS術(shù)語和部分測試方法；ASTM International是一個開發(fā)和制定材料方面技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的國際性標(biāo)準(zhǔn)化組織，目前已經(jīng)發(fā)布了利用光學(xué)干涉儀測量薄膜面內(nèi)長度、殘余應(yīng)變和應(yīng)變梯度的標(biāo)準(zhǔn)（E 2244-06、E 2245-06和E 2246-06）[2]；SEMI是半導(dǎo)體制造供應(yīng)方面的產(chǎn)業(yè)協(xié)會，對于MEMS，SEMI主要關(guān)注制備工藝的兼容性問題，現(xiàn)已發(fā)布3項標(biāo)準(zhǔn)（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(lǐng)域，要求的可靠性水平非常高。例如，汽車行業(yè)要求器件失效率低于10 FIT，甚至希望器件供應(yīng)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(xié)會（SAE）和美軍標(biāo)MIL-STD-750對其可靠性進(jìn)行評價測試。SAE J 1346《Guide to Manifold Absolute Pressure Transducer Representative Test Method》涵蓋了大部分壓力傳感器產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)方法。適用于半導(dǎo)體微電路的標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-750同時也是大部分從事設(shè)計制造壓力傳感器的工業(yè)企業(yè)參照的可靠性測試標(biāo)準(zhǔn)，但是，基于壓力傳感器與半導(dǎo)體微電路的顯著差異，必須考慮在嚴(yán)酷的使用環(huán)境下傳感器獨(dú)特的失效模式以及采用何種測試手段來誘發(fā)這些失效的問題。

在國內(nèi)，GB/T 26111-2010規(guī)范了MEMS的技術(shù)術(shù)語，GB/T 15478-1995規(guī)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(zhì)量管理。

2 壓力傳感器的失效原因

對于器件失效機(jī)理的研究是對失效器件進(jìn)行分析檢查，找出失效發(fā)生的原因，從而為改進(jìn)、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(dǎo)致這些失效的機(jī)理研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

2.1 機(jī)械斷（破）裂

機(jī)械斷裂是指一個統(tǒng)一的材料斷裂為兩個獨(dú)立的部分。在MEMS中，它是一個嚴(yán)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(fā)生于韌性材料，特點(diǎn)是材料幾乎不間斷地發(fā)生塑性形變，通常表現(xiàn)為材料特定點(diǎn)的頸縮或極度變薄。脆性斷裂沿著晶面發(fā)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(fā)生于多晶材料的晶界，通常是在雜質(zhì)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為常見[3]。

在硅晶體中，材料的斷裂強(qiáng)度呈現(xiàn)正態(tài)分布，由斷裂引起的失效率服從威布爾函數(shù)分布：

式（1）中：V——存在斷裂應(yīng)力的材料體積；

σu——最低應(yīng)力極限；

σ0——平均斷裂應(yīng)力；

m——威布爾模量。

2.2 粘附

粘附是微結(jié)構(gòu)最嚴(yán)重的可靠性問題之一，當(dāng)兩個光滑的微結(jié)構(gòu)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(xì)力）、范德華力和靜電力，如圖1所示。對于設(shè)計者來說，大部分器件結(jié)構(gòu)都被設(shè)計成可以消除表面吸引力，以排除粘附效應(yīng)。

圖1 懸臂梁粘附到襯底上

當(dāng)微結(jié)構(gòu)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(qiáng)可以表示為[4]：

式（2）中：A——哈梅克常數(shù)，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(jī)械運(yùn)動引起的固體表面材料的損耗，會給MEMS帶來不良的影響。據(jù)觀察，主要有4種運(yùn)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(xiàn)的概率較大。粘附磨損發(fā)生在兩個相對滑動的材料表面，當(dāng)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(fā)生破裂、斷裂等磨損現(xiàn)象。粘附磨損的表達(dá)式為：

式（3）中：σy——材料的屈服強(qiáng)度；

kAW——材料的磨損系數(shù)；

x——滑動位移；

F——材料受外力大小。

2.4 蠕變

蠕變是應(yīng)力作用下原子的緩慢運(yùn)動引起的應(yīng)變隨時間延長而增加的現(xiàn)象，長時間的應(yīng)變積累會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生緩慢而連續(xù)的塑性變形，即蠕變現(xiàn)象，甚至發(fā)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：ε——蠕變速率；

σ——應(yīng)力；

n——應(yīng)力指數(shù)；

Q——蠕變激活能。

2.5 分層

分層是多層結(jié)構(gòu)的界面粘附鍵斷裂而造成層層分離的現(xiàn)象，可由多種原因誘發(fā)，從光刻掩膜對準(zhǔn)誤差到晶圓加工過程中的微粒缺陷，也可能是由長期循環(huán)條件下的熱膨脹系數(shù)失配誘發(fā)的機(jī)械疲勞引起的。無論何種原因引起，分層效應(yīng)都是災(zāi)難性的，它可能會引起短路或機(jī)械阻力。由于分層導(dǎo)致的機(jī)械結(jié)構(gòu)質(zhì)量損耗甚至?xí)鹌骷C(jī)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(dá)到25%之多[5]。

2.6 電介質(zhì)破壞

電介質(zhì)破壞是寄生電荷改變激勵電壓和器件機(jī)械特性的現(xiàn)象，會導(dǎo)致漏電流、電流飽和和介質(zhì)擊穿等破壞效應(yīng)，主要包括介質(zhì)層中電荷慢俘獲、時間相關(guān)電介質(zhì)擊穿、靜電放電和過電應(yīng)力，其中慢俘獲和時間相關(guān)電介質(zhì)擊穿引起器件失效的機(jī)理是由于累積電荷的堆積進(jìn)而導(dǎo)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(yīng)力失效。眾所周知的傳感器參數(shù)隨工作時間的延長而發(fā)生漂移就是由于積累在介質(zhì)表面的電荷引起的。

2.7 環(huán)境因素

振動是壓力傳感器可靠性中一個較大的關(guān)注點(diǎn)，由于脆性材料對受力的敏感性，外部振動會通過誘發(fā)器件表面粘附或者支撐結(jié)構(gòu)變脆導(dǎo)致器件失效，如圖3所示。長期的持續(xù)振動也會造成材料疲勞。

圖3 單晶硅結(jié)構(gòu)上振動引起的裂紋

沖擊是單次的機(jī)械撞擊，通過沖擊可以在器件上完成機(jī)械能轉(zhuǎn)換。沖擊引起的失效包括粘附、機(jī)械斷裂和焊接引線脫落。

潮濕被認(rèn)為是傳感器的另一個嚴(yán)重的可靠性問題。由于加工工藝的關(guān)系，表面微加工器件是非常親水的。在潮濕環(huán)境下，水氣會冷凝到微小的裂縫中，水珠凝結(jié)過程會使微結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲，并在間距很小的兩個表面之間形成毛細(xì)吸引力，從而引起器件的粘附失效。該毛細(xì)力在表面處形成的壓強(qiáng)滿足公式：

式（5）中：γ——水珠凝結(jié)引起的表面張力；

r1——水珠的曲率半徑；

θ——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(xì)微的粒子，這些粒子會引起傳感器的電短路和靜摩擦?；覊m可能會誘發(fā)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(xiàn)象發(fā)生，如圖4所示。

溫度變化是所有半導(dǎo)體器件可靠性關(guān)注的重點(diǎn)，由于材料線性膨脹系數(shù)的不匹配造成器件內(nèi)部應(yīng)力集中，導(dǎo)致金屬封裝膨脹壓裂器件襯底引發(fā)失效。對于傳感器來說，另一種尚未得到充分研究的失效機(jī)理是溫度變化對半導(dǎo)體材料機(jī)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(fā)生顯著的變化，引起器件性能參數(shù)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(yīng)力

材料本征應(yīng)力誘發(fā)的失效是薄膜型MEMS傳感器所獨(dú)有的失效機(jī)理。在沒有外加應(yīng)力的情況下，材料本征應(yīng)力會帶來信號噪聲、結(jié)構(gòu)變形以及機(jī)械斷裂等失效現(xiàn)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(tài)就會在薄膜中殘留一部分應(yīng)力；同時，生成薄膜的熱工藝本身也會產(chǎn)生應(yīng)力。盡管高溫退火過程可以減小薄膜的這種本征應(yīng)力，但是其與傳感器整體加工工藝不一定兼容。

3 壓力傳感器可靠性評價項目

環(huán)境試驗(yàn)是將產(chǎn)品暴露在環(huán)境應(yīng)力中，誘發(fā)出潛在的失效模式，以此來檢驗(yàn)評價其在實(shí)際遇到的運(yùn)輸、儲存和使用環(huán)境條件下的性能。通過環(huán)境試驗(yàn)，可以提供傳感器設(shè)計、制造質(zhì)量可靠性方面的信息，是質(zhì)量和可靠性保障的重要手段。目前，壓力傳感器常用的環(huán)境可靠性試驗(yàn)項目有以下幾

種[6]。

3.1 脈沖壓力溫度循環(huán)試驗(yàn)-帶載（PPTCB）

試驗(yàn)?zāi)軌蚰M壓力傳感器在真實(shí)工作場景下的應(yīng)力，將脈沖壓力和高低溫循環(huán)溫度應(yīng)力同時施加到處于帶電工作狀態(tài)的樣品上，考核樣品承受一定范圍內(nèi)溫度、壓力變化速率的能力。該試驗(yàn)可以全面評價樣品的綜合性能，包括傳感器芯片、內(nèi)引線、封裝焊接線及封裝密封性。

可以激發(fā)的潛在失效模式：開路、短路和性能參數(shù)漂移。

潛在的失效機(jī)理：當(dāng)器件材料的性能匹配較差時，綜合應(yīng)力可引發(fā)由機(jī)械結(jié)構(gòu)缺陷劣化產(chǎn)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(yàn)-帶載（H3TB）

該試驗(yàn)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(fā)生和加劇電解的可能性。

可以激發(fā)的潛在失效模式：開路、短路和性能參數(shù)漂移。

潛在的失效機(jī)理：在潮濕和炎熱條件下由化學(xué)過程產(chǎn)生的器件腐蝕、受表面離子污染而引起的參數(shù)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(dǎo)致電阻率發(fā)生變化而使抗介質(zhì)擊穿能力變?nèi)酢?/p>

3.3 高溫試驗(yàn)-帶載（HTB）

該試驗(yàn)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(wěn)定性。

可以激發(fā)的潛在失效模式：參數(shù)漂移、靈敏度降低。

潛在的失效機(jī)理：高溫通電條件下的芯片表面離子污染引起的參數(shù)漂移，薄膜材料穩(wěn)定性下降引起的器件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(dǎo)致器件的性能退化。

3.4 高、低溫貯存壽命試驗(yàn)（HTSL和LTSL）

存在嚴(yán)重工藝缺陷的產(chǎn)品處于非平衡態(tài)，是一種不穩(wěn)定態(tài)，極限溫度條件可以誘發(fā)產(chǎn)品失效，也是促使產(chǎn)品從非穩(wěn)定態(tài)向穩(wěn)定態(tài)的過渡。該試驗(yàn)是模擬器件在運(yùn)輸和儲存階段的環(huán)境應(yīng)力，用于考核極端溫度對產(chǎn)品性能的影響。

可以激發(fā)的潛在失效模式：參數(shù)漂移、靈敏度降低。

潛在的失效機(jī)理：材料熱匹配較差引起蠕變失效、工藝缺陷誘發(fā)性能退化和失效。

3.5 溫度循環(huán)試驗(yàn)（TC）

該試驗(yàn)用于考核產(chǎn)品承受一定溫度變化速率的能力，主要是控制產(chǎn)品處于高溫和低溫時的溫度和時間及高低溫狀態(tài)轉(zhuǎn)換的速率。

可以激發(fā)的潛在失效模式：開路、參數(shù)漂移和靈敏度降低。

潛在的失效機(jī)理：當(dāng)器件材料的性能匹配較差時，溫度循環(huán)可引發(fā)由機(jī)械結(jié)構(gòu)缺陷劣化產(chǎn)生的失效，如芯片內(nèi)引線疲勞、封裝焊接線疲勞、粘附和封裝材料蠕變。

3.6 機(jī)械沖擊試驗(yàn)

該試驗(yàn)的目的是考核傳感器承受機(jī)械沖擊的能力，即考核器件承受在裝卸、運(yùn)輸和現(xiàn)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(fā)的機(jī)械應(yīng)力。

可以激發(fā)的潛在失效模式：開路、參數(shù)漂移和靈敏度降低。

潛在的失效機(jī)理：壓力感應(yīng)隔膜破裂、漏氣、芯片脫落、管殼變形和內(nèi)引線封裝焊接線開路失效。

3.7 機(jī)械振動試驗(yàn)

該試驗(yàn)的目的是考核器件在不同振動條件下的結(jié)構(gòu)牢固性和電特性的穩(wěn)定性。

可以激發(fā)的潛在失效模式：開路、參數(shù)漂移和靈敏度降低。

潛在的失效機(jī)理：壓力感應(yīng)隔膜破裂、漏氣、芯片脫落、管殼變形和內(nèi)引線/封裝焊接線開路失效。

3.8 可焊性評價試驗(yàn)

該試驗(yàn)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(fā)的潛在失效模式：管腳氣泡、潤濕和去濕。

潛在的失效機(jī)理：管腳電鍍工藝質(zhì)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(yàn)

該試驗(yàn)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(yàn)中，壓力施加于感應(yīng)隔膜的正面或背面取決于實(shí)際的應(yīng)用情況。

可以激發(fā)的潛在失效模式：開路。

潛在的失效機(jī)理：壓力感應(yīng)隔膜破裂、芯片附著處脫落。

4 加速壽命試驗(yàn)

對MEMS壓力傳感器進(jìn)行壽命試驗(yàn)，首先遇到的就是試驗(yàn)樣品數(shù)量和試驗(yàn)時間之間的矛盾，在規(guī)定的時間內(nèi)，如果樣品較少甚至根本沒有失效，就難以獲得產(chǎn)品的可靠性統(tǒng)計特征。解決這個矛盾的有效方法之一就是進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，并通過數(shù)理統(tǒng)計及外推的方法，獲得有效的可靠性特征數(shù)據(jù)，在這個基礎(chǔ)上，再來預(yù)測工作在特定條件下的產(chǎn)品可靠性。

對于半導(dǎo)體微電路器件而言，溫度和電流密度是誘發(fā)器件失效的兩個最重要因素，溫度是最常用的加速環(huán)境應(yīng)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(huán)境應(yīng)力包括壓力、溫度和工作電壓，因此加速壽命試驗(yàn)要復(fù)雜得多。正是基于這種考慮，脈沖壓力溫度循環(huán)試驗(yàn)-帶載（PPTCB）被用于壓力傳感器的加速壽命試驗(yàn)，壓力和溫度作為試驗(yàn)的加速環(huán)境應(yīng)力[7]。一般使用Eyring模型來描述器件性能參數(shù)的退化，其反應(yīng)速率為：

T——溫度應(yīng)力；

S——非溫度應(yīng)力；

h——普朗克常數(shù)；

f1=exp（CS）——考慮由非溫度應(yīng)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(yīng)力存在對激活能的修正因子；

a，C，D——待定常數(shù)。

5 結(jié)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(jī)理的復(fù)雜性，其可靠性問題一直阻礙著產(chǎn)品應(yīng)用規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大。相比國外的技術(shù)水平，我國在壓力傳感器產(chǎn)品技術(shù)，特別是可靠性技術(shù)方面還比較落后，并且嚴(yán)重地制約了相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品在物聯(lián)網(wǎng)、汽車工業(yè)和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，開展傳感器可靠性技術(shù)的研究對加快物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)工業(yè)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(chǎn)品可靠性技術(shù)研究的投入，與長三角地區(qū)的傳感器設(shè)計制造企業(yè)、知名高校和科研院所聯(lián)合開展該領(lǐng)域的研究，及時跟蹤國際技術(shù)的最新動態(tài)，并依托電子五所總部的雄厚科研實(shí)力，為我國MEMS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供支撐。

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