MEMS可靠性与失效分析

　　1　引言

　　20世纪70年代未兴起的微电子机械系统(micro-electro-mechanical system,MEMS),是集执行器和传感器等微型装置、微型机构、微尺度驱动、控制与处理集成电路(integrated circuit, IC)为一体的微型系统[1~3]。

　　可靠性是产品在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的能力。可靠性工作的目的不仅是了解、评价MEMS器件的可靠性水平,更重要的是要改进并提高MEMS器件的可靠性。在MEMS发展过程中,开始主要注重新工艺的开发和新型装置的研制,目的是为了验证微电子机械系统的功能,对其可靠性方面的研究较少,且得到MEMS的测试与检验数据较少,MEMS的可靠性还缺少标准和规范[29,30]。MEMS可靠性和应用研究是目前MEMS研究应该引起高度重视的方面,可靠性是MEMS器件使用者最关心的问题之一[4,5]。微机电系统(MEMS)重大专项2003年度课题申请中把MEMS器件可靠性测试平台作为一项重大项目[6]。

　　在微尺度作用下,MEMS表现出来的尺度效应、表面效应、隧道效应都远远超出宏观和物理规律范畴,宏观下的电子机械系统MEMS的失效模式、失效机理和失效分析不能完全解释和指导MEMS的可靠性研究与失效分析。MEMS器件可靠性问题的发现处于产品开发过程中相对较迟滞的阶段,这样就会需要较昂贵的费用。目前,有关MEMS可靠性方面的文献较少,且是针对特定的微型系统,大部分还不能应用于其他系统[7]。随着可靠性技术的发展,可靠性将全面渗透到整个工程里,贯穿于产品全寿命设计周期中。

　　因此,下面从可靠性角度出发,主要探讨国内外针对MEMS可靠性问题所采用的方法,失效分析单元结构与失效模式、失效机理、应用范围及采取的相应措施,并就MEMS可能出现的失效模式提出相关的失效分析可靠性技术。

　　2　MEMS可靠性分析方法

　　可靠性是一个质量指标,具有综合性、时间性和统计性。可靠性分析方法的确定需要对MEMS整个系统进行有效分析,如图1所示。由图可知,对MEMS可靠性的研究必须联系相关学科群,采用综合分析原则,对不同方向进行可靠性研究。

　　目前,对MEMS的可靠性研究处于起步阶段,且对MEMS的可靠性研究还是在产品开发的后期才引起关注,一般采取后阶段检测分析方法保证MEMS的可靠性。当MEMS模型在实验或应用过程中出现了故障,研究人员就通过现代检测方法,检测元件发生失效的位置与失效的形式,然后参考微电子电路系统的可靠性,结合微尺度效应,采用观测分析方法对其失效问题进行解释说明,以便在产品开发中作为综合分析的因素之一。采用后阶段检测方法分析MEMS的可靠性,会大大提高产品开发过程中的费用,延长产品的研制周期,降低MEME产品的寿命。