淺析MEMS慣性傳感器的溫濕度環境可靠性測試
淺析MEMS慣性傳感器的溫濕度環境可靠性測試
AI是近年來業界被提及頻率最高的詞匯之一，業內人士預測，未來數十年AI將成為半導體產業發展的新動力源之一。新人工智能技術的出現必然會引發又一波的信息化技術浪潮，同樣也會是感知技術的浪潮。在《新一代人工智能發展規劃》中也指出，要大力發展支撐新一代物聯網的高靈敏度、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網核心技術和低功耗處理器等關鍵器件。
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、醫療、電信、化工和計算機硬件等各個行業。
今天，我們主要介紹MEMS慣性傳感器的模擬環境可靠性測試方案。
MEMS慣性傳感器的環境可靠性測試
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的角速率。MEMS慣性傳感器是MEMS中技術最成熟且產品化程度最高的器件種類之一,在商業領域尤其是汽車工業中獲得廣泛的應用,而其在生物與醫藥行業、消費性電子產業、航空航天等領域中的應用也越來越引起重視,與此同時其在軍事領域中的應用也開始逐步興起。
MEMS慣性傳感器因環境因素引發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 | 臨近微機械結構間由于毛細力、范德華力或靜電力等作用而保持接觸, 阻礙可動結構運動或造成短路 | 微懸臂梁間或懸臂梁與基板間 |
微粒污染 | 來源于器件內部或外部環境的微粒污染導致短路、粘附或分層 | 微懸臂梁結構之間 |
分層 | 硅和玻璃健合強度不夠或熱膨脹系數失配,或金硅接觸電阻因環境應力發生漂移,導致層間粘附鍵斷裂, 阻礙可動結構運動或造成短路 | 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構的薄弱點產生應力集中,如果裂紋出現并繼續生長,最終將發生結構斷裂, 若有濕度則可能發生腐蝕疲勞 | 微機械結構應力集中部位 |
腐蝕 | 由于靜態或循環應力作用,導致硅表面氧化層處發生應力腐蝕開裂，裂紋逐漸擴展并深入,最終導致應力集中并發生結構斷裂 | 硅微機械結構應力集中處 |
斷裂 | 機械預應力過大或環境應力影響成結構內部應力超過斷裂強度或因疲勞發生結構斷裂,破壞對稱結構使輸出非線性或因碎屑造成短路 | 微懸臂梁結構或梳齒處 |
MEMS慣性傳感器的失效機理與外載荷之間存在一定的聯系,某種特定的環境載荷會引發特定的失效模式，在學術上，這被稱為“失效機理-外界載荷關聯矩陣”。
MEMS慣性傳感器失效機理-外界環境載荷關聯性矩陣
外界環境載荷 | 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,當前相當數量的MEMS慣性傳感器可靠性試驗依據的是ML-STD-883,并且該標準也較全面,基本涵蓋了絕大部分針對環境失效機理的可靠性試驗項目,因此,基于失效機理-外界環境載荷關聯性的研究,可以其為藍本,輔以 JEDEC工業標準,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
試驗設備：高低溫循環試驗箱
參考標準：ML-STD-883 1004.7、JESD 22-A102- C
試驗設備：交變濕熱循環試驗箱
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內容編輯|KOMEG 內容來源|網絡
