高g值沖擊下MEMS器件可靠性研究*

潘曉琳，張 亞，李 波

(中北大學 機電工程學院，山西 太原 030051)

1 引言

相對于傳統的機電系統，MEMS系統即微機電系統［1］具有體積小、易批量生產、成本低等優點，現在已經是軍工、精密工業和學術領域的研究熱點。其常見的制造工藝有兩種，一種采用單晶硅作為結構材料，利用硅加工工藝如體硅加工工藝、表面加工工藝等制造一厚度的微結構;另一種采用電鑄金屬作為結構材料，利用(準)LIGA工藝加工而成。MEMS工藝［2］主要是從微電子工藝發展起來的，其主要的加工材料也是硅基材料，由于硅基材料較穩定，具有較好的力學強度及抗疲勞性能等，非常適合用于高沖擊、高過載的MEMS器件，尤其適合慣性開關中的應用。

在以SOI基底的MEMS器件的加工中，需要在SOI材料上濺射種子層，作為金屬電鑄時的導電層。現在采取的是渡Au層。由于不同材料的物理性質各不相同，當在高慣性力作用下，會導致金屬鍍層與SOI層之間應力的產生，進而使器件發生失效。對于MEMS器件來說，慣性沖擊力易導致金屬層的脫落從而使封裝失敗、電遷移現象的發生，從而導致MEMS器件的失效。因此研究沖擊應力對MEMS器件可靠性［3］的影響具有重要的意義。

以基于SOI上鍍金屬層的MEMS開關器件作為研究對象，對鍍層和SOI在高g值沖擊作用下的應力應變進行了有限元分析，并展開相應的沖擊試驗，研究了高g值慣性力對硅基鍍層MEMS器件的影響。

2 有限元模型的建立

2.1 瞬態動力學

在高沖擊的試驗條件下，MEMS器件的應力應變分析采用瞬態動力學，在試驗過程中，利用在標準跌落臺和高速數據采集系統進行實驗。瞬態動力學的基本運動方程為:

式中:［M］為質量矩陣;［C］為阻尼矩陣;［K］為剛度矩陣;{u}為節點位移向量;{F(t)}載荷可為時間的任意函數。

采用完全法來計算瞬態響應。

2.2 模型的建立

典型的碰撞式微機電開關［4］的示意圖如圖1所示，而該研究以SOI為基底的鍍金MEMS器件的基本結構由兩大部分組成:SOI層(包含頂硅層30μm，SiO2層2μm和Si層400μm)，鍍層由Au構成，其基本結構的剖面圖如圖2所示。

圖1 典型碰撞式微機電開關的組合示意圖

圖2 硅基MEMS器件的基本剖面示意圖

制作工藝及步驟為:①拋光清洗SOI基底材料;②涂膠、對準曝光、顯影;③SOI上濺射1μm的Au層;④去膠清洗。

由于采用ANSYS［4］瞬態動力學分析，其單元類型選擇Solid45單元。由于結構較為規則，以四邊形映射的方法進行網格劃分，模型劃分為6 750個單元和7 936個節點，如圖3所示。

圖3 基本結構的有限元模型

由于材料的不同，各層材料所受的應力應變也存在差別，材料的密度，彈性模量，泊松比等多種因素都會對其造成影響。各層材料的參數如表1所列。

表1 各層材料參數

3 沖擊對MEMS器件的影響

對有限元加載高g值沖擊［5］，首先進行脈沖沖擊，然后施加100～500 g(m/s2)的加速度，觀察隨著加速度的變化，結構應力應變的變化。由于在高g值沖擊的過程中，由于各層材料的彈性模量等參數不匹配，導致各層受到不同的剪切和拉伸應力。圖4～5分別為結構在受到500 g(m/s2)加速度的沖擊下結構的應變和應力圖。

圖4 高g值加速度應力分布圖

圖5 高g值加速度應變分布圖

由圖4、5所示，從約束到遠離約束的方向，應變逐漸增加。在應力分析中［6-7］，不同層的應力大小具有較大的區別，在同一層的應力也在不斷地變化，應力越大越容易出現鍍層的脫落和失效現象。所以進而對Au層的橫向進行分析，由圖6可以得出結果，越接近約束端，其應力值越大。

圖6～7分別為結構的橫向和縱向，由圖7可以發現在四層的結構比較中，Au層所受到的應力值要遠大于Si和SiO2，也就是在Au層最接近約束的位置最容易出現應力集中和失效現象。

圖6 結構縱向應力變化曲線

圖7 結構橫向應力變化曲線

4 現象分析

由上述分析得出在金層和頂層硅層之間的應力值最大，最容易出現脫落現象，要避免這種失效方式的產生，需對加工工藝進行修改，使用PECVD工藝或對刻蝕后的集成電路進行退火以消除損傷。同時可以將Au層換位Al層，因為Al層具有較高的熱膨脹系數，相對于Au層更加的穩定。

5 結語

以硅MEMS器件作為研究對象，建立了硅MEMS器件的基本結構［8］，進行瞬態動力學分析，并對其先后施加脈沖慣性力和100～500 g(m/s2)的加速度進行瞬態動力學的分析。結果表明，由于沖擊使MEMS結構體發生了不同程度的應力和應變的變化，其中，應力在金層和硅層的應力最大，達到27.51 MPa，而在底層硅的中間位置應力值最小，只有0.06 MPa。在受到應力最大的金層，越靠近約束端，其應力值越大，所以在靠近約束端的金層最容易發生疲勞失效，從而導致分層。找到MEMS器件的主要失效方式，及時進行方案的調整，從而對實驗起到積極的指導作用。

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