微加速度計(jì)在溫度、濕度、振動(dòng)三綜合環(huán)境下的失效機(jī)理分析

1 引言

        長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境模擬試臉時(shí)，大多采用單項(xiàng)環(huán)境的試驗(yàn)方法，即在某一時(shí)間內(nèi)只對(duì)一種產(chǎn)品施加一項(xiàng)環(huán)境條件，如單項(xiàng)濕度試驗(yàn)、單項(xiàng)沖擊試驗(yàn)等，很少在某一時(shí)間內(nèi)同時(shí)對(duì)一種產(chǎn)品施加兩項(xiàng)以上環(huán)境條件。實(shí)踐表明，單項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)方法不能在研制和生產(chǎn)階段有效的篩選出有各類潛在缺陷的產(chǎn)品，也就是說，通過單項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)可靠性很高的產(chǎn)品，在使用中仍然不斷出現(xiàn)故障，其實(shí)際可靠性很低，前者與后者之比可達(dá)到20:1[1]。最近十余年來(lái)，國(guó)外致力研究新的環(huán)境試驗(yàn)方法以提高產(chǎn)品的可靠性。在國(guó)內(nèi)，在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的理念上，拓展了國(guó)外關(guān)于可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)僅能在氣動(dòng)式試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行的狹義概念，提出可借鑒強(qiáng)化試驗(yàn)的激發(fā)理念采用常規(guī)試驗(yàn)設(shè)備實(shí)施可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)。圖1是在環(huán)境應(yīng)力篩選中各種應(yīng)力對(duì)缺陷激發(fā)能力的比較圖，是對(duì)10種應(yīng)力的篩選效果進(jìn)行有限調(diào)查統(tǒng)計(jì)得出的，有一定的代表性。它說明溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)是最有效的激勵(lì)應(yīng)力。溫度、濕度、振動(dòng)三者關(guān)系比較密切，另一方面是這三種環(huán)境應(yīng)力作用時(shí)間長(zhǎng)，引起的破壞比較多。例如一份研究報(bào)告指出，在總的破壞中，溫度占40%，振動(dòng)占27%，潮濕占19%[2]?？梢娝鼈?cè)谠O(shè)備元部件破壞總數(shù)中占了很大比例。

        因此，把溫度循環(huán)、濕度和隨機(jī)振動(dòng)作為最為有效的激發(fā)應(yīng)力進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，來(lái)真正高效地激發(fā)微加速度計(jì)的潛在缺陷。
 

圖1 環(huán)境應(yīng)力篩選中對(duì)各種應(yīng)力激發(fā)能力的比較

2 微加速度計(jì)在溫、濕、振三綜合環(huán)境下失效機(jī)理

        通過進(jìn)行三綜合試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微加速度計(jì)在溫、濕、振三綜合環(huán)境下的主要的失效模式是梁的斷裂、粘附。

2.1 溫度對(duì)微加速度計(jì)失效的影響

        一個(gè)完整的壓阻式硅微加速度傳感器多數(shù)是由不同的材料構(gòu)成，有金或鋁、硅和玻璃等。這些材料的熱膨脹系數(shù)不相同，一旦溫度發(fā)生變化，就會(huì)在不同的材料的交界面產(chǎn)生壓縮或拉伸應(yīng)力，這個(gè)壓縮或拉伸應(yīng)力屬于微加速度計(jì)的內(nèi)部應(yīng)力。由于外界溫度環(huán)境條件的影響使得加速度計(jì)的內(nèi)部應(yīng)力增加了。

        本論文研究的壓阻式微加速度計(jì)是通過體硅工藝加工制造的。主要工藝包括光刻、薄膜淀積、離子注入和干濕法等。由于加工工藝的影響，致使加工好的微加速度計(jì)不可避免的會(huì)有殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力根據(jù)方向的不同可將其分為拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，如圖2所示。顯然殘余應(yīng)力也屬于加速度計(jì)器件的內(nèi)部應(yīng)力。

圖2 不同方向的殘余應(yīng)力

        通過上述分析可知：當(dāng)微加速度計(jì)不受外界環(huán)境條件影響時(shí)，器件的內(nèi)部應(yīng)力僅有殘余應(yīng)力；而當(dāng)微加速度計(jì)受到溫度應(yīng)力作用的時(shí)候，由于構(gòu)成器件的不同材料的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生了新的內(nèi)部應(yīng)力。所以溫度應(yīng)力在一定程度上劣化了殘余應(yīng)力對(duì)微加速度計(jì)的影響，增加了微加速度計(jì)的內(nèi)部應(yīng)力。

2.2 振動(dòng)對(duì)微加速度計(jì)失效的影響

        引起加速度計(jì)發(fā)生失效的主要失效機(jī)理是振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力大于加速度計(jì)的屈服強(qiáng)度和長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞而斷裂[3]。

        隨著隨機(jī)振動(dòng)頻率的增大，加速度計(jì)的響應(yīng)越來(lái)越大，加速度計(jì)的輸出越大，短時(shí)間的隨機(jī)振動(dòng)幾乎沒有對(duì)微加速度計(jì)造成損傷，當(dāng)振動(dòng)的時(shí)間延長(zhǎng)之后，微加速度計(jì)的懸臂梁處發(fā)生了斷裂失效，如圖3所示。

圖3 振動(dòng)導(dǎo)致加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞

2.3 濕度對(duì)微加速度計(jì)的影響

        微平面表面水氣的冷凝會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力的增加[4]。如果這兩個(gè)表面相互接近的話，它們之間相對(duì)濕度的增大將導(dǎo)致毛細(xì)力的增大，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生粘附。如圖4
 

                              圖4 加速度計(jì)粘附的示意圖

2.4 施加溫度、濕度、振動(dòng)三綜合應(yīng)力對(duì)微加速度計(jì)的影響

        在進(jìn)行溫度、濕度、振動(dòng)3種應(yīng)力同時(shí)施加的綜合試驗(yàn)時(shí)，從故障發(fā)生的機(jī)理來(lái)說，進(jìn)行溫度循環(huán)的產(chǎn)品內(nèi)部由于材料熱膨脹系數(shù)的差異發(fā)生伸縮,在結(jié)合部位發(fā)生松動(dòng)分離[5]，這時(shí)如果施加濕度，潮氣就會(huì)從縫隙間侵入，使結(jié)合部和連接處的摩擦系數(shù)降低，使接合面的作用能增大，因?yàn)楸砻婊プ饔媚芘c兩表面之間的距離有關(guān)，因此，兩表面的表面粗糙度很大程度地影響著表面互作用能的大小。表面互作用能隨著表面粗糙度的增大而快速減少。同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)，溫度和相對(duì)濕度對(duì)黏附的產(chǎn)生以及表面互作用能的大小也有很大的影響。從圖5可以看到，對(duì)應(yīng)著不同的相對(duì)濕度，表面互作用能隨著溫度的升高有所減少。從圖6中可以看到在高、低溫度時(shí)，表面互作用能隨著相對(duì)濕度對(duì)增大而增大。與此同時(shí)施加振動(dòng)應(yīng)力，相對(duì)于特定的頻率，產(chǎn)品的共振現(xiàn)象還會(huì)發(fā)生。像這樣通過運(yùn)動(dòng)吸濕、凍結(jié)、共振的反復(fù)過程，使新的失效模式（由大幅度加速的單獨(dú)因子失效模式和3種因子綜合的相疊加效果引起的）的出現(xiàn)成為可能。
 

圖5 溫度對(duì)表面互作用能的影響

圖6 相對(duì)濕度對(duì)表面互作用能的影響

        粘附引起器件失效的現(xiàn)象普遍存在。它是指兩個(gè)光滑表面相接觸時(shí)，在表面力的作用下彼此粘連在一起的現(xiàn)象。這里所指的表面力可以是范德華瓦爾斯力、表面張力、毛細(xì)管力、靜電吸附力等。研究表明，對(duì)于疏水表面，起主導(dǎo)作用的粘附力是范德華瓦爾斯力。范德華瓦爾斯力引起的粘附發(fā)生于兩接近的平面，而非接觸的表面，并隨著間距平方的變化急劇變化。而在腐蝕釋放結(jié)構(gòu)后的烘干工藝過程中，毛細(xì)管力起著主要作用。

        在MEMS的加工和工作過程中，微懸臂梁等機(jī)械可動(dòng)件因相對(duì)運(yùn)動(dòng)使器件中的間隙處于微米/納米量級(jí)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生粘附問題。粘附一般可分為釋放有關(guān)粘附和使用中粘附。

        釋放有關(guān)粘附是指用氫氟酸腐蝕犧牲層、釋放多晶硅微結(jié)構(gòu)、干燥時(shí)，由于硅片表面薄層水的表面張力使兩片親水、間隙在微米/納米數(shù)量級(jí)的硅片粘合。

        在體硅溶片工藝和各種表面工藝中，當(dāng)水或其他液體烘干揮發(fā)時(shí)，會(huì)因?yàn)楸砻鎻埩Φ淖饔檬箖蓚€(gè)相鄰的表面有彼此靠近甚至相互接觸的趨勢(shì)。因此，這里的粘附與水有關(guān)，器件受濕影響，粘附功隨濕度增加而增加。解決釋放有關(guān)粘附可以采用絕緣薄膜作抗粘合薄膜，同時(shí)要采用氣密性封裝，并且能防潮和防止微粒玷污。但是絕緣膜靜電積累有可能引起因靜電或分子間引力而粘合。

        除了水的表面張力外，硅表面的化學(xué)狀態(tài)對(duì)微結(jié)構(gòu)間的粘合程度也有很大影響：表面氧化層厚度大、水接觸角小、梁分開長(zhǎng)度短、粘合功大，就容易粘合；反之，就不易發(fā)生粘附現(xiàn)象。

        使用中粘附就是一種因?yàn)楣璞砻娴幕瘜W(xué)狀態(tài)引起的粘合現(xiàn)象，它發(fā)生在器件封裝之后，當(dāng)輸入信號(hào)過沖（受到外力沖擊或致動(dòng)力）時(shí)，由于硅片表面的化學(xué)狀態(tài)使硅片發(fā)生粘合。

粘附問題的解決

        早期減少粘附的方法是使表面粗糙化，以減少實(shí)際的接觸面積。具體的方法有：長(zhǎng)一層熱氧化層，再干法腐蝕。現(xiàn)在，一般采用的方法如下

1） 無(wú)黏附設(shè)計(jì)

        在機(jī)械元件的底部或邊上設(shè)計(jì)紋膜結(jié)構(gòu)。這樣就減少了接觸面積與粘附力。

2） 超臨界烘干

        在結(jié)構(gòu)釋放工藝過程中采用超臨界烘干可減少粘附的影響。但是這種方法也存在問題：在結(jié)構(gòu)釋放、沖擊、振動(dòng)等環(huán)境條件下的粘附減少了，但是，在平常工作的條件下，機(jī)械元件可能會(huì)相互接觸并黏附于一起，因此仍然存在失效。

3） 疏水表面單層

        表面單層可用于降低表面的粘附力。SAM覆蓋膜通過提供一層鈍化層來(lái)降低表面黏附能量。

3 結(jié)論

        分析了在溫度、濕度、振動(dòng)應(yīng)力條件下，微加速度計(jì)發(fā)生斷裂和粘附的失效機(jī)理，在這三種應(yīng)力條件同時(shí)施加下使缺陷加速暴露出來(lái)，縮短了試驗(yàn)時(shí)間。在溫度、濕度、振動(dòng)三種應(yīng)力下是否還有新的失效模式產(chǎn)生還有待研究。