溫、濕環(huán)境中MEMS可靠性分析及輔助工具的研究.pdf

1、MEMS的可靠性是制約MEMS產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的重要因素，為了縮短研發(fā)周期，降低成本，必須在設(shè)計時就考慮可靠性因素?？赡軐?dǎo)致MEMS器件失效的環(huán)境因素主要有振動、沖擊、潮濕、輻射、微粒、溫度變化、靜電放電等。以往的研究主要集中在沖擊和振動對MEMS的影響上，在濕度和溫度對MEMS可靠性的特定影響方面尚不完善。
　　在濕度載荷下，隨著MEMS器件尺寸的縮小，比表面積增加，表面效應(yīng)對器件性能的影響不可忽略。而在溫度循環(huán)載荷下，器件的焊點

2、受到芯片端和PCB端各組件及本身熱膨脹系數(shù)不匹配效應(yīng)的影響，局部位置會產(chǎn)生大的應(yīng)力應(yīng)變，過度疲勞后會有裂紋產(chǎn)生并且擴(kuò)展直至斷裂，引起焊點失效。通過模擬仿真來確定影響焊點壽命的主要材料特性和結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而設(shè)計出高可靠性的產(chǎn)品，是十分重要的。
　　本文重點研究MEMS器件在濕度載荷下的吸附效應(yīng)以及溫度循環(huán)條件下的熱疲勞問題。
　　實驗發(fā)現(xiàn)，多晶硅表面存在獨特的氣體吸附效應(yīng)，表現(xiàn)為多晶硅結(jié)構(gòu)的諧振頻率會隨著結(jié)構(gòu)振動發(fā)生變化，由此可

3、得到動態(tài)(靜態(tài))諧振頻率與濕度的關(guān)系曲線。通過簡化脫附問題，建立簡單的單分子層吸附模型，給出靜態(tài)多晶硅梁的脫附能表達(dá)式，并通過對脫附時間、脫附質(zhì)量的原理分析及數(shù)值討論，發(fā)現(xiàn)計算出來的脫附質(zhì)量遠(yuǎn)大于理論上可以吸附的最大水平。這說明多晶硅表面的水汽吸附并不遵守簡單的單層或多層吸附行為，而是由吸附的水汽在多晶硅表面粗糙晶疇間隙中的液聚行為導(dǎo)致的。
　　在溫度載荷下，用ANSYS建模，并采用Anand粘塑性模型，模擬PBGA焊點的應(yīng)力，并

4、根據(jù)Darveaux壽命模型預(yù)測焊點壽命。為了提高工作效率，開發(fā)了熱疲勞仿真平臺，該軟件以Visual C++為主要開發(fā)工具，并結(jié)合MySQL數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)焊點壽命預(yù)測及結(jié)果數(shù)據(jù)查詢等功能。該軟件具有友好的人機(jī)界面、簡單的操作方法、生動的可視化結(jié)果反饋，對MEMS的可靠性設(shè)計有一定的輔助作用。
　　本文通過對濕度載荷及溫度載荷下MEMS可靠性的研究，揭示了環(huán)境載荷對MEMS可靠性的影響，這些研究結(jié)果可用于指導(dǎo)MEMS的長期可靠性設(shè)計