潘曉琳，張 亞，李 波

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

1 引言

相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)電系統(tǒng)，MEMS系統(tǒng)即微機(jī)電系統(tǒng)［1］具有體積小、易批量生產(chǎn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)是軍工、精密工業(yè)和學(xué)術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其常見的制造工藝有兩種，一種采用單晶硅作為結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu);另一種采用電鑄金屬作為結(jié)構(gòu)材料，利用(準(zhǔn))LIGA工藝加工而成。MEMS工藝［2］主要是從微電子工藝發(fā)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(wěn)定，具有較好的力學(xué)強(qiáng)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(guān)中的應(yīng)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(shí)的導(dǎo)電層?，F(xiàn)在采取的是渡Au層。由于不同材料的物理性質(zhì)各不相同，當(dāng)在高慣性力作用下，會(huì)導(dǎo)致金屬鍍層與SOI層之間應(yīng)力的產(chǎn)生，進(jìn)而使器件發(fā)生失效。對(duì)于MEMS器件來說，慣性沖擊力易導(dǎo)致金屬層的脫落從而使封裝失敗、電遷移現(xiàn)象的發(fā)生，從而導(dǎo)致MEMS器件的失效。因此研究沖擊應(yīng)力對(duì)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(guān)器件作為研究對(duì)象，對(duì)鍍層和SOI在高g值沖擊作用下的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了有限元分析，并展開相應(yīng)的沖擊試驗(yàn)，研究了高g值慣性力對(duì)硅基鍍層MEMS器件的影響。

2 有限元模型的建立

2.1 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)

在高沖擊的試驗(yàn)條件下，MEMS器件的應(yīng)力應(yīng)變分析采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)，在試驗(yàn)過程中，利用在標(biāo)準(zhǔn)跌落臺(tái)和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的基本運(yùn)動(dòng)方程為:

式中:［M］為質(zhì)量矩陣;［C］為阻尼矩陣;［K］為剛度矩陣;{u}為節(jié)點(diǎn)位移向量;{F(t)}載荷可為時(shí)間的任意函數(shù)。

采用完全法來計(jì)算瞬態(tài)響應(yīng)。

2.2 模型的建立

典型的碰撞式微機(jī)電開關(guān)［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(jié)構(gòu)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(gòu)成，其基本結(jié)構(gòu)的剖面圖如圖2所示。

圖1 典型碰撞式微機(jī)電開關(guān)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(duì)準(zhǔn)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(tài)動(dòng)力學(xué)分析，其單元類型選擇Solid45單元。由于結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，以四邊形映射的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型劃分為6 750個(gè)單元和7 936個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 基本結(jié)構(gòu)的有限元模型

由于材料的不同，各層材料所受的應(yīng)力應(yīng)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(huì)對(duì)其造成影響。各層材料的參數(shù)如表1所列。

表1 各層材料參數(shù)

3 沖擊對(duì)MEMS器件的影響

對(duì)有限元加載高g值沖擊［5］，首先進(jìn)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(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)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(shù)不匹配，導(dǎo)致各層受到不同的剪切和拉伸應(yīng)力。圖4～5分別為結(jié)構(gòu)在受到500 g(m/s2)加速度的沖擊下結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和應(yīng)力圖。

圖4 高g值加速度應(yīng)力分布圖

圖5 高g值加速度應(yīng)變分布圖

由圖4、5所示，從約束到遠(yuǎn)離約束的方向，應(yīng)變逐漸增加。在應(yīng)力分析中［6-7］，不同層的應(yīng)力大小具有較大的區(qū)別，在同一層的應(yīng)力也在不斷地變化，應(yīng)力越大越容易出現(xiàn)鍍層的脫落和失效現(xiàn)象。所以進(jìn)而對(duì)Au層的橫向進(jìn)行分析，由圖6可以得出結(jié)果，越接近約束端，其應(yīng)力值越大。

圖6～7分別為結(jié)構(gòu)的橫向和縱向，由圖7可以發(fā)現(xiàn)在四層的結(jié)構(gòu)比較中，Au層所受到的應(yīng)力值要遠(yuǎn)大于Si和SiO2，也就是在Au層最接近約束的位置最容易出現(xiàn)應(yīng)力集中和失效現(xiàn)象。

圖6 結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力變化曲線

圖7 結(jié)構(gòu)橫向應(yīng)力變化曲線

4 現(xiàn)象分析

由上述分析得出在金層和頂層硅層之間的應(yīng)力值最大，最容易出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，要避免這種失效方式的產(chǎn)生，需對(duì)加工工藝進(jìn)行修改，使用PECVD工藝或?qū)涛g后的集成電路進(jìn)行退火以消除損傷。同時(shí)可以將Au層換位Al層，因?yàn)锳l層具有較高的熱膨脹系數(shù)，相對(duì)于Au層更加的穩(wěn)定。

5 結(jié)語

以硅MEMS器件作為研究對(duì)象，建立了硅MEMS器件的基本結(jié)構(gòu)［8］，進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，并對(duì)其先后施加脈沖慣性力和100～500 g(m/s2)的加速度進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的分析。結(jié)果表明，由于沖擊使MEMS結(jié)構(gòu)體發(fā)生了不同程度的應(yīng)力和應(yīng)變的變化，其中，應(yīng)力在金層和硅層的應(yīng)力最大，達(dá)到27.51 MPa，而在底層硅的中間位置應(yīng)力值最小，只有0.06 MPa。在受到應(yīng)力最大的金層，越靠近約束端，其應(yīng)力值越大，所以在靠近約束端的金層最容易發(fā)生疲勞失效，從而導(dǎo)致分層。找到MEMS器件的主要失效方式，及時(shí)進(jìn)行方案的調(diào)整，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)起到積極的指導(dǎo)作用。

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