馬婷婷,馬書嫏,張愛軍

(華潤(rùn)上華科技有限公司,江蘇 無錫 214061)

MEMS壓力傳感器工藝可靠性測(cè)試評(píng)價(jià)

馬婷婷*,馬書嫏,張愛軍

(華潤(rùn)上華科技有限公司,江蘇 無錫 214061)

隨著MEMS技術(shù)的飛速發(fā)展,可靠性問題逐漸成為MEMS器件在軍事和商業(yè)中應(yīng)用的重要阻礙。結(jié)合器件的工作環(huán)境,分別從高溫、高溫高濕、溫度沖擊、過電壓、壓力過載、溫濕循環(huán)等環(huán)境負(fù)載方面探討硅壓阻式MEMS壓力傳感器的工藝可靠性問題。試驗(yàn)結(jié)果表明,環(huán)境負(fù)載后,圓片級(jí)器件特性參數(shù)基本無變化,而封裝級(jí)器件特性參數(shù)有不同程度的漂移。參照工廠制定的工藝標(biāo)準(zhǔn)(<10%),封裝級(jí)器件測(cè)試數(shù)據(jù)可以有效監(jiān)控MEM產(chǎn)品的工藝質(zhì)量。

MEMS;傳感器;可靠性;環(huán)境負(fù)載

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,IC產(chǎn)品的尺寸設(shè)計(jì)越來越小,性能越來越高,涵蓋范圍越來越廣。微電子技術(shù)的微型研究帶來了各行業(yè)的巨變,不僅使計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)等領(lǐng)域面貌一新,而且在許多領(lǐng)域引發(fā)了一場(chǎng)微小型化的革命。機(jī)械制造領(lǐng)域的微小型化誕生了微機(jī)電系統(tǒng)即MEMS(Microelectro Mechanical Systems)。它將電子功能與機(jī)械、光學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)等其他功能結(jié)合在一起,形成綜合集成系統(tǒng)[1]。經(jīng)過四十多年的發(fā)展,MEMS已成為世界矚目的重大領(lǐng)域之一。許多世界大國(guó)都將MEMS技術(shù)作為戰(zhàn)略性的研究領(lǐng)域之一,投入巨資進(jìn)行專項(xiàng)研究。

MEMS傳感器是采用微機(jī)械加工技術(shù)制造的新型傳感器,是MEMS器件的一個(gè)重要分支。隨著MEMS技術(shù)產(chǎn)業(yè)的日益成熟,MEMS傳感器種類越來越多,性能也越來越強(qiáng)大,產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于汽車、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域[2-8]。而相對(duì)于工藝的迅速發(fā)展,MEMS可靠性的研究落后了很多。目前MEMS可靠性的評(píng)估方法在行業(yè)內(nèi)還沒有標(biāo)準(zhǔn)化,工廠針對(duì)MEMS產(chǎn)品也僅有PCM參數(shù)測(cè)量。沒有可行的可靠性測(cè)試方法,就無法驗(yàn)證和監(jiān)控MEMS工藝的可靠性。因此,標(biāo)準(zhǔn)化可靠性評(píng)估方法的建立已迫在眉睫。

基于微電子行業(yè)器件失效機(jī)理研究和可靠性評(píng)價(jià)體系的完備,這些可靠性評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)在預(yù)測(cè)MEMS產(chǎn)品的使用可靠性方面是有借鑒作用的。但是MEMS壓力傳感器對(duì)環(huán)境的依賴度較高,必須考慮在嚴(yán)酷的使用環(huán)境下傳感器獨(dú)特的失效模式[9-12]。

本文基于硅壓阻式MEMS壓力傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理等信息,反推至芯片相關(guān)工藝參數(shù),并設(shè)計(jì)針對(duì)關(guān)鍵工藝參數(shù)的可靠性測(cè)試方法。

1 MEMS壓力傳感器結(jié)構(gòu):

與傳統(tǒng)的壓力傳感器相比,MEMS壓力傳感器不僅體積小,而且具有較高的測(cè)量精度、較低的功耗和極低的成本[13]。絕大多數(shù)的MEMS壓力傳感器的感壓元件是硅膜片,根據(jù)敏感機(jī)理的不同,可將MEMS壓力傳感器分為3種:壓阻式、電容式和諧振式[14]。其中,硅壓阻式MEMS壓力傳感器采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋,利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)[15]和良好的彈性來進(jìn)行力電變換。

華潤(rùn)上華(CSMC)制備的硅壓阻式MEMS壓力傳感器的標(biāo)準(zhǔn)流程如下:首先在拋光的硅襯底上經(jīng)光刻注入生成四根電阻應(yīng)變片,電阻應(yīng)變片被設(shè)計(jì)在硅膜表面應(yīng)力最大處,組成惠斯頓電橋。然后在圓片背面,從硅片中部刻蝕出一個(gè)應(yīng)力杯。最后鍵合圓片背面。根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用,即可以在應(yīng)力杯中抽真空制成絕壓MEMS器件,也可以維持應(yīng)力杯和大氣相通制成表壓MEMS器件。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

產(chǎn)品封裝后,當(dāng)硅膜兩邊的壓力差發(fā)生變化時(shí),應(yīng)力硅膜會(huì)發(fā)生彈性形變,破壞原先的惠斯頓電橋電路平衡,產(chǎn)生電橋輸出與壓力成正比的電壓信號(hào)。

圖1 硅壓阻式MEMS壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2 測(cè)試結(jié)構(gòu)的確定

MEMS壓力傳感器的特性參數(shù)包含有零位輸出、電壓輸出、線性度、回滯特性等。這些特性參數(shù)與惠斯頓電橋強(qiáng)相關(guān)。因此,惠斯頓電橋的可靠性一定程度上反映了MEMS壓力傳感器的可靠性。我們?cè)趫A片上設(shè)計(jì)一個(gè)典型的惠斯頓電橋結(jié)構(gòu),用來監(jiān)控MEMS器件的特性參數(shù)。如圖2所示:R1、R2、R3及R4是4根等電阻的壓阻應(yīng)變條,它們?cè)诠枘ど辖M成惠斯頓電橋,無外力作用時(shí),電橋平衡,輸出電壓為零。當(dāng)膜片受到外界壓力作用時(shí),電橋失去平衡,若對(duì)電橋加激勵(lì)電源,便可得到與被測(cè)壓力成正比的輸出電壓,從而達(dá)到測(cè)量壓力的目的。

結(jié)合器件的實(shí)際使用,綜合考慮器件的工作條件和環(huán)境,從高溫存儲(chǔ)、高溫高濕、溫度沖擊、過電壓、壓力過載、溫濕循環(huán)等方面全面建立MEMS壓力傳感器圓片級(jí)和封裝級(jí)的可靠性考核方法。

圖2 測(cè)試模塊結(jié)構(gòu)示意圖

3 圓片級(jí)MEMS可靠性考核方法

目前工廠中MEMS圓片級(jí)產(chǎn)品的工藝監(jiān)控基本上是依賴PCM參數(shù)測(cè)量。在這里,我們結(jié)合MEMS產(chǎn)品的實(shí)際使用條件,通過監(jiān)控零位輸出電壓的高溫存儲(chǔ)、高溫高濕特性,考核圓片級(jí)(應(yīng)力杯未釋放狀態(tài))惠斯頓電橋的環(huán)境可靠性。

圖3 高溫存儲(chǔ)Voff變化圖(125 ℃和168 h)

3.1 高溫存儲(chǔ)可靠性考核

在125 ℃高溫下,將MEMS圓片分別老化12 h、48 h和168 h后,測(cè)試零位輸出電壓(Voff)。通過與初始零位輸出電壓的對(duì)比,考核電阻應(yīng)變片的工藝可靠性。

從老化數(shù)據(jù)可見,經(jīng)過125 ℃的高溫存儲(chǔ),各時(shí)間段的零位輸出電壓變化量都很小。即使經(jīng)過168 h的高溫存儲(chǔ),未釋放狀態(tài)下的壓阻應(yīng)變片電阻仍然比較穩(wěn)定,可靠性風(fēng)險(xiǎn)較低。

3.2 高溫高濕可靠性考核

在85 ℃和85%RH高溫高濕條件下,將MEMS圓片分別老化24 h、72 h和168 h后,測(cè)試零位輸出電壓(Voff)。通過與初始零位輸出電壓的對(duì)比,考核電阻應(yīng)變片的工藝可靠性。

圖4 高溫高濕存儲(chǔ)Voff變化圖(85 ℃和85% 168 h)

對(duì)比不同時(shí)間段的Voff值,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過85 ℃和85%RH的老化,各時(shí)間段的零位輸出電壓變化量都很小。即使經(jīng)過168 h的高溫高濕存儲(chǔ),未釋放狀態(tài)下的壓阻應(yīng)變片電阻仍然很穩(wěn)定,可靠性風(fēng)險(xiǎn)較低。

圓片級(jí)的測(cè)試結(jié)構(gòu)由于未釋放應(yīng)力杯,主要考核的是電阻應(yīng)變片在高溫、高溫高濕老化后的工藝穩(wěn)定性。除非工藝非常不穩(wěn)定,一般情況下,電阻經(jīng)過溫度老化和濕度老化的可靠性風(fēng)險(xiǎn)都較低。

4 封裝級(jí)MEMS可靠性考核方法:

對(duì)于釋放應(yīng)力杯并完成封裝的MEMS器件來說,高溫或高濕老化可能會(huì)影響硅膜的彈性形變,而長(zhǎng)時(shí)間的壓力負(fù)載也可能導(dǎo)致硅膜疲勞。這些損害會(huì)造成MEMS特性參數(shù)的漂移,嚴(yán)重的話會(huì)引發(fā)器件開路和短路,從而影響產(chǎn)品最終的可靠性。因此,封裝級(jí)MEMS器件的環(huán)境負(fù)載考核更加重要。

4.1 高溫存儲(chǔ)可靠性考核

將封裝的絕壓MEMS器件在125 ℃高溫下老化72 h后,分別測(cè)試器件在40 kPa～100 kPa下的輸出電壓、線性度、回滯特性參數(shù)。

由圖5可見,封裝器件進(jìn)行72 h高溫存儲(chǔ)老化后,線性度和回滯特性良好;不同壓力下的輸出電壓與初始值相比shift<1%。根據(jù)工藝給出的輸出電壓判定SPEC:shift≤±10%,可靠性風(fēng)險(xiǎn)較低。

4.2 溫度沖擊可靠性考核

將封裝的絕壓MEMS器件在-50 ℃和150 ℃高溫下,進(jìn)行10次循環(huán)沖擊,然后測(cè)試器件在40 kPa～100 kPa下的輸出電壓、線性度、回滯特性參數(shù)。

由圖6可見,溫度沖擊對(duì)線性度和回滯特性影響較低,曲線線性度和重合度良好;不同壓力下的輸出電壓在與初始值相比shift<1%。根據(jù)工藝給出的輸出電壓判定SPEC:shift≤±10%,可靠性風(fēng)險(xiǎn)較低。

圖5 高溫存儲(chǔ)老化前、后壓力遲滯曲線和高溫存儲(chǔ)老化Voff shift曲線

圖6 溫度沖擊老化前、后壓力遲滯曲線和溫度沖擊老化Voff shift曲線

4.3 溫濕循環(huán)可靠性考核

將封裝的絕壓MEMS器件置于40 ℃～65 ℃高溫,90%RH～95%RH環(huán)境下,以24 h為一個(gè)循環(huán)周期,連續(xù)循環(huán)6次,然后測(cè)試器件在40 kPa～100 kPa下的輸出電壓、線性度、回滯特性參數(shù)。

由圖7可見,溫濕循環(huán)老化對(duì)線性度和回滯特性影響也較低,曲線線性度和重合度良好;不同壓力下的輸出電壓與初始值相比shift<1%。根據(jù)工藝給出的輸出電壓判定SPEC:shift≤±10%,可靠性風(fēng)險(xiǎn)較低。

圖7 溫濕循環(huán)老化前、后壓力遲滯曲線和溫濕循環(huán)老化Voff shift曲線

4.4 電壓過載可靠性考核

MEMS產(chǎn)品一般都是電子產(chǎn)品,基本都需要接電源使用,所以考核產(chǎn)品的電壓過載可靠性也是非常必要的。將封裝的絕壓MEMS器件在3.2倍的工作電壓下持續(xù)過電壓1 min,然后測(cè)試器件在40 kPa～100 kPa下的輸出電壓、線性度、回滯特性參數(shù)。

由圖8可見,短時(shí)電壓過載對(duì)線性度和回滯特性影響較小,曲線線性度和重合度良好;不同壓力下的輸出電壓與初始值相比shift<0.6%。根據(jù)工藝給出的輸出電壓判定SPEC:shift≤±10%,可靠性風(fēng)險(xiǎn)低。

圖8 電壓過載前、后壓力遲滯曲線和電壓過載老化Voff shift曲線

4.5 壓力過載可靠性考核

壓力MEMS產(chǎn)品最重要的產(chǎn)品特性是壓力與輸出電壓的線性特性,而長(zhǎng)時(shí)間的壓力負(fù)載會(huì)如何影響產(chǎn)品的使用性能,就需要通過壓力過載實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。將封裝的絕壓MEMS器件在120 ℃和2 atm下老化24 h后,分別測(cè)試器件在40 kPa～100 kPa下的輸出電壓、線性度、回滯特性參數(shù)。

由圖9可見,壓力過載老化對(duì)線性度和回滯特性影響也較小,曲線線性度和重合度良好;不同壓力下的輸出電壓與初始值相比shift<5%。根據(jù)工藝給出的輸出電壓判定SPEC:shift≤±10%,可靠性風(fēng)險(xiǎn)較低。

對(duì)比論文中所有的測(cè)試發(fā)現(xiàn),壓力MEMS器件對(duì)壓力過載試驗(yàn)最敏感。壓力過載考核是判斷壓力MEMS器件可靠性的重要測(cè)試方法。

圖9 壓力過載前、后壓力遲滯曲線和壓力過載老化Voff shift曲線

5 結(jié)論

對(duì)于未釋放應(yīng)力杯的圓片來說,零位輸出參數(shù)在高溫和高溫高濕老化后變化都不太明顯,除非工藝非常不穩(wěn)定,否則圓片級(jí)環(huán)境負(fù)載測(cè)試并不能有效的監(jiān)控電阻應(yīng)變條的工藝和質(zhì)量。

而針對(duì)釋放后的封裝MEMS器件,輸出電壓在高溫存儲(chǔ)、溫度沖擊、溫濕循環(huán)老化、電壓過載、壓力過載后,均有不同程度的shift。參照工藝SPEC可以有效監(jiān)控電阻應(yīng)變條的工藝和質(zhì)量。

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MEMSPressureSensorProcessReliabilityEvaluation

MATingting*,MAShulang,ZHANGAijun

(CSMC Technologies Co. Ltd. Jiangsu,Wuxi Jiangsu 214061,China)

Along with the rapid development of MEMS technology ,reliability issue gradually becomes the major barrier for applying MEMS sensor in military and commercial fields. Based on the sensor operation environment,environmental loads including high temperature bias,high temperature-humidity bias,temperature shock,over voltage bias,pressure cooker test,temperature-humidity cycling test are put forward to discuss silicon piezoresistive MEMS pressure sensor process reliability. The test results indicate that,after environmental loads,wafer level devices characteristic parameter has no shift,while package level devices characteristic parameter shifts in different degrees. Based on the process spec in factory(<10%),the package level devices test data could be used to availably monitor MEMS product process quality.

MEMS;sensor;reliability;environmental loads

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.006

2016-05-01修改日期2016-10-21

TP212.12

A

1005-9490(2017)06-1359-05

馬婷婷(1986-)女,漢族,湖北隨州人,碩士研究生,華潤(rùn)上華科技有限公司,可靠性工程師,matt@csmc.crmicro.com;

馬書嫏(1983-)男,漢族,黑龍江哈爾濱人,碩士研究生,華潤(rùn)上華科技有限公司,可靠性主管,masl@csmc.crmicro.com。