高g值冲击下MEMS器件可靠性研究*

潘晓琳，张 亚，李 波

(中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051)

1 引言

相对于传统的机电系统，MEMS系统即微机电系统［1］具有体积小、易批量生产、成本低等优点，现在已经是军工、精密工业和学术领域的研究热点。其常见的制造工艺有两种，一种采用单晶硅作为结构材料，利用硅加工工艺如体硅加工工艺、表面加工工艺等制造一厚度的微结构;另一种采用电铸金属作为结构材料，利用(准)LIGA工艺加工而成。MEMS工艺［2］主要是从微电子工艺发展起来的，其主要的加工材料也是硅基材料，由于硅基材料较稳定，具有较好的力学强度及抗疲劳性能等，非常适合用于高冲击、高过载的MEMS器件，尤其适合惯性开关中的应用。

在以SOI基底的MEMS器件的加工中，需要在SOI材料上溅射种子层，作为金属电铸时的导电层。现在采取的是渡Au层。由于不同材料的物理性质各不相同，当在高惯性力作用下，会导致金属镀层与SOI层之间应力的产生，进而使器件发生失效。对于MEMS器件来说，惯性冲击力易导致金属层的脱落从而使封装失败、电迁移现象的发生，从而导致MEMS器件的失效。因此研究冲击应力对MEMS器件可靠性［3］的影响具有重要的意义。

以基于SOI上镀金属层的MEMS开关器件作为研究对象，对镀层和SOI在高g值冲击作用下的应力应变进行了有限元分析，并展开相应的冲击试验，研究了高g值惯性力对硅基镀层MEMS器件的影响。

2 有限元模型的建立

2.1 瞬态动力学

在高冲击的试验条件下，MEMS器件的应力应变分析采用瞬态动力学，在试验过程中，利用在标准跌落台和高速数据采集系统进行实验。瞬态动力学的基本运动方程为:

式中:［M］为质量矩阵;［C］为阻尼矩阵;［K］为刚度矩阵;{u}为节点位移向量;{F(t)}载荷可为时间的任意函数。

采用完全法来计算瞬态响应。

2.2 模型的建立

典型的碰撞式微机电开关［4］的示意图如图1所示，而该研究以SOI为基底的镀金MEMS器件的基本结构由两大部分组成:SOI层(包含顶硅层30μm，SiO2层2μm和Si层400μm)，镀层由Au构成，其基本结构的剖面图如图2所示。

图1 典型碰撞式微机电开关的组合示意图

图2 硅基MEMS器件的基本剖面示意图

制作工艺及步骤为:①抛光清洗SOI基底材料;②涂胶、对准曝光、显影;③SOI上溅射1μm的Au层;④去胶清洗。

由于采用ANSYS［4］瞬态动力学分析，其单元类型选择Solid45单元。由于结构较为规则，以四边形映射的方法进行网格划分，模型划分为6 750个单元和7 936个节点，如图3所示。

图3 基本结构的有限元模型

由于材料的不同，各层材料所受的应力应变也存在差别，材料的密度，弹性模量，泊松比等多种因素都会对其造成影响。各层材料的参数如表1所列。

表1 各层材料参数

3 冲击对MEMS器件的影响

对有限元加载高g值冲击［5］，首先进行脉冲冲击，然后施加100～500 g(m/s2)的加速度，观察随着加速度的变化，结构应力应变的变化。由于在高g值冲击的过程中，由于各层材料的弹性模量等参数不匹配，导致各层受到不同的剪切和拉伸应力。图4～5分别为结构在受到500 g(m/s2)加速度的冲击下结构的应变和应力图。

图4 高g值加速度应力分布图

图5 高g值加速度应变分布图

由图4、5所示，从约束到远离约束的方向，应变逐渐增加。在应力分析中［6-7］，不同层的应力大小具有较大的区别，在同一层的应力也在不断地变化，应力越大越容易出现镀层的脱落和失效现象。所以进而对Au层的横向进行分析，由图6可以得出结果，越接近约束端，其应力值越大。

图6～7分别为结构的横向和纵向，由图7可以发现在四层的结构比较中，Au层所受到的应力值要远大于Si和SiO2，也就是在Au层最接近约束的位置最容易出现应力集中和失效现象。

图6 结构纵向应力变化曲线

图7 结构横向应力变化曲线

4 现象分析

由上述分析得出在金层和顶层硅层之间的应力值最大，最容易出现脱落现象，要避免这种失效方式的产生，需对加工工艺进行修改，使用PECVD工艺或对刻蚀后的集成电路进行退火以消除损伤。同时可以将Au层换位Al层，因为Al层具有较高的热膨胀系数，相对于Au层更加的稳定。

5 结语

以硅MEMS器件作为研究对象，建立了硅MEMS器件的基本结构［8］，进行瞬态动力学分析，并对其先后施加脉冲惯性力和100～500 g(m/s2)的加速度进行瞬态动力学的分析。结果表明，由于冲击使MEMS结构体发生了不同程度的应力和应变的变化，其中，应力在金层和硅层的应力最大，达到27.51 MPa，而在底层硅的中间位置应力值最小，只有0.06 MPa。在受到应力最大的金层，越靠近约束端，其应力值越大，所以在靠近约束端的金层最容易发生疲劳失效，从而导致分层。找到MEMS器件的主要失效方式，及时进行方案的调整，从而对实验起到积极的指导作用。

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