浅析MEMS惯性传感器的温湿度环境可靠性测试

AI是近年来业界被提及频率最高的词汇之一，业内人士预测，未来数十年AI将成为半导体产业发展的新动力源之一。新人工智能技术的出现必然会引发又一波的信息化技术浪潮，同样也会是感知技术的浪潮。在《新一代人工智能发展规划》中也指出，要大力发展支撑新一代物联网的高灵敏度、高可靠性智能传感器件和芯片，攻克射频识别、近距离机器通信等物联网核心技术和低功耗处理器等关键器件。

传感器属于一种检测装置，它能将感受到的信息变换成电信号或是以其他所需形式的信息输出，主要有光传感器、温度传感器、压力传感器、磁传感器、气体传感器几种类型。传感器广泛应用于汽车、制造、航空、船舶、医疗、电信、化工和计算机硬件等各个行业。

今天，我们主要介绍MEMS惯性传感器的模拟环境可靠性测试方案。

MEMS惯性传感器的环境可靠性测试

MEMS惯性传感器包括微加速度传感器和微陀螺仪两大类,前者用于测量运动、振动和冲击,而后者则用于测量旋转的角速率。MEMS惯性传感器是MEMS中技术最成熟且产品化程度最高的器件种类之一,在商业领域尤其是汽车工业中获得广泛的应用,而其在生物与医药行业、消费性电子产业、航空航天等领域中的应用也越来越引起重视,与此同时其在军事领域中的应用也开始逐步兴起。

浅析MEMS惯性传感器的温湿度环境可靠性测试

MEMS惯性传感器因环境因素引发的典型失效模式包括:粘附、微粒污染、分层、疲劳、腐蚀和断裂。

MEMS惯性传感器的典型失效信息

失效模式	失效机理	失效部位
粘附	临近微机械结构间由于毛细力、范德华力或静电力等作用而保持接触, 阻碍可动结构运动或造成短路	微悬臂梁间或悬臂梁与基板间
微粒污染	来源于器件内部或外部环境的微粒污染导致短路、粘附或分层	微悬臂梁结构之间
分层	硅和玻璃健合强度不够或热膨胀系数失配,或金硅接触电阻因环境应力发生漂移,导致层间粘附键断裂, 阻碍可动结构运动或造成短路	硅-玻璃健合界面或金硅接触处
疲劳	振动或温度使多晶硅运动结构的薄弱点产生应力集中,如果裂纹出现并继续生长,最终将发生结构断裂, 若有湿度则可能发生腐蚀疲劳	微机械结构应力集中部位
腐蚀	由于静态或循环应力作用,导致硅表面氧化层处发生应力腐蚀开裂，裂纹逐渐扩展并深入,最终导致应力集中并发生结构断裂	硅微机械结构应力集中处
断裂	机械预应力过大或环境应力影响成结构内部应力超过断裂强度或因疲劳发生结构断裂,破坏对称结构使输出非线性或因碎屑造成短路	微悬臂梁结构或梳齿处

MEMS惯性传感器的失效机理与外载荷之间存在一定的联系,某种特定的环境载荷会引发特定的失效模式，在学术上，这被称为“失效机理-外界载荷关联矩阵”。

MEMS惯性传感器失效机理-外界环境载荷关联性矩阵

外界环境载荷	MEMS惯性传感器失效机理
外界环境载荷	粘附	微粒污染	分层	疲劳	腐蚀	断裂
振动	√	√		√	√	√
冲击	√	√		√
潮湿	√			√	√
高温			√	√
温变			√	√		√
静电放电	√

MEMS惯性传感器的环境可靠性测试

由于MEMS器件与IC器件在封装、制造及材料等方面的共通性,当前相当数量的MEMS惯性传感器可靠性试验依据的是ML-STD-883,并且该标准也较全面,基本涵盖了绝大部分针对环境失效机理的可靠性试验项目,因此,基于失效机理-外界环境载荷关联性的研究,可以其为蓝本,辅以 JEDEC工业标准,进行MEMS惯性传感器典型可靠性试验项目。

高温老化试验

参考标准：ML-STD-883 1015.9

高温储存试验

参考标准：JESD 22-A103-A/B

试验设备：高温老化试验箱

温度循环试验

参考标准：ML-STD-883 1010.8、JESD 22-A104- B

热冲击试验

参考标准：ML-STD-883 1010.9、JESD 22-A106- A

试验设备：高低温循环试验箱