微加速度计在温度、湿度、振动三综合环境下的失效机理分析

1 引言

        长期以来，人们对产品进行环境模拟试脸时，大多采用单项环境的试验方法，即在某一时间内只对一种产品施加一项环境条件，如单项湿度试验、单项冲击试验等，很少在某一时间内同时对一种产品施加两项以上环境条件。实践表明，单项环境试验方法不能在研制和生产阶段有效的筛选出有各类潜在缺陷的产品，也就是说，通过单项环境试验可靠性很高的产品，在使用中仍然不断出现故障，其实际可靠性很低，前者与后者之比可达到20:1[1]。最近十余年来，国外致力研究新的环境试验方法以提高产品的可靠性。在国内，在可靠性强化试验的理念上，拓展了国外关于可靠性强化试验仅能在气动式试验设备上进行的狭义概念，提出可借鉴强化试验的激发理念采用常规试验设备实施可靠性强化试验。图1是在环境应力筛选中各种应力对缺陷激发能力的比较图，是对10种应力的筛选效果进行有限调查统计得出的，有一定的代表性。它说明温度循环和随机振动是最有效的激励应力。温度、湿度、振动三者关系比较密切，另一方面是这三种环境应力作用时间长，引起的破坏比较多。例如一份研究报告指出，在总的破坏中，温度占40%，振动占27%，潮湿占19%[2]。可见它们在设备元部件破坏总数中占了很大比例。

        因此，把温度循环、湿度和随机振动作为最为有效的激发应力进行可靠性试验，来真正高效地激发微加速度计的潜在缺陷。
 

图1 环境应力筛选中对各种应力激发能力的比较

2 微加速度计在温、湿、振三综合环境下失效机理

        通过进行三综合试验发现微加速度计在温、湿、振三综合环境下的主要的失效模式是梁的断裂、粘附。

2.1 温度对微加速度计失效的影响

        一个完整的压阻式硅微加速度传感器多数是由不同的材料构成，有金或铝、硅和玻璃等。这些材料的热膨胀系数不相同，一旦温度发生变化，就会在不同的材料的交界面产生压缩或拉伸应力，这个压缩或拉伸应力属于微加速度计的内部应力。由于外界温度环境条件的影响使得加速度计的内部应力增加了。

        本论文研究的压阻式微加速度计是通过体硅工艺加工制造的。主要工艺包括光刻、薄膜淀积、离子注入和干湿法等。由于加工工艺的影响，致使加工好的微加速度计不可避免的会有残余应力。残余应力根据方向的不同可将其分为拉应力和压应力，如图2所示。显然残余应力也属于加速度计器件的内部应力。

图2 不同方向的残余应力

        通过上述分析可知：当微加速度计不受外界环境条件影响时，器件的内部应力仅有残余应力；而当微加速度计受到温度应力作用的时候，由于构成器件的不同材料的热膨胀系数不同而产生了新的内部应力。所以温度应力在一定程度上劣化了残余应力对微加速度计的影响，增加了微加速度计的内部应力。

2.2 振动对微加速度计失效的影响

        引起加速度计发生失效的主要失效机理是振动产生的应力大于加速度计的屈服强度和长时间的振动使结构产生疲劳而断裂[3]。

        随着随机振动频率的增大，加速度计的响应越来越大，加速度计的输出越大，短时间的随机振动几乎没有对微加速度计造成损伤，当振动的时间延长之后，微加速度计的悬臂梁处发生了断裂失效，如图3所示。

图3 振动导致加速度计的结构发生破坏

2.3 湿度对微加速度计的影响

        微平面表面水气的冷凝会导致结构的残余应力的增加[4]。如果这两个表面相互接近的话，它们之间相对湿度的增大将导致毛细力的增大，进而导致结构发生变形，最终导致结构发生粘附。如图4
 

                              图4 加速度计粘附的示意图

2.4 施加温度、湿度、振动三综合应力对微加速度计的影响

        在进行温度、湿度、振动3种应力同时施加的综合试验时，从故障发生的机理来说，进行温度循环的产品内部由于材料热膨胀系数的差异发生伸缩,在结合部位发生松动分离[5]，这时如果施加湿度，潮气就会从缝隙间侵入，使结合部和连接处的摩擦系数降低，使接合面的作用能增大，因为表面互作用能与两表面之间的距离有关，因此，两表面的表面粗糙度很大程度地影响着表面互作用能的大小。表面互作用能随着表面粗糙度的增大而快速减少。同时，研究还发现，温度和相对湿度对黏附的产生以及表面互作用能的大小也有很大的影响。从图5可以看到，对应着不同的相对湿度，表面互作用能随着温度的升高有所减少。从图6中可以看到在高、低温度时，表面互作用能随着相对湿度对增大而增大。与此同时施加振动应力，相对于特定的频率，产品的共振现象还会发生。像这样通过运动吸湿、冻结、共振的反复过程，使新的失效模式（由大幅度加速的单独因子失效模式和3种因子综合的相叠加效果引起的）的出现成为可能。
 

图5 温度对表面互作用能的影响

图6 相对湿度对表面互作用能的影响

        粘附引起器件失效的现象普遍存在。它是指两个光滑表面相接触时，在表面力的作用下彼此粘连在一起的现象。这里所指的表面力可以是范德华瓦尔斯力、表面张力、毛细管力、静电吸附力等。研究表明，对于疏水表面，起主导作用的粘附力是范德华瓦尔斯力。范德华瓦尔斯力引起的粘附发生于两接近的平面，而非接触的表面，并随着间距平方的变化急剧变化。而在腐蚀释放结构后的烘干工艺过程中，毛细管力起着主要作用。

        在MEMS的加工和工作过程中，微悬臂梁等机械可动件因相对运动使器件中的间隙处于微米/纳米量级时，就会产生粘附问题。粘附一般可分为释放有关粘附和使用中粘附。

        释放有关粘附是指用氢氟酸腐蚀牺牲层、释放多晶硅微结构、干燥时，由于硅片表面薄层水的表面张力使两片亲水、间隙在微米/纳米数量级的硅片粘合。

        在体硅溶片工艺和各种表面工艺中，当水或其他液体烘干挥发时，会因为表面张力的作用使两个相邻的表面有彼此靠近甚至相互接触的趋势。因此，这里的粘附与水有关，器件受湿影响，粘附功随湿度增加而增加。解决释放有关粘附可以采用绝缘薄膜作抗粘合薄膜，同时要采用气密性封装，并且能防潮和防止微粒玷污。但是绝缘膜静电积累有可能引起因静电或分子间引力而粘合。

        除了水的表面张力外，硅表面的化学状态对微结构间的粘合程度也有很大影响：表面氧化层厚度大、水接触角小、梁分开长度短、粘合功大，就容易粘合；反之，就不易发生粘附现象。

        使用中粘附就是一种因为硅表面的化学状态引起的粘合现象，它发生在器件封装之后，当输入信号过冲（受到外力冲击或致动力）时，由于硅片表面的化学状态使硅片发生粘合。

粘附问题的解决

        早期减少粘附的方法是使表面粗糙化，以减少实际的接触面积。具体的方法有：长一层热氧化层，再干法腐蚀。现在，一般采用的方法如下

1） 无黏附设计

        在机械元件的底部或边上设计纹膜结构。这样就减少了接触面积与粘附力。

2） 超临界烘干

        在结构释放工艺过程中采用超临界烘干可减少粘附的影响。但是这种方法也存在问题：在结构释放、冲击、振动等环境条件下的粘附减少了，但是，在平常工作的条件下，机械元件可能会相互接触并黏附于一起，因此仍然存在失效。

3） 疏水表面单层

        表面单层可用于降低表面的粘附力。SAM覆盖膜通过提供一层钝化层来降低表面黏附能量。

3 结论

        分析了在温度、湿度、振动应力条件下，微加速度计发生断裂和粘附的失效机理，在这三种应力条件同时施加下使缺陷加速暴露出来，缩短了试验时间。在温度、湿度、振动三种应力下是否还有新的失效模式产生还有待研究。