MEMS器件典型失效机理
失效分析 赵工 半 MEMS器件典型失效机理
失效分析 赵工 半导体工程师 2021-12-17 10:11
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#传感器10个内容#
#mems4个内容#
#工程师87个内容#
#芯片173个内容#
引言
微机电系统（MEMS：Micro-Electro-mechanical System）是基于微电子技术和超精密机械加工技术而发展起来的，将传感器、执行器、机械机构、信息处理和控制电路等集成于一体的集成微型器件或系统，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。
与传统的器件相比，其具有可大批量生产、成本低、功耗少和集成化程度高等显著的特点。常用的MEMS器件包括加速度、压力、化学、流体传感器，以及微镜、陀螺仪等，广泛地应用于消费电子、通信、航空、汽车、生物医疗、家电和环境等领域。
然而，随着应用领域的日益广泛，MEMS器件需在各种恶劣的环境下完成传感、执行等功能，因此其可靠性问题变得越来越突出，已经成为了制约MEMS产业进一步发展的重要因素。
1、MEMS典型的失效机理
通用的MEMS器件中的部件主要有结构梁、结构薄膜、平层、铰链、空腔和齿轮装置等。虽然MEMS器件的应用非常广泛，但在特定的环境条件下，其部件经常会经历相同的退化或失效模式。本文详细地讨论了MEMS器件中常见的失效模式及其失效机理，主要包括粘附、磨损、金属蠕变、脆性断裂、分层和碎屑污染。
1.1 粘附
粘附失效是MEMS中最常见且无法避免的问题之一。MEMS的尺寸微小，其可动结构部件由微米级的薄膜加工而成，比表面积大大地增加。根据比例定律，当表面力占主导作用时，会使得结构部件表面在接触时很容易发生粘附而导致器件失效（如图1所示）。MEMS中主要的表面力是毛细力、分子范德华力和静电力。

图1 梳齿驱动器的粘附失效SEM图
在湿度环境中，封装后的MEMS器件若因封装密封性不好使其悬臂梁暴露在空气中，水汽会因毛细凝聚作用自发地凝聚在表面微小的空隙或空洞中，形成水弯月面。
由于分子范德华力的作用，梁上下表面出现应力差，导致悬臂梁发生弯曲。当梁面与其他表面接触时，水弯月面产生的毛细力使接触面相互吸引（如图2所示），而曲面又使得表面毛细力增强，最终导致界面粘附失效。
MEMS结构表面的粗糙度越大，就意味着可凝聚的水汽越多，表面之间发生粘附的几率也就越大。因毛细效应引起的粘附问题可以通过一 https://t.cn/A6xmXJYi
失效分析 赵工 半 MEMS器件典型失效机理
失效分析 赵工 半导体工程师 2021-12-17 10:11
收录于话题
#传感器10个内容#
#mems4个内容#
#工程师87个内容#
#芯片173个内容#
引言
微机电系统（MEMS：Micro-Electro-mechanical System）是基于微电子技术和超精密机械加工技术而发展起来的，将传感器、执行器、机械机构、信息处理和控制电路等集成于一体的集成微型器件或系统，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。
与传统的器件相比，其具有可大批量生产、成本低、功耗少和集成化程度高等显著的特点。常用的MEMS器件包括加速度、压力、化学、流体传感器，以及微镜、陀螺仪等，广泛地应用于消费电子、通信、航空、汽车、生物医疗、家电和环境等领域。
然而，随着应用领域的日益广泛，MEMS器件需在各种恶劣的环境下完成传感、执行等功能，因此其可靠性问题变得越来越突出，已经成为了制约MEMS产业进一步发展的重要因素。
1、MEMS典型的失效机理
通用的MEMS器件中的部件主要有结构梁、结构薄膜、平层、铰链、空腔和齿轮装置等。虽然MEMS器件的应用非常广泛，但在特定的环境条件下，其部件经常会经历相同的退化或失效模式。本文详细地讨论了MEMS器件中常见的失效模式及其失效机理，主要包括粘附、磨损、金属蠕变、脆性断裂、分层和碎屑污染。
1.1 粘附
粘附失效是MEMS中最常见且无法避免的问题之一。MEMS的尺寸微小，其可动结构部件由微米级的薄膜加工而成，比表面积大大地增加。根据比例定律，当表面力占主导作用时，会使得结构部件表面在接触时很容易发生粘附而导致器件失效（如图1所示）。MEMS中主要的表面力是毛细力、分子范德华力和静电力。

图1 梳齿驱动器的粘附失效SEM图
在湿度环境中，封装后的MEMS器件若因封装密封性不好使其悬臂梁暴露在空气中，水汽会因毛细凝聚作用自发地凝聚在表面微小的空隙或空洞中，形成水弯月面。
由于分子范德华力的作用，梁上下表面出现应力差，导致悬臂梁发生弯曲。当梁面与其他表面接触时，水弯月面产生的毛细力使接触面相互吸引（如图2所示），而曲面又使得表面毛细力增强，最终导致界面粘附失效。
MEMS结构表面的粗糙度越大，就意味着可凝聚的水汽越多，表面之间发生粘附的几率也就越大。因毛细效应引起的粘附问题可以通过一 https://t.cn/A6xmXJYi
李立高简介/李立高电话/李立高联系方式/李立高视频/李立高内训/李立高公开课/李立高论坛/李立高微博/李立高博客/李立高微信/李立高讲座/李立高手机
李立高讲师介绍
李立高 1989年毕业于北京邮电大学通信工程专业，
通信技术专业正教授，高级通信技术类培训师，通信
工程项目管理培训师，通信类高级职业岗位考评师。
中国通服（CCS）集团级通信技术、项目管理培训师
新加坡南洋理工学院访问学者
国家职业岗位线务技师考评员
国家职业岗位通信工程概预算资格认证考评员
国家职业岗位CAD绘图员资格认证考评员
职业成就：
曾经服务于邮电部武汉第三工程公司2年时间（1989-1991）、湖南长沙电信有限公司3年时间（1992-1995），先后任职通信工程建设施工员、通信线路工程专业设计室主任及通信电源维护负责人等，拥有各类通信工程项目设计、建设、施工、管理的领导力及专业经验。是中国通服（CCS)集团级通信技术、项目管理认证培训师，1992年获得通信工程概预算资格认证，1997年获得国家职业岗位线务技师考评员资格，2000年获得国家职业岗位CAD绘图员资格认证考评员；承担过100多个通信传输线路工程、通信电源工程、机房及建筑物空调工程、IDC工程及宽带接入网等工程的设计、施工及项目管理培训工作，培训过数千位企业员工，培训经验超过3000小时，培训效果获得企业的一致好评。
主编出版专业书籍、科研及培训基地建设：
先后主编出版通信类专业书籍10本：《通信电缆工程》（人民邮电出版社，2005年）、《光缆通信工程》（第1版）（人民邮电出版社，2005年）、《通信光缆工程》（第2版）（人民邮电出版社，2009年）、《通信光缆工程》（第3版）（人民邮电出版社，2016年）；《通信末端综合化维护教程》（北京邮电大学出版社，2008年）、《通信工程概预算》（第1版）（北京邮电大学出版社，2010年）、《通信工程概预算》（第2版）（北京邮电大学出版社，2015年）、《信息通信建设工程概预算编制》（北京邮电大学出版社，2018年）、《宽带通信末端装维教程》（北京邮电大学出版社，2012年）；《通信线路工程》（第1版）（西安电子科技大学出版社，2008年）、《通信线路工程》（第2版）（西安电子科技大学出版社，2015年）；在相关大学学报、计算技术等发表科研论文28篇；主持省部级科研课题3项；参与省级科研课题5项；主持和参与各类省级通信公司培训基地建设项目若干项。下面是部分专业书籍封面图片。
曾经为通信企业主讲过的主要课程：
《通信工程概预算编制高级培训》 （3天）（适合通信工程项目建设、项目管理及成本审计人员）
《通信建设工程审计高级培训》 （2天）（适合工程审计人员）
《通信工程施工组织设计与施工方案制定高级培训》（2天）（适合通信建设工程施工、管理人员）
《通信建设工程项目管理高级培训》 （2天）（适合工程管理人员）
《通信工程建设成本与安全生产管理技能提升培训》（4天）（适合工程建设、管理人员）
《UPS技术高级培训》 （5天）（适合通信电源技术人员）
《直流高压电源技术培训》 （2天）（适合通信电源技术人员）
《室内覆盖技术培训》 （2天）（适合工程技术人员）
《通信机楼规划建设及机房资源管理培训》（2天）（适合工程建设管理人员）
《通信机楼节能减排技术培训》 （2天）（适合工程建设管理人员）
《线路维护管理人员高级培训》 （8天）（适合通信传输线路基层主管）
《光缆线路建设施工与运行维护技术高级培训》（8天）（适合基层传输、线务主管）
《通信工程造价计价与务实》 （3天）（适合项目管理与工程审核人员）
《通信电源建设综合技能提升》 （4天）（适合电源建设管理与维护人员）
《项目管理实战高级培训》 （2天）（适合通信工程项目管理人员）
《室内覆盖项目管理高级培训》 （3天）（适合室分工程项目建设与管理人员）
《局方土建设计及施工阶段项目管理高级培训》 （4天）（适合通信企业土建项目建设与管理人员）
《通信建设工程定额高级培训》 （2天）（适合工程建设人员）
《通信光/电缆线路工程高级培训》 （4天）（适合传输线路工程建设、管理人员）
《移动通信基站工程建设高级培训》 （5天）（适合工程建设、维护人员）
《通信线路工程测试与维护高级培训》（3天）（适合线路维护、测试、排障人员）
《数据通信机房建设高级培训》 （3天）（适合工程施工建设人员）
《高压柴油固定发电机技术高级培训》（2天）（适合通信电源工程人员）
《PTN技术》 （2天）（适合传输技术人员）
《IDC机楼空调类培训大纲》（ 2天）
《数据中心大机电、小机电及集成等培训》（3天）
《数据中心行业发展趋势、建设、智能化等培训》（3天）
《水冷（空调）系统维护培训》（5天）
《数据中心暖通系统运维及能效管理培训》（2天）
《IDC数据机房冷源空调系统维护》（3天）
《基于空气组织优化的全空调系统高级培训》（2天）（适合通信电源工程人员）
《量子通信技术高级培训》 （2天）（适合通信技术人员）
《家宽网络设计、安装、测试与 维护高级培训》（4天）（适合通信建设工程人员）
《通信电力基础设施运维人员专项培训》（10天）（适合通信电源工程技术人员）
李立高讲师介绍
李立高 1989年毕业于北京邮电大学通信工程专业，
通信技术专业正教授，高级通信技术类培训师，通信
工程项目管理培训师，通信类高级职业岗位考评师。
中国通服（CCS）集团级通信技术、项目管理培训师
新加坡南洋理工学院访问学者
国家职业岗位线务技师考评员
国家职业岗位通信工程概预算资格认证考评员
国家职业岗位CAD绘图员资格认证考评员
职业成就：
曾经服务于邮电部武汉第三工程公司2年时间（1989-1991）、湖南长沙电信有限公司3年时间（1992-1995），先后任职通信工程建设施工员、通信线路工程专业设计室主任及通信电源维护负责人等，拥有各类通信工程项目设计、建设、施工、管理的领导力及专业经验。是中国通服（CCS)集团级通信技术、项目管理认证培训师，1992年获得通信工程概预算资格认证，1997年获得国家职业岗位线务技师考评员资格，2000年获得国家职业岗位CAD绘图员资格认证考评员；承担过100多个通信传输线路工程、通信电源工程、机房及建筑物空调工程、IDC工程及宽带接入网等工程的设计、施工及项目管理培训工作，培训过数千位企业员工，培训经验超过3000小时，培训效果获得企业的一致好评。
主编出版专业书籍、科研及培训基地建设：
先后主编出版通信类专业书籍10本：《通信电缆工程》（人民邮电出版社，2005年）、《光缆通信工程》（第1版）（人民邮电出版社，2005年）、《通信光缆工程》（第2版）（人民邮电出版社，2009年）、《通信光缆工程》（第3版）（人民邮电出版社，2016年）；《通信末端综合化维护教程》（北京邮电大学出版社，2008年）、《通信工程概预算》（第1版）（北京邮电大学出版社，2010年）、《通信工程概预算》（第2版）（北京邮电大学出版社，2015年）、《信息通信建设工程概预算编制》（北京邮电大学出版社，2018年）、《宽带通信末端装维教程》（北京邮电大学出版社，2012年）；《通信线路工程》（第1版）（西安电子科技大学出版社，2008年）、《通信线路工程》（第2版）（西安电子科技大学出版社，2015年）；在相关大学学报、计算技术等发表科研论文28篇；主持省部级科研课题3项；参与省级科研课题5项；主持和参与各类省级通信公司培训基地建设项目若干项。下面是部分专业书籍封面图片。
曾经为通信企业主讲过的主要课程：
《通信工程概预算编制高级培训》 （3天）（适合通信工程项目建设、项目管理及成本审计人员）
《通信建设工程审计高级培训》 （2天）（适合工程审计人员）
《通信工程施工组织设计与施工方案制定高级培训》（2天）（适合通信建设工程施工、管理人员）
《通信建设工程项目管理高级培训》 （2天）（适合工程管理人员）
《通信工程建设成本与安全生产管理技能提升培训》（4天）（适合工程建设、管理人员）
《UPS技术高级培训》 （5天）（适合通信电源技术人员）
《直流高压电源技术培训》 （2天）（适合通信电源技术人员）
《室内覆盖技术培训》 （2天）（适合工程技术人员）
《通信机楼规划建设及机房资源管理培训》（2天）（适合工程建设管理人员）
《通信机楼节能减排技术培训》 （2天）（适合工程建设管理人员）
《线路维护管理人员高级培训》 （8天）（适合通信传输线路基层主管）
《光缆线路建设施工与运行维护技术高级培训》（8天）（适合基层传输、线务主管）
《通信工程造价计价与务实》 （3天）（适合项目管理与工程审核人员）
《通信电源建设综合技能提升》 （4天）（适合电源建设管理与维护人员）
《项目管理实战高级培训》 （2天）（适合通信工程项目管理人员）
《室内覆盖项目管理高级培训》 （3天）（适合室分工程项目建设与管理人员）
《局方土建设计及施工阶段项目管理高级培训》 （4天）（适合通信企业土建项目建设与管理人员）
《通信建设工程定额高级培训》 （2天）（适合工程建设人员）
《通信光/电缆线路工程高级培训》 （4天）（适合传输线路工程建设、管理人员）
《移动通信基站工程建设高级培训》 （5天）（适合工程建设、维护人员）
《通信线路工程测试与维护高级培训》（3天）（适合线路维护、测试、排障人员）
《数据通信机房建设高级培训》 （3天）（适合工程施工建设人员）
《高压柴油固定发电机技术高级培训》（2天）（适合通信电源工程人员）
《PTN技术》 （2天）（适合传输技术人员）
《IDC机楼空调类培训大纲》（ 2天）
《数据中心大机电、小机电及集成等培训》（3天）
《数据中心行业发展趋势、建设、智能化等培训》（3天）
《水冷（空调）系统维护培训》（5天）
《数据中心暖通系统运维及能效管理培训》（2天）
《IDC数据机房冷源空调系统维护》（3天）
《基于空气组织优化的全空调系统高级培训》（2天）（适合通信电源工程人员）
《量子通信技术高级培训》 （2天）（适合通信技术人员）
《家宽网络设计、安装、测试与 维护高级培训》（4天）（适合通信建设工程人员）
《通信电力基础设施运维人员专项培训》（10天）（适合通信电源工程技术人员）
德国的一家音频初创企业Arioso Systems公开了自己开发的一种新型微机电系统（MEMS）扬声器原型，这种MEMS扬声器不需要使用薄膜或是磁铁，在体积上有巨大优势。
根据该公司的介绍，MEMS扬声器是依靠一种纳米静电驱动器技术实现的，该技术使得MEMS扬声器在体积上能够与芯片媲美，让耳机体积更加小巧。
当前耳机的发声单元主要有薄膜、磁铁等组件构成，这些组件需要占用一定的体积，并且需要较大的功率进行推动，相比之下，MEMS扬声器的大小在10至20m㎡左右，厚度更是只有1至2mm，所需的功率也不大。
在用户关心的音质问题上，根据Arioso Systems的描述，虽然MEMS扬声器的体积不大，但是依旧能够达到120dB和一个相对优秀的音质。
根据该公司的介绍，MEMS扬声器是依靠一种纳米静电驱动器技术实现的，该技术使得MEMS扬声器在体积上能够与芯片媲美，让耳机体积更加小巧。
当前耳机的发声单元主要有薄膜、磁铁等组件构成，这些组件需要占用一定的体积，并且需要较大的功率进行推动，相比之下，MEMS扬声器的大小在10至20m㎡左右，厚度更是只有1至2mm，所需的功率也不大。
在用户关心的音质问题上，根据Arioso Systems的描述，虽然MEMS扬声器的体积不大，但是依旧能够达到120dB和一个相对优秀的音质。
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