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)。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。而相對于工藝的迅速發(fā)展，MEMS可靠性的研究落后了很多。目前MEMS可靠性的評估方法在行業(yè)內(nèi)還沒有標(biāo)準(zhǔn)化，工廠針對MEMS產(chǎn)品也僅有PCM參數(shù)測量。沒有可行的可靠性測試方法，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)理研究和可靠性評價(jià)體系的完備，這些可靠性評價(jià)經(jīng)驗(yàn)在預(yù)測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。

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)針對關(guān)鍵工藝參數(shù)的可靠性測試方法。

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，而且具有較高的測量精度、較低的功耗和極低的成本。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 。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)和良好的彈性來進(jìn)行力電變換。

華潤上華（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。

圖1 硅壓阻式MEMS壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

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)。

2 測試結(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。我們在圓片上設(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，它們在硅膜上組成惠斯頓電橋，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，若對電橋加激勵(lì)電源，便可得到與被測壓力成正比的輸出電壓，從而達(dá)到測量壓力的目的。

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。

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12h、48h和168h后，測試零位輸出電壓（Voff） 。通過與初始零位輸出電壓的對比，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168h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。

圖3 高溫存儲(chǔ)Voff變化圖（125 ℃和168h）

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24h、72h和168h后，測試零位輸出電壓（Voff）。通過與初始零位輸出電壓的對比，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% 168h）

對比不同時(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168h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72h后，分別測試器件在40kPa～100kPa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72h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。

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

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，然后測試器件在40kPa～100kPa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24h為一個(gè)循環(huán)周期，連續(xù)循環(huán)6次，然后測試器件在40kPa～100kPa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32倍的工作電壓下持續(xù)過電壓1min，然后測試器件在40kPa～100kPa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2atm下老化24h后，分別測試器件在40kPa～100kPa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。

對比論文中所有的測試發(fā)現(xiàn)，壓力MEMS器件對壓力過載試驗(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。