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1、 第一章绪论第一章绪论M E M S ( M i c r oE l e c t r i c M e c h a I l i c a lS ) ，s t e m ) 技术作为微电子学与微机械学相互融合的产物，借助于当代先进的大规模集成电路制造工艺，将多种光、机、电功能器件集成于一体，真正实现了传统意义上的光机电一体化、微型化、数字化和智能化，大大扩展了微电子技术的应用领域，实现了电子技术的新飞越，在多个领域都显示出广阔的应用前景。而事实上，随着机械、光、磁、声、流体、化学、生物等各物理域M E M S 器件研究的日益深入，M E M S 产品已经逐渐进入消费电子、汽车、通信、生物医疗、航天、国防
2、等各大应用领域，市场份额逐年递增，新发明、应用不断涌现，成为继微电子技术之后又- - f 具有强大渗透和革新能力的新兴技术【1 1 l 。然而，随着应用领域的日益广泛，M E M S 的可靠性问题也变得越来越突出，已经成为制约M E M S 产业进一步发展的重要因素。1 1M E M S 可靠性可靠性问题是在最近几年才开始受到重视的，在M E M S 的研发过程中，人们总是先把精力放在产品的设计、功能、可行性等等的考虑上，最后才考虑可靠性。然恧，可靠性的重要性并不是最后一位，它直接关系到产品的开发效率、成本和商业化进程【1 2 】。可靠性研究是一项迫切而又艰巨的任务。根据国家可靠性标准的定义，
3、可靠性是指“产品在规定条件下和规定对闽内完成规定功能的能力”。这里规定的条件所指内容很广，可以是产品的各种外部气候环境，也可以是产品承受一定热、电工作应力；规定的时间一般指所保证的时间，有时也表示次数、循环数或距离等：至于功能则随产品种类而异。高可靠性的产品是通过设计、制造出来的，而不是靠检验和筛选得到的，所以可靠性研究在产品的开发研究设计中有着很重要的作用。可靠性技术主要包括可靠性设计、制造可靠性、可靠性试验、可靠性管理和失效分析等【l 。3 】。( 1 ) 可靠性设计可靠性设计指的是在产品的设计阶段，除了要考虑满足性能和芯片的面积要求，还要考虑到可靠性指标要求。可靠性指标是根据器件本身特点
4、和使用环境来确定的。如果按照传统方法，待产品制成后，经过测试、分析发现了可靠性问题，再来解决，这样周期长、成本高，不符合大规模M E M S 器件生产的要求。所以在产品的设计阶段，充分考虑到产品的可靠性因素，使设计的产品满足使用需要。( z ) 制造可靠性保证在设计时所赋予产品的可靠性在加工中不被降低，为此采取一系列措施，如人员的培训、原材料的检验、设备的维护，以及对整个工艺进行实时监测，出现不合格时及时中止生产以减小损失，并寻找原因加以解决。( 3 ) 可靠性试验依据产品和使用环境，以及相应的测试标准，进行例行试验，如各种环境试验、机械试验、寿命试验和失效率鉴定试验等。( 4 ) 可靠性管理
5、对产品要有可靠性保证计划。实行统计过程控制，以保证产品的可靠性。对已经商业化产品，要有可靠性增长计划，不断提高产品的可靠性水平。要进行可靠性认证，贯彻国( 军)标。同时重视可靠性信息的收集、整理和反馈。5 ) 失效分析制定失效分析的步骤和方法，生产中出现了凌品，要及对进行分析，寻找失效原因，寻找措施加以改进和解决。同时要编写使用手册，帮助用户遵守正确的使用方法和操作步骤，防止人为因素造成的失效。1东南大学硕士学位论文1 2M E M S 可靠性设计1 2 1 可靠性设计的重要性当生产的产品功能与设计的一致时，可以说产品是可靠的，为了确保生产的产品能运行一定的时间，通常会使用以下两种方法【1 4
6、 】：在设计时预先考虑产品的可靠性；在产品设计、制造和封装完成以后，进行可靠性加速实验。传统的做法都是采用第二种方法，即在产品设计、制造和封装完成后进行可靠性测试，主要是在短时间内通过施加高温、高湿度、高电压和高强度等负荷来加速环境测试，如热循环、温湿循环和功率循环，从而加快失效的过程。这样一旦在测试中发现问题，整个产品就需要重新设计、制造、封装和测试，整个过程将耗去大量的时间和资金。图1 1 【1 5 】显示了尽早的考虑可靠性问题可以显著的降低成本，因此可靠性设计成为有效的手段。在系统制造和测试之前，完成进行预先设计的方法即为可靠性设计。此方法在设计产品时，就对各种可能的失效模式和机理加以预
7、测，通过选择适当的材料和改善工艺来优化设计，从而减小和消除可能的失效。g 掣 删旺 积 塾 媒图1 1 可靠性问题是产品开发整个过程中不可或缺的部分1 2 2 可靠性设计的系统方法可靠性设计需要在M E M S 器件设计之初就考虑到可靠性因素，并且纵贯器件开发的整个过程，涉及到M E M S 器件从设计到测试众多的方面，包括建模与仿真、设计与布板、制造工艺、封装以及测试。因此，条理清楚的系统方法对于M E M S 的可靠性设计是至关重要的，如图1 2 【1 5 1 所示，该方法包含的主要步骤依次为：通过模拟仿真( 解析、F E M ) 和实验验证确定影响产品寿命的重要材料2第一章绪论特性和结构
8、参数；了解失效机制背后的物理机理；建立可靠性模型；建立起提高产品可靠性的设计规则。 一D e s i g n r u l e s ( D e s i g nf o rR e l i a b i 畸r _ 设计规则( 可靠性设计)R e l i a b i l i t ym o d e l hL i f et i m em o d e l 可靠性模型V 形寿命模型D e p e n d e n c y ：m o d e lp a r a m e t e r sr 。、R e l i a b i l i t yp a r a m e t e r s 模型参数” 可靠性参数e m p i r i c
9、 a lF E M la n a l y t i c a l 经验有限元f解析D e t e r m i n a t i o no fs i g n i f i c a n tr e l i a b i l i t yp a r a m e t e r s ( m o d e lp a r a m e t e r s ) 确定重要的可靠性参数( 模型参数)A n a l y s i so fc r i t i c a lp o i n t sLD i s c l o s u r eo fc r i t i c a ls t r u c t u r e s_ 临界点分析_l 临界结构l T e
10、s tt of a i l u r e失效试验_l S t r e s sd i s t r i b u t o r s应力分布i D r i f tp h e n o m e n a漂移现象刀岭D e f o 玎I l a t 沁n形变l L i f et i m e几? m e a s u r e m e n t sT e s t i n gIF E M - m o d e lA n a l y t i c a llM o d e ll 寿命测量测试有限元模型解析模型l 。71 。一。71 。一 li 一 r 一 广 广 I E I 印试验验证1 1v证模拟州仰踊m 粉u l a t in
11、l1 3M E M SC A D图1 - 2M E M S 可靠性设计的系统方法M E M SC A D u 。引即M E M SC o m p u t e rA i d e dD e s i g n ( M E M S 计算机辅助设计) ，是M E M S 设计技术的一个重要分支。微电子机械系统尺度的缩小，集成化程度的提高，会导致工序增多，成本提高。对于一个如此复杂的系统，如果我们仍然按照传统的制造来验证设计的模式进行研制显然是不可行的【1 。这主要是因为制造、试验花费的时问长，费用高，而且所需测试设备一般都很复杂，价格昂贵，更何况大多数器件是非线性的，会涉及到复杂的多能域耦合问题【1 J
12、l ，这一系列因素使得人们对M E M S 进行计算机辅助设计的需求越来越迫切【l 9 】【1 1 0 】 I A I 】。M E M S 设计是一项复杂的工程，设计人员在进行系统设计时，通常希望在试制之前能够在计算机上先进行虚拟样机的结构设计，在这一过程中对M E M S 的各种参数进行优化，对其性能进行分析和计算，在设计阶段完成对各种设计方案的分析、优化和验证。这一过程体现了M E M SC A D 技术的意义所在：，( 1 ) 优化M E M S 结构与性能；( 2 ) 缩短M E M S 设计周期：( 3 ) 模拟制造过程、降低生产成本；( 4 ) 帮助理解一定范围内机械、电、磁、热等
13、能量之间的相互作用，为发明新的M E M S 器件3东南大学硕士学位论文奠定基础。M E M S 与传统机械和微电子系统在设计、加工上存在很大的差别，因此，M E M SC A D 的研究必须与此相适应，要遵循以下的一些原则：( 1 ) M E M S 技术是多种学科相互交叉，它涉及微电子学、微机械学、微动力学、微流体学、微热力学、材料学、物理学、生物学等，这些学科相互作用，共同构成了完整的体系，实现确定的功能。多能量域的耦合问题是M E M SC A D 所面临的最大挑战。( 2 ) M E M S 的制造目的是为了得到三维的几何结构，但一般的I CC A D 不提供自动生成三维模型的工具。
14、因此，作为联系掩膜、工艺和三维模型的桥梁，结构仿真器是M E M SC A D 所必须的。( 3 ) M E M S 的制造过程不仅会改变结构的几何轮廓，还会改变材料的性质，这将影响结构的电子和机械特性。因此，M E M SC A D 必须建立相应的材料特性数据库，并且可以根据工艺流程自动地将材料特性插人三维几何模型中。( 4 ) M E M S 器件在几何上是复杂的三维结构，在物理上各种能量域相互耦合。计算中不仅要进行结构内部的量化分析，还要进行结构外部的各种场的分析( 如电场、流场等) 。这些分析的计算量大，不仅耗时长，而且要求有较大的内存。因此，M E M SC A D 需要以快速有效的
15、算法为基础。 利用C A D 工具进行M E M S 设计，既节约时间，又降低了成本，大大缩短了器件从产品构思到产业化的整个进程：通过将C A D 仿真结果与实测结果比较，可以加深对器件工作原理的认识，从而提出优化方案；C A D 工具还能帮助理解一定范围内机械、电、磁、热等能量之间的相互作用，为发明新的M E M S 器件奠定基础。1 4 本论文工作M E M S 技术作为一种多学科交叉技术，其可靠性问题十分复杂，涉及微电子学、力学、机械科学、材料科学以及概率与统计等等众多学科，这要求相关的研究者和工程技术人员要具有多学科的知识背景。因此，开发面向M E M S 器件可靠性设计的计算机辅助系
16、统来部分承担其中的某些工作，可以一定程度的降低可靠性设计工作的难度，减少工程技术人员的工作量，提高工作效率。然而，目前的M E M SC A D 软件大都以设计版图、器件结构、优化器件性能、模拟制造过程为主要目标，鲜有考虑器件可靠性方面的因素。本论文旨在为M E M S 器件可靠性的计算机辅助分析工作做一些尝试，开发针对可靠性建模与仿真的计算机分析软件，以期为M E M S 的可靠性设计提供一个辅助工具，减轻相关工作的负担，提高工作效率，从而为缩短产品的开发周期，降低其开发成本发挥一定的作用。该软件以东南大学M E M S 实验室可靠性研究的部分成果为理论基础，以s 1 豫lC H 和M A T L A B为开发工具，在W i n d O W S 平台上进行开发。它的主要功能模块包括响应分析、可靠度分析以及封装效应分析几大部分，并且引入了基于工艺模拟的断裂可靠度预测方法，利用V C + + 对A N S Y S 的封装技术开发了相应的计算子模
