1 引言

        長期以來，人們對產(chǎn)品進行環(huán)境模擬試臉時，大多采用單項環(huán)境的試驗方法，即在某一時間內只對一種產(chǎn)品施加一項環(huán)境條件，如單項濕度試驗、單項沖擊試驗等，很少在某一時間內同時對一種產(chǎn)品施加兩項以上環(huán)境條件。實踐表明，單項環(huán)境試驗方法不能在研制和生產(chǎn)階段有效的篩選出有各類潛在缺陷的產(chǎn)品，也就是說，通過單項環(huán)境試驗可靠性很高的產(chǎn)品，在使用中仍然不斷出現(xiàn)故障，其實際可靠性很低，前者與后者之比可達到20:1[1]。最近十余年來，國外致力研究新的環(huán)境試驗方法以提高產(chǎn)品的可靠性。在國內，在可靠性強化試驗的理念上，拓展了國外關于可靠性強化試驗僅能在氣動式試驗設備上進行的狹義概念，提出可借鑒強化試驗的激發(fā)理念采用常規(guī)試驗設備實施可靠性強化試驗。圖1是在環(huán)境應力篩選中各種應力對缺陷激發(fā)能力的比較圖，是對10種應力的篩選效果進行有限調查統(tǒng)計得出的，有一定的代表性。它說明溫度循環(huán)和隨機振動是最有效的激勵應力。溫度、濕度、振動三者關系比較密切，另一方面是這三種環(huán)境應力作用時間長，引起的破壞比較多。例如一份研究報告指出，在總的破壞中，溫度占40%，振動占27%，潮濕占19%[2]?？梢娝鼈冊谠O備元部件破壞總數(shù)中占了很大比例。

        因此，把溫度循環(huán)、濕度和隨機振動作為最為有效的激發(fā)應力進行可靠性試驗，來真正高效地激發(fā)微加速度計的潛在缺陷。
 

圖1 環(huán)境應力篩選中對各種應力激發(fā)能力的比較

2 微加速度計在溫、濕、振三綜合環(huán)境下失效機理

        通過進行三綜合試驗發(fā)現(xiàn)微加速度計在溫、濕、振三綜合環(huán)境下的主要的失效模式是梁的斷裂、粘附。

2.1 溫度對微加速度計失效的影響

        一個完整的壓阻式硅微加速度傳感器多數(shù)是由不同的材料構成，有金或鋁、硅和玻璃等。這些材料的熱膨脹系數(shù)不相同，一旦溫度發(fā)生變化，就會在不同的材料的交界面產(chǎn)生壓縮或拉伸應力，這個壓縮或拉伸應力屬于微加速度計的內部應力。由于外界溫度環(huán)境條件的影響使得加速度計的內部應力增加了。

        本論文研究的壓阻式微加速度計是通過體硅工藝加工制造的。主要工藝包括光刻、薄膜淀積、離子注入和干濕法等。由于加工工藝的影響，致使加工好的微加速度計不可避免的會有殘余應力。殘余應力根據(jù)方向的不同可將其分為拉應力和壓應力，如圖2所示。顯然殘余應力也屬于加速度計器件的內部應力。

圖2 不同方向的殘余應力

        通過上述分析可知：當微加速度計不受外界環(huán)境條件影響時，器件的內部應力僅有殘余應力；而當微加速度計受到溫度應力作用的時候，由于構成器件的不同材料的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生了新的內部應力。所以溫度應力在一定程度上劣化了殘余應力對微加速度計的影響，增加了微加速度計的內部應力。

2.2 振動對微加速度計失效的影響

        引起加速度計發(fā)生失效的主要失效機理是振動產(chǎn)生的應力大于加速度計的屈服強度和長時間的振動使結構產(chǎn)生疲勞而斷裂[3]。

        隨著隨機振動頻率的增大，加速度計的響應越來越大，加速度計的輸出越大，短時間的隨機振動幾乎沒有對微加速度計造成損傷，當振動的時間延長之后，微加速度計的懸臂梁處發(fā)生了斷裂失效，如圖3所示。

圖3 振動導致加速度計的結構發(fā)生破壞

2.3 濕度對微加速度計的影響

        微平面表面水氣的冷凝會導致結構的殘余應力的增加[4]。如果這兩個表面相互接近的話，它們之間相對濕度的增大將導致毛細力的增大，進而導致結構發(fā)生變形，最終導致結構發(fā)生粘附。如圖4
 

                              圖4 加速度計粘附的示意圖

2.4 施加溫度、濕度、振動三綜合應力對微加速度計的影響

        在進行溫度、濕度、振動3種應力同時施加的綜合試驗時，從故障發(fā)生的機理來說，進行溫度循環(huán)的產(chǎn)品內部由于材料熱膨脹系數(shù)的差異發(fā)生伸縮,在結合部位發(fā)生松動分離[5]，這時如果施加濕度，潮氣就會從縫隙間侵入，使結合部和連接處的摩擦系數(shù)降低，使接合面的作用能增大，因為表面互作用能與兩表面之間的距離有關，因此，兩表面的表面粗糙度很大程度地影響著表面互作用能的大小。表面互作用能隨著表面粗糙度的增大而快速減少。同時，研究還發(fā)現(xiàn)，溫度和相對濕度對黏附的產(chǎn)生以及表面互作用能的大小也有很大的影響。從圖5可以看到，對應著不同的相對濕度，表面互作用能隨著溫度的升高有所減少。從圖6中可以看到在高、低溫度時，表面互作用能隨著相對濕度對增大而增大。與此同時施加振動應力，相對于特定的頻率，產(chǎn)品的共振現(xiàn)象還會發(fā)生。像這樣通過運動吸濕、凍結、共振的反復過程，使新的失效模式（由大幅度加速的單獨因子失效模式和3種因子綜合的相疊加效果引起的）的出現(xiàn)成為可能。
 

圖5 溫度對表面互作用能的影響

圖6 相對濕度對表面互作用能的影響

        粘附引起器件失效的現(xiàn)象普遍存在。它是指兩個光滑表面相接觸時，在表面力的作用下彼此粘連在一起的現(xiàn)象。這里所指的表面力可以是范德華瓦爾斯力、表面張力、毛細管力、靜電吸附力等。研究表明，對于疏水表面，起主導作用的粘附力是范德華瓦爾斯力。范德華瓦爾斯力引起的粘附發(fā)生于兩接近的平面，而非接觸的表面，并隨著間距平方的變化急劇變化。而在腐蝕釋放結構后的烘干工藝過程中，毛細管力起著主要作用。

        在MEMS的加工和工作過程中，微懸臂梁等機械可動件因相對運動使器件中的間隙處于微米/納米量級時，就會產(chǎn)生粘附問題。粘附一般可分為釋放有關粘附和使用中粘附。

        釋放有關粘附是指用氫氟酸腐蝕犧牲層、釋放多晶硅微結構、干燥時，由于硅片表面薄層水的表面張力使兩片親水、間隙在微米/納米數(shù)量級的硅片粘合。

        在體硅溶片工藝和各種表面工藝中，當水或其他液體烘干揮發(fā)時，會因為表面張力的作用使兩個相鄰的表面有彼此靠近甚至相互接觸的趨勢。因此，這里的粘附與水有關，器件受濕影響，粘附功隨濕度增加而增加。解決釋放有關粘附可以采用絕緣薄膜作抗粘合薄膜，同時要采用氣密性封裝，并且能防潮和防止微粒玷污。但是絕緣膜靜電積累有可能引起因靜電或分子間引力而粘合。

        除了水的表面張力外，硅表面的化學狀態(tài)對微結構間的粘合程度也有很大影響：表面氧化層厚度大、水接觸角小、梁分開長度短、粘合功大，就容易粘合；反之，就不易發(fā)生粘附現(xiàn)象。

        使用中粘附就是一種因為硅表面的化學狀態(tài)引起的粘合現(xiàn)象，它發(fā)生在器件封裝之后，當輸入信號過沖（受到外力沖擊或致動力）時，由于硅片表面的化學狀態(tài)使硅片發(fā)生粘合。

粘附問題的解決

        早期減少粘附的方法是使表面粗糙化，以減少實際的接觸面積。具體的方法有：長一層熱氧化層，再干法腐蝕?，F(xiàn)在，一般采用的方法如下

1） 無黏附設計

        在機械元件的底部或邊上設計紋膜結構。這樣就減少了接觸面積與粘附力。

2） 超臨界烘干

        在結構釋放工藝過程中采用超臨界烘干可減少粘附的影響。但是這種方法也存在問題：在結構釋放、沖擊、振動等環(huán)境條件下的粘附減少了，但是，在平常工作的條件下，機械元件可能會相互接觸并黏附于一起，因此仍然存在失效。

3） 疏水表面單層

        表面單層可用于降低表面的粘附力。SAM覆蓋膜通過提供一層鈍化層來降低表面黏附能量。

3 結論

        分析了在溫度、濕度、振動應力條件下，微加速度計發(fā)生斷裂和粘附的失效機理，在這三種應力條件同時施加下使缺陷加速暴露出來，縮短了試驗時間。在溫度、濕度、振動三種應力下是否還有新的失效模式產(chǎn)生還有待研究。