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문제 정의
- 실리콘 재질은 일반적으로 피로 파괴에덜 취약한 것으로 알려져 있으나 박막 실리콘의 경우, 상온 대기 상태에서 주기적 하중이 가하여졌을 때 피로강도가 감소하는 것으로 알려져 있다.(|9)본 연구에서는 MEMS 자이로 센서 구조물인 콤 구조물의 피로 파괴 평가를 해석 하기 위하여, 자이로 칩을 PCB 에 부착한 후 패키징을 완료한 6 개의 자이로스코프 센서를 제작하여 동작수명 시험을 수행하였다. 자이로 콤을 공진 주파수인 8 kHz 에서 진동 시킨 후 1000 시간 동안 동작수명 시험을 수행하였으며, 이는 콤 구조물이 약 2.
- 이러한 여러 신뢰성문제 및 해결에 대해서는 아직 이해가 부족한 실정이며, 진공 패키징을 이용한 MEMS 자이로스코프 센서가 아직까지 양산화에 성공하지 못하는 이유이기도 하다. 본 논문에서는 웨이퍼 레벨 진공패키지의 파괴 메커니즘을 연구하고, 동시에 MEMS 자이로스코프 센서의 신뢰성을 향상시키기 위한 여러 기술을 제안하고자 한다.
- 본 연구에서는 양극 접합을 이용한 진공 패키지된 MEMS 자이로스코프 센서의 신뢰성 시험을 수행하였으며, 고장 모드 및 그 해결 방안에 대한연구를 수행하였다. 고온보전 시험 후에 발생한 Q 값의 저하는 주로 동공 내의 outgassing에 의하여 발생된다.
- 가령 캠코더와 같은 일반 전자제품의 경우 신뢰성 시험 항목은 기계적 스트레스(충격과 진동), 환경적인 스트레스(온도 및 습도, 열충격)와 동작 수명에 대한 것들이 있다. 본 연구에서는 위와 같은 신뢰성 스트레스 시험을 통하여 MEMS 자이로스코프 센서의 신뢰성 및 내구성을 검증하였다.
- 실리콘진동형 자이로스코프의 원리는 정전기적인 힘에 의해 구조물을 특정 방향으로 진동 시킨 상태에서 외부에서 검출하고자 하는 각회전(또는 각속도)이 주어지면, 진동의 직각 방향에 나타나는 코리올리힘(Coriolis force)이 작용하게 된다. 이때 코리올리힘에 의하여 작용된 진동을 관성체와 전극 사이의 정전 용량 변화를 통해 외부에서 가해진 각회전의 정도를 측정하는 것이다. 진동형 자이로스코프의 감도를 향상시키기 위해서는 가진 방향의 고유진동수와 측정 방향의 고유진동수를 일치시키고 댐핑이 적어야 한다.
제안 방법
- 않았다. 다음에는 개별 자이로 칩을 ASIC 칩과 함께 와이어 본딩을 이용하여 PCB 보드에 연결한 후 DIP (dual in-line) 메탈 패키징한 자이로스코프 센서에 대하여 충격 시험을 실시 하였으며, 센서의 주파수 변화 및 육안 관찰을 통하여 신뢰성을 검증하였다. 기존 캠코더의 신뢰성 시험 기준에 따라 자이로 센서를 캠코더에 장착한 후, 높이 20cm 에서각 면당 3 회씩 총 18 회 낙하를 실시하였으며, 시험한 4개의 샘플로부터 센서의 감도 및 위상 지연 등의 성능을 나타내는 인자들을 측정한 결과, 시험 전후 성능에 큰 차이가 없는 것으로 확인되었으며 변화량은 시험오차 범위 미만임을 확인하였다.
- 따라서 본 연구에서 helium leak detector 로서는 누설이 발생되었는지를 확인할 수는 없었다. 다음으로 환경시험 후에 동공 내에 outgassing이 발생되었는지를 조사하였다. 동공 내의 outgassing 분석은 TPD-MS 를 이용하여 측정하였으며, 기존 사용된 웨이퍼에서 자이로 칩을 선별하였다.
- 다음으로 환경시험 후에 동공 내에 outgassing이 발생되었는지를 조사하였다. 동공 내의 outgassing 분석은 TPD-MS 를 이용하여 측정하였으며, 기존 사용된 웨이퍼에서 자이로 칩을 선별하였다. 그 결과가 Table 2 에 나타나 있다.
- 그 다음 압력 챔버 내의 압력을 4 bar 까지 증가시켜 4 시간 동안 상온에서 방치한다. 방치 후 자이로 칩을 꺼내어 Veeco MS50 mass spectrometer 를 이용하여 칩에서 누설되는 헬륨의 누설량을 측정하였다. 상용된 누설측정 장비의 측정 한계는 3x10'" atm-cc/sec (또는 1.
- 결과가 Table 3 에 나타나 있다. 상온에서 600℃ 까지 온도를 증가시키면서 웨이퍼에서 발생되는 outgassing 의 양을 측정하였다. 웨이퍼에서 발생된 outgassing 의 성분은 주로 HjO 이였으며, CO2, C3H5 및 기타 유기 오염 물질이었다.
- Table 4 는 동공 내부의 유리 웨이퍼 표면에 Ti/Au 코팅을 한 후 outgassing 의 양을 즉정한 결과로서 outgassing 의 양이 큰 폭으로 감소하였음을 알 수 있다. 실리콘 워)이퍼 및 유리 웨이퍼를 400℃ 에서 1시간 동안 pre-baking 시킨 후, 동공 내의 유리 표면에 Ti/Au 코팅막을 형 성 하여 자이로 칩을 제작하여 500 시간 동안 고온보전 시험을 실시하였으며 그 결과가 Fig. 5 에 나타나 있다. 고온보전 시험 전/후의 Q 값의 변화가 매우 미미하여 자이로 칩의 진공도 유지가 매우 향상되었음을 알 수 있었다.
- TPD-MS 분석의 원리는 밀폐된 챔버 내의 특수 전용 지그를 설치한 후, 실온에서 샘플을 파괴하여 방출된 기체를 연속적으로 질량분석계에 통과시켜 기체의 질량수마다 농도 변화를 시간 함수로 분석하는 기법으로, 가스 발생량의 정량 분석이 가능하였다. 실제 즉정은 동공 내에서 발생되는 outgassing 의 양이 너무 작기 때문에 챔버 내에 4개의 샘플을 동시 에 넣고 실온에서 파괴하여 outgassing량을 즉정하였다.
- 350 gm 였다. 우선 자이로스코프 구조물을 보호하고 진공 상태로 만들기 위하여, Fig. 1 과 같이 안쪽에는 동공(cavity)을 형성시켰고 자이로스코프 구조물과 외부에 전기적 배선을 연결하기 위한 통로로 상판의 윗면에는 배선 구멍(via hole)을 형성시켰다. 유리 웨이퍼의 동공 및 배선 구멍은 샌드블라스팅(sandblasting) 공정을 이용하여 가공하였다.
- 1 과 같이 안쪽에는 동공(cavity)을 형성시켰고 자이로스코프 구조물과 외부에 전기적 배선을 연결하기 위한 통로로 상판의 윗면에는 배선 구멍(via hole)을 형성시켰다. 유리 웨이퍼의 동공 및 배선 구멍은 샌드블라스팅(sandblasting) 공정을 이용하여 가공하였다. 이렇게 제작되어진 자이로스코프 구조물 웨이퍼와 상부 유리 웨이퍼를 정렬(align)한 후 진공 챔버 내에 안착하였다.
- 자이로 칩에서 사용된 웨이퍼, 즉 SOI와 유리웨이퍼 자체에서 어느 정도의 outgassing이 발생되는 지를 알기 위하여 실리콘 및 유리 웨이퍼의 outgassing 을 TPD-MS 를 이용하여 측정하였으며 그결과가 Table 3 에 나타나 있다. 상온에서 600℃ 까지 온도를 증가시키면서 웨이퍼에서 발생되는 outgassing 의 양을 측정하였다.
- (|9)본 연구에서는 MEMS 자이로 센서 구조물인 콤 구조물의 피로 파괴 평가를 해석 하기 위하여, 자이로 칩을 PCB 에 부착한 후 패키징을 완료한 6 개의 자이로스코프 센서를 제작하여 동작수명 시험을 수행하였다. 자이로 콤을 공진 주파수인 8 kHz 에서 진동 시킨 후 1000 시간 동안 동작수명 시험을 수행하였으며, 이는 콤 구조물이 약 2.8x10'° 번 진동하는 것에 해당한다. 피로 파괴의 발생 여부는 시험 시 주기적으로 자이로 센서의 공진 주파수의 변화를 측정함으로써 판단하였다.
- (23, 24)연구 결과에 의하면 MEMS 소자는 매우 취약해 보이지만, MEMS 구조물 자체의 질량이 매우 작기 때문에 충격에도 매우 강건하며, 진동에 의하여 가해진 응력으로 인한 재질의 파괴 현상도 미미하다고 알려져 있다. 자이로스코프 센서의 충격에 대한 강건성을 관찰하기 위하여 자유 낙하시험 및 진동 시험을 각각 수행하였다.
- 진공 패키지된 자이로 칩의 진공도는 Q 값 외에 누설량 및 동공 내의 outgassing 을 측정하여 평가하였다. 누설량의 측정은 미세소자의 누설시험에 주로 사용되는 helium leak detector 를 사용하였으며, 미세소자의 밀봉 특성을 평가하는 규격인 MIL-STD-750D 규격을 기준으로 평가하였다.
- 진동 시험은 최대 진폭이 1.5 mm 인 일정 진폭을 가하고 10~55Hz 의 주파수로 1 분 이내에 가변하면서, X, Y, Z 축의 3 방향으로 40 분씩 2 시간 동안 실시한 후 시험 전후의 자이로 칩의 주파수를 측정하여 보았다. 시험 결과 주파수의 변화는 1% 미만으로 매우 미미하였다.
- 이렇게 제작되어진 자이로스코프 구조물 웨이퍼와 상부 유리 웨이퍼를 정렬(align)한 후 진공 챔버 내에 안착하였다. 챔버 내의 진공도를 5xl0'5 Torr 로 한 후 양극 접합(anodic bonding)을실시하였다. 양극 접합을 위하여 웨이퍼에 온도를 올리면서 전압을 가하였다.
- 7 과 같이 자이로스코프 구조물의 변위가 최대일 때 구동 스프링 부분에서 발생하게 된다. 피로 파괴 평가를 위한 최대 응력을 계산하기 위해, Fig. 8 과 같이 구동 스프링을 포함하는 국소 모델을 사용하여 최대 스프링 변위 경계 조건이 3, 6, 9 gun로 각각 주어졌을 경우에 대해 해석을 수행하였다. 해석의 정확성을 위해 육면체 요소를 사용하여 요소 생성을 하였다.
- 8x10'° 번 진동하는 것에 해당한다. 피로 파괴의 발생 여부는 시험 시 주기적으로 자이로 센서의 공진 주파수의 변화를 측정함으로써 판단하였다. 시험 결과 1000 시간의 동작수명 시험 중이나 시험 후에 공진 주파수의 변화가 2 Hz 미만으로 측정오차 이하이므로 주파수의 변화는 없음을 알 수 있었으며 그 결과가 Fig.
- 해석의 정확성을 위해 육면체 요소를 사용하여 요소 생성을 하였다. 해석 수행시, 각 성분 별 응력, 주응력 그리고 등가 응력에 대한 응력 분포를 구하였으며 각 주어진 최대 진폭 조건에 대한 응력값을 구하였다. 해석 결과, 최소 압축 응력은 구동부 스프링 사이의 연결부에서 최 대 변위 9 pm 인 경우 -540 MPa 로 나왔으며 , 최대 인장 응력은 구동부 스프링과 자이로스코프 구조물의 연결 부위에서 동일 변위에 대해 524 MPa 로 계산이 되었다.
- 8 과 같이 구동 스프링을 포함하는 국소 모델을 사용하여 최대 스프링 변위 경계 조건이 3, 6, 9 gun로 각각 주어졌을 경우에 대해 해석을 수행하였다. 해석의 정확성을 위해 육면체 요소를 사용하여 요소 생성을 하였다. 해석 수행시, 각 성분 별 응력, 주응력 그리고 등가 응력에 대한 응력 분포를 구하였으며 각 주어진 최대 진폭 조건에 대한 응력값을 구하였다.
- 환경시험 후에 누설이 발생되었는지를 파악하기 위하여 누설시험을 수행하였다. Table 1 은 동일 웨이퍼에서 나온 10 개의 자이로 칩에 대한 고온보전 시험 전/후의 Helium leak detector 에 의해 검출된 누설량을 나타내고 있다.
대상 데이터
- 있다.°問 MEMS 자이로스코프의 구조물은 SOI(Silicon On Insulation) 웨이퍼를 이용하여 제작하였다. SOI 웨이퍼 전체 두께는 500um 이고 절연증(insulation layer)으로 사용된 산화막의 두께는 3 pm 이다.
- 자이로스코프 구조물의 패키징을 위한 상부 웨이퍼는 실리콘과 열팽창 계수 차이가 상대적으로 적은 Coring Pyrex 7740 유리(glass)를 사용하였으며, 두께는 350 gm 였다. 우선 자이로스코프 구조물을 보호하고 진공 상태로 만들기 위하여, Fig.
이론/모형
- 누설량의 측정은 미세소자의 누설시험에 주로 사용되는 helium leak detector 를 사용하였으며, 미세소자의 밀봉 특성을 평가하는 규격인 MIL-STD-750D 규격을 기준으로 평가하였다. 우선 자이로 칩을 압력 챔버에 위치시킨 후 칩 외부의 오염물질의 영향을 최소화하기 위하여 헬륨을 일정 기간 흘린다.
- 동작수명 시험에 대한 결과를 검증을 위하여 마이크로 자이로스코프의 동작 시 콤 구조물에 발생하는 최대 응력을 유한요소법을 이용하여 구하였다. 마이크로 자이로스코프의 동작은 자이로스코프 구조물이 구동 스프링에 연결 되어 일정한 진폭으로 선형 왕복 운동을 하게 되며, 구조물의 최대 응력은 Fig.
- 진공 패키지된 자이로 칩 내부의 outgassing 분석은 Temperature Programmed Desorption - Mass Spectrometry(TPD-MS)를 사용하였다. TPD-MS 분석의 원리는 밀폐된 챔버 내의 특수 전용 지그를 설치한 후, 실온에서 샘플을 파괴하여 방출된 기체를 연속적으로 질량분석계에 통과시켜 기체의 질량수마다 농도 변화를 시간 함수로 분석하는 기법으로, 가스 발생량의 정량 분석이 가능하였다.
성능/효과
- 즉, 댐핑 상수는 밀봉된 소자의 진공도와 밀접한 관계가 있으며, 결국 진공도의 변화는 Q 값과 밀접한 관계가 있다.(3) 사용 환경 중에 Q 값 또는 주파수가 변하게 되면 자이로스코프의 성능 인자인 감도 및 정밀도에 직접적인 영향을 미친다. 가령 접합 계면을 통하여 누설이 발생하면 패키징내부의 체적이 매우 작기 때문에 패키지 내부의 압력이 크게 상승하여 Q 값이 저하된다.
- 게터 물질로서 Ti/Au 코팅을 한 경우 동공 내의 outgassing 이 매우 감소함을 알 수 있었다. Pre-baking 과 Ti/Au 코팅을 동시에 적용한 결과 환경시험 후에도 Q 값이 감소하지 않았으며, 따라서 자이로 칩의 진공도가 잘 유지되고 있음을 알 수 있었다. 본 연구의 자이로 구조물은 1000 시간의 동작수명 시험 후에도 피로 파괴가 발생하지 않았다.
- 웨이퍼에서 발생된 outgassing 의 성분은 주로 HjO 이였으며, CO2, C3H5 및 기타 유기 오염 물질이었다. S이 웨이퍼에 비하여 유리 웨이퍼가 약 10 배 정도 outgassing 이 많았으며, 따라서 유리 웨이퍼가 동공 내의 outgassing 의 주요 원인임을 알 수 있었다. 유리웨이퍼에서는 HjO 가 매우 많이 발생하였는데, 특히 웨이퍼를 샌드블라스트 공정을 사용하여 가공한 경우, 가공 전 보다 약 2.
- 그러나 600℃ 에 도달할 때까지 어느 정도의 가스가 발생되고 있음을 알 수 있었다. 결론적으로 pre-baking 시에 outgassing 을 최대화하기 위해서는 pre-baking의 온도를 400℃ 와 500℃ 사이에서 행하는 것이 좋다 . 물론 온도를 500℃ 이상으로 높여서 prebaking 할 수도 있으나, 유리의 strain point 가 510℃ 이며 annealing point 도 560℃ 인 점을 감안하면, 500℃ 이상에서 pre-baking 을 하는 것은 유리 미 세 조직 의 변화를 발생 시킬 가능성이 있음으로 가급적 피해야 한다.
- 최근에 Muhlstein 등皿)은 대기 상태 보다는 진공 상태에서 크랙의 전파 속도가 느려지게 되며 따라서 피로 수명도 길어지게 된다는 것을 실험적으로 증명하였다. 결론적으로 수분 및 6의 양이 매우 적은 진공 상태에서 동작하는 현재의 자이로 구조물은 피로 파괴 현상으로부터 매우 안전하다고 할수 있다.
- 해석 결과, 최소 압축 응력은 구동부 스프링 사이의 연결부에서 최 대 변위 9 pm 인 경우 -540 MPa 로 나왔으며 , 최대 인장 응력은 구동부 스프링과 자이로스코프 구조물의 연결 부위에서 동일 변위에 대해 524 MPa 로 계산이 되었다. 계산된 최대 응력값과 동작 수명을 Muhlstein 등㈣에 의하여 대기 상태에서 측정된 단결정 실리콘 재질에 대한 S-N 곡선 또 는피로응력-수명곡선과 비교하여 보면 본 연구의 최대 응력은 실리콘 재질의 피로 한계 (fatigue limit)인 2 GPa 보다 낮으며, 또한 파괴 응력인 4 GPa 보다 매우 낮다. 따라서 자이로 구조물은 1000 시간의 구동에 피로 파괴 현상으로부터 안전하다고 할 수 있다.
- 5 에 나타나 있다. 고온보전 시험 전/후의 Q 값의 변화가 매우 미미하여 자이로 칩의 진공도 유지가 매우 향상되었음을 알 수 있었다.또한 500 시간의 고온고습보전 시험("C, 95% RH) 및 24 사이클의 열충격 또는 온도사이클 시험(- 40℃ (30 min.
- 다음에는 개별 자이로 칩을 ASIC 칩과 함께 와이어 본딩을 이용하여 PCB 보드에 연결한 후 DIP (dual in-line) 메탈 패키징한 자이로스코프 센서에 대하여 충격 시험을 실시 하였으며, 센서의 주파수 변화 및 육안 관찰을 통하여 신뢰성을 검증하였다. 기존 캠코더의 신뢰성 시험 기준에 따라 자이로 센서를 캠코더에 장착한 후, 높이 20cm 에서각 면당 3 회씩 총 18 회 낙하를 실시하였으며, 시험한 4개의 샘플로부터 센서의 감도 및 위상 지연 등의 성능을 나타내는 인자들을 측정한 결과, 시험 전후 성능에 큰 차이가 없는 것으로 확인되었으며 변화량은 시험오차 범위 미만임을 확인하였다. 가령 감도의 경우는 성능 규격이 시험 후 +10% 미만이였으나, 실제 시험 후 감도의 변화량은 ±2% 미만이였다.
- 또한 충격 및 진동 시험에도 어떤 파손이나 성능의 저하가 발견되지 않았다. 본 신뢰성 시험의 결과로 MEMS 자이로스코프 소자의 내구성 또는 강건성을 확인할 수 있었다.
- 5 mm 인 일정 진폭을 가하고 10~55Hz 의 주파수로 1 분 이내에 가변하면서, X, Y, Z 축의 3 방향으로 40 분씩 2 시간 동안 실시한 후 시험 전후의 자이로 칩의 주파수를 측정하여 보았다. 시험 결과 주파수의 변화는 1% 미만으로 매우 미미하였다. 자이로 센서의 경우진동 시험은 진동판에 양면 테이프를 이용하여 샘플을 고정시키고 동일한 방법으로 진동 시험을 하였으며, 시험 후 센서의 성능을 측정한 결과 10% 미만의 변화량이 관찰되었으며 이는 센서의 진동신뢰성 기준을 만족하는 것이었다.
- 자유 낙하 시험에서는 총 10 개의 자이로 칩을 Im 높이에서 일반 경질의 바닥에 낙하 시킨 결과, 구조물의 주파수 변화가 거의 발생되지 않았다. 다음에는 개별 자이로 칩을 ASIC 칩과 함께 와이어 본딩을 이용하여 PCB 보드에 연결한 후 DIP (dual in-line) 메탈 패키징한 자이로스코프 센서에 대하여 충격 시험을 실시 하였으며, 센서의 주파수 변화 및 육안 관찰을 통하여 신뢰성을 검증하였다.
- 시험 결과 주파수의 변화는 1% 미만으로 매우 미미하였다. 자이로 센서의 경우진동 시험은 진동판에 양면 테이프를 이용하여 샘플을 고정시키고 동일한 방법으로 진동 시험을 하였으며, 시험 후 센서의 성능을 측정한 결과 10% 미만의 변화량이 관찰되었으며 이는 센서의 진동신뢰성 기준을 만족하는 것이었다.
- 2 는 한 웨이퍼에서 랜덤하게 샘플링한 10 개의 자이로칩에 대한 고온보존 환경시험 (85℃) 후의 Q 값의 평균 변화를 나타낸다. 자이로 칩을 신뢰성 챔버에 놓고 85℃ 에서 120 시간 보존 시킨 후 챔버에서 샘플을 빼어서 측정한 결과 Q 값이 평균 35% 정도 감소하였음을 알 수 있다. 동일 샘플을 다시 85℃ 에서 120 시간 고온보존 시험한 결과 Q 값이 초기 대비 약 47 % 감소가 되었다.
- 해석 수행시, 각 성분 별 응력, 주응력 그리고 등가 응력에 대한 응력 분포를 구하였으며 각 주어진 최대 진폭 조건에 대한 응력값을 구하였다. 해석 결과, 최소 압축 응력은 구동부 스프링 사이의 연결부에서 최 대 변위 9 pm 인 경우 -540 MPa 로 나왔으며 , 최대 인장 응력은 구동부 스프링과 자이로스코프 구조물의 연결 부위에서 동일 변위에 대해 524 MPa 로 계산이 되었다. 계산된 최대 응력값과 동작 수명을 Muhlstein 등㈣에 의하여 대기 상태에서 측정된 단결정 실리콘 재질에 대한 S-N 곡선 또 는피로응력-수명곡선과 비교하여 보면 본 연구의 최대 응력은 실리콘 재질의 피로 한계 (fatigue limit)인 2 GPa 보다 낮으며, 또한 파괴 응력인 4 GPa 보다 매우 낮다.
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