고온고습 시험에 의한 MEMS 신뢰성 평가

Abstract

미세전기기계구조를 의미하는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 소자는 사용환경 보다 수분이 패키징된 소자 내부로 침투한 소자 내부 환경변화에 민감한 특성을 가진다. 수분 침투에 의한 MEMS 관련 고장모드에는 점착이며 이는 수분에 의하여 미세구조물들의 상호 접착되는 현상이다. 이러한 MEMS소자의 점착고장의 확인을 위하여 85℃, 85%RH 고온고습 시험이 주로 사용되고 있으며 고온고습 가속모형의 연구가 요구되고 있다.

본 논문에서는 외부 환경과 소자 특성에 따른 MEMS 소자 내부의 습도량을 모델화한 수분침투모형(Q:Throughput)을 이용하여 MEMS 소자의 고온고습 시험조건 및 시간 설정 방법을 제안한다. 또한 이러한 시험방법을 이용한 고온고습 가속모형을 제안한다. 제안된 모형은 개발 초기에서 결정하기 어려운 모형의 모수가 요구되지 않아 개발 초기의 적용에 유용하며 MEMS 소자의 침투율 및 내부 부피가 다른 응용 제품별 가속 인자를 정확히 계산하여 적용 할 수 있는 장점을 가진다.

제안된 Q 가속 모형을 이용하여 미소배열거울(Micro Mirror Array)소자의 수분에 의한 점착 수명 검증을 위하여 4가지 고온고습 가속 조건에 의하여 시험 하였다. 미소배열거울의 경우 점착이 발생하면 소자 기판과 미소배열 거울의 고착으로 변위가 발생하지 않게 된다. 시험조건은 Q 모형에 의해 시험시간을 결정하였다. 기준시험인 85℃, 85%RH 고온고습 470시간과 가속 비교시험으로 110 HAST (110℃, 85%RH) 28시간, 120 HAST (120℃, 85%RH) 19시간 그리고 130 HAST (130℃, 85%RH) 13시간 조건이었다. 기준시험인 85℃, 85%RH 고온고습 시험은 일반적으로 1000시간이 요구되나 470시간이면 외부 환경과 평형이 일어나, 점착의 관점에서는 평형도달 시간인 470 시간을 기준으로 시험하였다. 그 결과 시험결과 85℃, 85%RH 고온고습과 110 HAST 조건에서는 변위의 감소가 없었으며 120 HAST 와 130 HAST 조건에서는 변위가 감소하기는 하였으나 고착되지는 않은 결과를 볼 수 있었다. 결과적으로 110 HAST 28시간 조건은 기준 시험인 85℃, 85%RH 고온고습 470시간과 17배의 가속 인자가 잘 성립됨을 알 수 있었다. 120 HAST 와 130 HAST 조건에서의 변위 감소는 습도와 압력의 영향으로 박막의 스트레스를 변화시켜 구동 가능한 임계 변위 변화치를 넘는 변형이 발생한 것으로 판단된다.