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Reliability analysis of microelectronic packages and microelectromechanical systems (MEMS) under vibrational loads

Peyman Rafiee

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Physik)

Betreuer*innen

Michael Zehetbauer ,

Golta Khatibi

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URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29341.24901.914066-2

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Im Rahmen dieser Dissertation wurden verschiedene, auf Vibrationsmethoden beruhende Verfahren für die Untersuchung der Zuverlässigkeit mikroelektronischer Bauteile und mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) entwickelt und an ausgewählten Funktionsbausteinen sowie Teststrukturen angewandt. Außerdem wurde das nichtlineare Verhalten von einkristallinen Silizium-MEMS Sensoren und dessen Einfluß auf deren Dynamik untersucht. Für handelsübliche mikroelektronische Bauteile wurde eine Kombination von experimenteller Modalanalyse, Finite Elemente Analyse (FEA) sowie statistische Auswertungen verwendet, um den Einfluß verschiedener Fehlerarten auf die modale Reaktion der Proben zu untersuchen. Ziel war es, eine geeignete zerstörungsfreie Methode für die Schadensanalyse von kommerziellen mikroelektronischen Bauteilen zu entwickeln. Die untersuchten Fehlerarten umfassten sowohl die von Vibrationsbelastungen stammenden Ermüdungsrisse von Drahtbond-Verbindungen als auch bei stark erhöhten Temperaturen auftretenden Alterungseffekte der Polymermaterialien in Leistungshalbleitern. Insgesamt wurden also modale Parameter wie die Resonanzfrequenzen, Modal-Geometrien und Dämpfungskoeffizienten analysiert, um die durch verschiedene Umgebungen induzierten Fehler zu messen. Ein weiterer Teil dieser Forschungsarbeit widmete sich der Entwicklung neuer Methoden für die Schadensuntersuchung und Lebensdauerbewertung von MEMS-Bausteinen. Die untersuchten Proben waren einkristalline Mikro-Cantilever-Balken, wie sie als MEMS-Beschleunigungsmesser Verwendung finden. Es wurden im wesentlichen zwei neue Methoden entwickelt: Die erste bestand in der Anwendung der Modalanalyse zur Erfassung fehlerbehafteter Strukturen; damit konnten Defektstrukturen von Proben mit künstlichen Kerben von solchen ohne Kerben gut unterschieden werden. Mit der zweiten entwickelten Methode konnten auch kleinste Fehlstellen in MEMS gefunden werden; diese basiert darauf, dass die fehlerhaften bzw. fehlerfreien Bauteile unter Aufwendung einer äußeren Last ein unterschiedliches Bruchverhalten zeigen. Die MEMS-Strukturen wurden hohen Lastamplituden mit Frequenzen von der ersten zur zweiten Resonanz unterworfen, was schließlich zum Bruch der fehlerhaften Proben führte. Die Methode wurde auch an gekerbten Proben angewandt, die wesentlich früher zu Bruch gingen als die Proben, die resonanzfrequenten Schwingungen unterworfen wurden. Somit ist diese Methode auch sehr geeignet für beschleunigte Lebensdauer-Untersuchungen von Silizium-Bauteilen. . In dieser Arbeit wurde auch das nichtlineare Verhalten von MEMS Strukturen mithilfe experimenteller, analytischer und numerischer Verfahren studiert, am Beispiel einkristalliner Silizium MEMS-Beschleunigungsmesser. Durch Anwendung großer Kräfte konnten Auslenkungen erzielt werden, die das Linearitäts/Nichtlinearitäts-Limit überschritten, was zu Änderungen der Resonanzfrequenz, Erzeugung höherer harmonischer Schwingungen, Sprüngen und anderen Phänomenen führte. Weiteres wurde auch der Effekt der Dämpfung auf die Nichtlinearität untersucht und gefunden, dass abnehmende Dämpfung zu einer Intensivierung der Nichtlinearität führt.

Abstract

(Englisch)

In the frame of this PhD thesis different vibrational based methods for reliability assessment of microelectronic packages as well as microelectromechanical systems (MEMS) structures were developed and applied to selected devices and test structures. Furthermore, the nonlinear behavior of single crystal Silicon MEMS accelerometers and its influence on their dynamic response was investigated. In the case of microelectronic packages, a combination of the experimental modal analysis, finite element analysis (FEA) and quantification methods was used to investigate the effect of different types of defects on the modal response of the samples. The goal was to develop a suitable non-destructive damage identification method for commercial microelectronic packages. The defects included fatigue cracks originating from vibrational loading of wire bonded power semiconductor chips and degradation of polymeric material in IC packages subjected to harsh thermal storage. In other words, modal parameters of the devices including resonant frequencies, mode shapes and damping coefficients were analyzed in order to detect possible defects, which were induced in different environments. Another part of this research work was dedicated to the development of new methods for damage identification and lifetime estimation of the MEMS structures. The samples consisted of single crystalline microcantilever beams, which are used as MEMS accelerometers. Mainly two new methods were developed: As the first one, the modal analysis method was employed to detect defected structures. It has been shown that specimens with artificial notches can be distinguished from the intact ones; however, some very small defects generated during fabrication process were only detectable with the second method based on failure and non-failure of the defected and intact specimens under external load application. The MEMS structures were subjected to large amplitude sweep load with a frequency span covering first and second resonant frequencies, finally leading to failure of the defected specimens. That method was also applied to notched specimens where it achieved fracture much earlier than after imposing the vibration force at the resonant frequency. Therefore, this method can be used also for accelerated lifetime estimations of the Silicon-made devices. In this thesis, also the nonlinear behavior of MEMS structures was studied by means of experimental, analytical and numerical approaches, at the example of single crystal Silicon MEMS accelerometers. Large displacements were achieved by increasing the excitation force thus exceeding the linear-nonlinear limit. Nonlinearity leads to changes of the resonant frequencies, the generation of the harmonics, jump phenomena and other features. Furthermore, the influence of the damping coefficient on nonlinearity has been considered finding that damping mitigation seems to intensify the nonlinearity.

Autor*innen

Peyman Rafiee

Haupttitel (Englisch)

Reliability analysis of microelectronic packages and microelectromechanical systems (MEMS) under vibrational loads

Paralleltitel (Deutsch)

Zuverlässigkeitsanalyse von mikroelektronischen Einheiten und mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) unter Vibrationsbelastung

Publikationsjahr

2015

Umfangsangabe

179 S. : Ill., graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Michael Zehetbauer ,

Golta Khatibi

Klassifikationen

33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,

33 Physik > 33.11 Mechanik

AC Nummer

AC12615699

Utheses ID

34088

Studienkennzahl

UA | 796 | 605 | 411 |

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Schlagwörter