1 nova mems, 2 cnes, 3 memscap

31
Copyright 2008 Reproduction is not allowed without authorization Reliability assessment of RF MEMS switches C. Seguineau 1 , A. Broué 1 , J. Dhennin 1 , T. Fourcade 1 , J.M. Desmarres 2 , F. Courtade 2 , M. Colin 3 1NOVA MEMS, 2CNES, 3MEMSCAP 7th ESA Round Table on MNT for Space Apps

Upload: others

Post on 19-Jan-2022

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization

Reliability assessment of RF MEMS switches

C. Seguineau1, A. Broué1, J. Dhennin1, T. Fourcade1, 

J.M. Desmarres2, F. Courtade2, 

M. Colin3

1‐

NOVA MEMS, 2‐

CNES, 3‐

MEMSCAP

7th ESA Round Table on MNT for Space Apps

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 2

Reliability of a switch RF

Outline

Introduction

Approaches for Reliability assessment

Accelerated aging

Physics of Failure

Conclusion

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 3

Reliability of a switch RF

Outline

Introduction

Approaches for Reliability assessment

Accelerated aging

Physics of Failure

Conclusion

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 4

Reliability of a switch RF

The POLYNOE EDA Project

Aim: Prove the Physics of Failure concept for reliability  assessment of MEMS switches

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 5

Reliability of a switch RF

Introduction

Several technologies for switching operationMESFET PIN Diode MEMS

Series Resistance  (Ω) 3 to 5 1 < 1

Loss @1GHz (dB) 0.5 to 1.0 0.5 to 1.0 0.1

Isolation @1GHz (dB)  20 to 40 40 > 40

IP3 (dBm) 40 to 60 30 to 45 > 66

1 dB compression (dBm) 20 to 35 25 to 30 >33

Size (mm²) 1 to 5 0.1 <0.1

Switching speed ~ ns ~ µs ~ µs

Control Voltage (V) 8 3 to 5 3 to 30

Control Current < 10 µA 10 mA < 10 µA

MESFET PIN Diode MEMS

Series Resistance  (Ω) 3 to 5 1 < 1

Loss @1GHz (dB) 0.5 to 1.0 0.5 to 1.0 0.1

Isolation @1GHz (dB)  20 to 40 40 > 40

IP3 (dBm) 40 to 60 30 to 45 > 66

1 dB compression (dBm) 20 to 35 25 to 30 >33

Size (mm²) 1 to 5 0.1 <0.1

Switching speed ~ ns ~ µs ~ µs

Control Voltage (V) 8 3 to 5 3 to 30

Control Current < 10 µA 10 mA < 10 µA

MESFET PIN Diode MEMS

Series Resistance  (Ω) 3 to 5 1 < 1

Loss @1GHz (dB) 0.5 to 1.0 0.5 to 1.0 0.1

Isolation @1GHz (dB)  20 to 40 40 > 40

IP3 (dBm) 40 to 60 30 to 45 > 66

1 dB compression (dBm) 20 to 35 25 to 30 >33

Size (mm²) 1 to 5 0.1 <0.1

Switching speed ~ ns ~ µs ~ µs

Control Voltage (V) 8 3 to 5 3 to 30

Control Current < 10 µA 10 mA < 10 µA

XLIM Lab: 

Nanogap switches 

(a few tens of nanoseconds !)

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 6

Reliability of a switch RF

Introduction

Research on contact characterization for MEMS switches driven by

the necessity 

to reach a high‐reliability

level for micro switch applications

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 7

Reliability of a switch RF

Introduction

Mechanical system:Actuation

Contact line

Research on contact characterization for MEMS switches driven by

the necessity 

to reach a high‐reliability

level for micro switch applications

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 8

Reliability of a switch RF

Introduction

FMEA: identification of the main failure mechanisms» Field induced dielectric charging

» Temperature induced deformation of the structures

» Degradation of the  electrical micro‐contact

04/29/2010

+20°C +180°C

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 9

Reliability of a switch RF

Outline

Introduction

Approaches for Reliability assessment

Accelerated aging

Physics of Failure

Conclusion

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 10

Reliability of a switch RF

Reliability assessment

Several approaches

COTSCOTS

Black box approachBlack box approachTechnological 

Analysis

Technological 

Analysis

LifetestLifetest LifetestLifetest

Reliability assessmentReliability assessment

Physics of FailureVirtual prototypingPhysics of FailureVirtual prototyping

Adapted 

Qualification

Adapted 

Qualification

1 2 3

Simulation LifetestSimulation Lifetest

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 11

Reliability of a switch RF

Reliability assessment

Blackbox

approach: “RF Switches as a black box”.

– Unknown die / design / materials / technological parameters

– Observation only at I/O – Stress / stimuli is applied according to mission profile (with margins)

– GO/NOGO Results

! Switch as a deviceWe should considered it as a system  study of the failure mechanisms of 

subsystems (moving part, electrical contact…)

! Accelerated aging: inputs ?

! Statistical approach  irrelevant for dvpt

of new technologies.

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 12

Reliability of a switch RF

Reliability assessment

Several approaches

New ComponentNew Component

Qualification of the 

product line

Qualification of the 

product line

Product Reliability 

Assessment

Product Reliability 

Assessment

Physics of FailureVirtual Prototyping/

Simulation Lifetest

Physics of FailureVirtual Prototyping/

Simulation LifetestB

A

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 13

Reliability of a switch RF

Reliability assessment

New technologies: Production line ? Materials & Design

The mechanical

properties differ from MacroWorld: 

– Strong interaction between microstructural features and the 

geometry of the thin coatings (eg. Thicknesses)

– Microstructural properties greatly influenced by the process (kind 

of deposition, temperatures, sacrificial layers…)

Process flowProcess flow Mechanical

properties

Mechanical

properties

MicrostructureMicrostructure

IMPACT

Δ

parameters ?Δ

parameters ?Physical prop.Physical prop.

Elec.  prop.Elec.  prop. Performances Performances 

Failure ?Failure ?

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 14

Reliability of a switch RF

Reliability assessment

Design for reliability» Working on the very first blocks

» Use feedback for the design of new comp.

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 15

Reliability of a switch RF

Plastic DeformationMaterial transferStrain hardening

Reliability assessment

Reproducible 

contact area

Electrical

degradation‐Electron mobility-Alloys-Impurities

Material 

resistivity

High E, H

low 

deformation and 

high contact 

stability

High melting 

point

to avoid 

electro migration

?

Physical 

properties

Resistance to 

Oxidation, 

contaminations…PerformancesPerformances ReliabilityReliability

Electrical arcingLocal welding

OxidationAdsorption

Mechanical

degradation

Chemical

degradation

Design for reliability: necessity of trade‐offs

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 16

Reliability of a switch RF

Outline

Introduction

Approaches for Reliability assessment

Accelerated aging

Physics of Failure

Conclusion

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 17

Reliability of a switch RF

Accelerated aging

Creep (1/2)» Model: 

– Power law for secondary creep 

(n

is the creep exponent)

– Arrhenius acceleration factor

(Q

is the activation energy)

» Experiment– Characterization of thermally 

actuated MEMS switches 

(MEMSCAP, EDA POLYNOE program)

– Loss of isolation with cycles: gap 

between the electrodes

RTQ

dA p

n

exp

Before After 3 weeks @150°C(closed position)

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 18

Reliability of a switch RF

Accelerated aging

Creep (2/2)» Modelling the evolution of the gap with temperature and 

storage duration170°C

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2Storage duration (h)

Gap

 (A.U.)

Power law fit nAtgap

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0 50 100 150 200Temperature (°C)

n

n

versus T° 0

2

4

6

8

10

12

14

0 100 200 300 400 500 600

Holding time in the closed position (h)

Gap

 (µm) 200°C

170°C

150°C

120°C

100°C

80°C

50°C

Failure Failure

TTF200°C TTF170°C

TTF predictionTTF prediction

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 19

Reliability of a switch RF

Accelerated aging

Cycling» Great influence of the 

testing method on the 

reliability– Progressive increase 

of the contact 

resistance for cold 

switching

– Erratic behaviour in 

hot switching

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 20

Reliability of a switch RF

Accelerated aging

DC Stress / ESD aging for charging effect quantification

Shift of C‐V characteristic with 

cycles / DC stress / ESD stress

J. Ruan et al. (LAAS‐CNRS) : FAME (ANR) project

TTF predictionTTF prediction

TTF

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 21

Reliability of a switch RF

Accelerated aging

Radiations» Expected effects: Damage of the dielectric layer 

– modification of Vpi

/Vpo

– Increase of leakage current– Single event transient: auto‐actuation

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 22

Reliability of a switch RF

Outline

Introduction

Approaches for Reliability assessment

Accelerated aging

Physics of Failure

Conclusion

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 23

Reliability of a switch RF

Physics of Failure

Material level» Evaluate the mechanical properties 

through mechanical actuation of 

dedicated specimens

» Wide range of materials

– Metals (and alloys)

– Ceramics

– Polymers

» Deposited on substrate or 

freestanding thin coatings

Deposited

µtensile apparatusµtensile apparatus NanoindenterNanoindenter

Tensile testTensile test BendingBending nanoindentationnanoindentation

Freestanding thin coating

+  nanopositionning+  nanopositionning

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 24

Reliability of a switch RF

Micro‐

tensile experiments» Home‐made Developments (NOVA MEMS : C. Seguineau), in 

collaboration with SIMaP Laboratories (M. Ignat) and INL (C. Malhaire)

Physics of Failure

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 25

Reliability of a switch RF

Physics of Failure

Material level: µtensile test on NiCo specimens (MEMSCAP)

» Monotonic experiments– Young’s modulus

– Yield stress– Strain hardening– Ultimate strength

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 26

Reliability of a switch RF

Physics of Failure

Material level: µtensile test on NiCo specimens (MEMSCAP)

» Multicycle experiments: Damage assessment

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 27

Reliability of a switch RF

Physics of Failure

Electrical contact (subsystem level)» Monitoring Rc

evolution versus:– Intensity I– Load applied F– Compliance level U

– Switching mode (mechanical, cold, hot)

– Number of cycles n

– Hold duration t

(creep)

» High reproductibility of the actuation load (intensity, location on the beam)

Side viewSide view

Top viewTop view

Bump (fixed 

contact)

Bridge (mobile contact)

Tip’s location

Contact line

Bridge

I+

I‐V+

V‐

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 28

Reliability of a switch RF

Physics of Failure

Electrical contact (subsystem level)» Select the best 

contact material»Investigate power

handling capability

A. Broué

et al., Characterization of Au/Au, Au/Ru and Ru/Ru ohmic 

contacts in MEMS Switches improved by a novel methodology. 

MOEMS/MEMS 2010, SF, CA.

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 29

Reliability of a switch RF

Physics of Failure

Electrical contact (subsystem level)» Modeling of electrical resistance vs. load applied

– Great influence of contaminant films

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 30

Reliability of a switch RF

Outline

Introduction

Approaches for Reliability assessment

Accelerated aging

Physics of Failure

Conclusion

Copyright 2008 ‐ Reproduction is not allowed without authorization 31

Reliability of a switch RF

Conclusion

Contact Material:» Performances of the electrical contact strongly linked with the materials used 

to perform the contact

» Trade‐off between mechanical and electrical performances to reach the best 

reliable operations : “Design for reliability”

» Contact material have to be :– Good electrical conductor for low loss– High melting point to handle power– Appropriate hardness to avoid stiction

phenomenon– Chemical inertness to avoid oxidation

Specific experiments and methods developed, but…

Characterization only. Which standards for a qualification ?