DIN EN 62047-12-2012 Semiconductor devices - Micro-electromechanical devices - Part 12 Bending fatigue testing method of thin film materials using resonant vibration of MEMS struct.pdf

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1、Juni 2012DEUTSCHE NORM DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDEPreisgruppe 17DIN Deutsches Institut fr Normung e. V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e. V., Berlin, gestattet.ICS 31.

2、080.01; 31.220.01!$0O“1881344www.din.deDDIN EN 62047-12Halbleiterbauelemente Bauelemente der Mikrosystemtechnik Teil 12: Verfahren zur Prfung der Biege-Ermdungsfestigkeit vonDnnschichtwerkstoffen unter Verwendung derResonanzschwingungen bei MEMS-Strukturen (IEC 62047-12:2011);Deutsche Fassung EN 620

3、47-12:2011Semiconductor devices Micro-electromechanical devices Part 12: Bending fatigue testing method of thin film materials using resonant vibration ofMEMS structures (IEC 62047-12:2011);German version EN 62047-12:2011Dispositifs semiconducteurs Dispositifs microlectromcaniques Partie 12: Mthode

4、dessai de fatigue en flexion des matriaux en couche mince utilisantles vibrations la rsonance des structures systmes microlectromcaniques (MEMS)(CEI 62047-12:2011);Version allemande EN 62047-12:2011Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang 31 SeitenDIN E

5、N 62047-12:2012-06 2 Anwendungsbeginn Anwendungsbeginn fr die von CENELEC am 2011-10-18 angenommene Europische Norm als DIN-Norm ist 2012-06-01. Nationales Vorwort Vorausgegangener Norm-Entwurf: E DIN IEC 62047-12:2010-05. Fr diese Norm ist das nationale Arbeitsgremium K 631 Halbleiterbauelemente“ d

6、er DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE (www.dke.de) zustndig. Die enthaltene IEC-Publikation wurde vom SC 47F Micro-electromechanical systems“ erarbeitet. Das IEC-Komitee hat entschieden, dass der Inhalt dieser Publikation bis zu dem Datum (stability

7、date) unverndert bleiben soll, das auf der IEC-Website unter http:/webstore.iec.ch“ zu dieser Publikation angegeben ist. Zu diesem Zeitpunkt wird entsprechend der Entscheidung des Komitees die Publikation besttigt, zurckgezogen, durch eine Folgeausgabe ersetzt oder gendert. Fr den Fall einer undatie

8、rten Verweisung im normativen Text (Verweisung auf eine Norm ohne Angabe des Ausgabedatums und ohne Hinweis auf eine Abschnittsnummer, eine Tabelle, ein Bild usw.) bezieht sich die Verweisung auf die jeweils neueste gltige Ausgabe der in Bezug genommenen Norm. Fr den Fall einer datierten Verweisung

9、im normativen Text bezieht sich die Verweisung immer auf die in Bezug genommene Ausgabe der Norm. Der Zusammenhang der zitierten Normen mit den entsprechenden Deutschen Normen ergibt sich, soweit ein Zusammenhang besteht, grundstzlich ber die Nummer der entsprechenden IEC-Publikation. Beispiel: IEC

10、60068 ist als EN 60068 als Europische Norm durch CENELEC bernommen und als DIN EN 60068 ins Deutsche Normenwerk aufgenommen. EN 62047-12 Oktober 2011 EUROPISCHE NORM EUROPEAN STANDARD NORME EUROPENNE ICS 31.080.99 Deutsche Fassung Halbleiterbauelemente Bauelemente der Mikrosystemtechnik Teil 12: Ver

11、fahren zur Prfung der Biege-Ermdungsfestigkeit von Dnnschichtwerkstoffen unter Verwendung der Resonanzschwingungen bei MEMS-Strukturen (IEC 62047-12:2011) Semiconductor devices Micro-electromechanical devices Part 12: Bending fatigue testing method of thin film materials using resonant vibration of

12、MEMS structures (IEC 62047-12:2011) Dispositifs semiconducteurs Dispositifs microlectromcaniques Partie 12: Mthode dessai de fatigue en flexion des matriaux en couche mince utilisant les vibrations la rsonance des structures systmes microlectromcaniques (MEMS) (CEI 62047-12:2011) Diese Europische No

13、rm wurde von CENELEC am 2011-10-18 angenommen. Die CENELEC-Mitglieder sind gehalten, die CEN/CENELEC-Geschftsordnung zu erfllen, in der die Bedingungen festgelegt sind, unter denen dieser Europischen Norm ohne jede nderung der Status einer nationalen Norm zu geben ist. Auf dem letzten Stand befindli

14、che Listen dieser nationalen Normen mit ihren bibliographischen Angaben sind beim Zentralsekretariat oder bei jedem CENELEC-Mitglied auf Anfrage erhltlich. Diese Europische Norm besteht in drei offiziellen Fassungen (Deutsch, Englisch, Franzsisch). Eine Fassung in einer anderen Sprache, die von eine

15、m CENELEC-Mitglied in eigener Verantwortung durch bersetzung in seine Landessprache gemacht und dem Zentralsekretariat mitgeteilt worden ist, hat den gleichen Status wie die offiziellen Fassungen. CENELEC-Mitglieder sind die nationalen elektrotechnischen Komitees von Belgien, Bulgarien, Dnemark, Deu

16、tschland, Estland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Irland, Island, Italien, Kroatien, Lettland, Litauen, Luxemburg, Malta, den Niederlanden, Norwegen, sterreich, Polen, Portugal, Rumnien, Schweden, der Schweiz, der Slowakei, Slowenien, Spanien, der Tschechischen Republik, Trkei, Ungarn, dem Vere

17、inigten Knigreich und Zypern. CENELEC Europisches Komitee fr Elektrotechnische Normung European Committee for Electrotechnical Standardization Comit Europen de Normalisation Electrotechnique Zentralsekretariat: Avenue Marnix 17, B-1000 Brssel 2011 CENELEC Alle Rechte der Verwertung, gleich in welche

18、r Form und in welchem Verfahren, sind weltweit den Mitgliedern von CENELEC vorbehalten. Ref. Nr. EN 62047-12:2011 DDIN EN 62047-12:2012-06 EN 62047-12:2011 Vorwort Der Text des Dokumentes 47F/80/FDIS, zuknftige Ausgabe 1 der IEC 62047-12, erarbeitet durch SC 47F Micro-electromechanical systems“ des

19、IEC TC 47 Semiconductor devices“ wurde zur parallelen IEC-CENELEC-Abstimmung vorgelegt und von CENELEC als EN 62047-12:2011 angenommen. Nachstehende Daten wurden festgelegt: sptestes Datum, zu dem die EN auf nationaler Ebene durch Verffentlichung einer identischen nationalen Norm oder durch Anerkenn

20、ung bernommen werden muss (dop): 2012-07-18 sptestes Datum, zu dem nationale Normen, die der EN entgegenstehen, zurckgezogen werden mssen (dow): 2014-10-18 Es wird auf die Mglichkeit hingewiesen, dass einige Texte dieses Dokuments Patentrechte berhren knnen. CENELEC und/oder CEN sind nicht dafr vera

21、ntwortlich, einige oder alle diesbezglichen Patentrechte zu identifizieren. Anerkennungsnotiz Der Text der Internationalen Norm IEC 62047-12:2011 wurde vom CENELEC ohne irgendeine Abnderung als Europische Norm angenommen. In der offiziellen Fassung ist unter Literaturhinweise“ zu der aufgelistete No

22、rm die nachstehende Anmerkung einzutragen: IEC 62047-2:2006 ANMERKUNG Harmonisiert als EN 62047-2:2006 (nicht modifiziert). 2 DIN EN 62047-12:2012-06 EN 62047-12:2011 Inhalt SeiteNationales Vorwort .2 Vorwort .2 1 Anwendungsbereich.5 2 Normative Verweisungen .5 3 Begriffe .5 4 Prfeinrichtung .6 4.1

23、Allgemeines6 4.2 Aktor .6 4.3 Sensor 7 4.4 Regeleinheit .7 4.5 Aufzeichnungseinheit .7 4.6 Parallele Prfdurchfhrung 7 5 Prfbauteil 8 5.1 Allgemeines8 5.2 Resonanzeigenschaften.8 5.3 Schwingbeanspruchtes Teil .8 5.4 Herstellung des Prfbauteiles 8 6 Prfbedingungen8 6.1 Prfamplitude .8 6.2 (Last-)Spann

24、ungsverhltnis .9 6.3 Schwingspielfrequenz 9 6.4 Schwingungsform.9 6.5 Prfdauer (Beanspruchungsdauer)9 6.6 Prfumgebung9 7 Anfangsmessungen .9 7.1 Messung der (mechanischen) Referenzfestigkeit9 7.2 Messung des Frequenzgangs10 8 Prfdurchfhrung10 8.1 Allgemeines10 8.2 Anfangsbeanspruchung .10 8.3 Prfmon

25、itoring11 8.4 Zhlen der Schwingspiele 11 8.5 Beenden der Prfbeanspruchung 11 8.6 Prfdatenaufzeichnung 11 9 Prfbericht11 Anhang A (informativ) Beispiel fr eine Prfung unter Verwendung eines elektrostatischen Bauteils mit integrierter Schwingungserreger- und Auslenkungsdetektor-Komponente .13 A.1 Prfb

26、auteil 13 A.2 Prfeinrichtung .14 3 DIN EN 62047-12:2012-06 EN 62047-12:2011 SeiteA.3 Prfbedingungen . 15 A.4 Anfangsmessungen. 15 Anhang B (informativ) Beispiel einer Prfung unter Verwendung eines externen Schwingungserregers und eines Bauteils mit einer integrierten Dehnungsmessanzeige zur Ermittlu

27、ng der Auslenkung 16 B.1 Prfbauteil . 16 B.2 Prfeinrichtung 16 B.3 Prfbedingungen . 17 B.4 Anfangsmessungen. 18 Anhang C (informativ) Beispiel einer Schwingungsbeanspruchung eines elektromagnetischen Schwingungserregers auerhalb der Bauteileebene (externe Schwingungserregerbeanspruchung) . 19 C.1 Pr

28、fbauteil . 19 C.2 Prfeinrichtung 20 C.3 Anfangsmessungen. 21 Anhang D (informativ) Theoretische Berechnung der Ermdungsfestigkeit sprder Werkstoffe unter Verwendung der Gesetze von Paris und der Weibullverteilung 22 D.1 Zusammenhang von (mechanischer) Spannung und Ermdungsfestigkeit . 22 D.2 Verteil

29、ung der Ermdungsfestigkeit 23 D.3 Wirkung der Anfangsbeanspruchung 24 Anhang E (informativ) Analysebeispiele. 25 E.1 Prfdaten zur Ermdungsfestigkeit von Silizium. 25 E.2 Anpassung der S-N-Kurve. 26 E.3 Vorhersage der Ermdungsfestigkeit von Polysilizium . 27 Literaturhinweise 28 Anhang ZA (normativ)

30、Normative Verweisungen auf internationale Publikationen mit ihren entsprechenden europischen Publikationen . 29 Bilder Bild 1 Prinzipdarstellung des Prfverfahrens 6 Bild A.1 Mikroskopische Aufnahme des Prfbauteils . 13 Bild A.2 Prinzipdarstellung des Prfaufbaus 14 Bild B.1 Aufbau des Prfbauteils 16

31、Bild B.2 Funktionsschaltbild der Prfeinrichtung 17 Bild C.1 Prfbauteil fr nicht in Lngsrichtung schwingende Beanspruchung . 19 Bild C.2 Funktionsschaltbild der Prfeinrichtung 20 Bild E.1 Beispiel von Ermdungsprfdaten fr Silizium . 26 Bild E.2 Statische Festigkeit und Ermdungsdauer von Polysilizium i

32、n dreidimensionaler Darstellung 27 4 DIN EN 62047-12:2012-06 EN 62047-12:2011 1 Anwendungsbereich In diesem Teil der IEC 62047 ist ein Prfverfahren zur Ermdungsfestigkeit bei Biegebeanspruchungen (Schwingfestigkeit) mechanischer Strukturen im Mikrometerbereich von MEMS-Bauteilen (Bauteile der Mikro-

33、systemtechnik) und Mikromaschinen festgelegt, wobei deren Resonanzschwingverhalten genutzt wird. Diese Norm ist anwendbar auf schwingende Strukturen im Grenbereich von 10 m bis 1 000 m in der Lngen-achse und von 1 m bis 100 m in der Dicke und auf zu prfende Werkstoffstrukturen in den Abmessungen kle

34、iner 1 mm Lnge, kleiner 1 mm Breite und in der Dicke zwischen 0,1 m und 10 m. Die hauptschlichen Strukturwerkstoffe fr Mikrosystembauteile, Mikromaschinen usw. haben besondere Eigenschaften wie beispielsweise Abmessungen im Mikrometerbereich, Werkstoffherstellung mit Hilfe von Schichtabscheideverfah

35、ren und der Herstellung von Prfbauteilen unter Verwendung nichtmechanischer Verarbeitungsverfahren einschlielich der Fotolithografie. Die MEMS-Strukturen haben hufig hhere reso-nante Grundschwingungen und hhere mechanische Spannungen als Strukturen im Makrobereich. Um die Lebensdauer von MEMS-Strukt

36、uren zu ermitteln, ist es notwendig, ein Prfverfahren zur Ermdungsfestigkeit bei ultrahohen Beanspruchungszyklen (bis 1012) bereitzustellen. Der Zweck dieses Prfverfahrens fr Werk-stoffstrukturen im Mikrometerbereich ist die Ermittlung der mechanischen Ermdungseigenschaften und deren Kenngren bei ku

37、rzen Prfdauern durch das Ausben von Beanspruchungen mit einer hohen mechanischen (Last-)Spannung und hoher Lastwechselfrequenz unter Nutzung der Resonanzschwingungen. 2 Normative Verweisungen Die folgenden zitierten Dokumente sind fr die Anwendung dieses Dokuments erforderlich. Bei datierten Verweis

38、ungen gilt nur die in Bezug genommene Ausgabe. Bei undatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments (einschlielich aller nderungen). IEC 62047-3:2006, Semiconductor devices Micro-electromechanical devices Part 3: Thin film standard test piece for tensile testing ISO

39、 12107, Metallic materials Fatigue testing Statistical planning and analysis of data 3 Begriffe Fr die Anwendung dieses Dokumentes gelten die folgenden Begriffe. 3.1 Amplitude halbe algebraische Differenz zwischen Hchst- und Kleinstwert in einem Beanspruchungszyklus 3.2 (Last-)Spannungsverhltnis alg

40、ebraisches Verhltnis von Hchst- und Kleinstwert der (Last-)Spannung eines Zyklus 3.3 S-N-Kurve Whlerkurve grafische Darstellung der Spannung oder Dehnung (S) ber die Anzahl der Zyklen (N) bis zum Ausfall 3.4 Referenzfestigkeit statische oder momentane Bruchfestigkeit (Kurzzeitfestigkeit) 3.5 momenta

41、ne Bruchfestigkeit Kurzzeitfestigkeit Bruchfestigkeit bei quasi-statischer Beanspruchung oder Resonanzschwingungsbeanspruchung bei schnell zunehmender Amplitude 5 DIN EN 62047-12:2012-06 EN 62047-12:2011 Legende 1 Prfbauteil 2 (schwingungs-)beanspruchtes Teil/Schwingteil 3 Aktor 4 Sensor 5 Regeleinh

42、eit 6 Aufzeichnungseinheit 7 Kraft 8 Auslenkung/Dehnung 9 Amplitude und Frequenz Bild 1 Prinzipdarstellung des Prfverfahrens 4 Prfeinrichtung 4.1 Allgemeines Mit der Prfeinrichtung muss man in der Lage sein, resonante Schwingungen, bezogen auf das Prfbauteil, mit konstanter Amplitude und stabiler Fr

43、equenz zu erzeugen. In Bild 1 wird eine Prinzipdarstellung der Prf-einrichtung gezeigt. Die Prfeinrichtung besteht aus einem Aktor fr die Schwingungserzeugung, einem Sensor fr die Amplitudenermittlung, einer Regeleinheit zum Aufrechthalten der Resonanzschwingungen mit konstanter Amplitude und einer

44、Aufzeichnungseinheit fr das Prfmonitoring. Das Verfahren zur Amplitudenregelung ist wie folgt klassifiziert: a) Regelung auf Basis konstanter Dehnung Am schwingbeanspruchten Teil wird die ausgebte Dehnung konstant gehalten. Dieses Verfahren kann fr elastische oder nichtduktile Werkstoffe angewendet

45、werden. b) Regelung auf Basis konstanter Spannung Am schwingbeanspruchten Teil wird die ausgebte Spannung konstant gehalten. Ein berprfen (Moni-toring) der (Last-)Spannung und eine geschlossene Regelschleife (Closed-Loop) sind fr dieses Verfahren entscheidend. 4.2 Aktor Der Schwingungserreger muss g

46、eeignet sein, eine Kraft mit der notwendigen Amplitude und den notwendigen Frequenzen in der festgelegten Richtung auszuben. Es knnen unterschiedliche Arten von Aktoren verwendet werden, wie z. B. elektrostatische, piezoelektrische, thermische oder elektromechanische Aktoren. Der Aktor darf in dem P

47、rfbauteil integriert sein, so wie in 5.1 beschrieben. 6 DIN EN 62047-12:2012-06 EN 62047-12:2011 4.3 Sensor Der Sensor muss fr die Messung der Bewegungen des Prfbauteils geeignet sein, um die Spannungs-amplitude (bei Beanspruchung mit konstanter Spannungsamplitude) oder die Dehnungsamplitude (bei Be

48、an-spruchung mit konstanter Dehnungsamplitude) des Schwingteils zu ermitteln. Der Sensor und die mit ihm verbundenen elektronischen Schaltungen mssen mit einer Genauigkeit der Grenzabweichung kleiner oder gleich 1 % im Bereich der Spannungs- oder Dehnungsamplitude sein. Der Sensor sollte die Bewegun

49、g kontinuierlich messen, um sowohl eine konstante Schwingung aufrechtzuerhalten als auch den Ausfall effektiv festzustellen. Falls das Prfbauteil aus einem elastischen Werkstoff ist und dieser Werkstoff somit keine nderungen in den Schwingeigenschaften zeigen wird, ist es erlaubt, die Bewegung in regulren Zeitabstn