MEMS慣性測量組合失效分析

柳華光，張魁，黃傑

國家半導體器件質量監督檢驗中心

摘要：MEMS慣性測量組合是制導系統的關鍵部件，其失效將給整個系統帶來嚴重的後果。針對某一MEMS慣性測量組合的失效現象，列出失效故障樹，準確地定位了失效部位，最後分析了其失效原因。對分析過程進行了詳細描述，以期對同類產品開展失效分析工作提供借鑑作用。

關鍵詞：MEMS；故障樹；失效分析

0 引言

慣性導航技術不僅在軍事領域，並且在陸地、航空、航天以及航海等許多領域都有廣泛的應用。慣性器件是實現精確制導的關鍵子系統，用於實時測量載體的角速率、加速度，以及位置、速度和姿態等信息，並同時參與制導系統的控制迴路和制導迴路。傳統的慣性系統由於體積大、成本高，已經越來越不適應現代武器裝備小型化的需求。

微機械電子系統（MEMS）是20世紀末興起的前沿性工程科學，它是隨著半導體技術集成電路微細加工技術的迅速發展而崛起的一門多學科交叉的軍民兩用的高新技術。MEMS慣性器件是MEMS技術研究的一個重要方向，也是研製微型慣性導航系統的前提。MEMS慣性測量組合成本低、體積小、重力輕自主性強的特點，使得其在航空、航天、軍事等眾多領域中都有著十分廣闊的應用前景。由於MEMS慣性測量組合在系統中的關鍵作用，導致其失效會給系統帶來嚴重的後果。本文結合某型號MEMS慣性測量組合失效的案例，對其進行失效分析，詳細描述了失效分析過程。

1 失效情況簡介

MEMS慣性傳感器的結構主要包括機械感應結構和檢測電路兩大部分此慣性測量組合由三個陀螺儀、三個線加速度計、數字電路、電源轉換電路、應用軟件和結構本體組成。其中陀螺儀用於敏感載體在三個正交軸上的角速度信息；線加速度計用於敏感載體在三個正交軸上的加速度信息；數字電路及其軟件用於對組件誤差進行補償，並將信息通過1路422通信接口回送給彈上計算機控制迴路。同時，本產品具有自檢功能，能夠在發射前對其通訊狀態和設備工作狀態進行自檢。甲方在對進行一體化計算機進行振動試驗後進行測試時，發現產品加速度參數輸出異常。產品外觀如圖1所示。

圖1 慣性測量組合外觀

2 故障樹建立及失效定位

2.1故障樹建立

此慣性測量組合的工作原理為利用三個相互垂直軸向的陀螺和加速度計敏感角速度和加速度信息，在傳感器內轉化成角速度和加速度的數字量，通過數字系統進行整合、補償，然後通過422串口發出。系統結構如圖2所示。

圖2 慣性測量組合系統結構示意圖

組合採用兩層的結構形式，陀螺和加速度計固定在PCB電路板上，電路板固定在底座的下層，實現角速率和線加速度的測量。信號轉換模塊單獨在一塊PCB板上，通過線纜與加速度計和陀螺連接，並被固定在底座的上層。其實物內部結構如圖3所示。

圖3 慣性測量組合內部結構照片

根據系統的構成特點進行分析，參考GJB768A-1998，列出失效故障樹如圖4所示。

圖4 慣性測量組合輸出異常故障樹

2.2 失效定位

根據上述故障樹，通過測試、分析、比對、排除等方式，進行失效定位。

（1）測試環境影響

首先使用該電源對同批次其他輸出正常慣性測量組合進行測試，未發生異常，然後使用另一電源對失效慣性測量組合進行測試，故障現象保持一致，故可以排除電源異常的影響。

檢查試驗設備有效期、接地，未發現異常，檢查振動試驗輸出圖譜，符合試驗要求，不存在過試驗現象，故可以排除振動試驗設備異常的影響。

（2）數據採集系統異常

通過兩種不同的數據採集系統，分別對輸出異常的慣性測量組合進行復測，故障現象均保持一致；用振動試驗時採用的數據採集系統對輸出正常的慣性測量組合進行反覆測試，輸出結果均符合要求。因此，數據採集系統的故障可以排除。

（3）軟件功能異常

1）軟件版本錯誤。對輸出異常的慣性測量組合進行了軟件版本的複查，確認慣性測量組合使用的軟件版本不存在軟件版本錯誤的問題，可以排除此項目。為確認軟件運行是否有錯，將此對故障的慣性測量組合進行了軟件版本的修改，將陀螺和加表的原始輸出引出，發現加表的輸出存在異常現象。因此，可以排除軟件版本錯誤的可能性。

2）參數加載錯誤。將失效慣性測量組合連接DSP仿真器，在線仿真，讀取故障慣性測量組合的參數，並與備份的參數進行對比，發現兩者一致，可以排除參數加載錯誤的可能性。

3）軟件運行錯誤。將出現故障的慣性測量組合的數字處理單元與正常的加表連接，慣性測量組合輸出數據正常，因此，可以排除軟件運行錯誤。

（4）硬件電路異常

1）數字板異常定位。將慣性測量組合數字處理單元與故障加表連接，慣性測量組合輸出數據異常，電流異常，將數字處理單元與正常加表連接時，慣性測量組合輸出數據和電流均恢復正常。且在軟件功能異常的排查過程中，慣性測量組合的信號輸出正常，檢測陀螺的原始輸出也全部正常，因此可以排除數字處理單元和信號輸出單元的故障，但無法排除數字板與加錶板之間接口的異常。

為進一步確認，將加錶板與陀螺板互換位置後與數字板連接，發現陀螺的輸出信號仍然正常，而加表的輸出信號保持異常。因此可以排除數字板異常的可能性。

2）陀螺板異常定位。在上述排查過程中，陀螺的信號輸出始終保持正常，因此可以排除陀螺板異常的可能性。

3）加錶板異常定位。在上述排查過程中，加速度計的信號輸出始終異常，因此無法排除加速度計板異常的可能性。由於加速度計板包括了加速度計和外圍元件兩部分，需要分別進行故障分析和定位。

a.外圍元件異常定位。首先，對故障的加速度計板進行目檢，未發現異常。在此基礎上，對加速度計進行了更換，發現加速度計板輸出信號正常。因此故障原因可以初步定位到加速度計故障。

b.加表故障定位。為確認加速度計是否存在故障，對出現故障的電路板對應的加速度計進行開蓋解剖分析。圖5所示為異常加表開蓋形貌。

圖5 異常加表開蓋形貌

通過開蓋分析，發現加速度計存在鍵合點開裂現象，經過排查發現，該批加速度計芯片粘接工序採用了新的工藝，但未針對該工藝優化鍵合程序，導致鍵合經歷試驗後出現鍵合點開裂現象，造成加速度計失效。

3 結束語

既存在MEMS工藝，還存在採用表面貼裝工藝，這就導致其結構較為複雜，因此，其失效分析工作也較為複雜，失效定位顯得尤為重要。本文結合一個MEMS慣性測量組合失效的案例，列出了慣性測量組合的故障樹，進行了失效定位，分析了其失效原因。本文對其他MEMS器件的失效分析有一定的借鑑意義。