Reliability of an electromagnetically actuated micromirror

MEMS are a type of technology based on silicon that is in continuous development. This thesis work was carried out as part of a collaboration between the Department of Civil and Environmental Engineering of Politecnico di Milano and STMicroelectronics. An electromagnetic micro-mirror called "Porcino", belonging to the family of actuators, has been taken into consideration from the reliability point of view. A test matrix (mechanical, powered and unpowered tests) was developed to investigate and study possible failure modes of Porcino. The results confirmed two of them: one linked to the oxidation of a copper coil due to power dissipated generated by the flowing current, and one linked to fatigue life in humid environments. The first one has been solved thanks to the increase in thickness of the coil itself (less dissipated power and therefore also lower oxidation rates), while the second is still a problem. For both failure modes, physical and statistical models have been developed trying to predict the behavior of Porcino in different operating conditions. The models describe well the collected experimental data, but those related to failures in humidity are still to be improved. Regarding the fatigue in humid environment, innovative solutions are being investigated in collaboration with Politecnico di Milano, in particular about the deposition of hydrophobic self-assembled monolayers (SAM) on the surfaces affected by breakage. However, data on results obtained with this treatment are not available yet.

I MEMS sono un tipo di tecnologia basata sul silicio in continuo sviluppo. Questo lavoro di tesi è stato svolto nell'ambito di una collaborazione tra il Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale del Politecnico di Milano e STMicroelectronics.E' stato preso in considerazione dal punto di vista dell’affdabilità un attuatore, e piu` in particolare un micro-specchio elettromagnetico chiamato "Porcino". E‘ stata realizzata una matrice di test (test meccanici, alimentati e non alimentati) per investigare e studiare i possibili meccanismi di rottura del Porcino. I risultati ne hanno confermati due: uno legato all’ossidazione di una bobina di rame a causa della dissipazione generata dalla corrente che scorre al suo interno, ed uno legato alla vita a fatica in ambiente umido. Il primo e‘ stato risolto grazie all’aumento di spessore della bobina stessa (minor potenza dissipata e quindi minor tasso di ossidazione), mentre il secondo risulta tutt’ora un problema. Per entrambi i meccanismi sono stati sviluppati modelli di natura fisica e statistica per cercare di predire il comportamento del Porcino in diverse condizioni operative. I modelli descrivono bene i dati sperimentali raccolti, ma quelli relativi ai fallimenti in umidita‘ sono ancora da migliorare. Per quanto riguarda i fallimenti in umidita‘ si stanno cercando soluzioni innovative in collaborazione col Politecnico di Milano, in particolare circa la deposizione di self-assembled monolayer (SAM) idrofobici sulle superfici interessate da rottura. Ad ogni modo non sono ancora disponibili dati relativi ai risultati ottenuti con questo trattamento.