Experimental set-up development for a new mechanical reliability approach on MEMS inertial modules

This Master thesis was performed in the Reliability group of STMicroelectronics in the Cornaredo site, thanks to a collaboration between STM and Politecnico di Milano. In particular this project was born under input of the team that works on the reliability of inertial sensors. In this eld, for what concerns the mechanical reliability assessment of these sensors, the devices are usually tested non-powered and non-soldered on boards, but rather as loose parts or simply attaching them onto xtures by means of adhesives. This is due to the fact that in this way it is possible to test a lot of devices at the same time and statistically analyze reasonable samples with respect to production volumes. Moreover, when mechanically testing loose devices (no xture, the device itself) it is possible to simulate also the stresses arising in the production chain; while when testing devices mounted on a xture it is possible to simulate in use stresses conditions. On the other hand, by doing so, some information are lost during the testing. The main important ones are listed hereafter: 1. ight phase and trajectory monitoring during a drop test; 2. the actual number of shocks / drops that lead to failure (failure time); 3. the directionality of the single impact and at the same time the directionality of the impacts that cause failures in the device; 4. failure modes immediately after the event without further damage deriving from subsequent drops Therefore, the goal of this thesis was to develop an experimental set-up in order to perform mechanical testing on powered devices recording their outputs during the mechanical testing. Indeed, in this way it is possible, in principles, to retrieve the lost information listed above. This purpose has been purchased by exploiting pre-existing items that were put together as an unique set-up composed by a Dropbox (onto which the Devices Under Testing DUTs were xed), the mechanical stressing equipment (Guided Free Fall, 1D-Shock machine), the data acquisition and recording equipment (a motherboard connected both to the sensor and to a PC), an high-g shock sensor (LIS3GS8K) and nally the Devices Under Testing (DUTs/GA06). This set up was characterized through di erent set of tests to comprehend its behaviour in di erent situations and nally it was used to retrieve the information listed above during the testing of the GA06 samples. As results, this set-up and the methodology applied to it showed good validity. Of the above mentioned goals: the rst one has been partially achieved (completely achieved on trajectory known a priori, not fully achieved in unknown trajectories); the second one has been completely achieved (the exact number of drops to failure and the failure symptoms were correctly detected for a sample of ten devices); as for the third one, a route to achieve it in the future has been identi ed, although further improvements are needed; for what concerns the last, as a matter of fact it has been achieved but a strict correlation between causes and e ects has not yet be reached, due to complexity of the tasks. Regarding the future developments of this set-up some improvements are already under study as reported in the concluding chapter of the present dissertation.

Questa di tesi di Laurea Magistrale è stata svolta all'interno del dipartimento di Affidabilità di STMicroelectronics nella sede di Cornaredo, grazie ad una collaborazione tra STM e Politecnico di Milano. In particolare, questo progetto e nato su input del gruppo che lavora sull'affidabilità dei sensori inerziali. In questo campo, per quanto riguarda la valutazione dell'affidabilità meccanica di questi sensori, i dispositivi vengono solitamente testati non alimentati e non saldati su schede, come parti sciolte o semplicemente ssandoli su xture per mezzo di adesivi. Ciò è dovuto al fatto che in questo modo è possibile testare molti dispositivi allo stesso tempo e analizzare statisticamente campioni ragionevoli rispetto ai volumi di produzione. Inoltre, quando si testano meccanicamente i dispositivi sciolti (nessuna xture) è possibile simulare anche le sollecitazioni che sorgono nella catena di produzione; mentre quando si testano i dispositivi montati su una xture è possibile simulare le condizioni di stress in uso. D'altra parte, così facendo, si perdono alcune informazioni durante il test e le principali sono elencate qui di seguito: 1. monitoraggio della fase di volo e della traiettoria durante un test di caduta; 2. numero effettivo di urti / cadute che portano al fallimento (tempo di fallimento); 3. direzionalità del singolo impatto e allo stesso tempo la; direzionalit a degli impatti che causano guasti nel dispositivo; 4. modalità di fallimento immediatamente dopo l'avvenimento senza ulteriori danni derivanti da cadute successive. L'obiettivo di questa tesi è allora stato quello di sviluppare un set-up sperimentale al ne di eseguire test meccanici su dispositivi alimentati, registrando le loro uscite durante il test meccanico. Infatti, in questo modo è possibile, in linea di principio, recuperare le informazioni perdute sopra elencate; questo scopo è stato raggiunto sfruttando oggetti preesistenti che sono stati assemblati in un unico setup composto da una Dropbox (sul quale sono stati ssati i DUT), l'attrezzatura per lo stress meccanico (Guided Free Fall, macchina 1D-Shock), l'attrezzatura per l'acquisizione e la registrazione dei dati (una scheda madre collegata sia al sensore che ad un PC), un sensore di shock ad alti g (LIS3GS8K) ed in ne i dispositivi in prova (DUTs/GA06). Questo set up è stato caratterizzato attraverso diverse serie di test per comprendere il suo comportamento in diverse situazioni e in ne è stato utilizzato per recuperare le informazioni elencate sopra durante il test dei campioni GA06. Come risultato, si può dire che questo set-up e la metodologia applicata ad esso hanno mostrato una buona validità. Degli obiettivi sopra menzionati: il primo è stato parzialmente raggiunto (completamente raggiunto su traiettorie conosciute a priori, non completamente raggiunto su traiettorie sconosciute); il secondo è stato completamente raggiunto (il numero esatto di cadute per guasto e i sintomi del guasto sono stati correttamente rilevati per un campione di dieci dispositivi); con riferimento al terzo è stata identificata una strada per raggiungerlo in futuro, ma saranno necessarie ulteriori implementazione; per quanto riguarda l'ultimo in realtà è stato raggiunto ma non è stata ancora raggiunta una stretta correlazione tra cause ed effetti, a causa della complessità dell'obbiettivo. Per quanto riguarda gli sviluppi futuri di questo set-up alcune migliorie sono già in fase di studio come riportato nel capitolo conclusivo.