T/CSCP0059.微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)材料腐蝕芯片及傳第2部分：選材與評(píng)價(jià)2025-09-01發(fā)布2025-09-01發(fā)布中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)發(fā)布 1范圍 62規(guī)范性引用文件 63術(shù)語(yǔ)和定義 74選材原則 74.1功能性優(yōu)先原則 74.2環(huán)境適應(yīng)性原則 84.3全生命周期可靠性原則 84.4工藝可制造性原則 84.5經(jīng)濟(jì)性與可持續(xù)性原則 85.常用材料類型與性能要求 5.1敏感材料 95.2結(jié)構(gòu)材料 95.3基板材料 5.4介質(zhì)層材料 5.5互連材料 5.6封裝材料 5.7芯片粘接材料 5.8外殼材料 5.9密封材料 16.評(píng)價(jià)方法 16.1通用要求 16.2化學(xué)成分分析 16.3力學(xué)性能評(píng)價(jià) 6.4微觀組織評(píng)價(jià) 16.5電學(xué)性能評(píng)價(jià) 16.6耐腐蝕性能評(píng)價(jià) 16.7熱性能評(píng)價(jià) 6.8工藝適應(yīng)性評(píng)價(jià) 6.9環(huán)境可靠性試驗(yàn) 6.10長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)價(jià) T/CSCP0059.2-20本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起本文件是T/CSCP0059-2025《微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)材料腐蝕芯片及傳感器》的第2部分。T/CSCP——第1部分：通用要求；——第2部分：選材與評(píng)價(jià)；——第3部分：測(cè)試方法；——第4部分：元器件選型及測(cè)試；——第5部分：電路設(shè)計(jì)及測(cè)試。本文件起草單位：南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司、北京科技大學(xué)、中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司、廣州天韻達(dá)新材料科技有限公司、北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心、廣州市南沙區(qū)貝科耐蝕新材料研究院、中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司。本文件主要起草人：黃增浩、楊小佳、盧壹梁、張強(qiáng)、李曉剛、程學(xué)群、廖永力、郝文魁、陳云、孫雷、李清、徐迪、朱仁政、楊國(guó)威、張達(dá)威、劉超、楊體紹、楊吉可、杜翠薇、劉智勇、張博威、駱鴻、馬宏馳、王曉芳、楊丙坤、黃路遙、韓鈺。(以下簡(jiǎn)稱MEMS材料腐蝕芯片)及傳感器的設(shè)計(jì)、選材、測(cè)試及芯片電路、元器件選型設(shè)計(jì)方——第1部分：通用要求。目的是規(guī)定MEMS材料腐蝕芯片及傳感器通用要求，包括MEMS材——第2部分：選材與評(píng)價(jià)。目的是規(guī)定MEMS材料腐蝕芯片及傳感器各部分材料的選材與評(píng)——第3部分：測(cè)試方法。目的是規(guī)定微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)材料腐蝕芯片及傳感器測(cè)試方法，包——第4部分：元器件選型及測(cè)試。目的是規(guī)定MEMS材料腐蝕芯片及傳感器的元器件選型及——第5部分：電路設(shè)計(jì)及測(cè)試。目的是規(guī)定微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)材料腐蝕芯片及傳感器的電路微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)材料腐蝕芯片及傳感器第2部分：選材與評(píng)價(jià)本文件規(guī)定了微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystem,以下簡(jiǎn)稱MEMS)材料腐蝕芯片及本文件適用于MEMS材料腐蝕芯片及傳感器在設(shè)計(jì)、制造與材料選型過(guò)程中的材料選擇與性能僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本GB/T226鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗(yàn)法GB/T228.1金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法GB/T229金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法GB/T230.1金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法GB/T231.1金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法GB/T232金屬材料彎曲試驗(yàn)方法GB/T3246.1變形鋁及鋁合金制品顯微組織檢驗(yàn)方法第1部分：顯微組織檢驗(yàn)GB/T3246.2變形鋁及鋁合金制品顯微組織檢驗(yàn)方法第2部分：低倍組織檢驗(yàn)GB/T4334金屬和合金的腐蝕奧氏體及鐵素體-奧氏體(雙相)不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法GB/T4340.1金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法GB/T10125人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)GB/T15970.1金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法總則GB/T15970.7金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)第7部分：慢應(yīng)變速率試驗(yàn)ISO9227人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)(Corrosiontestsinartificialatmospheres—Saltspraytests)3術(shù)語(yǔ)和定義IEC60050(所有部分)、GB/T35010(所有部分)界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。電偶腐蝕風(fēng)險(xiǎn)galvaniccorrosionrisk在電解質(zhì)環(huán)境中，由于不同材料之間的電極電位差異而形成電偶對(duì)，導(dǎo)致活性材料加速腐蝕的可能性。敏感材料sensingmaterial用于感知環(huán)境參數(shù)或腐蝕狀態(tài)，其物理或化學(xué)性質(zhì)隨環(huán)境變化并可被測(cè)量的功能材料。多場(chǎng)耦合環(huán)境multi-fieldcouplingenvironment溫度、濕度、機(jī)械應(yīng)力、化學(xué)介質(zhì)等多種環(huán)境因素同時(shí)存在并相互作用的工況條件。在規(guī)定的使用壽命和環(huán)境條件下，材料關(guān)鍵性能參數(shù)隨時(shí)間保持穩(wěn)定的能力。工藝兼容性processcompatibility在電路工藝過(guò)程中，各種元器件的電氣性能、物理特性和化學(xué)特性之間的匹配程度。4選材原則4.1功能性優(yōu)先原則材料的選擇應(yīng)能實(shí)現(xiàn)芯片及傳感器的感知、傳輸、封裝等特定功能所需的核心性能指標(biāo)。a)敏感材料應(yīng)能滿足芯片及傳感器在目標(biāo)監(jiān)測(cè)環(huán)境下的傳感、電學(xué)、機(jī)械及密封功能的要求。b)互連材料應(yīng)具有低電阻率、高電遷移抗力；介質(zhì)材料應(yīng)具有高介電強(qiáng)度、高絕緣電阻；封裝材料應(yīng)具有良好的電磁屏蔽性或絕緣性，以滿足電路的信號(hào)完整性要求。c)結(jié)構(gòu)材料(如外殼、基板)應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、剛度和韌性，以承受安裝應(yīng)力、流體壓力及機(jī)械沖擊；鍵合材料應(yīng)能滿足拉力和剪切強(qiáng)度要求。d)材料表面特性(包括粗糙度、親疏水性、催化活性等)應(yīng)能滿足其功能界面如電極-電解液界T/CSCP0059.2面、密封界面、粘接界面的特定要求。4.2環(huán)境適應(yīng)性原則材料應(yīng)能在產(chǎn)品定義的工況下保持功能，適應(yīng)復(fù)雜多變的應(yīng)用環(huán)境。a)材料應(yīng)能在設(shè)計(jì)的最低存儲(chǔ)溫度、最高工作溫度以及溫度循環(huán)條件下保持性能穩(wěn)定，不發(fā)生相變、分解、熔化、脆化。b)承壓部件材料應(yīng)能承受規(guī)定的靜水壓、壓力波動(dòng)及爆破壓力，密封材料應(yīng)在高壓下保持有效密封。c)材料應(yīng)能抵抗溫度-濕度-壓力-化學(xué)介質(zhì)-應(yīng)力等多物理場(chǎng)耦合條件下的協(xié)同破壞效應(yīng)。應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的耦合環(huán)境試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。d)材料應(yīng)具備優(yōu)良的抗腐蝕性能，抵御目標(biāo)檢測(cè)環(huán)境中的化學(xué)腐蝕、氧化等作用。4.3全生命周期可靠性原則材料的性能應(yīng)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)壽命內(nèi)、在預(yù)期的使用條件下保持穩(wěn)定，抵御各類失效模式。a)材料在目標(biāo)腐蝕介質(zhì)中應(yīng)具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，耐腐蝕、耐溶解、耐老化。應(yīng)重點(diǎn)評(píng)估并避免點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、電偶腐蝕等局部腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。b)材料應(yīng)能承受長(zhǎng)期機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力及振動(dòng)、沖擊，避免發(fā)生疲勞斷裂、蠕變、塑性變形、磨損等失效。c)材料應(yīng)能承受工藝制造和使用環(huán)境中的溫度變化及溫度梯度。應(yīng)評(píng)估材料間的熱膨脹系數(shù)匹配性，避免因熱失配導(dǎo)致界面開(kāi)裂、翹曲、密封失效。d)材料的電極電位、絕緣電阻、密封力、粘接強(qiáng)度關(guān)鍵性能參數(shù)隨時(shí)間的變化率應(yīng)控制在允許范4.4工藝可制造性原則材料應(yīng)與先進(jìn)的MEMS腐蝕芯片及傳感器制造工藝兼容，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、高成品率、規(guī)?；鷄)材料加工工藝應(yīng)與微納加工工藝兼容，應(yīng)適用于光刻、薄膜沉積(PVD/CVD/ALD)、濕法與干法刻蝕、晶圓鍵合、釋放等標(biāo)準(zhǔn)工藝，并具有良好的工藝窗口。b)材料加工工藝應(yīng)與封裝工藝兼容，應(yīng)適用于芯片粘接、引線鍵合、塑封、灌封、氣密封裝等后端工藝。鍵合pad材料應(yīng)與鍵合工藝(金絲球焊、超聲楔焊)匹配；外殼材料應(yīng)與焊接(激光焊、釬焊)或膠接工藝匹配。c)材料應(yīng)具備可加工性與一致性，應(yīng)具備良好的機(jī)械加工性、成型性，能保證不同批次間性能的高度一致。4.5經(jīng)濟(jì)性與可持續(xù)性原則材料的選擇考慮環(huán)保要求。a)不應(yīng)使用RoHS、REACH等法規(guī)明令禁止的有害物質(zhì)(如鉛，汞，鎘、六價(jià)鉻、多溴聯(lián)苯、多溴聯(lián)苯醚等)。宜使用低毒、無(wú)害的替代材料。b)在設(shè)計(jì)中考慮材料的減量化、輕量化，宜使用可再生、可回收材料。c)在滿足性能要求下，可考慮選擇生產(chǎn)能耗低、運(yùn)輸距離短的材料，以降低產(chǎn)品全生命周期的碳排放。5.常用材料類型與性能要求5.1.1工作電極工作電極材料的選擇按下列要求。a)工作電極宜選擇與待測(cè)主體材料成分一致的金屬或合金。其純度、晶粒度、織構(gòu)及表面狀態(tài)應(yīng)明確且一致。薄膜電極應(yīng)致密、無(wú)宏觀缺陷、與基底附著力強(qiáng)，附著力測(cè)試等級(jí)應(yīng)為GB/T9286規(guī)定的最高等級(jí)。b)工作電極為結(jié)構(gòu)材料時(shí)，宜選用微納米加工工藝對(duì)材料進(jìn)行加工，加工過(guò)程不應(yīng)使結(jié)構(gòu)材料因熱應(yīng)力發(fā)生相變。c)工作電極為鉑及鉑合金、金及金合金、鎳及鎳基合金、錫及錫合金、純鋁、純鋅等材料時(shí)，宜選用濺射薄膜形式制備，濺射鍍膜厚度100nm~1000nm;采用電鍍層形式制備時(shí)，厚度1μm～100μm。5.1.2參比電極參比電極材料的選擇按下列要求。a)宜選擇在監(jiān)測(cè)介質(zhì)中具有穩(wěn)定、可重現(xiàn)電位的體系，宜選用銀/氯化銀。b)銀/氯化銀參比電極：銀層純度不低于99.99%,厚度10μm~50μm;氯化銀層厚度5μm～20μm,氯離子含量35.5%～36.5%;在3.5%氯化鈉溶液中，電位漂移不大于0.1mV/d;0℃~50℃范圍內(nèi)電位漂移不大于0.05mV/℃。5.1.3對(duì)電極對(duì)電極材料的選擇按下列要求。a)宜選擇惰性材料，如鉑、金、石墨、高穩(wěn)定性不銹鋼材料等。b)鉑及鉑合金對(duì)電極純度不低于99.95%,金及金合金對(duì)電極純度不低于99.99%,石墨電極顆粒度不大于10μm,灰分含量不高于0.1%。c)對(duì)電極有效表面積應(yīng)不小于工作電極表面積的2倍，采用三維多孔結(jié)構(gòu)時(shí)，孔隙率控制在60%~80%,微電極陣列的電極間距應(yīng)為電極直徑的5～10倍。5.2.1單晶硅結(jié)構(gòu)材料單晶硅結(jié)構(gòu)材料位錯(cuò)密度不大于100cm-2,氧含量不大于1×1018atoms/cm3,<100>晶向斷裂強(qiáng)度不小于1GPa,<111>晶向斷裂強(qiáng)度不小于2.5GPa,楊氏模量處于130GPa～180GPa范圍。5.2.2碳化硅結(jié)構(gòu)材料碳化硅結(jié)構(gòu)材料應(yīng)以4H-SiC為主相，6H-SiC含量不大于5%,微管密度不大于1cm-2,基平面位錯(cuò)密度不大于1000cm-2,斷裂強(qiáng)度不小于3GPa,維氏硬度不小于2500kgf/mm2。T/CSCP0059.2-20a)單晶硅基板材料晶向?yàn)?lt;100>或<111>,偏差不大于0.5°,位錯(cuò)密度不大于100cm-2,碳含量不b)氧化鋁陶瓷基板中陶瓷純度大于99.6%,抗彎強(qiáng)度不小于300MPa;氮化鋁陶瓷陶瓷純度大于99%,抗彎強(qiáng)度不小于350MPa;c)玻璃基板的應(yīng)變點(diǎn)不低于500℃,表面平整度不大于1μm/20mm。a)熱氧化二氧化硅介質(zhì)層材料厚度應(yīng)控制在100nm～1000nm,擊穿場(chǎng)強(qiáng)不小于8MV/cm,針孔b)低壓化學(xué)氣相沉積氮化硅介質(zhì)層材料厚度宜為100nm～500nm,應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)為張應(yīng)力或低應(yīng)力(宜小于200MPa),針孔密度小于1個(gè)/cm2。5.5.1金絲鍵合材料純度不低于99.999%,銀含量不大于5mg/kg,銅含量不大于3mg/kg,抗拉強(qiáng)度不小于200MPa,延伸率2%～8%;直徑15μm～50μm,長(zhǎng)度偏差±0.5%。晶粒尺寸50nm～200nm,<111>織構(gòu)強(qiáng)度不小于60%。5.6封裝材料氧化鋁含量為92%、96%或99.6%,金屬化層為鎢或鉬錳，厚度10μm～20μm,氦漏率不大于1×1宜選用環(huán)氧模塑料，填料含量為85%～90%(二氧化硅),粒徑分布0.5μm～50μm,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度不低于150℃,熱膨脹系數(shù)α1不大于10×10-6/°℃;85℃/85%RH條件下使用壽命不小于1000h。5.8外殼材料5.9密封材料應(yīng)能在整個(gè)設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)保持彈性與密封性。宜選用氟橡膠、全氟醚橡膠、聚四氟乙烯、玻璃-金屬燒結(jié)密封。6.評(píng)價(jià)方法6.1通用要求材料評(píng)價(jià)應(yīng)在模擬實(shí)際工況的環(huán)境中進(jìn)行，所有測(cè)試方法應(yīng)遵循本文件引用的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。6.2化學(xué)成分分析敏感材料、結(jié)構(gòu)材料及封裝材料的化學(xué)成分應(yīng)符合第5章規(guī)定，宜采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法、X射線熒光光譜法或輝光放電質(zhì)譜法進(jìn)行定量分析。6.3力學(xué)性能評(píng)價(jià)應(yīng)測(cè)試材料的拉伸性能、硬度、韌性及彎曲性能。a)金屬結(jié)構(gòu)材料及互連材料應(yīng)按GB/T228.1進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，測(cè)定抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率。b)金屬結(jié)構(gòu)材料及互連材料按GB/T4340.1、GB/T230.1或GB/T231.1進(jìn)行硬度試驗(yàn)。c)對(duì)承受沖擊載荷的材料按GB/T229進(jìn)行夏比擺錘沖擊試驗(yàn)。d)脆性材料(如陶瓷、玻璃)按GB/T232進(jìn)行彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)。6.4微觀組織評(píng)價(jià)應(yīng)進(jìn)行金相檢驗(yàn)和晶粒度及缺陷檢驗(yàn)。a)金相檢驗(yàn)按GB/T13298及GB/T15749進(jìn)行材料的顯微組織觀察與定量分析。b)晶粒度與缺陷按GB/T3246.1、GB/T3246.2及GB/T226評(píng)定晶粒尺寸、織構(gòu)、微管密度和低倍缺陷。6.5電學(xué)性能評(píng)價(jià)應(yīng)測(cè)試材料的電阻率、電導(dǎo)率及介電常數(shù)、介電損耗及擊穿場(chǎng)強(qiáng)。a)金屬材料電阻率、電導(dǎo)率按GB/T351測(cè)定；b)介質(zhì)層材料的介電常數(shù)、介電損耗和擊穿場(chǎng)強(qiáng)按GB/T1409測(cè)定。6.6耐腐蝕性能評(píng)價(jià)應(yīng)評(píng)價(jià)材料的均勻腐蝕性能、點(diǎn)腐蝕性能、晶