IEC 62047-12:2011

Semiconductor devices - Micro-electromechanical devices - Part 12: Bending fatigue testing method of thin film materials using resonant vibration of MEMS structures

IEC 62047-12:2011 specifies a method for bending fatigue testing using resonant vibration of microscale mechanical structures of MEMS (micro-electromechanical systems) and micromachines. This standard applies to vibrating structures ranging in size from 10 μm to 1 000 μm in the plane direction and from 1 μm to 100 μm in thickness, and test materials measuring under 1 mm in length, under 1 mm in width, and between 0,1 μm and 10 μm in thickness. The main structural materials for MEMS, micromachine, etc. have special features, such as typical dimensions of a few microns, material fabrication by deposition, and test piece fabrication by means of non-mechanical machining, including photolithography. The MEMS structures often have higher fundamental resonant frequency and higher strength than macro structures. To evaluate and assure the lifetime of MEMS structures, a fatigue testing method with ultra high cycles (up to 1012) loadings needs to be established. The object of the test method is to evaluate the mechanical fatigue properties of microscale materials in a short time by applying high load and high cyclic frequency bending stress using resonant vibration.

Dispositifs à semiconducteurs - Dispositifs microélectromécaniques - Partie 12: Méthode d'essai de fatigue en flexion des matériaux en couche mince utilisant les vibrations à la résonance des structures à systèmes microélectromécaniques (MEMS)

La CEI 62047-12:2011 spécifie une méthode d'essai de fatigue en flexion utilisant les vibrations à la résonance des structures mécaniques à très petite échelle des systèmes microélectromécaniques (MEMS), et des micromachines. La présente norme s'applique aux structures vibrantes dont la taille est dans la gamme allant de 10 μm à 1 000 μm dans le plan et de 1 μm à 100 μm d'épaisseur, ainsi qu'à des matériaux d'essai mesurant moins de 1 mm de longueur, moins de 1 mm de largeur et entre 0,1 μm et 10 μm d'épaisseur. Les matériaux de construction principaux pour les systèmes microélectromécaniques, les micromachines, etc., comportent des caractéristiques spéciales telles que des dimensions typiques de l'ordre de quelques microns, la fabrication des matériaux par dépôt et la fabrication d'éprouvettes d'essai par usinage non mécanique, par exemple la photolithographie. Les structures à systèmes micro-électromécaniques présentent souvent une fréquence de résonance fondamentale et une résistance supérieures à celles des macro-structures. Pour évaluer et garantir la durée de vie des structures à systèmes microélectromécaniques, on doit établir une méthode d'essai de fatigue avec des cycles de charge très élevés (jusqu'à 1012). Le but de la méthode d'essai est d'évaluer les propriétés de fatigue mécanique des matériaux à très petite échelle sur une courte durée en appliquant une contrainte de flexion à charge élevée et à haute fréquence cyclique en utilisant des vibrations à la résonance.

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 12-Sep-2011
• ICS: 01 - GENERALITIES. TERMINOLOGY. STANDARDIZATION. DOCUMENTATION
• ICS: 27.120.20 - Nuclear power plants. Safety
• ICS: 31.080.99 - Other semiconductor devices
• Technical Committee: SC 47F - Micro-electromechanical systems
• Drafting Committee: WG 1 - TC 47/SC 47F/WG 1
• Current Stage: PPUB - Publication issued
• Start Date: 15-Jul-2011
• Completion Date: 13-Sep-2011

Standards Content (Sample)

IEC 62047-12 ®
Edition 1.0 2011-09
INTERNATIONAL
STANDARD
NORME
INTERNATIONALE
Semiconductor devices – Micro-electromechanical devices –
Part 12: Bending fatigue testing method of thin film materials using resonant
vibration of MEMS structures
Dispositifs à semiconducteurs – Dispositifs microélectromécaniques –
Partie 12: Méthode d'essai de fatigue en flexion des matériaux en couche mince
utilisant les vibrations à la résonance des structures à systèmes
microélectromécaniques (MEMS)
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IEC 62047-12 ®
Edition 1.0 2011-09
INTERNATIONAL
STANDARD
NORME
INTERNATIONALE
Semiconductor devices – Micro-electromechanical devices –
Part 12: Bending fatigue testing method of thin film materials using resonant
vibration of MEMS structures
Dispositifs à semiconducteurs – Dispositifs microélectromécaniques –
Partie 12: Méthode d'essai de fatigue en flexion des matériaux en couche mince
utilisant les vibrations à la résonance des structures à systèmes
microélectromécaniques (MEMS)
INTERNATIONAL
ELECTROTECHNICAL
COMMISSION
COMMISSION
ELECTROTECHNIQUE
PRICE CODE
INTERNATIONALE
CODE PRIX U
ICS 31.080.99 ISBN 978-2-88912-689-7

– 2 – 62047-12  IEC:2011
CONTENTS
FOREWORD . 4
1 Scope . 6
2 Normative references . 6
3 Terms and definitions . 6
4 Test equipment . 7
4.1 General . 7
4.2 Actuator . 8
4.3 Sensor . 8
4.4 Controller . 8
4.5 Recorder . 9
4.6 Parallel testing . 9
5 Specimen . 9
5.1 General . 9
5.2 Resonant properties . 9
5.3 Test part. 9
5.4 Specimen fabrication . 9
6 Test conditions . 9
6.1 Test amplitude. 9
6.2 Load ratio . 10
6.3 Vibration frequency . 10
6.4 Waveform . 10
6.5 Test time . 10
6.6 Test environment. 10
7 Initial measurement . 10
7.1 Reference strength measurement . 10
7.2 Frequency response test . 11
8 Test . 11
8.1 General . 11
8.2 Initial load application . 11
8.3 Monitoring . 12
8.4 Counting the number of cycles . 12
8.5 End of the test . 12
8.6 Recorded data . 12
9 Test report. 12
Annex A (informative) Example of testing using an electrostatic device with an
integrated actuation component and displacement detection component . 14
Annex B (informative) Example of testing using an external drive and a device with an
integrated strain gauge for detecting displacement . 17
Annex C (informative) Example of electromagnetic drive out-of-plane vibration test
(external drive vibration test) . 20
Annex D (informative) Theoretical expression on fatigue life of brittle materials based
on Paris’ law and Weibull distribution . 23
Annex E (informative) Analysis examples. 27
Bibliography . 29

62047-12  IEC:2011 – 3 –
Figure 1 – Block diagram of the test method . 7
Figure A.1 – Microscope image of the specimen . 14
Figure A.2 – Block diagram of test equipment . 15
Figure B.1 – The specimens’ structure . 17
Figure B.2 – Block diagram of test equipment . 18
Figure C.1 – Specimen for out-of-plane vibration testing . 20
Figure C.2 – Block diagram of test equipment . 21
Figure E.1 – Example of fatigue test results for silicon materials . 27
Figure E.2 – Static strength and fatigue life of polysilicon plotted in 3D . 28

– 4 – 62047-12  IEC:2011
INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION
____________
SEMICONDUCTOR DEVICES –
MICRO-ELECTROMECHANICAL DEVICES –

Part 12: Bending fatigue testing method of thin film materials
using resonant vibration of MEMS structures

FOREWORD
1) The International Electrotechnical Commission (IEC) is a worldwide organization for standardization comprising
all national electrotechnical committees (IEC National Committees). The object of IEC is to promote
international co-operation on all questions concerning standardization in the electrical and electronic fields. To
this end and in addition to other activities, IEC publishes International Standards, Technical Specifications,
Technical Reports, Publicly Available Specifications (PAS) and Guides (hereafter referred to as “IEC
Publication(s)”). Their preparation is entrusted to technical committees; any IEC National Committee interested
in the subject dealt with may participate in this preparatory work. International, governmental and non-
governmental organizations liaising with the IEC also participate in this preparation. IEC collaborates closely
with the International Organization for Standardization (ISO) in accordance with conditions determined by
agreement between the two organizations.
2) The formal decisions or agreements of IEC on technical matters express, as nearly as possible, an international
consensus of opinion on the relevant subjects since each technical committee has representation from all
interested IEC National Committees.
3) IEC Publications have the form of recommendations for international use and are accepted by IEC National
Committees in that sense. While all reasonable efforts are made to ensure that the technical content of IEC
Publications is accurate, IEC cannot be held responsible for the way in which they are used or for any
misinterpretation by any end user.
4) In order to promote international uniformity, IEC National Committees undertake to apply IEC Publications
transparently to the maximum extent possible in their national and regional publications. Any divergence
between any IEC Publication and the corresponding national or regional publication shall be clearly indicated in
the latter.
5) IEC itself does no
...