MEMS / MOEMS의 신뢰성 설계

MEMS 란 Micro-Electro-Mechanical System 의 약어로서 마이크론 단위의 기계적 구조물과 전자회로가 결합된 시스템을 의미한다. 여기서 광과 MEMS기술이 접목되어 MEMS와 광이 결합한 MOEMS란 분야가 수년 전부터 각광받기 시작하였다. MEMS/MOEMS란 수십에서 수백 마이크론 크기의 아주 작은 구조물을 마이크론 단위의 정밀도로 가공하고 여기에 전자회로나 광부품 등을 결합 또는 집적화 시켜 원하는 기능을 수행할 수 있도록 만든 초소형 전자/광 시스템을 말한다. 이와 같이 MEMS 기술을 이용한다면 종래의 기계, 광 부품 및 시스템 등의 크기와 전력소모를 획기적으로 줄일 수 있으며 동시에 공간 활용도와 부품의 기능도 향상시킬 수 있게 될 것이다. MEMS 기술을 이용하여 현재 상용화 된 제품들로는 자동차용 압력 및 가속도 센서, 잉크젯 프린터용 헤드, 의료용 혈압계, 광통신용 스위치, 유량계, 이동통신기기용 마이크로웨이브 스위치 등을 들 수 있으며 이 제품들의 성능 및 신뢰성 향상을 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. MEMS Industry Group의 최근 보고서에 따르면 미국 MEMS 시장의 경우에 2000년 20~50억불 규모의 시장이 2004년에는 80~150억불의 규모로 성장할 것으로 전망되고, 현재 미국인 1인이 소유한 MEMS 소자의 개수가 1.6개에서 2004년에는 거의 5개로 늘어나며 연간 45 %의 성장을 보일 것으로 기대된다고 한다. Gartner Dataquest 자료에 의하면 MEMS 시장은 2005 년 8 억 달러로 성장할 전망이다. 이와 같은 성장의 배경에는 자동차 에어백용 센서, 잉크젯 프린터용 헤드, 혈압계 등과 같은 기존 MEMS 부품들의 수요증가에 더하여 여러 응용 분야에서의 MEMS 부품의 신규 수요 증가가 기대되고 있기 때문이다. MEMS 부품의 신규수요 증가가 예상되는 응용 분야로는 대표적으로 광통 신용 스위치 등 다양한 광통신 부품을 들 수 있으며, 조사 기관에 따라서 MEMS 시장 규모에 대한 전망에 수치적 차이는 있지만 공통적으로 지적하고 있는 사항은 MEMS/MOEMS 시장의 급속한 확대와 새로운 응용 분야의 등장에 대한 예상이다. 따라서 이러한 산업계와 시장의 요구에 부응하기 위한 기술 개발이 절실히 요구되고 있으며, 산업화를 향한 활발한 기술개발과 더불어 제품의 성공적인 상용화에 중점을 둔 연구 개발이 MEMS/MOEMS 분야의 중요한 이슈가 되고 있다. 여기서 MEMS/MOEMS 제품의 성공적인 상용화를 가능하게 하는데 필수적인 사항은 MEMS/MOEMS의 신뢰성 확보를 위한 신뢰성 최적 설계이다. MEMS/MOEMS 소자의 설계 시 치수와 양산 시 제작 오차로 인한 치수 차이에 의한 생산 수율의 문제가 발생할 수 있으며, 온도 변동과 외부 충격, 습도 변화 등의 작동 환경에 따른 소자 성능의 변동이 발생되는데 이를 최소하기 위한 신뢰성 확보가 매우 중요하다. 따라서, 제작 오차 및 환경 변화 등의 불확실성하에서 MEMS/MOEMS 소자가 요구되는 중요한 기능을 만족하는 동시에 높은 수율을 제공하여 경제성과 신뢰성을 확보할 수 있도록 최적 설계를 하는 것이 필요하다. MEMS/MOEMS의 경우 수율과 경제성에 영향을 미치는 파손 메카니즘은 솔더와 관련된 기존의 IC 패키지 어셈블리의 failure 경우와는 달리 좀 더 복잡하다. MEMS/MOMES의 기계적 신뢰성에 영향을 미치는 주요 인자는 다음과 같다.