Radio-Frequency (RF) Microelectromechanical system (MEMS) switches have become the promising devices due to their advantages such as higher off-impedance, lower insertion loss, and lower power consumption than conventional semiconductor switches. However, RF MEMS switches are limited by its reliability problem, due to occurring failures such as surface degradation, contact resistance increasing, and etc. Thus, it is important to achieve fundamental research of failure mechanisms and material selection to improve the reliability.
In this study, a nano-indenter is used to simulate DC switching of RF MEMS switches to characterize the contact reliability of contact materials and investigate the failure mechanisms. The nano-indenter is a tool for studying the mechanical properties on a submicroscopic scale and it could control small load and displacement with high accuracy and precision. It enables to evaluate contact material candidates directly without MEMS switches and study on the fundamental contact behaviors is also possible.
The contact reliability of Au contacts characterized in hot-switched condition; the contact was permanently shorted out after certain cycles, it showed slight contact resistance increasing before failure occurred. Above 10 mA, life cycle of Au contacts was dramatically decreased as increasing current flow. This showed Au contacts could not warrant in high power handling usages. On penetration depth change curves during switching cycles, some peaks had appeared before the failure. The load-displacement curve of the peak was shown as plastic deformation behavior and relatively longer displacement. This result implies the peaks of depth change curve could be an indicator of failure broken. The surface of contact area was deformed by melting and mass transfer to the sample side surface. It causes contact area decreasing and breaking electrical contacts. And EDS analysis had been performed and indicated that the black contaminant layer around the deformed area is mainly made of carbon. This explains the noticed contact resistance increase.
To improve contact reliability of RF MEMS switch, new alternative contact material is proposed in this study. Multilayer metal stack with a final Pt cladding on Au is presented, which combines the advantages of a low-resistivity core of Au with a harder surface coating of Pt. Its contact reliability is characterized and for blank test, pure Pt coating is presented and also characterized. Pt cladding on Au contacts and Pt contacts had longer life cycle than Au at high current of 100mA and the contact area was not deformed much as Au contacts, neither carbon contaminants existed. But in comparison, Pt cladding on Au contacts had lower contact resistance and minimum contact force than Pt contacts. Thus, Pt cladding on Au could be a good alternative selection for contact material for RF MEMS switch as high power handling application.
RF MEMS(Radio Frequency Micro Electromechanical System) 스위치는 종래의 반도체 소자와 비교하여 낮은 삽입 손실과 높은 고립특성, 우수한 선형성, 저전력 소모 및 광대역 주파수 특성등과 같은 장점을 바탕으로 RF 회로를 확보하기 위한 수단으로 많은 관심을 보여 왔다. 하지만, RF MEMS 스위치는 접촉면의 변형이나 접촉 저항의 증가 등으로 동작 실패의 문제 발생이 일어나며 이로 인한 부족한 신뢰성으로 상용화 및 보급이 늦어지고 있다.
본 연구에서는 접촉 물질의 신뢰성을 평가하기 위해 나노인덴터를 사용하여 RF MEMS 스위치의 접촉동작을 모사한 RF MEMS 스위치 신뢰성 특성평가 시스템을 개발 하였으며, 이를 이용하여 hot-switching 조건하에서 RF MEMS 스위치의 접촉물질로 사용되는 Au의 전기적 접촉 실패가 일어나기까지의 접촉 life cycle관찰로 신뢰성을 평가하였다. 그 결과 약간의 접촉 저항 증가가 일어났고, 전류가 더 이상 흐르지 않게 되는 전기적인 접촉 실패가 일어났으며 또한, 접촉 횟수에 따른 접촉 저항의 증가접촉 부분에 흘려주는 전류의 양을 증가시킴에 따라 Au접촉은 그 접촉 수명이 급격하게 주는 것을 확인하였다. 접촉 손상 분석 결과, 두 접촉면이 접촉할 때 전류의 흐름에 의한 열 발생으로 접촉 표면이 부분적으로 녹아 변형을 일으키면서 결과적으로 접촉 면적을 감소시켰다. 이에 대한 나노인덴터의 접촉 침투 깊이 변화 curve중 소성 변형의 peak의 존재가 RF MEMS 스위치의 failure의 발생 가능성을 나타내는 지표로 추정할 수 있었다. 또한 공기 중에 있는 hydrocarbon이 접촉 표면에 흡착 되면서 접촉 저항 증가 및 접촉 failure를 일어나게 하였다.
본 연구에서 제안된 Pt/Au 적층과, 그 대조군으로 준비된 순수한 Pt 접촉의 경우 Au 접촉의 경우보다 동일한 전류량에서 더 긴 접촉 수명을 보여 주었다. 접촉 표면은 변형이 많지 않았으며, 평탄화가 일어난 것을 확인 할 수 있었고, 이는 경도, 강도, 녹는점 모두 Au보다 큰 Pt의 물성으로 인한 것으로 판단된다. hydrocarbon도 접촉 표면에 존재하지 않아, 접촉저항에 영향을 미치지 않은 것으로 확인되었다. 평가된 세 물질들에 대해서 접촉저항은 Au, Pt/Au, Pt 순으로 증가하였으며, 최소 접촉 하중 역시 같은 순서로 증가되는 것으로 나타났다. Pt/Au와 Pt가 동일한 수준의 접촉 수명을 가지고 있다고 가정한다면, Pt/Au 적층은 Pt에 비해 더 작은 접촉 저항과, 더 작은 최소 접촉 하중 및 고 전류에 대한 Au보다 좋은 신뢰성으로, MEMS 스위치 접촉 물질로 유리한 선택으로 판단된다.
