Reliability and failure analysis of RF-MEMS switches for space applications

The aim of this thesis is to perform an electrical characterization and several reliability tests on different kind of RF-MEMS switches in order to analyze which are the weaknesses and the strengths of this new technology. Electrical characterizations have been done using two different measurement systems. The first, based on a vector network analyzer and a power supply, has been used to test the RF performances of the devices and to extract the best actuation and deactuation voltages. The second set up, based on the internal RF signal generator of the VNA, and an 8-GHz digital signal oscilloscope, has been used to characterize the electrical performances like actuation time, release delay. Cycling stress, one of the most common test used to understand the robustness of this kind of devices, has been per- formed on different topologies of switch in order to better understand how some parameters, such as the shape of the beams or the actuation voltage, impact on the reliability of the device. Furthermore, the influence of continuous actuation stress on the reliability of dielectric-less switches has been investigated, comparing different designs and studying the variation of the main electrical parameters induced by the stress and the successive recovery phase. Other two critical issues investigated in this thesis are the sensitivity to EOS/ESD events of RF-MEMS switches under actuated and not-actuated conditions and their sensitivity to different kind of radiation, protons and X-rays. The sensitivity to EOS/ESD has been studied between RF-OUT and ground with no bias voltage applied (up-state membrane), and between RF-OUT and GND at different voltages (fully actuated / partially bended membrane). Moreover, the same devices have been characterized under HBM regime in order to study if any correlation between TLP tests and the Human Body Model exists for these devices. Concerning the radiation effects, the impact of 2MeV protons and l0keV x-rays radiation stresses has been analyzed at increasing radiation dose and during subsequent annealing at room temperature.

Lo scopo di questa tesi è caratterizzare da un punto di vista elettrico ed affidabilistico diversi tipi di RF-MEMS switches al fine di analizzare punti di forza e debolezze di questa nuova tecnologia. Le caratterizzazioni elettriche sono state effettuate utilizzando due differenti set-up di misura. Il primo, composto da un network analyzer e da un generatore di tensione, è stato utilizzato per valutare le performance RF dei dispositivi ed estrarre le migliori tensioni di attuazione e disattuazione. Il secondo, basato sul generatore interno di segnale del network analyzer e da un oscilloscopio digitale è stato utilizzato per misurare i tempi di attuazione e disattuazione. Il cycling stress, uno dei metodi più comunemente utilizzati per valutare l’affidabilità di tali siwtch, è stato effettuato su diverse tipologie di dispositivi al fine di valutare quale fosse l’impatto di parametri come la forma delle struttura sospesa o la tensione di attuazione sull’affidabilità. Si è inoltre studiato l’effetto di un’attuazione continua su dispositivi privi di dielettrico, paragonando quattro diversi tipi di layout e studiando il cambiamento dei principali parametri elettrici durante lo stress e durante la fase di recupero. Altri 2 problemi critici che si sono affrontati in questa tesi sono la sensibilità ad eventi EOS/ESD di switch RF-MEMS sia attuati che disattuati e gli effetti di irragiamenti con protoni o raggi X. Test EOS/ESD sono stati condotti tra i pad RF-OUT e GND senza una tensione applicata (quindi con la membrana sospesa sollevata), e tra RF-OUT e GND a differenti tensioni (membrana a contatto e parzialmente piegata). Gli stessi dispositivi sono stati inoltre in regime HBM per vedere se esiste una correlazione tra i test condotti con TLP e lo Human Body Model. Per quanto riguarda gli irragiamenti, si è studiato l’effetto di protoni con energia pari a 2MeV e raggi X a 10KeV durante lo stress incrementando la dose e durante la fase di annealing a temperatura ambiente.