各阶段常见的典型失效机理

 

前段制程（FEoL）常见的失效机理

1）与时间相关的电介质击穿（TDDB）-- 栅极氧化物

2）热载流子注入（HCI）

3）负偏压温度不稳定性（NBTI）

4）表面反转（移动离子）

5）浮栅非易失性存储器数据保持

6）局部电荷捕获非易失性存储器数据保持

7）相变（PCM）非易失性存储器数据保持

后段制程（BEoL）常见的失效机理

1）与时间相关的电介质击穿（TDDB）-- low k材质电介质/移动铜离子

2）铝电迁移（Al EM）

3）铜电迁移（Cu EM）

4）铝和铜腐蚀

5）铝应力迁移（Al SM）

6）铜应力迁移（Cu SM）

封装/界面常见的失效机理

1）因温度循环和热冲击导致的疲劳失效

2）因温度循环和热冲击导致的界面失效

3）因高温导致的金属间化合物和氧化失效

4）锡须

5）离子迁移动力学（PCB）--组件清洁度

 

本文对因温度循环和热冲击导致的界面失效模型进行研究。

 

与因温度循环和热冲击导致的疲劳失效模型基本一致，但主要关注于不同材料之间的界面的链接可靠性。

 

在温度循环和温度冲击后，超大规模集成电路（ULSI）器件中可能会发生界面失效。界面失效可能包括：

 

• 爆米花效应（Popcorn Effect）：通常指在特定的环境或条件下，某种物质或结构出现类似爆米花爆开的现象。在电子领域，“爆米花”现象被定义为模塑料与硅芯片、引线框架或基板之间界面分层断裂，通常是由于界面附着力不足，尤其是在存在湿气的状况下，器件回流焊时很容易发生发生爆米花效应。通常使用Paris幂率模型进行建模。

 

 

• 薄膜龟裂可能发生在脆性介电薄膜中（尤其是当脆性薄膜处于静力拉伸应力下时）。通常使用Paris幂率模型进行建模。

• 如果温度循环导致模塑料从硅芯片表面逐渐分层，引线键合可能会“翘起”（引线和金属间化合物与键合焊盘断开）。如果引线的晶粒尺寸过大，在温度循环下，引线键合也可能在球上方以“竹节”的方式断裂。通常使用Coffin-Manson或Paris幂率模型进行建模。

• 如果芯片边缘附近存在焊接空洞，芯片在温度循环或温度冲击时可能会发生断裂。通常使用Coffin-Manson模型进行建模。

建模的温变参数条件通常是所关注的范围（即加速应力与正常使用条件），但在某些条件下，需要其他条件来进行可靠性估计（AF或FITs）：

 

1） 温度循环范围跨越了一个临界温度，例如Tg（聚合物的玻璃化转变温度）。

2） 在感兴趣的温度范围内，材料性能发生显著变化。例如，铅基焊料的应力松弛率在室温附近发生了很大的变化。

 

Paris幂率模型：

1963年由Paris和Erdogan提出了基于断裂力学方法的Paris幂率定律。由Paris幂率定律对裂纹扩展速率的对数与应力强度因子的对数进行建模，发现有三个区域：

a）区域I代表亚临界裂纹萌生；

b）区域II代表缓慢裂纹生长速度；

c）区域III代表裂纹快速扩展。

Paris幂率定律用于根据幂律表征疲劳载荷下的亚临界裂纹扩展，使用应力强度因子表示如下：

 

或者可选择使用能量释放率而不是应力强度因子：

 

 

Paris幂率定律指数m对于几种不同的界面断裂机制的值如下表所示：

 

Paris幂率模型寿命预估示例：

目标：

计算日常使用环境中模塑料从硅芯片（低k或FTEOS与 Cu）分层的加速因子（AF），并与汽车环境中的进行比较。

假设条件：

1）日常使用环境条件为：每日温度波动20°C一次

 

2）汽车环境条件为：每天4个循环，温度波动80°C

 

3）遵循使用能量释放率的Paris幂率定律：dN∝(ΔG)–m

 

4）m=4

 

AF计算公式：

AF=(ΔGoffice/(ΔGauto)–m

 

假设条件代入计算：

 

AF=(20/80)–4=256/循环，但汽车环境精力的温循更多

 

结论：对汽车环境与日常使用环境进行比较评估，会发现日常使用环境故障前时间（TTF）值是汽车环境的1000倍，其中256倍是由于温度差的差异，4倍是由于循环频率。

 

 

来源：Top Gun实验室

关键词： 半导体器件